Gestión ambiental y producciones más limpias en la produc-ción de bioactivos y vitrofural. Environmental managementand cleaner production in the production of bioactive and vitro-fural

María Isabel Díaz-Molina, Iván L. Rodríguez-Rico, Zenaida Rodríguez-Negrín, Mirta E. Cuellar-de la Cruz

Aptitud de la industria azucarera cubana para la asimilaciónde una nueva norma de calidad de azúcar crudo. Attitude ofCuban sugarcane industry for the assimilation of a new qualitystandard for raw sugar

Marlen C. Alfonso-Lorenzo, Teresa Mesa-González, Jesús C. Mesa-Oramas, Ramón Consuegra-del Rey,

Carlos Peña-Velázquez, Eduardo Casanova-Cabezas

Microencapsulación: una vía de protección para microorga-nismos probióticos. Micro-encapsulation: a mean for the pro-tection of probiotic microorganisms

Heidy Pérez-Leonard, Gloria Bueno-García, María AntonietaBrizuela-Herrada, Keyla Tortoló-Cabañas, Cristina Gastón-Peña

Líquidos iónicos para la transformación de biomasa lignoce-lulósica. Ionic liquids for lignocellulosic biomass transforma-tion

Daisy Dopico-Ramírez, Yelenys Hernández-Corvo, Vivian León-Fernández, Eduardo Bordallo-López

Evaluación fármaco-toxicológica del jugo de caña deshidrata-do. Pharmaco-toxicological evaluation of dehydrated cane juice

Angela Ofelia Díaz-Llanes, Gastón García-Simón, Yamilka Herrera-Ledesma, Dayamí Borges-Rodríguez, Arturo Valdivieso-García

Estudio de la digestión anaerobia mediante el ensayo de acti-vidad metanogénica empleando vinazas con diferentes conte-nidos de sulfatos. Study of anaerobic digestion by methanoge-nic activity test using vinasse with different sulphate content

Yaniris Lorenzo-Acosta, Juana María Chanfón-Curbelo, Ileana Pereda-Reyes

Obtención y caracterización de la celulosa hidrofóbicamentemodificada. Preparation and characterization of hydrophobi-cally modified cellulose

Vivian León-Fernández, Jacques Rieumont-Briones, Eduardo Bordallo-López, Daisy Dopico-Ramírez,

Enma Peña-Sacerio, Isis Menéndez-Cuesta-Mirabal

Obtención de celulosa microcristalina a partir del bagazo de lacaña de azúcar. Microcristalline cellulose from sugarcanebagasse

Lucía García-García, Eduardo Bordallo-López, Daisy Dopico-Ramírez, Dolores Cordero-Fernández

ÍNDICE/CONTENTS

51

45

38

26

14

9

3

57

3

María Isabel Díaz-Molina1, Iván L. Rodríguez-Rico2, Zenaida Rodríguez-Negrín1,Mirta E. Cuellar-de la Cruz1

1. Centro de Bioactivos Químicos. Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní, km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba

2. Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química Farmacia. Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní, km 5½

Santa Clara. CP 54830, Villa Clara, Cuba.email: midiaz@uclv.edu.cu

RESUMEN

Se demuestra que las Producciones Más Limpias y el Sistema de Gestión Ambientalredundan en el cumplimiento de las políticas y normas ambientales, reducen los costosoperativos, agregan valor y aumentan la competividad en la Planta de Producción delCentro de Bioactivos Químicos. Esta instalación cumple una función importante al pro-ducir ingredientes farmacéuticos activos y aditivos como medios de cultivo, para su usoen la producción de medicamentos y en la agricultura, respectivamente. Se realizó elanálisis de los flujos de materiales a través de todo el proceso productivo. Para iniciarla implantación del Sistema de Gestión Ambiental se definió la política ambiental, losobjetivos, las metas ambientales y el plan de acción del centro. Como resultado, se gene-raron opciones de Producción Más Limpia en los procesos de producción de bioactivos yvitrofural, que permitieron mejorar el desempeño ambiental de la entidad.Palabras clave: Producción Más Limpia, análisis de proceso, Sistema de GestiónAmbiental, desempeño ambiental.

ABSTRACTIt is demonstrated that Cleaner Productions and Environmental Management Systemleads to the fulfillment of all environmental policies and standards, to reduce operationexpenses, upgrade productions and improve competitiveness in the Production Plant ofChemical Bioactive Center. This installation plays an important role in the production ofpharmaceutical ingredients and additives for culture media intended to produce medicaland agricultural compounds. The analysis of material flow was analyzed through thewhole process. To kick off the implementation of the Environmental Management Systemthe environmental policy was settled down, as well as, the objectives, environmentalgoals and action program. As a result, different options of Cleaner Productions were gene-rated for processes of bioactives and vitrofural production which allowed a better envi-ronmental performance of the center.Keywords: Cleaner Production, process analysis, Environmental Management, environ-mental performance.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 3 - 8

INTRODUCCIÓN

La industria farmacéutica comprende lafabricación de materias primas y de espe-cialidades (medicamentos, preparados parauso terapéutico o profiláctico, etc.). Dentrode las materias primas se encuentran losprincipios activos terapéuticos, los produc-tos intermedios y los excipientes o sustan-cias auxiliares (1).

La fabricación de IngredientesFarmacéuticos Activos (IFAs) constituye unpequeño, pero importante fragmento en elsector de fabricación de medicamentos y,lógicamente, no escapa de la situación quepresenta la generalidad de esta industria (2).

En la realización de estos procesos se pre-sentan diversos problemas ambientales, portanto, constituyen una fuente generadora deresiduos líquidos, sólidos y emisiones a laatmósfera que contaminan el medio ambiente.

El Centro de Bioactivos Químicos inves-tiga, desarrolla, produce y comercializa deforma mayorista productos con acción bio-lógica, obtenidos por síntesis química usan-do el furfural como materia prima, para ser

utilizados en la salud humana, veterinaria yen la esfera agrícola.

Para resolver los problemas ambientalesen la Planta de Producción es de significati-va importancia realizar el análisis de los flu-jos de materiales, a través de todo el proce-so productivo (3).

La implementación de un programa deProducción Más Limpia es un proceso com-puesto de 5 etapas, como se observa en lafigura 1 (4). • Planeamiento y organización.• Auditoria de Producción Más Limpia.• Estudio de factibilidad.• Implementación y seguimiento de las

opciones de Producción Más Limpia.• Mantenimiento.

Por su importancia se destaca la etapa deauditoría que es indispensable para desarro-llar las bases técnicas y financieras del pro-grama. En esta etapa se realizan las siguien-tes actividades:

1. Levantamiento de la información• Recopilar información sobre los procesos.

4

Figura 1. Etapas para la implementación de un Programa de Producción Más Limpia.

Fuente: Centro de EficienciaTecnológica. Guía de ProducciónMás Limpia. Lima, 2005.

• Definir y evaluar las actividades de laempresa.

• Enfocar el trabajo del equipo auditor enlas áreas prioritarias de la planta.

• Análisis de resultados.• Elaboración de balances de materiales y

de energía para las operaciones unitariasprioritarias.

• Definir las causas de los flujos de contami-nantes y de las ineficiencias energéticas.

2. Generación de opciones de ProducciónMás Limpia• Desarrollar opciones de Producción Más

Limpia.• Preseleccionar las opciones generadas.

Las herramientas de Producción MásLimpia como análisis de entradas/salidas,análisis de flujo de materiales y flujos deenergía construyen las bases de un sistemade información que permite determinar laeficiencia de los flujos de materiales y ener-gía y la efectividad de las mediciones. Estolos hace una herramienta valiosa en lamejora del desempeño ambiental y técnico.

Es evidente que la Producción MásLimpia y la norma ISO 14001 forman unconjunto acoplado y se apoyan mutuamen-te para que la organización disminuya suefecto al medio ambiente (5).

El Sistema de Gestión Ambiental(SGA), a su vez, proporciona orden y con-sistencia para que las organizacionesorienten las preocupaciones ambientales através de la asignación de recursos, la pre-cisión de responsabilidades, y la evalua-ción continua de las prácticas, procedi-mientos y procesos (6).

La gestión ambiental es una parte inte-gral del sistema de gestión global de unaorganización, y su diseño es un procesocontinuo e interactivo. La estructura, res-ponsabilidades, prácticas, procedimientos,procesos y recursos para implementar polí-ticas, objetivos y metas ambientales, pue-den coordinarse con los esfuerzos existentesen otras áreas (operaciones, finanzas, cali-dad, salud y seguridad ocupacional) (6).

Las normas internacionales sobre ges-tión ambiental tienen como finalidad pro-porcionar a las organizaciones los elemen-tos de un sistema de gestión ambiental(SGA) eficaz que puedan ser integrados conotros requisitos de gestión para controlar de

forma adecuada el impacto de las activida-des en el medio ambiente (7).

MATERIALES Y MÉTODOS

En el desarrollo de esta investigación seintegra la estrategia de Producción MásLimpia al diseño del Sistema de GestiónAmbiental mediante el empleo de técnicasde análisis de procesos. Se realiza el balan-ce de materiales y se tiene la informaciónpara cada una de las operaciones unitariasrecogidas en la Orden de Producción delProducto Intermedio G-O, Orden deProducción del Ingrediente FarmacéuticoActivo G-1 y el Registro de Producción devitrofural.

Se determina la fuente, cantidad y causade los residuos, así como las emisiones. Losdatos se observaron, midieron y registraron.

Se define y aplica la política ambientaldel centro, los objetivos, las metas ambien-tales y su plan de acción. Se generan opcio-nes de Producción Más Limpia para mejorarel desempeño ambiental de la entidad.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El diagrama de flujo de la figura 2, mues-tra la entrada y salida de materiales de losprocesos que se realizan en la Planta deProducción.

A continuación se presenta el balance demateriales, realizado en el taller de obten-ción de G-0 para algunas de las corrientes,teniendo en cuenta los resultados de laintensificación acometida en el taller (8).

Balance de materiales para una alimenta-ción de 14 moles de furfural

FF + NM + alcohol IBA G-0 + H2O

Las condiciones de entrada de los reacti-vos son:VNM = 1748 mL=1,748 x 10-3 m3

VFF =1185 mL=1,185 x 10-3 m3

VIBA = 20,3 mL= 2,03 X 10-5 m3

MMNM = 61,04 g/molMMIBA = 73,14 g/molMMFF = 98,086 g/molMMG-0 = 139 g/molmNM =1,835 kgmFF = 1,373 kgmIBA = 0,037 kg

5

A: licor de síntesisB: PICC: G-0 crudoB = 1890 gC = 1391 gXFFB = 17,62 %XFFC = 1,13 %

6

Purificación de Materias PrimasMaterias primas, energía, agua Colas de la purificación, aguas de lavado, gases

Furfural Purificado

Taller de síntesis de G-0NM, IBA, Alcohol A, energía, agua PIC, aguas de lavado, aguas de las trampas

G-0 crudo

Taller de purificación de G-0 crudo

Carbón activado, Alcohol A, energía, agua, papel de filtro

Carbón residual, Alcohol impuro, aguas de lavado, papel de filtro contaminado, partículas

G-0 puro

Taller de síntesis de G-1Bromo, CS2, Piridina, Carbón activado, Anhídrido acético, Alcohol A, energía, agua

Licor residual, alcohol impuro, Carbón impuro, gases, aguas contaminadas de las trampas yaguas de lavado

G-1 crudo

Taller de purificación de G-1 crudoCarbón activado, Alcohol A, energía, papel de filtro, agua

Carbón residual, Alcohol impuro, gases, papel residual, partículas

G-1 técnico

Purificación de G-1 técnico

Alcohol A, energía, agua Alcohol impuro, gases, aguas de lavado, partículas

IFA G-1

Disolución, Fusión y Secado de la Dispersión Só l. de G-1

VITROFURAL

PEG 6000, energía, agua Partículas

Figura 2. Diagrama de flujo de los procesosde la Planta de Producción.

Sistema centrífuga

Se plantea balance total en la centrífuga:

A = B + CA = 1890 g +1391 g = 3281 g

Al realizar un balance parcial, paraconocer la composición de furfural en ellicor de síntesis, se consideró:

XFFA . A = XFFB * B + XFFC * CXFFA.3281 g = 0,1762* 1890 g + 0.0113* 1391 gXFFA = 10.62 %mFF en el licor = 0,1062 . 3281 g = 348,44 g

Como resultado del balance de materia-les en el sistema centrífuga, se obtuvo eldato de la masa del licor de la síntesis y lacomposición de furfural en ese licor.

Teniendo en cuenta las regulacionespara la producción del IngredienteFarmacéutico Activo (IFA) para medicamen-tos, se extreman las exigencias en la limpie-za de locales y sistemas auxiliares, así comoen la cristalería a utilizar en este tipo deproducción. Se realizó el monitoreo delagua de consumo y de las aguas residuales.

En la entidad se desarrolla una políticade la calidad para parámetros específicos ycon características de política madre. Estapolítica cumple con los requisitos exigidospor la NC ISO 14001:2004 /8/ y proporcionael marco de referencia para establecer yrevisar los objetivos y metas ambientales.Los objetivos ambientales son medibles através de indicadores ambientales estableci-dos para cada uno de los procesos definidosen la Planta de Producción.

Después de realizar la RevisiónAmbiental Inicial en la Planta deProducción se elabora el Programa deGestión Ambiental. Es válido destacar queen este caso se tuvo en cuenta también elresultado de la auditoría de calidad realiza-da en el año 2007 cuyas no conformidadestuvieran que ver con medidas deProducción Más Limpia.

Opciones de Producción Más LimpiaCambio del aceite Purolub 22 por aceite

Regular SAE 50 (no contiene aditivos de deter-gencia o dispersantes y mayor estabilidad quí-mica) usado como medio de calentamiento.• Disminución de la emanación de vapo-

res, fugas procedentes del baño de aceitecolocando una junta de neopreno en el

espacio que hay entre el baño de aceite ysu tapa, y poner tapas a los espacios quequedan abiertos cuando no se produce aplena capacidad.

• Se implanta un control periódico de lacalidad de las propiedades del aceite uti-lizado en la síntesis de G-O, con el obje-tivo de determinar el tiempo de vida útilde este insumo, parámetro indicador decontaminación ambiental en el local detrabajo.

• Cambio del baño de 5 plazas que tiene 12resistencias de 1,25 kW por el baño de 3plazas que tiene 8 resistencias de 1,25kW.

• Se fija el flujo de salida de agua para lalimpieza en los talleres de G-0, G-1 yvitrofural para estabilizar la salida haciala planta de tratamiento de residuales.

• El carbón residual de la purificación y ellodo de la planta de tratamiento se utili-zan como combustible en la industria delcemento (Fábrica de Cementos deCienfuegos S.A).

CONCLUSIONES

1. La Producción Más Limpia y el Sistemade Gestión Ambiental facilitan el cumpli-miento de las políticas y normas ambien-tales, reducen costos operativos, agreganvalor y aumentan la competitividad en laproducción de bioactivos y vitrofural.

2. Se definen y aplican la política ambien-tal, los objetivos, las metas ambientales yel plan de acción que permiten iniciar laimplantación del Sistema de GestiónAmbiental en el Centro de BioactivosQuímicos.

3. Se generan opciones de Producción MásLimpia en los procesos de producción debioactivos y vitrofural que permitenmejorar el desempeño ambiental de laentidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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7

Fabricación de Productos Farmacéuticos:2da. ed. CECMED LaHabana. Cuba, 2006.

3. Fresner, J. La mitad es suficiente. Unaintroducción a la Producción Más Limpia.Graz-Bucaramanga, 2008 pp. 1-137.

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C. Introducción a la IngenieríaAmbiental para la Industria de Procesos.Chile. Departamento de IngenieríaQuímica. Facultad de Ingeniería.Universidad de Concepción, 2000 pp.8-40.

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8. Rodríguez, Z. Intensificación del procesode producción del 2- (2 nitrovinil) fura-no. Tesis para optar por el grado deDoctor. Facultad de Química - Farmacia.Centro de Bioactivos Químicos.Universidad Central Marta Abreu de LasVillas. Cuba, 2002.

8

9

Marlen C. Alfonso-Lorenzo, Teresa Mesa-González, Jesús Mesa-Oramas, Ramón Consuegra-del Rey, Carlos Peña-Velázquez*, Eduardo Casanova-Cabezas

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarCarretera de Boyeros a la CUJAE, km 2½. Boyeros. La Habana. Cuba.

email: marlen.alfonso@icidca.edu.cu

RESUMEN

La norma cubana del azúcar crudo estándar, con 5 años de vigencia, fue revisada ymodificada en el año 2011 por el Grupo Azucarero AZCUBA. Para valorar los nuevosrequisitos de calidad fueron analizados resultados reportados en los últimos 10 años por:LEYCAL (Laboratorio acreditado por NC ISO/IEC 17025 de la Dirección de Gestión deCalidad del ICIDCA), laboratorios de las terminales de exportación y laboratorios de loscentrales azucareros (Datos procesados por la Sala de Análisis de AZCUBA). Se consideró además el análisis de la correspondencia de las tecnologías existentes enlas fábricas de azúcar con el nuevo propósito. La valoración de los aspectos referidosindicó la aptitud de la industria azucarera cubana para cumplir la nueva norma en elaño 2012, sin incurrir en novedades tecnológicas adicionales.

Palabras clave: calidad, azúcar crudo, norma cubana, mercado azucarero.

ABSTRACT

Standard raw sugar norm was reviewed and modified by AZCUBA Sugar Group in 2011.Product quality requirements were evaluated according to labs reports from: LEYCAL (NCISO/IEC 17025 reputable lab), sugar exporting terminals labs and sugar factories labs.Available technology and its relation with norm change were also considered. The eva-luation indicates that Cuban sugar industry is able to establish a new standard with avai-lable technologies.

Keywords: quality, raw sugar, Cuban standards, sugar market.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 9 - 13

INTRODUCCIÓN

La mayoría de las refinerías en elmundo, incluyendo las cubanas, han elimi-nado el subproceso de afinación, por lo querequieren azúcares crudos de mayor cali-dad. La mayor proporción del azúcar que secomercializa actualmente se refiere a cru-dos denominados de alta Pol (very high pol-VHP) con valores del parámetro iguales osuperiores a 99,0 %, y de muy alta Pol(VVHP), con valores mayores que 99.3 %(1). Por otra parte, hay que considerar queen la actualidad las "primas de Pol" consti-tuyen el 3,75 % del precio de venta de latonelada de azúcar en el entorno compren-dido entre 96 y 99,3 %.

La situación anterior indicó la necesidadde que AZCUBA se proyectara en funciónde una producción competitiva, de aquí elcambio de norma de la calidad del crudosobre la base de evidencias acerca de laposibilidad de lograr el objetivo.

Se aclara que con anterioridad se hizoreferencia a la Pol por ser un indicador deindiscutible peso; sin embargo, hay un con-junto adicional de variables que son consi-deradas, a los efectos de la comercializacióndel azúcar crudo.

La tabla 1 contiene información sobrevalores de la norma previa (NC:85-2006) (2),de la recientemente aprobada en 2011(NC:85-2011) (3) y de la Instrucción10:2005, emitida por el otrora Ministerio delAzúcar. Se puntualiza que la referida

Instrucción contempla parámetros que com-plementan la nueva norma.

En la nueva norma aparecen nuevos pará-metros indicados en la Instrucción 10:2005 yse han cambiado siete valores (sombreadosen la tabla) de los once originales.

Es objetivo del presente trabajo analizarlas posibilidades que tienen las fábricas deazúcar cubanas de alcanzar las nuevas exigen-cias en un plazo breve, por lo que a continua-ción se valoran aspectos tecnológicos y esta-dísticas derivadas de la producción azucarera.

Se hace un análisis de los parámetrospolarización, color Horne, humedad, inso-lubles, tamaño de grano y partículas ferromagnéticas y no de los parámetros restan-tes, debido a la carencia de información quepermita un análisis riguroso sobre el restode los parámetros cuya importancia no sedesconoce.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se realizó el análisis de las tecnologíasintroducidas en las fábricas azucareras enlos últimos 15 años y se definió que, entrelas que producen mayor impacto favorablesobre la calidad del azúcar crudo, seencuentran:• Coladores rotatorios de jugo mezclado.• Aplicación del inhibidor enzimático IFO-

POL en la planta moledora.• Ingeniería para la reducción del tiempo

de retención de los jugos en el proceso,

10

Tabla 1. Valores comparativos de ambas normas

Parámetros Instrucción #10:2005

NC: 85-2006

NC: 85-2011

Factor de seguridad (máx.) 0,25 0,25 Polarización (oZ máx.) 98,8 99,0 Color ICUMSA (UCI máx.) 2000 1500 Dextrana (ppm máx.) 300 300 Humedad (% máx.) 0,25 0,20 Cenizas (% máx.) 0,25 0,20 Partículas ferromagnéticas (ppm máx.) 6 6

Color Horne (máximo) 18 15 Almidón (ppm máx.) 200 250

Tamaño de grano (% sobre malla 20, máx.) 55 60 Insolubles (% máximo) 0,04 0,04 Azúcares reductores (% máx.) 0,30 0,30

esencialmente en el subproceso de puri-ficación.

• Explotación del esquema de doble semi-lla en el subproceso de cristalización.

En epígrafe posterior se puntualizan losefectos de estas tecnologías sobre la calidaddel azúcar.

Para analizar la tendencia de algunos delos principales parámetros que caracteri-zan la calidad del azúcar en los últimos 10años, se utilizaron como referencia basesde datos de LEYCAL y TECNOAZÚCAR(empresa a cargo de los laboratorios ubica-dos en las terminales de azúcar).Adicionalmente, se valoró el comporta-miento estadístico de la calidad del azúcaren todas las fábricas que operaron en lazafra 2011 en cuanto a pol, humedad,color, insolubles, tamaño de grano y partí-culas ferromagnéticas. Para ello se tomócomo referencia la base de datos de AZCU-BA sobre cada fábrica, la que fue procesa-da en un libro EXCEL, con la capacidad deacceder a cada una mediante un algoritmoautomatizado de búsqueda.

El procesamiento de datos tomó en con-sideración el conjunto de indicadores con-tenidos en la tabla 2.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El efecto de las tecnologías que se intro-dujeron sobre la calidad del azúcar se resu-men a continuación:

Coladores rotatorios de jugo: Su efectomás evidente es la disminución de insolu-

bles al disponer de mallas de menor diá-metro equivalente que los coladores estáti-cos tradicionales. Adicionalmente, loscoladores rotatorios incrementan la asep-sia, lo que disminuye la probabilidad deformación de oligosacáridos y polisacári-dos que desfavorecen la obtención de altacalidad del azúcar.

Inhibidor enzimático IFOPOL: Inhibe laproducción de oligosacáridos y polisacári-dos con el consiguiente impacto favorableque esto significa (4).

Disminución del tiempo de retenciónde los jugos: En los últimos 10 años se adop-taron medidas que redujeron considerable-mente el tiempo de retención de los jugosen el proceso. Como medida más relevantese encuentra la extensión de clarificadoresde una hora o menos de tiempo de residen-cia. La disminución del tiempo, además dereducir las pérdidas de sacarosa por inver-sión, reduce significativamente la destruc-ción de reductores que significa un notableincremento del color del azúcar (5).

Esquema de cristalización con doblesemilla: Pudiera ser lo más impactante.Después que durante muchos años Cubaprodujera 2 tipos de azúcar comercializable(A y B), se produjo el cambio tecnológicoque da lugar a un único tipo de azúcar des-tinada al comercio. Este último tipo de azú-car se deriva de masas cocidas de mayorpureza, lo que provoca un significativoincremento de la calidad, superior a lacorrespondiente a los dos tipos producidosen la etapa anterior.

La incorporación paulatina de estosdesarrollos dio lugar al incremento soste-

nido de la calidad del azúcar. En estesentido, las figuras 1, 2 y 3 (reportesde LEYCAL y de los laboratorios delas terminales de azúcar) (6) eviden-cian la tendencia de un mejor com-portamiento de la Pol, la humedad yel color durante las últimas 10 zafrashasta el año 2011. Los mejores valo-res correspondientes a los resultadosde LEYCAZ, respecto a los reportesde las terminales, responden a ladisminución de la calidad del azúcarpor concepto de almacenamiento ytransportación.

No se pudo disponer de la infor-mación de los laboratorios de las ter-minales correspondientes al año 2006.

11

Tabla 2. Valores e intervalos para analizar el comportamiento de variables

TG = tamaño de grano; PF = partículas ferromagnéticas.

Variable Valor Bajo

Intervalo Valor Alto

Pol (%) < 98,8 98,8 - 99,0 = 99,0 Humedad (%) < 0,20 0,20 – 0,25 > 0,25 Insolubles (%) = 0,03 0,03 – 0,04 > 0,04 Color (Horne) < 15 15 - 18 >18

TG (sobre malla 20 micras)

< 55 55 - 70 >70

PF (ppm) 0 a 1 1 - 6 > 6

La figura 4 muestra el comportamientode la Pol en azúcar tomando en cuenta elprocesamiento de los datos aportados portodas las fábricas. Cerca del 70% del azú-car producido tuvo más que 99 % de Pol ysolo un 3,49 % se produjo con menos de98,8 %. De lo explicado anteriormente, elhecho de que el promedio nacional fueigual a 99,06 % y el logro de más de 99 %por parte de 23 de las 39 fábricas quehicieron la zafra de 2011, indica que esposible cumplir una norma igual a 99 %

La figura 5 indica que poco más del 50 %del azúcar tuvo valores de humedad inferio-res al 0,20 % y que una cantidad menor,aunque no despreciable (17,55 %), estuvo enel rango comprendido entre 0,20 y 0,25 %.Los valores altos de humedad pueden estarrelacionados, entre otros factores, con tama-ños bajos de grano como parte de los repre-sentados en la figura 6, que permite puntua-lizar que alrededor del 15 % del azúcar tuvoun valor notablemente bajo e inferior al 55 %sobre malla 20. Esta situación puede supe-rarse mediante una mejor planificación delas operaciones en las áreas de tachos, por loque resulta factible cumplir la norma corres-pondiente a valores de 0,20 % y 60 % sobremalla 20 en los casos de la humedad y eltamaño de grano, respectivamente.

12

Figura 1. Comportamiento de la Pol en lasúltimas 10 zafras (hasta 2011).

Figura 2. Comportamiento de la humedaden las últimas 10 zafras (hasta 2011).

Figura 3. Comportamiento del color en lasúltimas 10 zafras (hasta 2011).

Figura 4. Comportamiento de la Pol a nivelnacional en la zafra 2011.

Figura 5. Comportamiento de la humedadponderada a nivel nacional en la zafra 2011.

Figura 6. Tamaño de grano a nivel nacionaldurante el año 2011.

La figura 7 indica que cerca del 90 % delazúcar producido tiene valores de colorinferior a 15 (escala Horne). Si a lo anteriorse le añade que el valor promedio nacionalfue de 11,37; puede precisarse que unanueva norma de valor igual a 15 es relativa-mente fácil de cumplir.

El valor promedio nacional en el caso delos insolubles fue de un aceptable 0,03 %; sinembargo, según la figura 8, cerca del 15 % delos valores fue superior a 0,04 %. La factibledisminución del contenido de materiasextrañas en la caña que se procesa en lasfábricas y el perfeccionamiento de los siste-mas de colado de jugo, permitirían eliminarlas anomalías de forma de concretar unanorma nacional de 0,03 % ya lograda en elúltimo año como promedio ponderado.

Cerca del 62 % de la producción azuca-rera exhibió un contenido de partículasferromagnéticas (PF en lo adelante) en elrango entre 1 y 6 ppm, mientras que un 14 %tuvo valores por encima de 6 ppm. La con-secuente aplicación de pinturas anticorrosi-

vas al finalizar la zafra, permitiría que losvalores relativos a PF sean sustancialmenteinferiores, por lo que la norma de 6 ppmresultaría fácil de cumplir.

CONCLUSIONES

• El análisis de los resultados productivosen los últimos 10 años indica la mejoracontinua de la calidad del azúcar crudocubano hasta el punto que, en 2011, seconcretan resultados que establecieronpautas para la formulación de una nuevanorma, la NC: 85- 2011.

• Los requisitos establecidos en la nuevanorma se pueden alcanzar con la tecno-logía existente.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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6. Reportes de LEYCAL, laboratorios deexportación de Tecnoazúcar y de la Salade análisis de AZCUBA de las zafrascomprendidas entre 2000 y 2011.

13

Figura 7. Comportamiento del color en azú-car a nivel nacional en el 2011.

Figura 8. Contenido de insolubles en azúcara nivel nacional en el año 2011.

Figura 9. Contenido de partículas ferromag-néticas en el año 2011.

14

Heidy Pérez-Leonard, Gloria Bueno-García, María Antonieta Brizuela-Herrada, Keyla Tortoló-Cabañas, Cristina Gastón-Peña

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarVía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba

heidy.perez@icidca.edu.cu

RESUMEN

Se detallan los retos que presentan los probióticos en los alimentos, teniendo en cuentafactores tecnológicos y gastrointestinales como el calor, el secado, el oxígeno, la tempe-ratura de almacenamiento, la acidez y las sales biliares. Se definen conceptos de interésy se describen los métodos de extrusión, emulsión y secado por aspersión que se hanempleado exitosamente para la encapsulación de probióticos con énfasis en sus ventajasy desventajas. Se hace referencia a la estructura de las microcápsulas, a materialesencapsulantes como alginato, quitosano, K-carrageno, goma arábiga, almidón, a losmecanismos para controlar la liberación de las células probióticas y a las aplicacionesde los probióticos microencapsulados, desde diferentes líneas de investigación.

Palabras clave: microencapsulación, liberación, probiótico, encapsulación.

ABSTRACT

Details the challenges posed by probiotics in food, taking into account technological andgastrointestinal factors such as heat, drying, oxygen, storage temperature, acidity and bilesalts. Concepts of interest are defined and described the methods of extrusion, emulsionand spray drying has been used successfully for the encapsulation of probiotics withemphasis on their advantages and disadvantages. Refers to the structure of the micro-capsules, encapsulating materials as alginate, chitosan, K-carrageenan, gum arabic,starch, to mechanisms for controlling the release of probiotic cells and microencapsula-ted probiotics applications from different research.

Keywords: microencapsulation, release, probiotic, encapsulation.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 14 - 25

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, existe una ampliavariedad de productos probióticos en elmercado basados en la salud, en forma desuplementos dietéticos y productos lácteosfermentados que presentan problemas conla viabilidad y funcionalidad de los probió-ticos. La pobre supervivencia de los probió-ticos en estos productos y en el tracto gas-trointestinal es afectada por un grupo defactores, debido a las condiciones ambienta-les, tecnológicas y gastrointestinales a loscuales son sometidos (1).

En este sentido, las investigaciones sehan enfocado hacia el empleo del procesode microencapsulación como estrategia,para mejorar la viabilidad de los probióticosen los productos y durante su paso por eltracto gastrointestinal. La microencapsula-ción es definida como la tecnología deempaquetamiento de sólidos, líquidos ygaseosos con materiales de recubrimientode distinta naturaleza, para dar lugar a cáp-sulas de tamaño micrométrico que puedenliberar su contenido de manera controladabajo la influencia de condiciones específi-cas (2). Los productos resultantes de esteproceso son denominados micropartículas,microcápsulas o microesferas, cuya estruc-tura puede formar un sistema de reservorioy el matricial. La liberación del contenidode las microcápsulas puede llevarse a cabopor distintos mecanismos (1).

Hasta el momento, los microorganismosprobióticos que han sido microencapsuladospertenecen a los géneros Lactobacillus,Lactococcus, Bifidobacterium, Enterococcusy Streptococcus. Muchos estudios handemostrado que los cultivos probióticospueden protegerse mediante una variedadde materiales encapsulantes. Dentro de estosse consideran los alginatos y sus combina-ciones, el almidón, los derivados de celulo-sa, la gelatina, la mezcla de xantano-gelati-na, carrageno y sus mezclas, las gomas (ará-biga y guar), el quitosano, las maltodextrinasy las proteínas de suero de leche (3 - 7).

Se han reportado varios métodos demicroencapsulación tales como extrusión,emulsión, lecho fluidizado y secado poraspersión, polimerización interfacial y coa-cervación, entre otros (4, 6, 8-11).

Las aplicaciones y ventajas de los probió-ticos microencapsulados se han discutido

desde diferentes ángulos e incluyen la pro-ducción de cultivos iniciadores, la produc-ción de productos alimenticios, la viabilidadde las células probióticas en el tracto gas-trointestinal y el uso en fermentadores (12).Los beneficios de la microencapsulación deprobióticos están dados por la facilidad deproducir cultivos sensibles al oxígeno, mejo-rar la supervivencia cuando se exponen asoluciones gástricas, bilis, acidificación,calor, congelación, estabilidad durante elalmacenamiento en forma seca y proteccióncontra contaminantes y bacteriófagos.

El objetivo de este trabajo es brindar lasnuevas tendencias sobre tecnologías más efi-cientes, como alternativa para solucionar losproblemas significativos de los probióticosen cuanto a viabilidad, incremento de la vidade anaquel, estabilidad y funcionalidad, asícomo mejorar su liberación y eficacia enlugar de acción. Además, conocer las bonda-des de los probióticos por sus beneficios yaplicaciones en forma microencapsulada.

RETOS DE LOS PROBIÓTICOS EN ALI-MENTOS

Los probióticos son microorganismosvivos, que administrados en cantidadesadecuadas, ejercen un efecto beneficiososobre la salud del hospedero (13). Han sidopropuestos para establecer y mantener lasalud de la microbiota del intestino y pre-venir la colonización de bacterias patóge-nas, para restablecer la microbiota benéficaagotada por antibióticos e incrementar laresistencia a infecciones entéricas y gas-trointestinales causadas por patógenos, locual contribuye al buen funcionamiento yprotección del tracto digestivo en animalesy humano (14- 16).

Sin embargo, se ha observado que lainfluencia del estrés, la acidez gástrica, lassales biliares, la sensibilidad a enzimas, losniveles de oxígeno, el pH, la presencia deinhibidores, la temperatura de almacena-miento y lacomposición de matrices de ali-mentos interfieren significativamente enpérdidas de la viabilidad y sobrevivencia delos microorganismos probióticos (tabla 1).

Se ha demostrado que la viabilidad,estabilidad y supervivencia de los microor-ganismos probióticos decrece rápidamenteen el alimento con valores de concentración

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por debajo de los necesarios para ejercer suefecto en el sitio de acción (17).

En este sentido, las estrategias propues-tas para incrementar la resistencia de cepasprobióticas contra el medioambiente adver-so son: selección de cepas resistentes aácido y bilis, empaquetamiento en los mate-riales protegidos de oxígeno, fermentacio-nes en doble etapas, pre-adaptación a variascondiciones de estrés, adición de micronu-trientes en forma de aminoácidos y pépti-dos, y microencapsulación (18 - 19).

De las estrategias anteriores, ha sidodesarrollada con mayor enfásis la micro-encapsulación con el objetivo de proporcio-nar una protección adecuada a las cepasprobióticas contra los diversos ambientesadversos. Por eso, se considera preferible

seleccionar cepas probióticas que ya seanresistentes a las condiciones gastrointesti-nales, tecnológicas y de procesamiento dealimentos antes mencionadas. La aplicaciónde esta técnica en probióticos evita sudegradación en el estómago, la liberacióncontrolada en el intestino, la estabilidad enel almacenamiento y el mejoramiento desus cualidades funcionales.

ENCAPSULACIÓN DE ADITIVOS PARA LAINDUSTRIA DE ALIMENTOS

La encapsulación de aditivos para laindustria de alimentos es una técnica consi-derada desde la antigüedad y crece su apli-cación en la conservación de productos ali-

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Tabla 1. Retos involucrados en la incorporación de probióticos en alimentos

Aspectos Retos de los probióticos

Factores asociados en el procesamiento de alimentos (17)

• El tratamiento con calor y el secado mejoran la vida anaquel de un alimento, pero son perjudiciales para la viabilidad de las bacterias probióticas.

• La restricción de la multiplicación de células bacterianas probióticas, una vez adicionada al alimento, provoca deterioro del producto.

• Las condiciones perjudiciales para la supervivencia de cultivos probióticos en productos lácteos fermentados por: acidez, pH, peróxido de hidrógeno, temperatura de almacenamiento, presencia de otras especies y cepas, concentración de los ácidos láctico y acético y presencia de la concentración de proteínas de suero de leche.

Exposición a ácido gástrico presente en el estómago (20, 21)

• La tolerancia a ácido es una cualidad importante que una cepa probiótica debe poseer porque el pH gástrico está alrededor de 2,0. Esta tolerancia puede ser mejorada por diversas vías: regulación de los genes responsables para la protección al estrés y por adaptación al medio ambiente acídico.

Exposición a sales biliares presentes en el fluido intestinal (21, 22)

• La capacidad de supervivencia en el tránsito mediante el intestino delgado y la tolerancia hacia sales biliares presentes.

• Algunas cepas son capaces de desconjugar los ácidos biliares usando la enzima hidrolasa sal biliar.

Intolerancia al oxígeno de cepas probióticas (21 - 24)

• El contenido de oxígeno y el potencial redox del medio ambiente son muy importantes para la viabilidad de los probióticos.

• Las cepas probióticas anaerobias son directamente afectadas por la presencia de oxígeno en el ecosistema microbiano intestinal y en condiciones de estrés oxidativo exógeno, causando extensión de la fase lag y limitación del crecimiento, morfología celular alterada y cambios en los perfiles de ácidos grasos celulares.

menticios al mantener su calidad organo-léptica (25). Al estar encapsulados presen-tan mayor estabilidad a factores ambienta-les y limitan su interacción con otros ingre-dientes, para asegurar los efectos requeri-dos. En aditivos probióticos funcionales, laencapsulación brinda un mayor beneficio alpropiciar que su liberación sea controlada.

La encapsulación se inició en 1930, conla utilización de materiales coloidales paradesarrollar las copias sin papel carbón. Elmétodo más antiguo empleado en alimentoses el secado por aspersión, el cual comenzóencapsulando sabores en goma arábiga (25,26). La selección del material de recubri-miento es el paso más importante para obte-ner un producto encapsulado porque,dependiendo de sus propiedades, se puedencumplir los requerimientos de protección.El método de encapsulación se elige deacuerdo con la aplicación requerida, eltamaño de cápsula deseado, el material aencapsular, el costo y las propiedades físi-cas y químicas del recubrimiento.

Ventajas de la encapsulación de aditivos enla industria de alimentos

La industria de alimentos utiliza la técnicade encapsulación por diferentes razones (26):• Disminuir la velocidad de evaporación o

de transferencia del material centralhacia el medio ambiente externo.

• Controlar la liberación del material cen-tral a condiciones predeterminadas, comoel cambio de pH o humedad, la aplicaciónde calor o los estímulos físicos.

• Reducir la interacción entre el materialcentral y el ambiente externo: algunosingredientes son sensibles al calor, la luzy la humedad y otros son altamente reac-tivos y tienden a oxidarse y volatilizarse.

• Facilitar la manipulación del materialcentral: la encapsulación convierte unlíquido a estado sólido, además previenela agregación, favorece el proceso demezclado y asegura que el material cen-tral se encuentre uniforme en la mezcla.

• Enmascarar el sabor del material central.

MICROENCAPSULACIÓN DE MICROOR-GANISMOS PROBIÓTICOS

Existen algunos términos que se hanempleado indistintamente en los últimos

años que son necesarios definir antes deabordar el tema de la microencapsulación.Dentro de estos se encuentran:

Inmovilización: Atrapar los microorga-nismos probióticos dentro o a través de unamatriz, los cuales son cubiertos pero nonecesariamente envueltos por la matriz,pudiendo existir exposición superficial delos mismos (27).

Encapsulación: Tecnología que envuel-ve y cubre completamente a los probióticoscon una matriz sin que exista exposiciónsuperficial de los probióticos al medioexterno.

Microencapsulación: Tecnología em-pleada para la envoltura de materiales sóli-dos, líquidos o gaseosos en pequeñas cápsu-las que pueden liberar su contenido a unavelocidad controlada bajo determinadascondiciones (2, 28). Es decir, las células sonretenidas dentro de una matriz encapsulan-te o membrana.

Las células inmovilizadas o entrampadasfueron principalmente utilizadas en aplica-ciones biotecnológicas, básicamente paramantener las células separadas de los meta-bolitos. Sin embargo, el proceso de microen-capsulación ha sido aplicado para estabilizarlas células, reforzar la viabilidad y estabili-dad durante la producción, almacenamientoy manejo de los cultivos ácido lácticos (29).Resulta importante señalar que el tamaño delos microorganismos probióticos (1-5 µm)elimina la posibilidad de emplear nanotec-nologías en su encapsulación.

Estructura de las microcápsulasLas microcápsulas formadas en el proce-

so de microencapsulación son pequeñas par-tículas que contienen un agente activo rode-ado por una cubierta o material pared. Lamisma está constituida por una membranafuerte, delgada, esférica y semipermeableque envuelve a un núcleo sólido o líquidocon un diámetro desde unas pocas micras avarios milímetros (7, 28). El tamaño y laforma de estas microcápsulas, dependen delos materiales y métodos usados para prepa-rarlas. Ellas son producidas también enforma de gel suave (cápsulas de gel) o enforma de polvo seco. Existen diferentes tiposde microcápsulas, las cuales según suestructura las podemos clasificar (29) como:• Sistema reservorio o capsular: El mate-

rial activo se encuentra incluido en una

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especie de reservorio, que puede ser denaturaleza líquida o sólida, el cual sehaya envuelto por una fina película delmaterial de recubrimiento.

• Sistema matricial: El material activo seencuentra altamente disperso en lamatriz polimérica.

La morfología de la superficie de las cáp-sulas pueden ser lisa (regular y esférica) oirregular (desigual) con o sin presencia deporos, los cuales son los responsables dereducir la eficiencia de encapsulación (12).

Los ensayos que aseguran la calidad yhomogeneidad de las microcápsulas son:características morfológicas (tamaño de par-tícula, estructura interna, densidad), rendi-miento de producción, eficacia de encapsu-lación, contenido en material activo, estudiode liberación del material activo y estado físi-co e interacciones polímero-material activo.

Para analizar la morfología, se recurre atécnicas de microscopía óptica para deter-minar el tamaño y microscopía electrónicade barrido (MEB) que brinda informaciónde su estructura interna y externa (29). Enmicroencapsulación, mediante secado poraspersión se obtienen microcápsulas enestado de polvo seco y se cubren con oropara el análisis MEB (30).

La microestructura de una microcáp-sula influye en las características físicas yfuncionalidad, dispersabilidad y capaci-dad de flujo libre (31, 32). Microcápsulasredondas u ovaladas tienen buena dis-persabilidad y pueden ser más fácilmen-te distribuidas en el producto final.

En el caso de la encapsulación deprobióticos, se debe tener en cuenta losiguiente (33): • El tamaño de partícula deseado osci-

la entre 15-100 µm, las microcápsu-las mayores a 100 µm son detecta-bles en la boca y las inferiores a 15 µm nodan la suficiente protección frente a losagentes externos.

• La técnica no debe emplear agentesexternos agresivos que pudieran limitarla supervivencia de los microorganismos.

• Se requerirá, además, un bajo consumoenergético, de forma que los costos de latécnica sean rentables industrialmente.

Material de encapsulación o recubrimiento La elección del material de recubrimien-

to apropiado es el paso de partida en laencapsulación. Aunque se considera que elmétodo de encapsulación puede afectar elmecanismo de liberación del material acti-vo, también la formulación del recubri-miento constituye un factor definitorio (34).El material protector debe reunir ciertaspropiedades que dependen de las caracte-rísticas químicas del material encapsulado,la aplicación, las condiciones de almacena-miento y del proceso al cual será expuesto.

Las características de un recubrimientoideal para encapsular (25) son: baja viscosi-dad a altas concentraciones, baja higroscopi-cidad para facilitar su manipulación y evitarla aglomeración, capacidad de emulsificar yestabilizar el material central, insoluble y noreactivo con el material central, el recubri-miento es soluble en los solventes alimenti-cios comunes o en el producto alimenticiofinal, máxima protección al material centralcontra condiciones adversas (luz, pH, oxíge-no, humedad y otros ingredientes reactivos),liberación completa de solventes y otrosmateriales usados durante el proceso deencapsulación, sabor insípido y bajo costo.

En el caso de los microorganismos pro-bióticos, normalmente se emplean comomaterial de encapsulación polisacáridos dediferentes orígenes (tabla 2).

Alginato: Es un polisacárido aniónico,formado por residuos de los ácidos β-D-manurónico y α-L-gulurónico. En la encap-sulación de probióticos se usa en concentra-ciones en el rango de 0,5-4 % (35-37). Lascápsulas de alginato tienen la ventaja de for-mar fácilmente matrices de gel alrededor delas células de probiótico, son seguras y bio-compatibles con el organismo, baratas y lascondiciones del proceso son simples y defácil manejo.

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Tabla 2. Polisacáridos empleados en la encapsulación de probióticos

Origen Polisacáridos Algas marinas κ-carragenano, alginato

Plantas almidón y sus derivados, goma arábiga

Bacterias gelano, xantano Animales quitosano Proteínas animales leche, gelatina

Sin embargo, se han atribuido algunasdesventajas a las cápsulas de alginato comodificultades en su aplicación a nivel indus-trial, susceptibilidad al ambiente acídico,con pérdida de su integridad y estabilidadmecánica, formación de poros en la superfi-cie de la cápsulas y difusión relativamenterápida de la humedad (38). Estos defectosmencionados pueden ser eficientementecompensados al mezclar el alginato conotros compuestos poliméricos (almidón), alcubrir las cápsulas con otros componentes(quitosano) y al modificar su estructura uti-lizando varios aditivos (glicerol) (39).

Κ-Carrageno: Es un polisacárido neutral,compuesto por unidades repetidas de D-galactosa-4-sulfato y 3,6-anhidro-D-galactosa(7). La gelificación depende de la temperatu-ra, pero para la formación de las cápsulas senecesita de KCl y CaCl2 como soluciones deendurecimiento o para insolubilizar el polí-mero. Este polisacárido es comúnmente utili-zado como aditivo alimenticio, pero nuevasevidencias demostraron su inducción enneoplasia intestinal e inflamación (40).

Quitosano: Es un polisacárido lineal,molécula policatiónica obtenida mediantedesacetilación alcalina de la quitina (41). Sedisuelve fácilmente a pH ácido por lo que confrecuencia se emplea en combinación conotro polímero que soporte el pH del estómago(27). Una vez que alcanza el intestino delgadoes degradado por la microbiota endógena.

Almidón: El almidón de maíz nativo con-tiene aproximadamente 25 % de amilosa y75 % de amilopectina. La amilosa forma unacubierta que es resistente a los ácidos gástri-cos y a las enzimas pancreáticas. Los almi-dones con alto contenido de amilosa formanpelículas fuertes, resistentes y más flexibles,pero es difícil de dispersar en agua y puedegelificar muy rápidamente (29). Estos almi-dones tienen la ventaja de ser seguros, notóxicos y de fácil disponibilidad.

Goma arábiga: Es una mezcla de diver-sos polisacáridos muy relacionados, forma-da por una cadena principal de restos β-D-galactopiranosilo (42). Es extremadamentesoluble en agua y la viscosidad de las solu-ciones varía fuertemente con el tipo degoma arábiga, pH y la fuerza iónica, pero sealcanza una viscosidad máxima a pH entre6 y 7 (43, 44). Actúa como coloide protectory excelente emulsificador, aspecto impor-tante para el secado por atomización.

Métodos de encapsulaciónPara la preparación de las microcápsulas

existen numerosos métodos y la seleccióndel mismo para encapsular depende de loscostos, el tamaño de la cápsula, las propie-dades físicas y químicas de los materiales,la aplicación y el mecanismo de liberacióndeseado.

La encapsulación ha sido aplicada adiversos campos (medicina, industria ali-mentaria, industria farmacéutica, agricultu-ra, cosmética, etc.). Los métodos de mayoraplicación en la industria de alimentos (25)corresponden y se clasifican en:• Métodos físicos: Secado por aspersión,

enfriamiento por aspersión, liofilización,recubrimiento por lecho fluidizado,extrusión, co-extrusión, extrusión-fusión, cocristalización.

• Métodos físico-químicos: Coalescencia,inclusión molecular, encapsulación porliposomas.La tecnología de encapsulación de pro-

biótico puede ser divida en dos partes,microencapsulación de probiótico en lassoluciones de encapsulación y secado de lasolución de encapsulación para alcanzargránulos o polvos de células encapsuladas.Particularmente, para la microencapsulaciónde microorganismos probióticos se detallanlas metodologías empleadas con éxito, cuyastécnicas antes del paso de microencapsula-ción describen la obtención de un cultivo deprobiótico crecidos en condiciones óptimas,el cual es centrifugado y empleado en formade suspensión o polvo liofilizado para suposterior micro-encapsulación.

Metodologías de microencapsulación de pro-bióticoa) Método de extrusión o goteo

Este método consiste en producir peque-ñas gotas de material encapsulado forzandoel paso de una solución a través de unaaguja de jeringa o de una boquilla en los dis-positivos generadores de goteo (27). De estamanera, los microorganismos son adiciona-dos a una solución hidrocoloide, cuya sus-pensión se hace gotear sobre una soluciónde endurecimiento, la cual va a variar endependencia del material empleado.

El tamaño de las cápsulas obtenidas va adepender del diámetro de salida de la solu-ción porque mientras menor sea el diámetrode la aguja/boquilla menor será el tamaño

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de las cápsulas. Es una técnica ampliamen-te utilizada para la encapsulación de pro-bióticos (45 - 47), aunque presenta algunasdesventajas que se pueden observar en latabla 3.

b) Método de emulsión o sistemas de dosfases

El método de emulsión posee una fasecontinua y una dispersa para formar laemulsión, seguida de una etapa de separa-ción donde la fase dispersa encapsula labacteria probiótica como material activo(27, 41).

Esta metodología es aplicada a los micro-organismos probióticos al realizar una fasedispersa que consiste en un volumen peque-ño de una solución polimérica con célulasmicrobianas en suspensión, el cual se añadea un volumen mayor de aceite vegetal (acei-te de soja, girasol o maíz) para formar la fasecontinua y esta mezcla es homogeneizadahasta desarrollar una emulsión de agua enaceite. El polímero hidrosoluble en estaemulsión se hace insoluble producto delentrecruzamiento que se produce para for-mar las cápsulas dentro de la fase oleosa(41), cuyo agente de entrecruzamiento a uti-lizar depende del tipo de polímero. Al res-pecto, se ha publicado el empleo de unasolución de cloruro cálcico cuando el polí-mero es alginato (48) y para el polímero κ-carrageno el entrecruzante cloruro potásico(49). Finalmente, las cápsulas se colectanmediante filtración o centrifugación.

Este método presenta como ventajas laformación de cápsulas mucho más peque-ñas que las obtenidas por el método deextrusión que es una característica desea-ble, es un proceso fácil de escalar a nivelindustrial y la distribución del tamaño departícula puede ser controlada por paráme-tros como la velocidad de agitación y homo-genización. Por otra parte, presenta algunasdesventajas en su aplicación en la industriaalimentaria, debido a que el aceite residualpresente en las cápsulas perjudica la textu-ra y propiedades organolépticas del alimen-to y, además, el aceite residual, los emulsio-nantes y surfactantes utilizados, pueden sertóxicos para determinadas células (28).También se requieren más costos por lanecesidad de usar aceites vegetales y deañadir un paso más al proceso para eliminarestos residuos.

c) Método de secado por atomización odesecación por atomización

La atomización o aspersión es un méto-do que comúnmente se utiliza en la indus-tria alimenticia y consiste en atomizar airecaliente en una suspensión o emulsiónhomogenizada de probióticos en la matrizdel material encapsulante, para lograr unarápida evaporación del solvente (agua) yobtener los probióticos encapsulados enforma de partículas de polvo (7, 27).

El proceso de atomización es controladomediante la alimentación del producto, elflujo de aire y la temperatura. Se emplea

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Tabla 3. Ventajas y desventajas de la aplicación del método de extrusión en la encapsulación de microorganismos probióticos

Ventajas Desventajas

• Proceso simple y barato. • Forma diámetros de partículas de larga distribución (2-5 mm).

• El material encapsulado es completamente cubierto y protegido.

• Difícil de producir a gran escala por lenta formación de microcápsulas.

• Se emplean operaciones gentiles que minimizan las lesiones de las células.

• Microcápsulas pobremente cargadas (8 %).

• Supervivencia de micro-organismo entre 80-95 %.

• Susceptibilidad de los carbohidratos hacia daños y defectos estructurales.

• No emplea disolventes perjudiciales para las bacterias.

• Limitada la selección del material de pared.

una variedad de materiales para la encapsu-lación, aunque normalmente se utilizanpolisacáridos (7).

Este método permite la posibilidad deestablecer esta tecnología como un procesocontinuo, su facilidad de manejo y su bajocosto son características idóneas y de granventaja para su aplicación en procesos indus-triales. Por otro lado, existen inconvenientesrelacionados con las altas temperaturasempleadas en el proceso para la evaporacióndel solvente, las cuales pueden afectar lasupervivencia de determinadas cepas probió-ticas (27, 28). No obstante, existe un grannúmero de investigaciones basadas en estemétodo que reportan resultados satisfactorioscon mínimas pérdidas de viabilidad, lo cualindica que hay dos factores claves y determi-nantes para el éxito del secado por atomiza-ción: el tipo de materiales utilizados paraencapsular y proteger a los microorganismosprobióticos que involucran sus propiedadesfísico-químicas y la optimización de los pará-metros utilizados en el secado.Adicionalmente, se ha demostrado una mayorestabilidad de los cultivos probióticos encap-sulados durante el almacenamiento prolonga-do cuando se aplica la tecnología de secado.

MECANISMOS DE LIBERACIÓN DELMATERIAL ACTIVO

En el caso de los probióticos, el materialactivo consiste en células viables de losmicroorganismos probióticos a encapsularcon el material de recubrimiento, el cualdebe ofrecer algún mecanismo de liberacióndel material activo a un tiempo determina-do. Los principales mecanismos de libera-ción que se aplican en el sector de alimen-tos son los siguientes:• Disolución o fusión: La integridad de la

cápsula se destruye por disolución en unsolvente apropiado o por acción delcalor. Los recubrimientos hidrosolublesse disuelven fácilmente con el incremen-to de la humedad, la adición de agentesquímicos o con el ajuste a diferentesniveles de sales (26). La liberación térmi-ca se utiliza en cápsulas con materialprotector de base grasa, el cual funde ylibera el centro activo (50).

• Liberación física: El material protector sefractura por fuerzas externas como presión

o fricción. La masticación es el principalmecanismo de liberación; igualmente,durante la mezcla de las materias primasse presenta la liberación por fricción (50).

• Difusión: Este proceso de liberación esguiado por el gradiente de concentración ylas fuerzas atractivas entre cadenas, comopuentes de hidrógeno, fuerzas de Van derWaals, grado de entrecruzamiento y crista-linidad (26). Además, está controlado porla solubilidad y la permeabilidad del mate-rial activo en el material protector (51). La liberación del contenido de las micro-

cápsulas se puede llevar a cabo por disoluciónen agua, esfuerzos de cizalla, temperatura, reac-ciones químicas y enzimáticas o por cambios enla presión osmótica. No obstante, esta liberaciónpuede controlarse por difusión a través de lapared de la microcápsula o bien por medio deuna membrana que recubra la pared (1, 33).

En los métodos físicos de encapsulaciónse busca la formación de una estructuraamorfa metaestable, de baja permeabilidadal compuesto encapsulado, al oxígeno yotros compuestos y con alta temperatura detransición vítrea (26). La permeabilidad delmaterial protector cambia al someterse acondiciones específicas de temperatura yhumedad. Los principios físico-químicos dela transición vítrea de estos materiales handemostrado que la liberación del centroactivo se presenta en la transición del esta-do vítreo a estado gomoso, por calentamien-to de la matriz. El material central se liberapor difusión a una velocidad que aumentacon el incremento de la temperatura. Laestabilidad de la cápsula depende de que sutemperatura de transición sea superior a latemperatura de almacenamiento (25).

Según Lozano (29), el estudio de libera-ción in vitro del material activo a partir de lasmicrocápsulas es muy importante, cuya libe-ración está gobernada por factores dependien-tes del polímero (insoluble, solubilidad pH-dependiente, peso molecular, estado cristali-no), del material activo (solubilidad y pesomolecular) y de la propia microcápsula(estructura interna reservorio o matricial y elcontenido teórico del material activo con res-pecto al polímero). Para el estudio de libera-ción se puede utilizar el procedimiento espe-cificado por la USP (Farmacopea Norteame-ricana), métodos de flujo, agitación de viales,membranas de diálisis, entre otros. Las micro-cápsulas son incubadas en el medio y se deter-

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mina su liberación con el tiempo. La permea-bilidad a través de la matriz y la solubilidad delos componentes de la pared de la cápsulainfluyen en la velocidad de difusión. Tambiénes importante la naturaleza química, morfoló-gica, la temperatura de transición, el grado dehinchamiento y de entrecruzamiento de loscomponentes de la cubierta, ya que puedendisminuir la velocidad de liberación (33).

IMPORTANCIA DE LA APLICACIÓN DE LAMICROENCAPSULACIÓN DE PROBIÓTICOS

Dentro de los aditivos encapsulados en laindustria de alimentos se enumeran a losmicroorganismos probióticos (52 - 54). Lasaplicaciones y ventajas de los probióticosmicroencapsulados han sido enfocadas endiferentes líneas de investigación: produc-ción de cultivos iniciadores, producción deproductos alimenticios, viabilidad de lascélulas probióticas en el tracto gastrointesti-nal, aplicación en fermentadores, aplicaciónde nuevos métodos en la elaboración de ali-mentos y mejoramiento de las propiedadessensoriales de productos probióticos (12).

Teniendo en cuenta los aspectos anterio-res, se ha observado que la microencapsula-ción puede ser usada eficientemente para lapreparación de cultivos iniciadores de bac-terias con más alta viabilidad y que la vidade anaquel de las células encapsuladas seincrementa y pueden ser directamente inge-ridas en los productos y consumidas (55,56). Varias investigaciones confirman que lamicroencapsulación incrementa eficiente-mente la viabilidad de los probióticosdurante el paso por el tracto gastrointestinalen presencia de condiciones enzimáticas,sales biliares y acidez (12, 47, 57).

Su aplicación en fermentadores ha repor-tado ventajas durante la producción de bio-masa que incrementa la tolerancia de micro-organismos contra la infección de bacteriófa-go (58), toxicidad de agentes químicos, pro-tege las células de los microorganismos con-tra cambios no deseados como mutacionesgenéticas, se alcanza buena productividad enla producción de metabolitos especialmentea altas velocidades de agitación (59) y se pro-duce más densidad de biomasa (60). En pro-ductos alimenticios, la microencapsulaciónpuede marcadamente mejorar la viabilidadde los probióticos y la vida de anaquel, debi-

do a su efecto protector contra factoresmedioambientales (elevada acidez, bajo pH,presencia de oxígeno, agentes tóxicos genera-dos durante el proceso, principalmente trata-miento con calor, enzimas digestivas, bacte-riófagos y procesos de secado (61 - 63).

Las nuevas formas alcanzadas para la ela-boración de alimentos probióticos lácteos,mediante la aplicación de la encapsulaciónde células probióticas, permiten que estaspuedan tener velocidades deseables de acti-vidad metabólica celular. De hecho, se hancomparado los métodos de encapsulacióncon los tradicionales para la producción deyogur, lo cual ha favorecido sus propiedadessensoriales, muy altas viabilidades de lasbacterias del yogur y control de los saboresdel producto con menos acidez, debido a unabaja producción de ácido láctico (41, 64).

CONCLUSIONES

La encapsulación es una técnica muyútil para la protección de los aditivos utili-zados en la industria de alimentos y enespecífico para los productos probióticos.Esta técnica se emplea para la prolongaciónde la vida útil del producto, fortificación yliberación controlada de nutrientes en elsitio de acción, disminución de la higrosco-picidad, transformación de líquidos a pol-vos, estabilización durante el almacena-miento y transporte a condiciones extremasde temperatura y humedad, mejoramientode temperatura, humedad, cualidades orga-nolépticas y funcionales de productos ali-menticios y limitación de la oxidación einteracción con otros ingredientes.

La tendencia de las investigacionesrecientes se centra en la generación de nue-vos métodos de encapsulación apropiados,selección de materiales de recubrimientoseguros y efectivos, así como cepas bacteria-nas potentes que garanticen las condicionesde protección requeridas para distintos aditi-vos encapsulados, que permitieron obtenermayores aplicaciones en el sector de alimen-tos y novedosos productos funcionales.

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Daisy Dopico-Ramírez, Yelenys Hernández-Corvo, Vivian León-Fernández, Eduardo Bordallo-López

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar CP 33 500, Quivicán, Mayabeque, Cuba.

email: daisydopico@yahoo.com

RESUMEN

Se ofrece una introducción a los compuestos denominados líquidos iónicos: evoluciónhistórica, peculiaridades físico-químicas, relación estructura/propiedades con el poderdisolvente y su aplicación en el fraccionamiento de los componentes del material ligno-celulósico. Se reporta la obtención de celulosa, lignina, azúcares fermentables, hidroxi-metilfurfural y otros derivados, mediante procesos compatibles con el medio ambientebasados en el uso de los líquidos iónicos.

Palabras clave: Líquidos iónicos, material lignocelulósico, celulosa, lignina, hidroxime-tilfurfural.

ABSTRACT

In this paper an introduction about the so-called ionic-liquids compounds is presented.The review comprises: historical evolution, physicochemical characteristics, the relationbetween structure/properties with the solvent power and its application in the separationof lignocellulosic biomass components. On the other hand, it is reported the obtainmentof cellulose, lignin, fermentable sugars, hydroxymethylfurfural and other derivatives bymeans of ecologically friendly processes based on the use of ionic liquids as well.

Keywords: ionic liquids, lignocellulosic biomass, cellulose, lignin, hydroxymethylfurfural.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 26 - 37

INTRODUCCIÓN

La crisis energética iniciada en 1973 dis-minuyó la oferta de petróleo e incrementó suprecio, lo cual ha obligado a racionalizarlo ya buscar fuentes alternativas para la obten-ción de energía y productos químicos (1). Seestima que para 2025 el 30 % de la materia

prima para la industria química sea obtenidaa partir de fuentes renovables. Dentro deestas, la biomasa lignocelulósica es el candi-dato más atractivo por su abundancia, sunaturaleza renovable y ecológica. Sin embar-go, presenta una estructura compleja (2),donde sus tres componentes principales(celulosa, lignina y hemicelulosa) se encuen-

tran estrechamente unidos mediante interac-ciones por puentes de hidrógeno inter e intra-moleculares, que provocan una alta cohesiónmacromolecular responsable de la alta difi-cultad para disolverlos y aislarlos por méto-dos convencionales. Esto ha conducido aldesarrollo de disolventes y tecnologías máseficientes para la conversión de biomasa, loque ha sido reconocido como un gran desafíopara la comunidad científica mundial.

Uno de los caminos más novedosos parala obtención de bioproductos a partir delmaterial lignocelulósico (MLC) son las tecno-logías basadas en los líquidos iónicos (LI) (3).Estos compuestos poseen propiedades úni-cas en comparación con los solventes tradi-cionales, entre ellas una muy baja presión devapor, con lo que se evitan las emisionesatmosféricas al eliminar pérdidas de disol-vente por evaporación. Poseen, además, unaestabilidad térmica relativamente alta, bajainflamabilidad y posibilidad de reciclaje, conlo que se contribuye a la reducción de resi-duos. De acuerdo con la aplicación deseadase pueden diseñar mediante la adecuadaselección del catión y el anión (4).

El objetivo de este trabajo es ofrecer unapanorámica sobre los LI, principales propie-dades y sus aplicaciones en la transforma-ción del MLC.

HISTORIALa historia de los LI comienza desde los

inicios del siglo pasado (1914), cuando PaulWalden reportó el punto de fusión del nitra-to de etilamonio entre 13-14ºC. En 1934 se

conoció la disolución de la celulosa en un LIbase piridina y en 1948 fue reportado un LIcon anión cloroaluminato. En 1967 se repor-tó un estudio sobre la sal líquida benzoatode tetrahexilamonio (5). Posteriormente, enlos años 70 se realizaron investigacionessobre las propiedades espectroscópicas yelectroquímicas (6). En 1992 se divulgó unanueva generación de compuestos (7) forma-dos por el catión 1-etil-3-metilmidazolio. Apartir de ese momento, se han utilizadocomo solventes en catálisis (8), síntesis (9) ycomo electrolitos (10).

El interés de los científicos y la industriapor los LI se ha incrementado rápidamenteen todo el mundo, demostrado por el acele-rado número de publicaciones y patentessobre estos compuestos (11). En 2002, seinformó (12) que los LI son eficaces solven-tes para la disolución de la celulosa. Estetrabajo es uno de los más citados en la lite-ratura. Desde entonces, se han logradoavances significativos en la separación delos componentes del MLC (13 - 17).

Líquidos iónicos. Propiedades físico-quí-micas

Los LI son sales formadas por cationesorgánicos y aniones orgánicos o inorgánicos,su característica particular es que presentanbajo punto de fusión, generalmente menorque 100 ºC. Según la denominación actual,toda sal con punto de fusión inferior a estatemperatura, es conocida como un LI, aun-que son reconocidas como tal otras sales contemperaturas de fusión superiores. Estos

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Figura 1. Algunos cationes y aniones presentes en los LI.

compuestos también se conocen como: flui-do iónico, sal fundida o solvente neotérico(13, 18). En la figura 1 se muestran lasestructuras de algunos cationes y aniones.

En comparación con los solventes tradi-cionales, estos compuestos poseen excelen-tes propiedades físico-químicas, que varíansegún el anión y el catión. Estas se puedenresumir de la siguiente manera (4, 13):• Bajo punto de fusión. • Presión de vapor despreciable.• Alta estabilidad térmica y química.• Capacidad de disolver compuestos orgá-

nicos, inorgánicos y poliméricos.• Viscosidad variable. • No inflamables y bajo poder de corrosión.• Potentes catalizadores.• Fácilmente reciclables. • Es posible diseñar su estructura y pro-

piedades según las diversas aplicacionesprácticas.

Las sales tradicionales están compuestaspor iones pequeños y simétricos que tienenuna alta densidad de carga y pueden serempaquetados en una red cristalina, por loque el punto de fusión es alto (NaCl~800 °C).Cuando se obtiene un LI, el tamaño de losiones aumenta por lo que la densidad decarga es menor, el empaquetamiento en lared cristalina se ve afectado y disminuye supunto de fusión. Por ejemplo, cuando sesustituye el sodio por 1-butil-3-metiIimidazolio [BMIM]+ el punto defusión disminuye hasta cerca de 80 °C. En elcaso de los aniones, se observa un compor-tamiento similar (tabla 1).

La viscosidad es una propiedad impor-tante al considerar la posible aplicación deestos, ya que cuando la viscosidad se incre-menta es necesario aumentar la temperaturapara lograr la disolución, lo que puede pro-

vocar efectos no deseados como degradacióndel LI y del material a disolver. Un métodoefectivo para reducir la viscosidad de estoscompuestos es el uso de un co-solvente (19).

El contacto directo y la ingestión consti-tuyen las únicas vías posibles de exposicióna los LI, debido a su volatilidad insignifican-te. Aunque la información reportada es insu-ficiente, los ensayos realizados han demos-trado que algunos de estos compuestos pue-den ser tóxicos y otros inofensivos y biode-gradables. Algunos cloruros de alquiI-imida-zolio, que son buenos disolventes de la celu-losa, presentan una toxicidad relativamentemoderada. Una mejor alternativa a los halu-ros es el uso de acetatos como el acetato de 1-etil-3-metil-imidazolio, que es consideradobiodegradable, no tóxico y no corrosivo (20).

Existen datos limitados con respecto a lamiscibilidad de los LI con otros solventes,este conocimiento es necesario para poderrealizar la separación efectiva y purificaciónde los productos. En general, estos compues-tos son miscibles con solventes polares,mientras que con solventes de baja polaridad,como acetato de etilo, muestran solubilidadvariable en función de sus propiedades (21).

El reciclaje de los LI es imprescindibledebido a su precio elevado. Otro problemaasociado con ellos es su separación de lasmezclas de reacción. Se ha demostrado laposibilidad de extraer una gran variedad decomponentes de la mezcla MLC-LI con CO2supercrítico (22) y otros solventes.

Separación de los componentes principa-les del MLC

Desde el siglo XIX se ha utilizado el MLCpara obtener derivados, mediante procesosque consumen altos índices de energía y/osustancias químicas contaminantes. A pesarde que la comunidad científica ha estado

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Tabla 1. Propiedades físicas de algunos LI base imidazolio y piridinio (4, 15)

Catión Anión Temperatura de fusión (°C)

Temperatura de degradación (°C)

Viscosidad (cP) a 20 °C

[C2mim] [Cl] 89 285 - [C2mim] [NTf2] -15 455 34 [C4mim] [Cl] 65 254 - [C4mim] [NTf2] -2 422 52 [C4Py] [Cl] 130-131 - - [C6Py] [NTf2] 0 392 80 (25°C)

Nota. (-) valores no informados.

involucrada en la búsqueda de nuevos sol-ventes y tecnologías eficientes para la diso-lución y separación de los componentes deeste material, en la actualidad no existe unatecnología que satisfaga los requerimientostanto económicos como medioambientales.Los LI, por sus propiedades relevantes, cons-tituyen una nueva generación con enormepotencial en este campo.

El poder de disolución de estos com-puestos sobre la biomasa lignocelulósicadepende fundamentalmente del tipo dematerial, temperatura y tiempo de disolu-ción, relación estequiométrica con el solu-to, humedad, viscosidad y tamaño de partí-culas. A pesar de que se reportan varios LIcapaces de disolver la biomasa, el mecanis-mo de este proceso se desconoce con exacti-tud, ya que los estudios experimentales yteóricos aún son insuficientes.

Se ha estudiado la disolución de made-ras con LI (23), y se ha constatado que estapuede disolverse parcial o completamenteen dependencia del tamaño de partícula.Una muestra de aserrín de madera se disuel-ve en [Bmim]Cl y [Amim]Cl a 110 °C, obte-niéndose una disolución al 8 %. Se puedepreparar una solución al 5 % de pulpa ter-momecánica de abeto con cloruro de 1-ben-cil-3-metilimidazolio ([Bzmim]Cl) a 130 °C(tabla 2). La eficiencia de disolución de lamadera en LI fue: polvo de madera en moli-no de bolas -aserrín, fibras de pulpa termo-mecánica- astillas de madera.

Otro estudio muestra que el [Emim]Actiene un mayor poder de solvatación paramaderas ricas en lignina que [Bmim]Cl yotros LI (15). Alrededor del 5 % (w/w) de unamuestra de pino (contenido total de lignina:31,8 %) y roble (contenido total de lignina:23,8 %), puede ser disuelto en [Emim]Ac a110 °C. Según los criterios de los diferentesautores, existen dos razones por las que sepueden explicar estos resultados. En primerlugar, los enlaces de hidrógeno inter e intra-moleculares de la madera pueden ser des-truidos por la fuerte basicidad del anión ace-tato; en segundo lugar, el bajo punto defusión y la baja viscosidad de [Emim]Acpuede facilitar la disolución de la madera.

Se reporta que, a partir de las disolucio-nes de madera-LI base imidazolio([Bmim]Cl, [Amim]Cl y [Bzmim]Cl), la celu-losa puede ser regenerada en forma amorfadespués de la adición de agua (34). Los

componentes del MLC también se puedenseparar con [Bmim]Cl sobre la base de susdiferentes solubilidades (24). En este traba-jo se reporta que una cantidad de madera dediferentes especies (roble, eucalipto, álamoy pino) puede disolverse parcialmente en[Bmim]Cl a 100 °C. Después de la elimina-ción de los materiales sin disolver, la celu-losa puede ser regenerada de las disolucio-nes mediante la adición de solventes de pre-cipitación, por ejemplo: mezcla acetona-agua 1:1, diclorometano y acetonitriIo. Losrendimientos alcanzados de celulosa rege-nerada variaron de 30 a 60 %. Mediante lacaracterización por 13C RMN e IR se demos-tró que la celulosa regenerada se encuentralibre de lignina y hemicelulosas.

En un estudio comparativo sobre la diso-lución de muestras de bagazo y pino (23), semanifiesta que el bagazo se disuelve muchomás rápido en el LI que el pino, a pesar delmayor tamaño de partículas. El bagazo (<0,25mm) se disolvió completamente en[C2mim]Ac, a 110 ºC al cabo de 16 h, mientrasque la disolución completa del pino (0,125mm) requirió 46 h bajo las mismas condicio-nes. También se demostró que elevando latemperatura disminuyen los tiempos de coc-ción necesarios para la disolución del mate-rial. Por ejemplo, a 165 ºC durante 10 minu-tos, se disolvió el 97 % del bagazo y su diso-lución completa se logró mediante el calenta-miento a 175 ºC durante 10 min o 185 ºCdurante 5 min. Esto debe realizarse de formacuidadosa porque el aumento de la tempera-tura de disolución puede provocar pérdidasen los rendimientos de los productos.

La disolución del MLC con LI (25) ocu-rre por la liberación completa de la mayoríade los grupos funcionales de la matriz, loque lo convierte en un material más suscep-tible al ataque por reactivos y catalizadores.Con el objetivo de mejorar la disolución delmaterial se han usado tratamientos conmicroondas y ultrasonido y se ha demostra-do que disminuyen los tiempos y tempera-turas de disolución sin afectar el rendi-miento (15).

En un trabajo reciente (26), se utilizaroncomo materiales experimentales madera ypaja sin tratar, que se disolvieron en[Bmim]Cl y se calentaron con microondas enun rango de temperaturas entre 80 y 170 °Cy/o bajo presión. La lignina se separó porextracción y la celulosa mediante la adición

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de agua o etanol. Un proceso típico para laseparación del MLC en sus principales com-ponentes se muestra en la figura 2.

Las hemicelulosas han sido los compo-nentes menos estudiados para ser aisladoscon LI. Algunos autores reportan que se eli-minan durante los procesos de regenera-ción-purificación de la celulosa. Es posibledisolver completamente (24) el bagazo con([C4mim]Cl), seguido por precipitación conuna mezcla agua/acetona y extracción conNaOH. Las hemicelulosas obtenidas poreste procedimiento son del tipo 4-O-metil-d-glucuronoxilanos.

Disolución de la celulosaen LI

La celulosa es el com-ponente más abundante enla biosfera y presentadiversas aplicacionescomerciales. Sin embargo,el potencial de los materia-les celulósicos no se haaprovechado plenamenteporque la celulosa nopuede ser disuelta en sol-ventes convencionales,debido a su estructurasupramolecular.

En la literatura aparecenreportados disímiles traba-jos que demuestran que lacelulosa puede ser disueltaen LI de manera eficientesin ningún tratamiento pre-

vio (3, 13, 14, 27 - 29) (tabla 3) y que puedeser regenerada de diferentes formas (13, 15).

De las publicaciones revisadas se puedededucir que el cloruro de 1-butil-3-metilimi-dazolio ([Bmim]Cl) es el más usado y demos-tró una capacidad de disolución excelentepara celulosa. Se pueden preparar solucio-nes al 10 % (w/w) a 100 °C y aumentar laconcentración a través del tratamiento conultrasonido y microondas. La celulosa puedeser fácilmente regenerada a partir de lasdisoluciones por la adición de agua, mien-tras que el LI puede ser reutilizado despuésde la purificación.

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Tabla 2. Resultados de la disolución del MLC en LI (4,15)

Líquido Iónico Tipo de MLC Condiciones

experimentales Solubilidad (%)

[Mmim][MeOSO3] Madera de arce molida 80 °C, 24 h Muy baja [C2mim][OAc] Astillas de abeto 90 °C 5% [C2mim][OAc] Astillas de pino 0,125 mm 110 °C, 46 h Disolución completa

[C2mim][OAc] Astillas de pino 0,125 mm 110 °C, 16 h

Microondas 100 pulsos en 3 s

Disolución completa

[C2mim][OAc] Astillas de pino 0,125 mm 110°C, 23 h Ultrasonido 1 h 40 ºC

Disolución completa

[C2mim][OAc] Bagazo 0,25 mm 110 °C, 16 h Disolución completa

[C4mim][Cl] Álamo 100 °C, 24 h, cosolvente DMSO

68 %

[C4mim][Cl] Roble 100 °C, 24 h, cosolvente DMSO

56 %

[C4mim][Cl] Eucalipto 100 °C, 24 h, cosolvente DMSO

64 %

Figura 2. Esquema de la disolución, separación y regenera-ción de los componentes del MLC con LI.

El cloruro y formiato de 1-alil-3-metilimi-dazolio (16, 27) también disuelven la celulo-sa. Tienen menor punto de fusión, menorviscosidad y mayor capacidad de disoluciónen comparación con otros LI base imidazoliocon los mismos aniones. Un 5 % de celulosacon grado de polimerización (GP) alrededorde 650 se puede disolver rápidamente en[Amim]Cl a 80 °C en 30 minutos, y se obtie-ne una disolución de 14,5 %.

Se ha demostrado que la serie alquil-imidazolio que contiene aniones base fosfo-nato tiene menor punto de fusión y viscosi-dad, lo que facilita la disolución de la celu-losa. Se reportó que se puede obtener unasolución al 10% de celulosa microcristalinaen [Emim][(MeO)HPO2] a 45 °C por 30minutos (28). Una investigación posteriorreveló que [Emim][Et2PO4] tuvo la capaci-dad de disolver celulosa a 100 °C, para obte-ner una solución al 14 % (14). Algunos auto-res (29) han probado una serie de LI quecontienen aniones tipo Brønsted para disol-ver la celulosa. Entre ellos, el [Bmim]Ac y[Bmim][HSCH2CO2] fueron los solventesmás eficientes para la disolución de la celu-losa microcristalina; se lograron solucionestan altas como el 15,5 % y el 13,5 % a 70 °C,respectivamente. Para obtener disolucionesmayores, estos autores emplearon sales delitio al 1 %. Por ejemplo, la solubilidad de lacelulosa microcristalina puede aumentar al19 % en [Bmim]Ac si contiene 1 % de LiAc.

La capacidad de los LI para disolver lacelulosa ha inspirado a muchos investigado-res a explorar el posible mecanismo paraexplicar este fenómeno. En los primeros estu-

dios se pensaba que los iones, en especial losaniones, podían romper los enlaces porpuentes de hidrógeno intra e intermolecula-res en la celulosa, y disolver finalmente elmaterial (12, 27). Estudios recientes (30, 31)demuestran que la energía de la interacciónentre las cadenas del polisacárido y el LI esmás fuerte que la que ocurre entre las cade-nas del polímero y el agua o metanol.Aunque el anión tiene interacciones fuertescon los grupos hidroxilos de la celulosa, loscationes también interaccionan con los poli-sacáridos a través de interacciones hidrofóbi-cas. Además, se observa que se altera preferi-blemente la conformación del enlace β-(1,4)-glicosídico y que estos cambios no son rever-sibles durante la regeneración de la celulosa.Este es un factor clave en el incremento de lavelocidad de la hidrólisis enzimática de lacelulosa después de tratada con LI.

La disolución de la lignina en LILa lignina ha sido y aún es estudiada por

diferentes grupos de investigación en elmundo como fuente de productos químicosy nuevos materiales, ya que es imprescindi-ble la revalorización de estos productos conel fin de promover la aplicación eficientedel material lignocelulósico (32).

La lignina es más difícil de disolver quelos otros componentes de la lignocelulosa,debido a los fuertes enlaces covalentes queunen los monómeros y su estructura com-pleja. Se ha reportado la solubilidad de lalignina aislada en algunos LI, y se ha demos-trado (33) que la lignina de coníferas sedisuelve en [Mmim][MeSO4] y

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Tabla 3. Resultados de la disolución de la celulosa en LI (4, 15)

Líquido Iónico Tipo de MLC Condiciones experimentales Solubilidad (%w) [C2mim]Cl Celulosa 85 °C 15,8 [C4mim]Cl Pulpa 100 °C 10 [C4mim]Cl Pulpa Microonda 25 [C6mim]Cl Celulosa Avicel 100 °C 6,5 [Amim]Cl Pulpa 80 °C 14,5 [Amim]Cl MCC Ultrasonido 27

[C4mmim]Cl Pulpa 90-130 °C 12,8 [C4mPy]Cl Celulosa 105 °C, 12 h 39 [C2mim]F Celulosa Avicel 100 °C 60 min 2

[Ammim]Br Pulpa 80 °C 12 [C2mim][OAc] Celulosa 85 °C 13,5 [C4mim][OAc] MCC 70 °C 28,5

[C4mim]PF6 Pulpa Microonda Insoluble

[Bmim][MeSO4] a temperatura ambiente.Cuando la solución se calienta hasta 50 - 70°C, se disuelve más rápidamente en[Mmim][MeSO4], [Bmim] [MeSO4] y[Hmim][CF3SO3]; se obtienen solucionesdesde 275 a 344 g/L. Para LI base [Bmim]+ lasolubilidad de la lignina siguió el orden:[MeSO4]- > Cl- > Br- >> PF6

-. Por lo tanto,se puede concluir que los aniones tienen unefecto importante sobre la disolución de lalignina. Debido a la compleja estructura ylas fuertes interacciones intramoleculares dela lignocelulosa, la lignina natural es muchomás difícil de disolver que la lignina pura.

Algunos investigadores estudian la sepa-ración de la lignina a partir del MLC con LI(34), donde el [Emim]Ac es utilizado en elpretratamiento del 5 % (w/w) de maderamolida a 90 °C durante 24 horas. La mezclase lavó con agua para remover el extracto delsólido residual. Después de la evaporacióndel agua, la solución de [Emim]Ac es reutili-zada para el pre-tratamiento de madera, y laconcentración de lignina se incrementó.

La lignina se puede separar a partir de lig-nocelulosa con LI que tengan como anionesxilenosulfonatos y benzoatos (35), en unrango de temperatura entre 100-180 °C. Lalignina puede ser separada por precipitacióny extracción. Otros autores plantean que esdifícil separar los productos derivados de lalignina de las mezclas de reacción ,debido alas fuertes interacciones π-π entre el líquidoiónico y la parte aromática del polímero. Estotrae como consecuencia que los productosaromáticos sean más solubles en el líquidoiónico que los compuestos alifáticos, y asíaumenta la dificultad en la extracción (21).

Hidrólisis del material lignocelulósicoLa hidrólisis de la celulosa a azúcares

fermentables es una etapa fundamental enla conversión de biomasa a biocombustiblesy biomateriales, por lo que han sido revisa-dos disímiles métodos con este objetivo (1).Para que el MLC sea más susceptible a lahidrólisis, por lo general, es necesaria unaetapa previa para reducir la cristalinidad yaumentar la porosidad del material. Losmétodos tradicionales no son eficientes eincluyen: oxidantes, solventes orgánicos,tratamientos mecánicos, hidróxido de cal-cio y ácidos minerales. Los LI constituyenun nuevo tipo de pretratamiento que pareceindicar que no perjudica el entorno (2).

Hidrólisis enzimática del material lignoce-lulósico (MLC)

Actualmente, se están siguiendo dosvías para hidrolizar el MLC con LI en azú-cares fermentables. Una vía es la hidrólisisenzimática del material después de serdisuelto en LI y regenerado en un antisol-vente y la otra es realizar la hidrólisis (insitu) sin regenerar el material.

Se ha informado (36) que la velocidad dela hidrólisis enzimática aumenta despuésde tratar el MLC con LI. Por ejemplo, cuan-do se trata paja de trigo con [Bmim]Cl, sealcanza un 70 % de conversión de los azú-cares, mientras que cuando se trata conagua la conversión es de 42 %. Otros auto-res reportan que cuando se trata pulpa ter-momecánica de abeto con 1-alkil-3-metil-imidazolio y el producto es regenerado conagua, se obtiene un 60 % de conversión aglucosa durante la hidrólisis enzimática,mientras que fue solo del 12 % cuando lamuestra no se trata.

En una prueba de extensión realizadapara obtener bioetanol a partir de paja detrigo, se usó dietilfosfato de 1-metil-3-etilimi-dazolio durante el pretratamiento (37). Esteestudio permitió establecer un proceso depretratamiento de la biomasa lignocelulósi-ca utilizando LI que facilita una posteriorhidrólisis enzimática de esta. No fue infor-mado en el trabajo la fuente de la enzima. Lafermentabilidad de los hidrolizados enzimá-ticos fue evaluada empleando la levaduraSaccharomyces cerevisiae y la producción deetanol fue de 0,43 g/g de glucosa después de26 horas de fermentación. Además, se estu-dió el tiempo de vida útil del LI, se constatóque los rendimientos de azúcares reductoresfueron superiores a 52 % después de 5 vecesde reciclado.

El uso de los LI en la hidrólisis enzimáti-ca de la celulosa tiene, entre otras ventajas,alta selectividad, mayores velocidades dereacción y conversión a azúcares reductores.Sin embargo, hay que llegar a un compromi-so entre las propiedades de los LI, la activi-dad y estabilidad de las enzimas (38).

Hidrólisis ácida del MLCSe reportó la hidrólisis de la celulosa con

LI en presencia de ácidos minerales comocatalizadores (39). Por ejemplo, cuando larelación de masa ácido/celulosa se establecióa 0,46, la producción de azúcares reductores

32

totales y glucosa fue 64 % y 36 %, respecti-vamente, después de 42 minutos a 100 ºC.Otros estudios (40) han demostrado que losrendimientos de azúcares reductores fueron66, 74, 81 y 68 % para la hidrólisis de tallode maíz, paja de arroz, madera de pino ybagazo de caña, respectivamente, en pre-sencia de 7 % de ácido clorhídrico, 100 ºC ypresión atmosférica por 60 minutos.

Un trabajo reciente sobre el pretratamien-to de especies maderables con LI en presen-cia de ácidos minerales indica que, junto conla hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa,también se degrada una cantidad significati-va de lignina (41). Esto se demuestra median-te cromatografía de gases y RMN-31P, por lapresencia de compuestos fenólicos que seoriginan a partir de la lignina.

A medida que aumente el GP de la celu-losa, se necesitan mayores tiempos de reac-ción para alcanzar buenos rendimientos deglucosa. Se supone (40) que el mecanismode hidrólisis de la celulosa en LI catalizadapor ácidos minerales sigue un mecanismo alazar (40). Durante el proceso de hidrólisis,ocurre la ruptura de enlaces endo y exogli-cosídicos. La formación de oligoglucosasfue mayor en la etapa inicial, al igual que enlos sistemas tradicionales de hidrólisis hete-rogéneas. Estos fenómenos se confirmaronposteriormente en el estudio de hidrólisisde celulosa y lignocelulosa en LI catalizadapor ácidos sólidos (42).

La depolimerización total de la celulosaen azúcares fermentables y demás deriva-dos utilizando los LI es uno de los desafíosde las tecnologías de separación, pero hastaahora no se ha logrado un método industrialeficiente y económico (43).

Otros ácidos como el trifluoroacético yLI ácidos (Brönsted), también han sido utili-zados como catalizadores en la hidrólisis dela celulosa con resultados satisfactorios(44). En 2010, se reportó un proceso másrespetuoso para el medio ambiente, median-te la conversión de biomasa con una mez-cla líquido iónico-agua (45).

Conversión catalítica de lignocelulosa enderivados del furfural

Se ha sugerido que muchas moléculasderivadas de la biomasa pueden usarsecomo intermediarios de bajo peso molecularpara la industria química. En 2004, elLaboratorio Nacional de Energía Renovable

propuso doce precursores que pueden serproducidos a partir del MLC, a través detransformaciones biológicas o químicaspara ser convertidos en productos químicosde alto valor agregado (46). Entre ellos, el 5-hidroximetilfurfural (HMF), es reconocidocomo un intermediario versátil entre laindustria de los biocombustibles y la delpetróleo.

Los primeros intentos en la obtención deHMF utilizando glucosa como materiaprima no dieron buenos resultados. No fuehasta 2007 que se obtuvo (47) un rendi-miento de 68 % de HMF en un sistema glu-cosa-[Emim]Cl en presencia de CrCl2. Sepropuso que la glucosa se isomeriza a travésdel intermediario CrCl2-enodiol a fructosa,seguido por la reacción de deshidratación.Los autores concluyeron que el catalizadormetálico interactuaba con la parte hemiace-tálica de la glucopiranosa, y que hubo pocainteracción con los grupos hidroxilo de losazúcares. Los autores también opinan que elanión CrCl3- juega un papel importante enla transferencia de protones, lo que facilitala mutarrotación de glucosa en fructosa.

Los primeros resultados satisfactorios enla transformación directa de la celulosa yMLC en HMF (40) se muestran en la figura3. Se evidencia que el tratamiento deCelulosa Avicel (100 mg) con CrCl3 o 6H2O(10 mg) en [C4mim]Cl (2,0 g) e irradiacióncon microondas (400 W) por 2 minutos, pro-duce un rendimiento del 62 % de HMF (37).Sin embargo, cuando estos componentes secalientan a 100 ºC en un baño de aceite por240 minutos, la producción de HMF es soloel 17 %, pero el rendimiento de azúcaresreductores totales es 45 %. Estos resultadossugieren que la irradiación con microondases la clave para una alta producción deHMF y que el CrCl3.6H2O es capaz de cata-lizar la hidrólisis de la celulosa. También sedebe mencionar que mediante este sistemase obtiene HMF con rendimientos mayoresa 90 % cuando se emplea glucosa comomaterial de partida. Otros autores (45)demostraron que es posible la obtención deHMF bajo condiciones moderadas (≤ 140 ºC,1 atm), a partir de biomasa (tallos de maíz,paja de arroz y madera de pino) con rendi-mientos superiores al 89 %. En un estudiosimilar se realizó la conversión directa decelulosa-[Emim]Cl en HMF, utilizandocomo catalizador un par de cloruros metáli-

33

cos (CuCl2 y CrCl2) bajo condiciones mode-radas (80-120 ºC) durante 8 h (48).

Se proponen dos variantes para el meca-nismo de conversión de carbohidratos aHMF (49). La vía de la enolización cataliza-da por Cr2+, a través de la formación delenodiol que es protonado en C-1 para obte-ner una cetosa, la cual se deshidrata enHMF. La otra variante, igualmente cataliza-da por el Cr2+ ocurre en un solo paso de laaldosa a la cetosa por cambio de hidruroentre el C 1,2. Se considera que tanto elCr2+ como el anión haluro contribuyen a laformación del intermediario enodiol y elcambio de hidruro entre el C 1,2 para for-mar cetosa a partir de la aldosa. Otros cata-lizadores también han sido eficientes parala conversión de la glucosa en HMF. Porejemplo, la conversión de glucosa de 98 %con una selectividad del 99 % de HMF sepuede lograr utilizando ácido molibdofosfó-rico como catalizador en [Emim]Cl yacetonitriIo después de 3 horas a 120 ºC.

Obtención de otros productosLos alcoholes de azúcar son una familia

de productos que se producen generalmen-te a partir de la hidrogenación de los mono-sacáridos. Dado que la celulosa puede serdisuelta en LI, es lógico que se desarrollenlos procesos para hidrogenólisis directa dela celulosa en los alcoholes de azúcar. Ladepolimerización de celulosa fue publicadarecientemente en presencia de hidrógenogaseoso catalizada por la combinación deun catalizador metálico heterogéneo y uncatalizador homogéneo de rutenio (50). Losautores comenzaron su estudio con lahidrogenación de 1,1-dietoxiciclohexanoutilizando una combinación de catalizado-res heterogéneos en presencia de ácidos deLewis a 20 ºC y una presión de 2 MPa dehidrógeno; se obtuvo hetoxiciclohexano conun rendimiento del 100 %. Estudios poste-riores demostraron que este sistema catalíti-co no fue eficaz para la hidrogenación decelobiosa. Sin embargo, se alcanzaron bue-nos resultados en la conversión a sorbitol

(43 %) cuando loscatalizadores hete-rogéneos fueronreemplazados porun catalizadorhomogéneo. Bajocondiciones ópti-

mas, el rendimiento fue del 51 % de sorbitolusando celulosa como materia prima.Experimentos complementarios confirma-ron que todos los componentes del sistema(hidrógeno, catalizador y agua) son necesa-rios para que ocurra la reacción y que elpapel del catalizador es actuar como unagente de transporte de hidrógeno en los LIa través de la formación de hidruros.

Se informa la obtención de un LI (51)capaz de romper la estructura cristalina dela celulosa mediante uniones reversibles através de los grupos hidroxilo, para aumen-tar la solubilidad y la actividad catalítica,así como la alta conversión a hexitoles (76al 93 %). Sin embargo, se encontró que enausencia de estos solo se logra una conver-sión del 15 % de celulosa a hexitolesmediante la hidrogenación, utilizando uncatalizador de Ru en [Bmim]Cl. Además, sedemostró que la celulosa se hidroliza fácil-mente a glucosa utilizando los LI con unrendimiento del 95 % después de 5 horas a80 ºC. Además, el catalizador se recuperófácilmente de la mezcla de reacción y laactividad se mantuvo después de cincoveces de ser reutilizado.

Los alquilglicósidos de cadena largason compuestos no iónicos con propieda-des surfactantes excelentes, baja toxicidady buena biodegradabiIidad. Tienen aplica-ciones como cosméticos y detergentes,emulsionantes alimentarios y agentes dis-persantes de fármacos. Se reportó la con-versión catalítica de la celulosa en surfac-tantes biodegradables utilizando un siste-ma que contiene LI en condiciones mode-radas (52). Estos investigadores constata-ron que una resina puede catalizar la con-versión directa de celulosa en glucósidosde alquilo con un rendimiento de masa dehasta 82 %. Otros alcoholes como butanol,hexanol y octanol se utilizaron en el estu-dio, y los rendimientos totales de los ten-soactivos variaron entre 7,2 y 91 %. La can-tidad de agua en el medio de reacciónjuega un papel importante y su elimina-ción puede facilitar la reacción de glicosi-

34

Figura 3. Esquema de obtención de HMF a partir de biomasa (15).

dación significativamente. Un trabajo muysimilar reportó que la celulosa en[Bmim]Cl se transformó en alquiI-glicósi-dos, en presencia de una resina ácida (49).

CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

Está claro que la conversión de biomasaen productos químicos con alto valor añadi-do con los LI está comenzando, y este com-plejo desafío sin dudas requerirá de la inte-gración de avanzadas tecnologías catalíticasy de separación. En este trabajo se han tra-tado de resumir algunos aspectos relaciona-dos con el tema; sin embargo, los autoresconsideramos que el conocimiento es limi-tado, aunque se avanza rápidamente.

La disolución del MLC para obtenerderivados de celulosa con diferentes fines(productos que utilizan el polímero sindegradar, obtención de glucosa para bio-combustibles, HMF y otros derivados) hasido el tema más ampliamente estudiado. Apesar de que en el mundo se han obtenidologros importantes, queda mucho caminopor recorrer para lograr escalar los resulta-dos a la industria. La recuperación de lashemicelulosas y la valorización de la ligni-na es un reto para la utilización del MLCtransformado por esta vía.

Continúa siendo imprescindible la solu-ción de algunos problemas tales como lasíntesis a gran escala de LI de forma econó-mica, la definición de las vías de reciclado,la eficiente separación de los LI y los pro-ductos obtenidos, el desarrollo de cataliza-dores más eficientes, los estudios de biode-gradación/bioacumulación, así como lasconsideraciones de toxicidad y el manejo delos LI.

La perspectiva de nuestro grupo de tra-bajo se centra en probar la efectividad de losLI en la obtención de productos derivadosdel bagazo, que han sido obtenidos median-te tecnologías tradicionales, como es el casode los materiales base celulosa, furfural,xilitol, sorbitol y etanol lignocelulósico.

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Angela Ofelia Díaz-Llanes1, Gastón García-Simón2, Yamilka Herrera-Ledesma2, Dayamí Borges-Rodríguez1, Arturo Valdivieso-García2

1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarCP 33500, Quivicán, Mayabeque, Cuba

2 Laboratorios Liorad, Centro de Estudios de Investigaciones y EvaluacionesBiológicas. Ave. 23 No. 2142 e/ 214 y 22, La Coronela, La lisa, La Habana, Cuba

email: cuba10@enet.cu

RESUMENSe realizó un estudio farmacológico del jugo de caña deshidratado donde se evaluó elefecto acelerador de la cicatrización en heridas abiertas en la piel de ratas Wistar. Sedeterminó la inocuidad en animales de experimentación y se realizaron los estudios toxi-cológicos, según la metodología descrita en el PNT/TEC establecida en el CEIEB. Losresultados obtenidos indicaron que el jugo de caña deshidratado aplicado a las ratas enun tratamiento de 7 días presenta efecto acelerador de la cicatrización. Las pruebasoftálmicas con conejos de experimentación, mostraron que no se produjeron lesiones enlos sitios de aplicación, por lo que se obtuvo un índice de irritación primario igual a 0,0;lo que evidencia que el jugo de caña deshidratado se puede clasificar como no irritante.Además, con la aplicación oftálmica en la estructura ocular, se obtiene un índice de irri-tación de 1,0 puntos, por lo que se clasifica como no irritante. El producto no indujo toxi-cidad aguda oral ni dérmica en los animales de experimentación, por lo que se conside-ra prácticamente inocuo para los humanos cuando se aplica de forma aguda. Se haceninnecesarios los estudios de toxicidad aguda a dosis superiores.Palabras clave: jugo de caña deshidratado, ensayos toxicológicos, cicatrización de heridas.

ABSTRACTA pharmacological study of dehydrated juice of sugar cane was carried out and the acce-lerating effect on healing of open wounds was evaluated in the skin of Wistar rats. Theinnocuousness was determined in experimental animals and toxicological studies werecarried out according to the methodology described in PNT/TEC and established inCEIEB. The obtained results indicated that the dehydrated sugar cane juice applied onrats, in a treatment of 7 days, presented an accelerating effect on cicatrization. The obtai-ned results after administration of the product showed that no lesions remain in appli-cation sites; therefore the Primary Irritation Index was 0,0, which evidenced that dehy-drated sugar cane juice may be classified as no irritating. Ophthalmic test with experi-mental rabbits showed that no lesions appeared in application sites, thus a primary irri-tation index of 1,0, was obtained, which makes evident that dehydrated sugar cane juicecan be classified as no irritating, as well. The product did not induce oral or dermal acutetoxicity in experimental animals, so it was considered practically innocuous for humansin an acute application, therefore studies on acute Toxicity to higher doses were not nee-ded.Keywords: dehydrated sugar cane juice, toxicological study, wound healing.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 38 - 44

INTRODUCCIÓN

El jugo de caña deshidratado es un polvode color beige claro que se obtiene a partirde la extracción del jugo de la caña de azú-car en un molino de acero inoxidable, se fil-tra y se concentra a vacío, y posteriormentese seca en un secador por aspersión (1-5).Presenta grandes diferencias con el azúcartradicional, puesto que no es un productorefinado. Esto significa que en su elabora-ción no intervienen productos que eliminenlos componentes naturales propios de lacaña, como son sus minerales, sus vitami-nas y otros tipos de carbohidratos.Constituye, por tanto, un azúcar naturalintegral (6, 7).

Este producto puede ser usado directa-mente como edulcorante o como materiaprima o complemento nutricional en la ela-boración de otros productos.

En su composición, el azúcar mayorita-rio es la sacarosa (80 %), en tanto que lafructosa y la glucosa están alrededor del 2 %(8). Contiene además fósforo, hierro, calcio,magnesio, manganeso, cobre, zinc y vitami-nas (6).

El azúcar granulada (sacarosa) ha sidoutilizada desde antes de la era cristiana y demanera empírica, para la cicatrización deheridas (9 - 11). En este trabajo se presentanlas propiedades de este producto natural, alcual se le atribuye un efecto acelerador de lacicatrización.

Para probar la toxicidad de compuestosquímicos bien definidos o de mezclas com-plejas se emplean animales de laboratorioque pueden ser roedores o no. Es oportunoseñalar que los estudios de toxicidad agudano son un sinónimo de mortalidad porqueincluyen la evaluación de signos asociados amanifestaciones de toxicidad aguda y retar-dada, así como los posibles órganos dianadel daño. Estas investigaciones generalmen-te se diseñan para determinar la potencia detóxicos en términos de DL50 (dosis letalmedia) o CL50 (concentración letal media) ypara detectar los efectos biológicos adversosdurante un corto período de tiempo, causa-do por una dosis única o repartida en 24 hde un agente determinado (12, 13).

Cuando un producto nuevo va a ser apli-cado se hace necesario efectuar las pruebastoxicológicas, toda vez que se hayan proba-do sus efectos farmacológicos, para evitar o

disminuir el peligro que su utilizaciónentraña, así como valorar la relación riesgo-beneficio (14, 15).

Con el desarrollo de este trabajo se reali-za una evaluación fármaco-toxicológica deljugo de caña deshidratado.

MATERIALES Y MÉTODOS

Sustancia de ensayoSe utilizó el jugo de caña deshidratado

obtenido por evaporación y secado por ato-mización en la planta de bioprocesos delICIDCA. Para el secado se utilizó un seca-dor por aspersión tipo S-12, 5-R de 75 litrosde agua evaporada/hora (GEA Niro,Gladsaxevej, Soeborg, Denmark), el queopera en un sistema continuo. Los paráme-tros de operación utilizados fueron: tempe-ratura de entrada 170 ºC y de salida 85 ºC yuna concentración del jugo de 70 ºBrix.

Ensayo de irritabilidad oftálmica Se desarrolló la metodología descrita en

el PNT/TEC/0208 (16) establecido en elCEIEB. Se emplearon conejos albinos NZprocedentes del CENPALAB con su corres-pondiente certificado de salud y un pesocorporal de 1,8 a 2,0 kg.

A los conejos del estudio se les realizóun examen exhaustivo de la estructuraocular antes de iniciar el ensayo. Se aplicó0,1 g del producto objeto de estudio en elfondo del saco conjuntival del ojo derecho,el ojo izquierdo sirvió de control. Una horadespués comenzaron las evaluaciones delas siguientes estructuras: la conjuntiva,iris y córnea. Las lecturas fueron realizadasa la(s) 1, 24, 48 y 72 horas, según la escalade Draize para este ensayo. Los datos fue-ron recogidos en los modelos habilitados alefecto.

Estudio de la posible irritabilidad dérmicaSe desarrolló la metodología descrita en

el PNT/TEC/0207 (17) establecido en elCEIEB. Los conejos del estudio fueron depi-lados a ambos lados de la columna vertebral24 horas antes de iniciar el ensayo.Posteriormente, se seleccionaron los sitiosde piel adecuados para el estudio y se apli-caron 0,5 g del producto en 3 sitios de ani-males diferentes, los cuales fueron cubier-tos con parches de gasa estéril y fijados con

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esparadrapo hipoalérgico durante 4 horas.A continuación, se retiraron los parches y lazona se lavó con solución salina fisiológica.Una hora después comenzaron las lecturasde las variables edema y eritema. Las lectu-ras fueron realizadas a la(s) 1, 24, 48 y 72horas.

Estudio de toxicidad aguda oralSe desarrolló la metodología descrita en

la Guía de la Organización Económica parael Comercio y Desarrollo (OECD) #423 (18).En el ensayo se conformó un grupo tratado(hembras) que contó con tres animales.

La tarde noche anterior fue retirada lacomida de los animales. Transcurridas lashoras de ayuno se comenzó la prueba.Todas las ratas fueron pesadas para aplicaruna dosificación exacta, de acuerdo con elpeso.

La sustancia se administró a la dosislímite de 2000 mg/kg de peso del animal, demanera tal que se suministró una sola tomade 4 ml por 200 g de peso del animal.Transcurridas 2 a 3 horas de la administra-ción de la sustancia, se procedió a colocarnuevamente la comida.

Después de la administración se realiza-ron las observaciones y se anotaron siste-máticamente en los registros individualespara cada animal, varias veces durante elprimer día y al menos 1 vez al día para los13 restantes.

Atendiendo a que la vía de administra-ción fue oral, se incluyeron los signos detoxicidad retardada.

Estudio de toxicidad aguda dérmicaSe desarrolló la metodología descrita en

la Guía de la OECD #402 (19).En el ensayo se conformaron dos grupos

(machos y hembras) que recibieron el pro-ducto en estudio. Los grupos estaban com-puestos por cinco animales cada uno. Alinicio del experimento todas las ratas fue-ron pesadas para aplicar una dosificaciónexacta de acuerdo al peso.

La sustancia se administró una dosis de2000 mg por kg de peso del animal. Elvolumen fue de 4 ml. El sitio de aplicaciónse cubrió con una almohadilla de gasaatada de forma segura a la piel y toda laregión fue cubierta con una banda de gomaelástica hipoalergénica y enrollada en laregión media del cuerpo, para evitar que el

animal pudiera lamerse la zona de aplica-ción con el consecuente falseamiento delos resultados.

La sustancia en estudio se dejó en con-tacto con la piel durante 24 horas, transcu-rrido este tiempo se removió la cubierta y elagente residual fue eliminado con soluciónde cloruro de sodio al 0,9 % y con la ayudade una almohadilla de gasa estéril.

Después de la administración, se realiza-ron las observaciones y se anotaron siste-máticamente en el registro individual paracada animal, varias veces durante el primerdía y al menos una vez al día para los 13 res-tantes.

Para los 2 ensayos de toxicidad aguda,las pesadas de las ratas se realizaron en lostiempos siguientes: 1, 7 y 14 días.

Al final del ensayo se procedió a sacrifi-car los animales con sobredosis de pento-barbital sódico. Se siguieron los procedi-mien de refinamiento que se empleanactualmente en toxicología experimental.

Se analizaron los órganos (pulmones,corazón, bazo, riñones y estómago u otro,que durante los días de observación, mani-festó signos clínicos) para hallar si seencontraba alguna afectación, entonces setomaron muestras para su procesamientohistopatológico.

CicatrizaciónSe desarrolló la metodología descrita en

el PNT/TEC/0125 (20) establecido en elCEIEB. El ensayo se realizó en una especieroedora (rata), con un mínimo de 5 anima-les por grupo y de un solo sexo; en este casose emplearon ratas machos pertenecientes ala línea Wistar y procedentes del Centropara la Producción de Animales deLaboratorio (CENPALAB) y con su corres-pondiente certificado de salud.

Las ratas se mantuvieron en condicionesde cuarentena y aclimatación según lo esta-blecido. El acceso al agua y la comida fue adlibitum. El tiempo que duró el ensayo fue de12 días (5 de aclimatación y 7 de prueba).

Las ratas fueron distribuidas de formaaleatoria dentro de los diferentes grupos.

A las ratas se les retiró el alimento latarde noche anterior al experimento.

En el ensayo se confeccionaron 3 grupos:• Control sin tratamiento.• Sulfadiazina de plata.• Jugo de caña deshidratado.

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A todas las ratas se les practicó unaherida en la región dorso-escapular de laforma siguiente. Primeramente, a los anima-les se les rasuró dicha zona, en un área nomenor del 10 % de la superficie corporal,utilizando para ello primero una tijera curvay después una máquina de rasurar.

Para proceder a efectuar las heridas seanestesiaron los animales con Tiopentalsódico (40 mg/kg); para ello, se utilizó la víade administración intraperitoneal. Posterior-mente, la zona depilada de las ratas fue des-infectada con una solución de etanol al 70 %.

Se realizó una incisión de 10 mm de diá-metro, con el empleo de un biótomo, y seeliminó el tejido subcutáneo.

El sacrificio se llevó a cabo al séptimodía de haber comenzado la experiencia.Después del sacrificio se tomaron muestrasde las zonas donde se había practicado laherida, para efectuar los correspondientesestudios.

Los resultados fueron analizados utili-zando el programa STATGRAPHICSCenturion XV.

RESULTADOS Y DISCUSION

Ensayo de irritabilidad oftálmica En la tabla 1 se observan los resultados

correspondientes a este ensayo. Durante elperíodo de prueba se produjeron reaccioneseritematosas, así como secreciones en laconjuntiva, las que desaparecieron a las 24

horas, sin dejar daños en el iris. La córneano resultó afectada durante el tiempo que seobservó.

Se obtuvo un índice de irritación igual a1,0 puntos, lo que permite clasificar al gua-rapo deshidratado como no irritante.

Desde el punto de vista clínico, no seprodujeron alteraciones en los animales deexperimentación.

Ensayo de irritabilidad dérmicaLa adminsitración del producto, en este

ensayo, no causó lesiones eritematosas niedematosas en los sitios de aplicación por loque se obtuvo un índice de irritación pri-mario igual a 0,0; lo que evidencia que elguarapo deshidratado, en este aspecto, sepuede clasificar igualmente como no irri-tante. Desde el punto de vista clínico, no seprodujeron alteraciones en los animales delestudio.

Estudio de toxicidad aguda oralEn la tabla 2 se muestran los resultados

de las observaciones durante los 14 días delensayo, para la dosis utilizada.

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Tabla 1. Resultados del estudio de irritabilidad oftálmica

Animal ΣΣ (Conjuntiva+Iris+Córnea) 1h 24 h 48 h 72 h

Σ 12 0 0 0 TOTAL 12

Tabla 2. Signos clínicos

Signos clínicos Días

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Ojos - - - - - - - - - - - - - - Mucosas - - - - - - - - - - - - - - Sist. respiratororio - - - - - - - - - - - - - - Circulatorio - - - - - - - - - - - - - - Autónomo - - - - - - - - - - - - - - Nervioso central - - - - - - - - - - - - - - Mudanza de pelo - - - - - - - - - - - - - - Temblores - - - - - - - - - - - - - - Convulsiones - - - - - - - - - - - - - - Salivación - - - - - - - - - - - - - - Piel - - - - - - - - - - - - - - Sedación - - - - - - - - - - - - - - Somnolencia - - - - - - - - - - - - - - Muerte - - - - - - - - - - - - - - Otros - - - - - - - - - - - - - -

Como se puede observar, cuando seempleó la dosis de 2000 mg/kg, no se repor-taron signos clínicos en ninguno de los ani-males estudiados.

En la tabla 3 se muestran los resultadosobtenidos para el peso corporal (en valoresmedios y desviación estándar) para los días1, 7 y 14 de la experiencia de los grupossometidos a estudio.

Se puede apreciar que los dos grupostratados tuvieron ganancia en peso, entrelas pesadas efectuadas.

Las muestras tomadas de los órganosseleccionados no presentaron afectacionesdesde el punto de vista macroscópico, por lo

que se decidió no efectuar suestudio patológico.

Estudio de toxicidad agudadérmica

En la tabla 4 se muestranlos resultados de las observa-ciones durante los 14 díasdel ensayo, para la dosis uti-lizada.

Se constata que no se reportaron signosclínicos en ninguno de los grupos estudia-dos.

En la tabla 5 se muestran los resultadosobtenidos para el peso corporal (en valoresmedios y desviación estándar) para los días1, 7 y 14 de la experiencia de los grupossometidos a estudio.

Los dos grupos tratados tuvieron ganan-cia en peso, durante todas las pesadas efec-tuadas. Se encontró diferencia estadísticaen la mayoría de los días en que se efectua-ron las pesadas, lo cual lo demuestran lasletras diferentes.

Las muestras tomadas delos órganos seleccionados nopresentaron afectacionesdesde el punto de vistamacroscópico, por lo que sedecidió no efectuar su estudiohistopatológico.

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Tabla 3. Variación en el peso corporal (gramos de los animales en ensayo)

G r u p o T ie m p o (d ía s )

1 7 1 4

I 168±13,86 198,67±15,95 207±16,64 II 170,33±15,63 195,67±15,04 204±12,12

Tabla 4. Signos clínicos observados en la determinación de toxicidad aguda dérmica

Signos clínicos Días

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Ojos - - - - - - - - - - - - - - Mucosas - - - - - - - - - - - - - - Sist. respiratororio - - - - - - - - - - - - - - Circulatorio - - - - - - - - - - - - - - Autónomo - - - - - - - - - - - - - - Nervioso central - - - - - - - - - - - - - - Mudanza de pelo - - - - - - - - - - - - - - Temblores - - - - - - - - - - - - - - Convulsiones - - - - - - - - - - - - - - Salivación - - - - - - - - - - - - - - Piel - - - - - - - - - - - - - - Sedación - - - - - - - - - - - - - - Somnolencia - - - - - - - - - - - - - - Muerte - - - - - - - - - - - - - - Otros - - - - - - - - - - - - - -

Tabla 5. Variación en el peso corporal (gramos de los animales en ensayo)

G ru p o T ie m p o (d ía s)

1 7 14 I 212±15,52a 222±13,02a 247,4±8,73b II 186,2±3,19a 194,4±4,3b 206,1±5,2c

a, b, c: significación estadística (p<0,05)

Cuando se administra de forma aguda elproducto a la dosis límite, no se producenefectos tóxicos sobre los animales en prueba.

CicatrizaciónEn la tabla 6 se presentan los resultados

obtenidos en cuanto al área de la herida enlos animales de experimentación. Se obser-va que los valores van disminuyendo, amedida que pasa el tiempo y se administrael tratamiento entre los diferentes grupos unmismo día, en valores medios y desviaciónestándar.

Como puede apreciarse, el grupo que norecibe tratamiento alguno, disminuye lige-ramente y se observan diferencias entre elprimer día y los restante no mas ocurre asíentre los 6 días de tratamiento que no difi-rieron entre sí.

En cuanto a los otros dos grupos, existenmarcadas diferencias entre los días comopuede apreciarse y al terminar el experi-

mentos tanto la sulfadiazina de plata comoel grupo tratado con el jugo de caña deshi-dratado muestran valores de 3,8 y 3,0 cmrespectivamente contra 10 mm al comenzarla prueba.

En la tabla 7 se muestran los resultadosobtenidos en cuanto a los análisis histopa-tológicos.

De los resultados obtenidos se puedeapreciar que, tanto la sulfadiazina de platacomo el jugo de caña deshidratado, mostra-ron efecto acelerador de la cicatrización,esto viene dado por el hecho de que ambostienden a la fase II, es decir, mayores epite-lización y maduración de la piel y estáinformado previamente que el mejor com-portamiento se obtiene cuando los produc-tos tienden a la fase II, en vez de a la fase I.

Como se observa, los mayores valoresestán dados para el jugo de caña deshidrata-do, seguido por la sulfadiazina que fuetomada a manera de control positivo.

CONCLUSIONES

• Con la aplicación oftálmicadel guarapo deshidratado enla estructura ocular, seobtiene un índice de irrita-ción de 1,0 puntos, lo que loclasifica como no irritante.

• El jugo de caña deshidrata-do pasa satisfactoriamentela prueba de irritabilidaddérmica y se clasifica comono irritante.

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Tabla 6. Disminución del área con el transcurso del tiempo en valores medio y desviación estándar

Grupo Días

1 2 3 4 5 6 7

Control X 10a 8,8b 8,8b 8,4b 7,8b 7,8b 7,8b ± d.s 0 0,45 0,45 0,55 0,84 0,84 0,84

Sulfadiazina de Plata

X 10a 8,8b 8,4bd 7,6d 6,2c 4,0e 3,8f

± d.s 0 0,45 0,05 0,89 1,3 0,71 0,45

Jugo de caña deshidratado

X 10a 8,2b 7,20b 5,4c 5c 3,6d 3,0e

± d.s 0 1,3 0,45 0,89 0,71 1,14 0,17

a, b, c, d, e : Significación estadística (p< 0,05), d.s: desviación estándar

Tabla 7. Resultados histopatológicos del guarapo

Grupo

Epitelización de la epidermis

(%)

Maduración de la dermis

(%) Fase I Fase II Fase I Fase II

I Control 66,66 6,6 20 40 II Sulfadiazina de Plata 20 30 20 73,3

III Jugo de caña deshidratado

13,3 60 - 100

• El producto no indujo toxicidad agudadérmica en los animales de experimenta-ción, por lo que se considera práctica-mente inocuo para los humanos cuandose aplica de forma aguda. No son necesa-rios estudios de toxicidad aguda a dosissuperiores.

• El jugo de caña deshidratado no produjotoxicidad aguda por la vía oral en los ani-males de experimentación con el empleode la dosis límite; se consideró como sinclasificar, por lo que no resulta necesarioestudiarlo con dosis superiores.

• Los resultados obtenidos indicaron queel jugo de caña deshidratado en el trata-miento de los 7 días presentó efecto ace-lerador de la cicatrización.

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Yaniris Lorenzo-Acosta1, Juana María Chanfón-Curbelo1. Ileana Pereda-Reyes2

1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarVía Blanca 804 y Carretera Central. San Miguel del Padrón. La Habana. Cuba.

2.Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. (ISPJAE).Calle 114, No. 11901. entre 119 y 129. Marianao. La Habana, Cuba.

email: yaniris.lorenzo@icidca.edu.cu

RESUMEN

Se discute el sistema de ecuaciones que conforma un modelo matemático del proceso decocción de las masas cocidas finales en los tachos, que será empleado en la parte 2 delpresente trabajo para simular el proceso frente a diferentes alternativas de control ideal.Teniendo en cuenta la aplicabilidad del ensayo de Actividad Metanogénica Específica, eneste trabajo se utiliza este método, como herramienta de control para el estudio de ladigestión anaerobia, empleando como sustrato vinazas de destilerías con diferentes con-tenidos de sulfato e igual carga orgánica en términos de DQO y DBO. Los resultados evi-dencian que al utilizar la vinaza de menor contenido de sulfato, se obtiene una produc-ción de metano mayor, lo que trae consigo un mayor valor de Actividad MetanogénicaEspecífica. De esta forma, se corrobora la necesidad de obtener vinazas con bajos conte-nidos de sulfato en la fermentación alcohólica si se pretende emplear como tratamientode las mismas un proceso anaeróbico.Palabras clave: Actividad Matanogénica Específica, AME, digestión anaerobia, vinazade destilería.

ABSTRACT

The Specific Methanogenic Activity Test is used in present paper taking into account itsapplicability as a monitoring tool for the study of anaerobic digestion, using as substrateslops from distilleries with different sulphate content and equal in terms of the same orga-nic load in terms of COD and BOD. The results show that using the lower sulphate-con-tent slops content it results in a higher methane production, which contribute with a hig-her value of Specific Methanogenic Activity. Thus, it corroborates the necessity to reducesulphate content in vinasses from alcohol fermentation if the anaerobic treatment isgoing to be used.Keywords: Specific Methanogenic Activity, SMA, anaerobic digestion and stillage disti-lleries.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 45 - 50

INTRODUCCIÓN

Actualmente, el estudio del proceso desulfato-reducción en la digestión anaerobiaestá adquiriendo gran interés, debido a suposible aplicación para el tratamiento deaguas contaminadas con metales pesados enreactores sulfato-reductores, en los que laeliminación conjunta del sulfato y los meta-les produce sulfuros metálicos como preci-pitados insolubles, con el inconveniente deque el producto gaseoso de este procesoanaerobio, el biogás, se encontrará empo-brecido de metano (CH4) y con un alto por-ciento de sulfuro de hidrógeno (H2S), por lainhibición de la etapa de metanogénesis (1,2). De forma general, la aplicación de unproceso de digestión anaerobia como alter-nativa de tratamiento a efluentes ricos ensulfatos, trae consigo la coexistencia de bac-terias sulfato-reductoras (BSR) con losmicroorganismos metanogénicos involucra-dos en este mecanismo (3, 4), para producirun biogás con bajo poder calórico, necesita-do de un proceso de desulfurización poste-rior, para su uso como biocombustible.

En el campo de la industria azucarera,los efluentes líquidos del proceso de pro-ducción de azúcar y etanol pueden serempleados para la producción de biogás,donde las vinazas o mostos de destileríasson los que más potencial poseen para estefin; sin embargo, es el efluente que mayorcontenido de sulfato presenta en su compo-sición (5), aspecto que puede ser minimiza-do desde el proceso de obtención de etanol,si se trabaja con ácidos y sales nutrientes noazufradas en el proceso de fermentación (6),para poder obtener vinazas de más bajo con-tenido de sulfato. De esta manera, en el pro-ceso de digestión anaerobia a partir de vina-zas de destilerías, habrá menor crecimientoy desarrollo de las bacterias sulfato-reducto-ras (BSR) y mayor en las bacterias metano-génicas porque disminuirá la competenciade sustratos intermediarios entre estas bac-terias, y así el biogás obtenido en el trata-miento de efluentes de menor contenido desulfato se verá favorecido (2-4), aspecto quepuede ser estudiado en ensayos deActividad Metanogénica Específica (AME).Esta es una importante herramienta para elestudio y monitoreo de los procesos dedigestión anaerobia, según varios autores(7-11), ya que el ensayo puede ser utilizado

para la determinación de la capacidad deasimilación que tienen las bacterias meta-nogénicas para producir biogás a partir dediferentes sustratos.

De ahí que el objetivo de esta investiga-ción sea emplear el Ensayo de ActividadMetanogénica Específica, como herramientade control, para el estudio del proceso dedigestión anaerobia con vinazas de destile-rías de diferentes contenidos de sulfatos,como sustrato.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio de la digestión anaerobia,mediante el AME, comprende la utilizaciónde un mismo tipo de sustrato (vinaza dedestilerías a partir de la fermentación demieles finales de caña). Las vinazas utiliza-das fueron de la misma procedencia, por loque para evaluar el comportamiento de ladigestión anaerobia en presencia de altosvalores de sulfato, se añadió, a una mismafuente de obtención de vinaza, el doble desu contenido de sulfato, además de sulfatode magnesio (MgSO4) (12), con el fin de eli-minar la interferencia de la conversión deDQO a metano. Se logró así evaluar vinazasde iguales cargas contaminantes y diferen-tes valores de sulfato.

Existen diferentes protocolos a nivelmundial para determinar el AME, que pre-sentan diferencias en términos de la con-centración del inóculo utilizado, el tipo yconcentración del sustrato, la relación ali-mento/microorganismos, el tipo y concen-tración de nutrientes y el tiempo de incuba-ción. De esta forma, la desventaja del méto-do radica en que solo es posible utilizarlo entérminos comparativos, cuando las condi-ciones o fases operacionales sean iguales enlos reactores anerobios a comparar (13).

La fuente de inóculo, común para cadareactor anaerobio empleado en el estudio,fue procedente de un digestor UASB a esca-la industrial que trata vinazas de destilería;de ahí que sea posible, no tener en cuenta,la variable de tiempo de incubación, antesde la adición del sustrato.

Se evalúa también en este estudio laAME del inóculo, utilizando acetato desodio como sustrato (1 g DQO/L), con elobjetivo de determinar la máxima produc-ción de metano, que el lodo empleado

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(inóculo) puede transformar, a partir de unsustrato de fácil degradación, con micronu-trientes solo en esta condición del ensayo(14). La composición de los micronutrientesutilizados se describe en la tabla 1.

La caracterización del lodo y del sustra-to (vinaza) fue realizada según los procedi-mientos descritos (15) para aguas y aguasresiduales.

Estos micronutrientes, una vez pesados,se disuelven en un litro de agua destilada,se le adiciona 1 ml de solución de elemen-tos traza y se esteriliza en la autoclave a 121°C durante quince minutos.

Los elementos trazas utilizados (tabla 2)se pesan y se disuelven en un litro de aguadestilada y solo se toma 1 mL.

Para las dos condiciones del ensayo,cuando se utiliza vinaza como sustrato, la

concentración de la biomasa en cada frasco(sólidos suspendidos volátiles (SSV), asícomo la cantidad de lodo a adicionar, se cal-cularon según los balances de materiales delas ecuaciones 1, 2 y 3 para mantener unarelación 1:1 de alimento-microorganismo,relación recomendada para realizar el ensa-yo de AME (12, 13). Por tanto, se debencumplir que los kilogramos de DQO devinaza/ SSV lodo =1.

Se utilizaron como reactores, frascos de400 ml y condiciones anaerobias; en cadauno se burbujeó nitrógeno durante 5 min,antes de cerrar herméticamente los frascos.

Base de cálculo: 380 de volumen efecti-vo de reactor.

donde:Vvinaza: Volumen de vinaza (ml) Vlodo: Volumen del lodo (ml)Vmezcla: Volumen de la mezcla vinaza y

lodo a añadir al reactor (ml)

De esta forma, se conoce cuánto hay queadicionar de lodo y vinaza para mantener larelación de alimento/microorganismo iguala uno y ocupar el mayor espacio dentro delreactor (380 ml de 400 ml).

La temperatura de trabajo fue controladaa 30 °C. El metano producido como resulta-do del proceso de biometanización fuecuantificado por el método de desplaza-miento utilizando NaOH al 3 % y a medidaque el biogás pasa a través de estas solucio-nes de pH ≥ 12, el CO2 del biogás se con-vierte en carbonato y es adsorbido dentrodel líquido. Únicamente el gas metano pasaa través de la solución y un volumen equi-valente es impulsado fuera de la botella deMariotte (figura 1) (16).

Las mediciones fueron realizadas cada30 min, se realizaron tres réplicas para cadacondición del ensayo y se graficaron los pro-medios de los resultados de los desplaza-mientos acumulados de metano (CH4 vs.tiempo) para determinar la máxima veloci-dad de producción de CH4 en el tiempo (16).

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Tabla 1. Composición de los micro-nutrientes

Medio g/L NaHCO3 0,4 NH4CL 0,28 MgSO4.7H2O 0,1 Extracto de levadura 0,1 K2 PO4 0,25 CaCL2 H2O 0,01 Solución de elementos trazas 1 mL

Tabla 2. Composición de la solución de los elementos trazas

Solución de elementos trazas

Valores (mg/L)

FeCL3 .4H2O 2000 ZnCL2 50 CuCL2 .2H2O 38 MnCL2.4H2O 500 (NH4) 6MoO24.4H2O 50 AICL3.6H2O 90 CoCL2.6H2O 2000 NiCL2.6H2O 152 NaSeO.5H2O 164 EDTA 1000 Rezarsurina 200 HCl 36 % 1 mL

CVlodoCVvinaza ** =

1=∗

∗SSVlodoVlodoDQOvinazaVvinaza

DQOvinazaSSVlodoDQOvinazaVmezclaVlodo

+∗=

ec. 1

ec. 2

ec. 3

Para el cálculo de la actividad metanogé-nica específica (AME) se utiliza la ecuación4 (14, 16).

donde:FC: Factor de conversión CH4 mL /g

DQOeliminado a 30 °C = 405 (16).dVCH4/dt: Velocidad de producción de CH4.

Valor de la pendiente en el período detiempo que se observa la máxima veloci-dad (mL/h)

V: Volumen efectivo de líquido en el vial (L) SSV: Sólidos suspendidos del inóculo (g/L)

La AME se expresa en g DQO CH4/gSSV.d

De la gráfica confeccionada se escogepara el valor de dVCH4/dt la mayor pen-diente entre dos puntos consecutivos y secalcula la AME según la ecuación 4.

RESULTADOS

Las características de las vinazas emple-adas como sustrato en el ensayo de biode-gradabiliadad del test de AME se reportanen la tabla 3.

La caracterización del lodo utilizadocomo inóculo arrojó que poseía un conteni-do de sólidos de: SST = 27720 mg/L, SSF =8920 mg/L y SSV = 18800 mg/L.

La cantidad de lodo y de vinaza a adi-cionar en cada reactor se calcula segúnecuación 1-3. De esta forma, se conocecuánto hay que adicionar de lodo (302 ml) yvinaza (78 ml) para mantener la relación de

alimento/microorganismo igual a uno yocupar el mayor espacio dentro del reac-tor (380 ml de 400 ml).

Vlodo=380*72618/(18800+72618)=302 mlVvinaza = 380-302 = 78 ml

Como se observa en la tabla 4, para cadacondición estudiada el tiempo máximo deexperimentación fue de 5 horas (300 min.),para cada condición de experimentación, loque evidencia que el lodo estuvo adaptadopreviamente a este tipo de sustrato de difícildegradación como son las vinazas de desti-

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Figura 1. Diagrama de preparación delensayo de AME.

dgSSVgDQOCHSSVVFCdtdVCHAEM ./**

24*/4

4 ==ec. 4

Tabla 3. Características de las vinazas empleadas en el ensayo AEM

Parámetros Unidades Vinaza con menor contenido de sulfato

Vinaza con mayor contenido de sulfato

DQO mg/l 72 618 72 618 DBO mg/l 32 500 32 500 pH mg/l 4,09 4,09 SSV mg/l 7660 7660 ST mg/l 63 360 63 360 STF mg/l 18 200 18 200 STV mg/l 45 140 45 140 SST mg/l 10 900 10 900 Nitrógeno mg/l 840 840 Calcio mg/l 0,29 0,29 Fósforo mg/l 0,5 0,5 Sulfato mg/l 2343 4343

lería, al compararlo con los resultados quearroja el acetato de sodio empleado comosustrato patrón.

En la figura 2 se grafican los resultadosde la producción de metano en ml de des-plazamiento en función del tiempo (min) deexperimentación.

Los resultados evidencian (figura 2) que lamáxima producción de metano ocurre cuan-do se adiciona al lodo un sustrato de fácildegradación como es el acetato de sodio(curva patrón). La curva de menor pendien-te es la de la vinaza de mayor contenido desulfato (sulfato 4,3) y donde menor cantidadde metano tiene el biogás producido.

Al comparar las vinazas empleadascomo sustrato se observa que hay mayorproducción de metano cuando se empleanvinazas de menor contenido de sulfato, loque trae consigo que, al obtener en la fer-mentación alcohólica a escala industrial,vinazas con menor contenido de sulfatopara su tratamiento por digestión anaerobia,se obtenga mayor cantidad de metano porgramo de biomasa. De esta forma, el biogása obtener tendrá mayor poder calórico.

Los valores de AME para cada condiciónson los siguientes: 1,7; 0,76 y 0,46 gDQOCH4/gSSVd cuando se emplea acetatode sodio, vinaza de menor contenido de sul-fato y vinaza de mayor contenido de sulfato,respectivamente. Comparando estos resul-tados, se corrobora que se obtiene mayorporciento de metano en el biogás, cuando setratan anaeróbicamente sustratos de menorcontenido de sulfato. El bajo valor de AME(0,46) supone la presencia y proliferaciónde las BSR en el consorcio bacteriano, com-parado con las BM, aspecto que puede serestudiado y verificado posteriormente enensayos microbiológicos (4, 17).

Debido a la falta de una metodologíaestándar para el estudio de la digestiónanaerobia mediante el test de AME, utili-zando efluentes líquidos (4), los resultadosde estos ensayos, serán muy útiles a lacomunidad científica, en términos compa-rativos, cuando se empleen vinazas de des-tilerías para obtener biogás.

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Tabla 4. Resultados de las mediciones de desplazamiento del líquido por el CH4 producido en cada experimentación

Tiempo (min)

Desplazamiento (ml)

Patrón de

acetato de sodio Vinazas con 2,3 g/l

de sulfato Vinaza con 4,3 g/l

de sulfato 30 0 0 0 60 21,0 0 0 90 41,6 0,4 0,6 120 58,3 2 3,2 150 64,5 14,8 11,4 180 64,5 26,4 19,8 210 64,0 33,2 24,7 240 64,5 34,4 27,5 270 64,0 35 28,4 300 64,0 35,2 28,8 Valores reportados en promedio

Figura 2. Producción de metano en funcióndel tiempo para cada condición de experi-mentación.

CONCLUSIONES

El ensayo de Actividad MetanogénicaEspecífica es un análisis de laboratorio quepuede utilizarse como herramienta parainterpretar y conocer la dinámica bacterianaque se desarrolla en un reactor e incidir en elproceso de digestión anaerobia (mediantecambios operacionales) sin afectar el procesoindustrial.

Los resultados evidencian que hay unamayor producción de metano cuando seemplean sustratos de menor contenido desulfato, lo que hace necesario obtener vina-zas de este tipo en la fermentación alcohóli-ca, si se pretende emplear como tratamientode las mismas un proceso anaeróbico.

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Vivian León-Fernández1, Jacques Rieumont-Briones2, Eduardo Bordallo-López1, Daisy Dopico-Ramírez1, Enma Peña-Sacerio1, Isis Menéndez-Cuesta-Mirabal1

1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarCP 33500, Quivicán, Mayabeque, Cuba.

2. Facultad de Química, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba. vleon69@yahoo.com

RESUMEN

Se presenta la obtención y caracterización físico-química de un derivado de celulosa porfuncionalización con grupos carboximetílicos y bencílicos. Estos últimos le confierencarácter hidrófobo al polisacárico. En el espectro RMN CP/MAS 13C aparecen picos quecorroboran la modificación de la celulosa. La señal correspondiente al grupo carboxime-tilo se constata a 178,5 ppm y la de los aromáticos se observa a 129,2 ppm y 138-140 ppm.El análisis cualitativo por difracción de rayos X (DRX) permite identificar los principalesplanos cristalinos para la celulosa I y II, antes y después de la derivatización. Por últi-mo, el comportamiento macromolecular en solución evaluado por viscosimetría muestraque el polímero carboximetilado tiene un comportamiento polielectrolítico típico quevaría al incrementarse la fuerza iónica, mientras que en el derivado funcionalizado conambos grupos se aprecia una tendencia a la disminución en la viscosidad reducida, siesta se compara con el material de partida. El comportamiento es similar, independien-temente de la fuerza iónica del medio. Palabras clave: celulosa, carboximetilbencilcelulosa, polímero hidrofóbico.

ABSTRACT

In this paper a cellulose derivative was obtained by the insertion of carboxymethyl andbenzyl groups, these latter confer hydrophobicity to the polysaccharide. The 13C CP/ MASNMR spectrum showed peaks that corroborate the modification of cellulose. The corres-ponding signal to carboxymethyl and aromatic groups appear at 178.5 ppm and 129.2ppm and 138-140 ppm respectively. Qualitative analysis by XRD allowed the identifica-tion of the main crystal planes for cellulose I and II before and after derivatization.Finally, the macromolecular behavior in solution, measured by viscosimetry, showed thatthe carboxymethylated polymer exhibited a typical polyelectrolyte behavior that varieswith increasing ionic strength, while for the derivative functionalized with both groupsshows a decreasing trend in the intrinsic viscosity, if this is compared with the startingmaterial. The behavior is the same regardless of the medium ionic strength.Keywords: cellulose, carboxymethylbenzylcellulose, hydrophobic polymer.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 51 - 56

INTRODUCCIÓN

Los polímeros solubles en agua modifi-cados hidrofóbicamente han atraído la aten-ción de la comunidad científica, por abriruna ventana de oportunidades que poten-cializa sus aplicaciones en múltiples indus-trias como: tensoactivos, espesantes de pin-turas al agua, en la recuperación de petró-leo, en los cosméticos, en la medicina y far-macia, entre otras (1-3).

Estos materiales son macromoléculasanfifílicas constituidas fundamentalmentepor un esqueleto hidrofílico que se modificacon grupos hidrófobos. En soluciones acuo-sas son capaces de cambiar su comporta-miento producto de la asociación hidrofóbi-ca inter e intramolecular, lo cual trae comoresultado las propiedades inusuales quepresentan, aprovechadas con fines prácticosen las industrias ya mencionadas.

Pueden obtenerse a partir de polímerosnaturales o sintéticos, neutros o iónicos. Supreparación se consigue por formación deun enlace covalente entre los grupos hidró-fobos (alquílicos o aromáticos) y los gruposfuncionales de la macromolécula. Endependencia de la hidrofobicidad de losgrupos y del grado de modificación, se pue-den obtener polímeros solubles o insolublesen agua. En el caso de los solubles, se repor-ta que la sustitución con los grupos hidrofó-bicos debe estar entre 5 y 10 % (4).

El componente mayoritario de los mate-riales lignocelulósicos, el biopolímero deorigen natural más abundante y la baseestructural de las células vegetales, la celu-losa, es completamente insoluble en agua apesar de su elevada afinidad por ella, lo cualse atribuye principalmente a los enlaces dehidrógeno intra e intermoleculares entre lascadenas individuales (5). Sin embargo,puede convertirse en un polímero solubleintroduciendo grupos funcionales en elesqueleto macromolecular.

El espectro de derivados celulósicos solu-bles en agua obtenidos en el mundo va desdederivados no iónicos como la metil y lahidroxipropilcelulosa (6, 7) hasta los anióni-cos como la carboximetilcelulosa (8, 9). Esteúltimo es el éter de celulosa industrialmentemás importante y se produce desde gradosindustriales, sin ninguna refinación, hastalos de alta pureza que son utilizados en ali-mentos, medicina y farmacia. En los últimos

años, la modificación de este derivado congrupos hidrofóbicos es objeto de estudio demuchos grupos de investigación (10 - 12).

El objetivo de este trabajo es la obten-ción y caracterización físico-química de underivado de celulosa por funcionalizacióncon grupos carboximetílicos y bencílicosque solubilizan al polisacárido, a la vez quele confieren carácter hidrófobo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizó pulpa de celulosa con ungrado de polimerización promedio viscosi-métrico GPv 150-200; hidróxido de sodio ycloruro de bencilo (BDH, Inglaterra); ácidomonocloroacético (Fluka AB, HeidelbergRFA); cloruro de sodio y ácido acético(Riedel de Häen, RFA); alcohol isopropílico(Analar, Inglaterra).

Preparación de la carboximetilcelulosa(CMC)

En un balón de 250 ml se añadieron 10 gde celulosa base seca y 90 ml de alcohol iso-propílico. Seguidamente, se gotearon 12,8 mlde hidróxido de sodio y se agitó durante 30minutos. Posteriormente, se adicionaron 12 gde ácido monocloroacético disueltos en 10ml del solvente. La mezcla de reacción secalentó hasta 70 °C durante 4 h. Transcurridoeste tiempo se enfrió, se neutralizó con ácidoacético, se filtró y se secó a 50 °C.

Preparación de la carboximetilcelulosabencilada (CMBz)

En un balón de 250 ml se preparó unadisolución acuosa de CMC al 5 %. Se aña-dieron 50 ml de etanol y se gotearon 3,5 mlde hidróxido de sodio, la agitación se mantu-vo durante 30 minutos. Posteriormente, seadicionaron 7,9 ml de cloruro de bencilo y secalentó hasta 70 °C durante 4 h. Transcurridoeste tiempo se enfrió, se neutralizó con ácidoacético, se filtró y se secó a 50 °C.

Las muestras que se emplearon para lascaracterizaciones se purificaron con etanol 80% hasta que resultaron libres de iones cloruro.

Caracterización de los derivadosDeterminación del grado de sustitución (G.S)de la CMC

Fueron disueltos en agua destilada conayuda de la agitación magnética, 40 mg de

52

CMC seca. Se acidificó hasta pH 3,0 por adi-ción de HCl 0,5 N y posteriormente se valo-ró con NaOH 0,5 N empleando una buretacon precisión de 0,05 ml. El análisis se rea-lizó a 25 °C y con agitación constante.

En cada adición se registraron los valo-res de conductividad y pH utilizando unconductímetro COND 510 y pH-metroEutech Instruments CyberScan pH 1100.Las lecturas realizadas permitieron cons-truir los gráficos correspondientes en cadacaso, utilizando el paquete de programasgráficos OriginPro 8. Para estimar el G.S seprocedió según se informa en la literatura(13, 14).

Espectroscopía FT-IRLos espectros se registraron en un espec-

trofotómetro FT-IR Bruker IFS 60v en elrango 4000-400 cm-1 en pastillas de KBr.

Medidas de Resonancia Magnética Nuclearen estado sólido (RMN CP MAS 13C)

Los espectros RMN CP/ MAS 13C fueronobtenidos con un espectrómetro Varian(Unity 400), a frecuencia de resonancia de100,58 mHz, con banda espectral para polari-zación cruzada y desacoplamiento 50-70 kHz.El tiempo de contacto para polarización cru-zada fue 2 min y el tiempo de repetición 3 s,los espectros se obtuvieron con 2048 pul-sos. Los resultados fueron tratados conOriginPro 8 para separar los picos.

Difracción de Rayos X (DRX)Los difractogramas se registraron con un

difractómetro universal de rayos X, modeloURD6, marca Carl Zeiss-Jena. El barrido serealizó a una potencia de 40 kV/20 mA yvelocidad de 3 °/min. El índice de cristalini-dad (% Gc) se determinó mediante la ecua-

ción 1 utilizada por varios autores (15-17).I002: Intensidad de la señal en 2θ = 22- 23°,

atribuido a las regiones cristalinas para lacelulosa I (entre 18 y 22° para la celulosaII).

Iam: Intensidad de la señal en el mínimo a2θ entre 18° y 19° para la celulosa I (entre13 y 15° para la celulosa II), correspon-diente a las regiones amorfas.

Comportamiento viscosimétrico de los deri-vados obtenidos

Se preparó una solución madre al 0,2 %a partir de la cual se obtuvieron disoluciones0,4 g/L ajustadas a valores de pH 2, 4, 6, 8 y10 por analogía al procedimiento descrito(18). Con los valores obtenidos se plotearonlos gráficos de viscosidad reducida vs pHpara los dos valores de fuerza iónica.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Determinación del grado de sustitución(G.S.) de la carboximetilcelulosa

La figura 1 muestra una curva típica delcambio registrado en la conductividad y elpH durante la valoración. Se observa que enla primera parte de la curva la conductivi-dad decrece rápidamente, lo que se corres-ponde con la neutralización del ácido aña-dido. La meseta que aparece después esdebido a la neutralización de los grupos car-boxílicos, mientras que el incremento alfinal se asocia con el exceso de base.

El G.S. representa el número de molesde grupos carboximetílicos (-CH2COO-) pormol de anhidroglucosa que resultó serG.S.= 0,75 ± 0,10, es decir que de los tresgrupos hidroxilos de la unidad de glucosa,0,7 se sustituyeron por carboxilos.Resultados similares fueron alcanzados porCapitania et al. (13).

FT-IRLos espectros obtenidos para la muestra

de celulosa y sus derivados están repesenta-dos en la figura 2.

53

Figura 1. Valoración conductimétrica ypotenciométrica del CMC.

Tanto en la celulosa de partidacomo en los derivados, se observa unabanda de absorción ancha e intensa a3335 cm-1 que está asociada al alarga-miento de los O-H de los grupos hidroxilos,pero que disminuye en ancho e intensidaden los derivados. La banda en 2895 cm-1

corresponde al estiramiento asimétrico delos grupos metileno (CH2).

En los derivados aparecen bandas inten-sas a 1650 cm-1, 1420 cm-1 y otras múltiplesen la región 1140-1060 cm-1, indicativas delos alargamientos de los grupos C=O, C-C yC-O, respectivamente. La señal en 905 cm-1

es debido al alargamiento del C-O-C, esto escaracterístico del grupo éter.

Las mayores diferencias entre el deriva-do carboximetilado y el que tiene los dosgrupos funcionales debería visualizarse enla zona de aromática del espectro (1600-1450 cm-1); sin embargo, la presencia deseñales preexistentes dificulta la utilizaciónde esta técnica como diagnóstica.

Espectroscopía RMN CP MAS 13CEl espectro de RMN CP/MAS 13C (figura

3) muestra los picos característicos de loscarbonos en el derivado carboximetilado ybencilado y en la tabla 1 se presentan lasasignaciones de las señales para cada unode ellos que coinciden con los obtenidospor otros autores (19, 20).

Las señales de los grupos CH2 (C7 y C12)se solapan con las de los carbonos de lasunidades de anhidro glucosa y no puedenser diferenciadas.

El pico C1 está influenciado por la susti-tución en la posición 2. Se observó unapequeña señal (C1´) a los 97 ppm, quecorresponde precisamente con la eterifica-ción de C2, tal y como fue informado pre-viamente (19).

Análisis cualitativo por DRX

Celulosa y CMBzLos difractogramas de la celulosa de par-

tida y la modificada con los dos grupos fun-cionales difieren en la distribución de lospicos, tal y como se refleja en la figura 4. Elproducto obtenido presenta dos picos desimilar intensidad en la región correspon-diente a los ángulos de Bragg 20 y 22°,mientras que en el material de partida no seaprecia el desdoblamiento en el pico princi-pal a 23° y aparecen otras dos señales demenor intensidad en 15 y 35°.

Estos resultados son análogos a los repor-tados en la literatura (17) donde se refierencomo principales planos cristalinos para lacelulosa I las difracciones próximas a 2θ: 23°(plano 002), 15° (plano 101), 35° (plano 040)

54

Figura 2. Espectro FT-IR de la celulosay sus derivados.

Figura 3. Espectro RMN CP/MAS 13C del CMBz.

Tabla 1. Asignación de los corrimientos químicos en el espectro del CMBz

δδ (ppm)

Carbono Señal

C1 105,2

C2,3,5 74,8

C4 82,7

C6 62,9

C13 178,5

C9-11 129,2

C8 138,0- 140,0

y para la celulosa II, las difracciones en ángu-los 23° (plano 002) y 20° (plano 101), las cua-les tienen intensidades semejantes. Además,se reporta que debe aparecer también el picoa 15°, cuya identificación puede dificultarsepor la difracción difusa que causa la parteamorfa, como ocurre en nuestro caso.

El paso de celulosa I a II está justificadopor el tratamiento de la celulosa con hidró-xido de sodio para garantizar la activaciónde los grupos hidroxilos previo a las reac-ciones de esterificación. El índice de crista-linidad no se afecta considerablemente des-pués de la derivatización.

Comportamiento viscosimétricoLa viscosimetría es una de las técnicas

más usadas para la caracterización de lospolímeros. A través de las propiedades deflujo de las soluciones poliméricas diluidasse puede obtener información acerca delcomportamiento macromolecular en solu-ción. La figura 5 muestra el cambio en la vis-cosidad reducida con el pH de las solucionespreparadas a las dos fuerzas iónicas estudia-das. La CMC manifiesta un comportamientopolielectrolítico típico. Al aumentar el pH,los grupos carboxilatos (COO-) se ionizan ycontribuyen a incrementar el volumenhidrodinámico por las interacciones elec-trostáticas entre ellos. Cuando la fuerza ióni-ca aumenta (NaCl 0,1 M), se reducen dichasinteracciones por efecto del apantallamientosobre las cargas, lo que conduce a que la vis-cosidad disminuya bruscamente.

Se ha informado (10) que en los copolíme-ros, en presencia de sales, se pueden presen-tar dos efectos que contribuyen a que ocurra lacontracción en la macromolécula: apantalla-miento de las interacciones electrostáticas einteracciones hidrofóbicas intramoleculares.

En nuestro caso, al observar los gráficospara el CMBz se aprecia que el comporta-

miento es similar. Al incrementar la fuerzaiónica no hay variación dramática en la vis-cosidad como ocurre con el CMC. Se pudie-ra decir entonces, que predominan las inter-acciones hidrofóbicas intramoleculares porencima de las repulsiones electrostáticas yque el efecto de apantallamiento sobre lascargas, cuando aumenta la fuerza iónica, nose asocia con un cambio en la viscosidad.

Por otra parte, la menor viscosidad delCMBz con relación a la CMC (NaCl 0,01M)se explica de igual forma: el predominio delas interacciones hidrofóbicas intramolecu-lares provoca que el polímero se enrolle, elvolumen hidrodinámico disminuya y por lotanto la viscosidad también.

CONCLUSIONES

Se propone un método para funcionali-zar la celulosa con grupos carboxilos ióni-cos y bencilos hidrófobos que le confieren ala macromolécula propiedades sui géneris.La sustitución se corroboró por espectrosco-pía FT-IR y RMN CP MAS 13C al realizarse

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Figura 4. Difractogramas de la celulosa yCMBz.

Figura 5. Viscosidad reducida vs. pH: arriba0,1 M NaCl, abajo 0,01 M NaCl.

la asignación de las señales en los espectroscorrespondientes. Se obtuvo un G.S de gru-pos carboxilos de 0,75 ± 0,10. Por DRX seidentificaron los principales planos cristali-nos para la celulosa I y II. Se comprobóademás, que el porciento de cristalinidad nose afecta por la derivatización.

La viscosidad reducida experimenta unavariación que depende marcadamente de lafuerza iónica del medio para el caso delCMC, no siendo así para el derivado con losdos grupos funcionales donde el comporta-miento es similar, independientemente de lafuerza iónica del medio.

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Lucia García-García, Eduardo Bordallo-López, Daisy Dopico-Ramírez, Dolores Cordero-Fernández

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarVía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba

lucia.garcia@icidca.edu.cu

RESUMENSe presentan los resultados de la obtención de celulosa microcristalina (MCC) a partir delbagazo de la caña de azúcar para usos farmacéuticos. El bagazo de la caña de azúcar fuedesmedulado en suspensión, prehidrolizado en fase acuosa, pulpeado en presencia deNaOH y blanqueado con una secuencia dióxido-extracción-dióxido, con el objetivo deobtener una pulpa blanqueada que permita aislar la fracción cristalina de la celulosa. Seobtuvo una pulpa cruda con un número de permanganato de 8,5 y una pulpa blanquea-da con una brillantez de 89,3 Elrepho y contenido de α-celulosa de 92,5 %. La hidrólisisparcial controlada de la celulosa, con ácido clorhídrico, permitió obtener la fracción cris-talina de la celulosa con un contenido del 97 % en celulosa y un grado de polimeriza-ción entre 180-200 con grado farmacéutico adecuado. Los diferentes productos fueroncaracterizados por las normas TAPPI y por las normas Farmacopea. Se llevaron a caboensayos de rayos X al producto final. El producto cumplió con los requerimientos de cali-dad exigidos por las diferentes normas. En el difractograma de rayos X se identificaronlos mismos picos que en celulosa microcristalina obtenida a partir de madera.Palabras clave: fibra dietética, celulosa de elevada pureza, grado farmacéutico.

ABSTRACTThis paper presents the results of the production of microcrystalline cellulose (MCC) fromsugar cane bagasse for pharmaceutical uses. Sugar cane bagasse was depithed in sus-pension, prehidrolized in aqueous phase, pulped with NaOH and bleached with asequence chlorine dioxide- extraction- chlorine dioxide, with the objective of obtain a ble-ached pulp to isolate the cellulose crystalline fraction. A raw pulp is obtained with a per-manganate number of 8,5 and a bleached pulp with an Elrepho brightness of 89,3 andα-cellulose content of 92,5 %. The controlled partial hydrolysis of cellulose, with hydroch-loric acid, yields the cellulose crystalline fraction of with a content of 97% cellulose anda polymerization degree between 180 - 200, which, matched pharmaceutical grade. Thedifferent products were characterized by the TAPPI Standards, the Pharmacopoeia stan-dards and the final product was examined by X-ray. The product meets the quality requi-rements demanded by pharmacopoeia standards and their X-ray diffraction pattern iden-tifies the same peaks as microcrystalline cellulose obtained from wood.

Keywords: cellulose of elevated purity, pulping, dietary fiber, pharmaceutical grade.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2013, vol. 47, no. 1 (enero-abril), pp. 57 - 63

INTRODUCCIÓN

La celulosa (55 % de la fibra del bagazofórmula molecular (C6H10O5)n), es un polí-mero de alto peso molecular, lineal y poli-disperso. Sin embargo, sus cadenas tienenuna alta tendencia a formar agregados alta-mente ordenados, como consecuencia de suconstitución química y de su capacidadpara formar enlaces de hidrógeno inter eintramoleculares entre los grupos hidroxilode las unidades de anhidroglucosa (u.a.g),durante la biosíntesis (1) (figura 1).

Los enlaces de hidrógeno son los res-ponsables de la alta cohesión molecular enla celulosa, lo que aparejado a la ausenciade ramificaciones, origina que las cadenaspuedan alinearse en grupos, formandozonas ordenadas (cristalinas) unidas aregiones desordenadas (amorfas). El resulta-do es una macromolécula semicristalina enun 60 %, con un carácter esencialmentehidrofílico pero insoluble en agua, contodos los grupos hidroxilo comprometidosen la formación de enlaces de hidrógeno (3).

El aislamiento y purificación (4) de lafracción cristalina de la celulosa se ha estu-diado mediante la hidrólisis parcial contro-lada con ácidos minerales, a partir de dife-rentes materias primas, tales como: linter dealgodón, diferentes tipos de maderas y, enmenor medida, a partir de plantas anuales yresiduos, bambú, cáscara de trigo, papelesde desecho, cáscara de nuez, bagazo de lacaña de azúcar y otras.

Cuando la celulosa se aísla de otros com-ponentes, se puede obtener en forma decristal por medios químicos (5). Debido a lamenor reactividad frente a los agentes quí-micos de las regiones cristalinas, o másordenadas, se explica fácilmente la posibili-dad de aislar la fracción cristalina de lacelulosa por hidrólisis controlada con áci-dos minerales. En el transcurso de la hidró-

lisis se atacan preferentemente las áreasamorfas y se produce una disminución delGP promedio (grado de polimerizaciónmedio) con el tiempo, pero dependiendo delas condiciones de esta, al cabo de ciertoperíodo se obtiene una constancia en suvalor y una celulosa llamada "grado de poli-merización nivelado" o "celulosa GP". Elvalor de dicho GP permanece invariable,aunque prosiga ulteriormente el proceso dehidrólisis (6).

Se concluye que la celulosa microcrista-lina (MCC) es un derivado de la α-celulosadespolimerizada y purificada a partir deplantas fibrosas. Esta constituye la fracciónsólida de bajo peso molecular, resistente a lahidrólisis parcial controlada de la celulosaen medio ácido (7). Es un producto blanco,inodoro, libre de contaminantes orgánicos einorgánicos, insoluble en agua, solventesorgánicos y ácidos diluidos y parcialmentesoluble en álcalis diluidos. Contiene nomenos del 97 % de celulosa de alta cristali-nidad calculada sobre base seca.

La naturaleza química de este producto(celulosa de elevada pureza) y su estructurafísica (con gran desarrollo superficial) hanhecho surgir una amplia gama de posibili-dades de aplicación, partiendo de la formapulverulenta o de la suspensión coloidal.

En particular, la MCC se utiliza comoexcipiente en la industria farmacéuticacomo agente de compactación y desintegra-ción en el tableteo farmacéutico; es utiliza-do también, en cápsulas, como portador delcolor y el sabor.

Entre las fuentes más abundantes defibra dietética insoluble (carbohidrato nodigerible por el hombre), se destaca la celu-losa, el carbohidrato más abundante en lanaturaleza, ya que constituye una parte sig-nificativa de la masa de las plantas.Diferentes autores destacan la importanciaque tiene el consumo de las fibras para la

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Figura 1. Estructura química de la celulosa (2).

salud del hombre. Las fibras influyen en lafunción del intestino grueso, pues reducenel tiempo de tránsito, aumentan el peso y lafrecuencia de las deposiciones y diluyen elcontenido intestinal mediante su fermenta-ción por la microflora, que habitualmente sehaya presente en él.

Uno de los productos más comunes deella es la celulosa microcristalina, que seutiliza como sustituto de harina y azúcar enalimentos de bajas calorías (8). Como resul-tado del trabajo conjunto con la industriaalimenticia, se investigó la cantidad deMCC más recomendable a utilizar comoaditivo en algunos alimentos, tales como, enla producción de helados, queso amarillo,queso crema, yogurt y otros.

En la actualidad, en nuestro país, lacelulosa microcristalina se utiliza comoterapéutico para la absorción de los ácidosbiliares en las heces fecales de los pacientescon cáncer de colon y pólipos adenomato-zos y a nivel de jugo gástrico, en los casos degastritis alcalina por reflujo duodenogástri-co (se caracteriza por la inflamación de lamucosa acompañada, o no, de alteracionesde la arquitectura glandular). Esta investiga-ción se realizó en el Instituto Nacional deGastroenterología, por los doctores M.Paniagua Estévez, F. Piñol Jiménez y otrosinvestigadores con Celulosa Microcristalinaimportada y con MCC producida en nuestrainstitución (9, 10).

El hecho de no existir un tratamientoverdaderamente efectivo para la gastritisalcalina por reflujo duodenogástrico, asícomo los avances recientes en el estudio delas fibras dietéticas, constituyeron los fun-damentales incentivos para desarrollar estainvestigación en la búsqueda de una tera-péutica más eficaz en el manejo de la enfer-medad.

El objetivo fundamental de esta investi-gación fue obtener pulpa blanqueada, a par-tir del bagazo de la caña de azúcar y suhidrólisis parcial para lograr la fraccióncristalina de la celulosa.

MATERIALES Y MÉTODOS

Procedimiento para la obtención de pulpade alta pureza a escala de planta piloto

La celulosa se aisló y purificó utilizandola tecnología de la UIP CUBA 9 (11). Fue uti-

lizado bagazo integral del central “ManuelFajardo”, de la zafra de 2010. Este fue remo-jado durante 24 horas y desmedulado ensuspensión. Posteriormente, se realizó laprehidrólisis a 2 kg de bagazo desmedulado(50 % humedad) en fase acuosa en un diges-tor rotatorio de acero inoxidable de 18 L decapacidad, con calentamiento indirecto porresistencia eléctrica a una temperatura de170 ºC durante 45 minutos y un hidromó-dulo de 1:7.

El producto se lavó hasta neutralidadcon agua tratada y posteriormente fue some-tido a un proceso de cocción a la soda, uti-lizando un 16 % de Na2O sobre pulpa, en elmismo digestor utilizado anteriormente auna temperatura de 160 ºC, tiempo de 45minutos e hidromódulo de 1:6. La pulpacruda se lavó hasta neutralidad con aguatratada, y se depuró en un clasificador secentrifugó hasta obtener un 50 % de hume-dad. La pulpa es blanqueada utilizando elesquema dióxido, extracción, dióxido(DED), que se describe en el Manual laIndustria de los Derivados de la Caña deAzúcar (12).

Procedimiento para la obtención de celulo-sa microcristalina

En un reactor esmaltado de 132 L decapacidad, la pulpa de elevada pureza debagazo blanqueada se somete a la acción delácido clorhídrico, a temperatura de 100 °Cy agitación esporádica durante 60 minutos(13 - 15). La suspensión de celulosa micro-cristalina obtenida se centrifuga y lava conagua desionizada hasta pH neutro y libre decloruros. La masa húmeda se seca entre 55-60 °C. Finalmente, el producto se muele yenvasa.

Caracterización de la pulpa y la celulosamicrocristalina

El contenido de α−celulosa (16), la vis-cosidad y el grado de polimerización sedeterminaron mediante la norma TAPPI(17). La brillantez, el acondicionamiento yla preparación de las muestras se realizaronsegún la NC-ISO (18, 19). La celulosa micro-cristalina fue evaluada por la normaFarmacopea (20).

Difracción de rayos-XLos análisis de difracción de rayos X se

realizaron en un equipo Rigaku Geigerflex

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CN2013, empleando un generador de rayosX de Cu y un goniómetro. Las condicionesde operación fueron: un voltaje de 30 kV yuna corriente de 30 mA. La emisión Kβ delcobre se eliminó con un filtro de níquel. Seusó un detector proporcional (21). La velo-cidad de barrido fue de 4°/min, y se fijó untiempo constante de 1 segundo. Los mate-

riales para el análisis tuvieron un tamaño departícula de 100 mesh.

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

El bagazo es el residuo fibroso de lamolida de los tallos de la caña de azúcar.Está compuesto de celulosa, hemicelulo-sas o pentosanos y lignina como principa-les polímeros naturales. Presenta, además,pequeñas cantidades de otros compuestosclasificados de conjunto como componen-tes extraños. La composición químicapara las diferentes fracciones es informa-da por la literatura (22) y se correspondencon el bagazo utilizado en esta investiga-ción. Los resultados se muestran en latabla 1. El bagazo tiene la característica deser una materia prima renovable anual-mente con un alto contenido de celulosaaprovechable.

Cuando el bagazo integral se desmedulaen suspensión, se enriquecer la fracción defibra útil, además de disminuir el meollo,los contenidos de iones metálicos y otroscontaminantes (tabla 2).

En la tabla 3 se muestran los resultadosde los procesos de prehidrólisis y cocciónalcalina. La prehidrólisis se realiza con elfin de reducir el contenido de pentosanos ycenizas del bagazo, para lograr una mejoreficiencia en el proceso posterior de extrac-ción de lignina en la cocción alcalina. Sedestaca una reducción del 75 % de los pen-tosanos (6 %) y las cenizas (0,5 %).

En la tabla 4 se muestran los resultadospromedios del proceso de blanqueo DEDrealizados a la pulpa cruda en cuatro corri-das experimentales. Se obtuvo una pulpablanca con valores medios, para la brillan-tez de 89,3 unidades y para el contenido deα-celulosa de 92,5 %. El contenido de pen-tosanos alcanzó un valor de 5,9 % y el gradode polimerización viscosimétrico de las pul-pas obtenidas fue de 1335.

60

Tabla 1. Propiedades del bagazo inicial y desmedulado

Propiedades Bagazo integral

Bagazo desmedulado

Celulosa, % 47,0± 0,3 52,0± 0,3 Pentosanos, % 27,4± 0,3 26,8± 0,3 Lignina, % 22,0± 0,3 20,8 Cenizas, % 3,0± 0,01 1,0± 0,01

Tabla 2. Contenido de fibra, meollo, finos y solubles del bagazo inicial y desmedulado

Fracciones Bagazo integral

Bagazo desmedulado

Contenido de fibra, %

55,0± 0,3 84,0± 0,3

Contenido de meollo,% 34,0± 0,3 10,0± 0,3

Finos y solubles,% 10,0± 0,3 6,0± 0,3

Tabla 3. Propiedades de la pulpa cruda

Propiedades Valores

α-Celulosa, % 85-90± 0,3

Grado de polimerización

1000-1300± 20

Brillantez, Elrepho 45-50± 0,2 Pentosanos % 6± 0,3 No. de permanganato 6-9± 0,3 Cenizas % >0,5± 0,01

Tabla 4. Características de la pulpa blanqueada a partir de bagazo de caña de azúcar

Exp. αα- Celulosa (%) GP Viscosidad (cp) Pentosanos (%) Brillantez Elrepfo F1 93,2± 0,3 1250± 20 14,8± 0,3 5,3± 0,3 88,8± 0,2 F2 93,5± 0,3 1545± 20 22,2± 0,3 5,0± 0,3 89,5± 0,2 F3 91,2± 0,3 1370± 20 16,8± 0,3 6,8± 0,3 89,9± 0,2 F4 91,9± 0,3 1175± 20 12,4± 0,3 6,5± 0,3 88,8± 0.2

Estos resultados corresponden con losexigidos para una pulpa de celulosa de altapureza para la obtención de derivados quí-micos de la celulosa (23).

La celulosa pura se somete a un procesode hidrólisis ácida en medio acuoso. En latabla 5 se comparan las propiedades de lacelulosa microcristalina producida y lasespecificaciones de calidad reportadas enlas normas de la Farmacopea; se constatóque se encuentran dentro los rangos repor-tados para este producto.

En el transcurso de la hidrólisis se ataca,preferentemente, las zonas amorfas y seproduce una disminución en el grado depolimerización medio en el tiempo, hastaun valor límite, es decir, desde 1545 queposee la pulpa de alta pureza hasta 180-200que alcanza la MCC obtenida. Aunque pro-siga ulteriormente el proceso de hidrólisis,los valores alcanzados en el GP no varían,siempre y cuando se mantengan las condi-ciones de hidrólisis moderadas (6).

Otras de las propiedades más importan-tes son el contenido de celulosa con unapureza de 97 % y un contenido de cenizasmenor al 0,05 %.

Además, se realizó el ensayo de brillan-tez de la celulosa microcristalina obtenida yla de referencia (marca Blanver, Brasil).Estos fueron de 90,9 y 98,9, respectivamen-te. Este valor de menor brillantez dependedel tipo de pulpa y blanqueo utilizado y noafectan las características del producto final.

El producto fue caracterizado por difrac-ción de rayos X, con el objetivo de demos-trar que lo obtenido es celulosa microcrista-lina. En el difractograma (figura 2) se obser-

va que la celulosa microcristalina de made-ra y la obtenida a partir del bagazo presen-tan los máximos en la misma región, laintensidad del pico Ia se identifica con lafracción cristalina de la celulosa. El pico Ibancho y deformado corresponde a la frac-ción amorfa de la misma, aún presente en elmaterial. El porcentaje de cristalinidad de lacelulosa microcristalina, a partir de la pulpade madera y pulpa de bagazo, fue 83,57 y82,83 %, respectivamente; calculado a par-tir de la siguiente relación:

donde: Ia = Intensidad del pico cristalinoIb = Intensidad del pico amorfo

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Tabla 5. Propiedades de la MCC obtenida y las especificaciones de calidad reportadas en las normas de la Farmacopea

Propiedades MCC obtenida Normas Farmacopea

Distribución del tamaño de partículas (%) + 60 mesh < 1,0

+ 200 mesh < 30,0 + 60 mesh < 1,0

+ 200 mesh < 30,0

pH 6,0- 7,0 5,5-7 Pérdida por desecación (%) 4.5-0-5 < 5,0 Residuos de ignición (%) <0,05 < 0,05 Contenido de hierro (ppm) < 10 < 10 Sustancias solubles en agua (mg/5g) < 12 < 12 (0,24%) Contenido de almidón (%) negativo negativo Contenido de celulosa (%) 97-100 97-100 Grado de polimerización medio (GP) 180-200 < 350

Figura 2. Difractograma de la MCC de baga-zo y la MCC de madera.

CONCLUSIONES

Combinando la prehidrólisis acuosa conun pulpeo químico a la soda con un esque-ma de blanqueo DED, se logró obtenerpulpa de alta pureza, a partir del bagazo dela caña de azúcar.

A partir de la pulpa pura y mediantehidrólisis ácida, se logró obtener celulosamicrocristalina con una pureza de 97 %,una brillantez de 90,9 y un grado de poli-merización entre 180 y 200 unidades. Laspropiedades físico-químicas de la celulosamicrocristalina obtenida a partir del bagazoestán dentro de los rangos reportados por lanorma Farmacopea. Es semejante en calidadcon otros productos importados de diferen-tes firmas. Además, ha sido ensayado endiferentes aplicaciones como son: la fabri-cación de alimentos, en función de relleno yfibra dietética; en salud pública, como tera-péutico en el tratamiento de la gastritisalcalina por reflujo biliar, y en la industriafarmacéutica en la producción de tabletasmedicinales. En todos los casos se han obte-nido buenos resultados.

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Es un sustituto parcial de la fert i l ización convencional porque propicia el desarrollo de la rizosfera (microorganismos simbióticos que viven en las raíces), los que fijan nitrógeno atmosférico y movilizan otros nutrientes minerales.

Madurador de la caña por excelencia, facilita el engorde y cuajado de los frutos cuando se aplica un mes antes de la cosecha a tubérculos o raíces, en frutales y cereales.

Potenciador de la acción herbicida cuando se mezcla con estos lo cual permite una sensible reducción de sus dosis. Incrementa el área radicular y mejora la floración cuando se aplica a dosis entre 0.2 y 1 l/ha, al inicio de la floración en frutales y después del ahijado en cereales.

FitoMas es un cóctel natural de sustancias o r g á n i c a s i n t e r m e d i a r i a s complejas de alta energía, especial-mente seleccionadas del conjunto mejor representado en la mayor parte de las especies botánicas a las que pertenecen los cultivos económicos, por lo que permite superar las situaciones estresantes sin perjudicar la producción de alimentos y productos útiles. FitoMas no es tóxico ni a las plantas ni a los animales.

Con su acción, FitoMas facilita la interacción suelo-planta, por lo que propicia el desarrollo de la rizosfera, la cual elabora hormonas de crecimiento y otras muchas sustancias útiles al

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