Química OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE HCl, TEMPERATURA Y

SUSTRATO

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL

Autor(es):

Br. FARJE OCAMPO ZENOBIA EMPERATRIZ

Br. VARGAS ESCALANTE FIDEL ANGEL

Asesor:

Dr. CROSWEL AGUILAR QUIROZ

Trujillo 2013

Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:


SUSTRATO

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL

Autor(es):

Br. FARJE OCAMPO ZENOBIA EMPERATRIZ

Br. VARGAS ESCALANTE FIDEL ANGEL

Asesor:

Dr. CROSWEL AGUILAR QUIROZ

Trujillo 2013



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JURADO CALIFICADOR

--------------------------------------

Ing. Rosa Nomberto Torres

Jurado

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Dr. Alberto Quezada Álvarez

Jurado

------------------------------------

Dr Croswel Aguílar Quiroz

Asesor



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I

PRESENTACIÓN

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO

De conformidad con los requisitos por el Reglamento de Grados y Títulos de la escuela

Académica Profesional de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Trujillo,

nos es honroso presentar a consideración de vuestro elevado criterio el presente trabajo

titulado: ―OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL ALMIDÓN:


SUSTRATO‖, que sustentaremos como tesis para obtener para obtener el Título de

Ingeniero Ambiental, si vuestro dictamen nos es favorable.

Trujillo, Junio del 2013



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II

DEDICATORIA

Z. Emperatriz Farje Ocampo

A Dios

Por darme muestras de su infinita de bondad. Por su

fidelidad y amparo desde siempre.

A mi madre Jenny

Por haberme apoyado, por sus consejos, por la

motivación constante que me ha permitido ser

una persona de bien. Pero sobre todo por su lucha

diaria y coraje.

A mis amigos incondicionales.

Por su apoyo desmedido y generoso. Por la confianza

y la valoración que me tienen

A mi asesor.

Por su desinteresado y generosoapoyo. Por afianzar

la confianza en mí misma. Por su seguimiento

constante en cada etapa académica y sobre todo por

sus acertados consejosy sabiduría.

. A mi Alex.

Por su paciencia y lealtad. Por enseñarme que la

aceptación y la corrección de nuestros errores

empiezan por uno mismo. Simplemente gracias por

caminar a mi lado, sostenerme y aligerar mi carga.



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III

DEDICATORIA

Fidel Vargas Escalante

A mi familia

Por su apoyo desmedido y sacrificio.

A miasesor.

Por compartir su conocimiento y experiencia para el

desarrollo de esta tesis.



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IV

AGRADECIMIENTO

Expresamos nuestra más profunda gratitud y agradecimiento al Grupo de Investigación

del Laboratorio de Catálisis y Adsorbentes de la Universidad Nacional de Trujillo por

habernos apoyado incondicionalmente haciendo posible la realización de este trabajo.

En forma especial a nuestro asesor Dr. Croswel Aguilar Quiroz por su compromiso en

esta investigación y al técnico de Laboratorio de Catálisis, el Sr. Jorge Alcántara

Castillo.

Agradecemos a los docentes de la Facultad de Ingeniería Química, por todos los

conocimientos impartidos durante nuestra formación académica.



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V

ÍNDICE

PRESENTACIÓN ............................................................................................................. I

DEDICATORIA ............................................................................................................... II

AGRADECIMIENTO .................................................................................................... IV

CAPÍTULO I .................................................................................................................... 1

INTRODUCCION ............................................................................................................ 1

CAPITULO II ................................................................................................................... 9

MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................................ 9

2.1 EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS. ........................................................... 9

2.1.1. Equipos .................................................................................................................. 9

2.1.2. Materiales. ........................................................................................................... 10

2.1.3. Reactivos ............................................................................................................ 10

2.2 UNIDADES CONSTRUIDAS ................................................................................. 10

2.2.1 Control de agitación y calentamiento del agua. ..................................................... 10

2.2.2 Cámara de calentamiento de agua ........................................................................ 12

2.2.3 Cámara de Reacción ............................................................................................ 13

2.2.4 Celdas Galvánicas (Bioceldas) ............................................................................. 14

2.2.5 Electrodos. ............................................................................................................ 15

2.3 PROCEDIMIENTO ................................................................................................. 16

2.3.1 Procedimiento para la medición de voltaje.......................................................... 16

2.3.2 Procedimiento para la Calibración de Temperatura. ............................................. 16

2.3.3 Procedimiento para la concentración de HCl. ...................................................... 18

2.3.4 Procedimiento para la Relación Agua (mL)/Almidón (g) ................................... 18

2.3.5 Procedimiento para determinar el tiempo de vida útil ......................................... 19

CAPITULO III ............................................................................................................... 20

RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................... 20

3.1. Generación de energía con electrodos de superficie lisa y rugosa. ........................ 20

3.2 Concentración de HCl. ............................................................................................. 25

3.3 Relación agua/ almidón: ........................................................................................... 32

3.4 Influencia de la temperatura. .................................................................................... 35

3.5 Tiempo de vida útil. ................................................................................................. 39

CAPÍTULO IV ............................................................................................................... 41

CONCLUSIONES .......................................................................................................... 41

CAPÍTULO V ................................................................................................................ 42



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VI

RECOMENDACIONES ................................................................................................ 42

CAPÍTULO VI ............................................................................................................... 43

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 43

ANEXOS ........................................................................................................................ 46

ÍNDICE DE TABLAS

Capítulo II

Tabla II - Tabla II - Formato para lograr la temperatura requerida …………………...16

Capítulo III

Tabla III - 1 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie lisa . 20

Tabla III - 2 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie rugosa

........................................................................................................................................ 21

Tabla III - 3 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas

con electrodos de Superficie Lisa ................................................................................... 22

Tabla III - 4 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas

con electrodos de Superficie Rugosa .............................................................................. 22

Tabla III - 5 Parámetros de las biocleldas a diferentes concentraciones de HCl .......... 25

Tabla III - 6 Resultados de la generación de voltaje a diferentes concentraciones de HCl

........................................................................................................................................ 26

Tabla III - 7 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la relación

agua /almidón ................................................................................................................. 32

Tabla III - 8 Resultados de la generación de voltaje a diferentes relaciones

agua/almidón .................................................................................................................. 33

Tabla III - 9 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la

Temperatura .................................................................................................................... 35

Tabla III - 10 Resultados de la generación de voltaje a diferentes Temperaturas ......... 35

Tabla III - 11 Parámetros de las biocleldas para determinar el tiempo de vida útil ...... 39



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VII

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1 - Sistema Electrico del control de la agitación y calentamiento de agua ............ 11

Fig. 2 Acondicionamiento para la cámara de calentamiento del agua y la cámara de

reacción de las bioceldas ................................................................................................ 11

Fig. 3 - Cámara de calentamiento de agua..................................................................... 12

Fig. 4 - Cámara de Reacción ........................................................................................ 13

Fig. 5- Bioceldas expuestas al agua caliente ................................................................. 14

Fig. 6 - Bioceldas ........................................................................................................... 14

Fig. 7 - electrodos .......................................................................................................... 15

Fig. 8 - Circuito eléctrico del control de agitación y calentamiento............................. 17

Fig. 9 - Software PLC .................................................................................................... 18

Fig. 10 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas

con electrodo de superficie lisa. ..................................................................................... 23

Fig. 11 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas

con electrodo de superficie rugosa. ................................................................................ 24

Fig. 12 - Generación de Voltaje a diferentes concentraciones de HCl .......................... 29

Fig. 13 - Generación de energía a diferentes relaciones agua/ almidón ...................... 34

Fig. 14 - Generación de energía en las celdas de almidón, usando temperaturas de

30,35 y 41°C; 0.5g de almidón y HCl de concentración 9.0 x10-3M ............................ 36

Fig. 15 - Comportamiento de las bioceldas de almidón en la generación de voltaje

durante 26 días de reacción ............................................................................................ 40



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VIII

RESUMEN

Se investigó la degradación del almidón con HCl en celdas electroquímicas con el

propósito de generar energía eléctrica (voltaje). Para los ensayos de las variable de

estudio (Temperatura 30-41ºC, relación de Almidón(g) / Agua(mL) (80/1 - 160/1),

Concentración de HCl (1x10-3

,2.5x10-3

,4.8x10-3

y 9x10-3

N) y el Tiempo de vida útil) se

prepararon disoluciones con concentraciones específicas. En el caso de la temperatura

se usó un Controlador Lógico Programable (PLC) para mantener la requerida.La

energía eléctrica (voltaje) se generó por proceso de óxido reducción durante la

degradación del almidón; y para medirla se usaron electrodos de grafito conectados a un

multitester.Los resultados muestran que lageneración de energía a concentraciones bajas

deHCl(1x10-3

, 2.5x10-3

y 4.8x10-3

N)atravesó 3 etapas, en la primera, antes de las 40

horas, la generación fue muy baja, en la segunda, que llega hasta las 80 horas, se dióuna

generación de energía media, y finalmente en la última etapa la generación decreció

drásticamente. Respecto a la concentración más alta ensayada (9x10-3

N) la generación

de energía eléctrica fue constante desde un inicio hasta las 80 horas que también

decreció. Por otro lado, conforme se aumentó la disolución de agua la generación

aumentó hasta la disolución de 150/1, con la siguiente disolución 160/1 decayó hasta los

valores más bajos registrados en este ensayo. Del estudio se puede concluir que sí es

posible generar energía eléctrica por la degradación de almidón con HCL, siendo este

último el que favorece la hidrólisis del almidón y la generación de energía.

Palabras clave: bioceldas, hidrolisis ácida, reacciones de óxido - reducción



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IX

ABSTRACT

It is studied the starch degradation with HCl in electrochemical biofuel cells for the

electric power generation (voltage). solutions with specific concentrations were

prepared for the assays of the study variable (Temeprature, HCl concentration,

Starch/Water rate and lifetime). For the temperature assay a Programmable Logic

Controller (PLC) was used, in order to maintain the required temperature. The

electricity (voltage) was generated by redox process during the degradation of starch,

and for the measure a graphite electrodes connected to a multitester were used. The

results show that the power generation at low concentrations of HCl (1x10-3

, 2.5x10-3

y

4.8x10-3

N) through three stages, in the first, before 40 hours, the generation is very low,

in the second, which reaches 80 hours, the power generation is media and finally in the

last stage the generation drastically decreases. Regarding the highest concentration

tested electricity generation is constant from the beginning until 80 hours that also

decreases. Moreover, as the water disolution increase, the power generation also

increases until the dissolution of 150/1, with the following solution 160/1 decays to the

lowest values recorded in this trial. Study it can be concluded that it is possible to

generate electricity by the starch degradation with HCL, the latter favoring the

hydrolysis of starch and power generation.

Keywords: biofuel cell, acid hydrolysis, oxidation - reduction reactions



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CAPÍTULO I

INTRODUCCION

“El consumo energético mundial tiene tres fuentes principales de abastecimiento:

combustibles fósiles, la energía nuclear y las energías renovables”(Forsberg, 2009:

192). “El departamento de Energía de los Estados Unidos ha predicho que la

cantidad existente de petróleo probablemente llegue a su fin en 25 o 30 años”. La

creciente preocupación por el agotamiento de los recursos energéticos, y por el

aumento de la demanda energética (Lee et al. 2007: 400), ―se ha convertido en una

fuerza impulsora para la investigación de tecnologías alternativas para el

abasteciendo de electricidad”(Davis&Higson, 2006: 1224).

Debido a “la alta densidad energética de las plantas nucleares que generan 10.000

veces más energía por masa de uranio que las energías fósiles o renovables”; la

energía nuclear es evaluada como una de las alternativas capaces de contribuir a la

solución de agotamiento de los recursos fósiles (Lee et. al, 2007: 401).

“La energía nuclear puede ser usada para la producción de H2, el cual se puede

almacenar para luego producir electricidad mediante pilas de combustible, turbinas

de vapor u otra tecnología”(Forsberg, 2009: 197, 198). Hoy en día“el H2 es

producido casi exclusivamente por el Reformado con Vapor de Combustibles fósiles,

un proceso que resulta en la liberación de grandes cantidades de dióxido de

carbono”(Forsberg, 2005: 492). El aporte de energía para el proceso de reformado

puede provenir de la energía nuclear.

Si bien la producción a gran escala de la energía nuclear es económica; aún existen

muchas incertidumbres por resolver. Es así que “la generación de residuos

radiactivos,que duran miles o cientos de miles de años, se convierte en una

preocupación social, que limita el uso de la energía nuclear en zonas urbanas



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densamente pobladas”. Otro problema social que se desprende de la aplicación de la

energía nuclear es la proliferación de armas nucleares, pese a los esfuerzos

internacionales por controlar esta práctica (Lee, et. al, 2007: 405).

El enorme riesgo del uso de este tipo de energía ha sido verificado en desastres

nucleares como el ocurrido en Fukushima, Japón. En marzo del 2011, como

consecuencia del terremoto de 9,0 grados en la escala Richter, ―se liberóuna gran

cantidad de elementos radioactivos de los reactores de Planta de energía nuclear

Fukushima. Siendo el yodo, estroncio y cesio un gran riesgo al contaminar los

cultivos agrícolas del lugar‖(Kinoshitaa et. al,2011: 1,2).

En ese contexto,“la energía eléctrica proveniente de fuentes renovables como: el

sol, el aire, el agua y la biomasa; siguen siendo una opción sostenible en el tiempo”

por las diferentes posibilidades tanto de su uso como de su aplicación (Dittmar,

2012: 35).

La energía solar es abundante, limpia, libre de ruidos o cualquier tipo de

contaminación para el medio ambiente. En la industria “las aplicaciones más

comunes de la energía solar de tipo térmico son: Calentadores solares de agua, como

los utilizados en la industria textilpara calentar el aguaa temperaturas cercanas

a100°Cpara el blanqueo,teñido y lavado; Secadores solares; Calefactores; Sistemas

de refrigeración y en la desalación de agua”(Mekhilef, Saidur& Safari, 2011:

1718).

Las industrias que tienen mayor potencial para aplicarla energía solar térmica son en

primer lugar la “industria alimentaria: que abarca lácteos, carnes cocinadas y

cervecería; en proceso de media temperatura como lavado, limpieza, esterilización,

pasteurización, secado, cocción, hidrolisis, destilación, evaporación, extracción y

polimerización. En segundo lugar,en elsector de la construcción se está integrando

elmaterial solar, con sustancias y sistemassolares en edificios, para un mejor

aprovechamiento de la energía solar térmica. Lo cual ha permitido que los edificios

recojan y distribuyanla radiación solar tomando ventaja de laorientación del edificio,

la estructura y materiales. También existen edificios con aplicaciones fotovoltaicas

que utiliza elsistema de energíafotovoltaicapara generar



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electricidad,iluminación,calefacción, ventilación yrefrigeración por aire”(Mekhilef,

Saidur& Safari, 2011: 1778).

La Industria de la construcción utiliza la energía solar no sólo para la calefacción y

con propósitos de refrigeración en los sistemas de ventilación y aire acondicionado,

sino también para generar electricidad por las células fotovoltaicas (PV). “La

industria solar fotovoltaica sin duda puede contribuir a cubrir la demanda mundial de

electricidad. Por otra parte, cabe recalcar que los paneles fotovoltaicos han

experimentado un 86% de reducción, en el costo en la última década”. Así, hoy por

hoy, los edificios con tecnología fotovoltaica integrada, utilizan células fotovoltaicas

remplazando los materiales tradicionales de construcción en las paredes, en el techo

y en los balcones o incluso como ventanas de cristal semitransparentes (Sharma,

Chen&Lan, 2009: 1191).

La aplicación de la energía solar también es viable en el sector agroindustrial para el

secado de muchas frutas y verduras que contienen gran humedad inicial, siendo

altamente susceptibles a la degradación. “El secado a cielo abierto es una práctica

muy común en la agricultura pero tiene muchas desventajas: los productos

estropeadosdebidoa la lluvia, el viento, la humedad y elpolvo, la pérdida de

produccióndebidoa las aves yanimales; deterioroenloscultivos cosechadosdebido a la

descomposición, ataques de insectos y hongos, etc. El secadomecanizado esmás

rápido que elsecado al aire libre, utilizamucho menos tierray por lo generalse obtiene

un productode mejor calidad.Peroel equipo es carolo cual lo hace accesible solo a

empresas comerciales de grandes inversiones, a la vez que aumenta el costo del

producto. Por el contrario los secadores solares tienen costos operativos bajos siendo

atractivo para todas las empresas, incluso para los propios agricultores”.

Convirtiéndose así en una de las tecnologías de secado más baratas para

producirproductos de alta calidad(Sharma, Chen&Lan, 2009: 1186).

Además, la energía solar, de manera indirecta, origina una serie de formas de

energía. Así, la “radiación solar participa en el ciclo hidrológico del agua, que es

aprovechado en centrales hidroeléctricas como energía hidráulica. Influye en la

formación de vientos que es aprovechada como energía eólica. Participa en la

fotosíntesis de las plantas, dando lugar a energía química de biomasa”(Pizzariello,

Stred’ansky, &Miertus, 2002: 99-105).



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Las plantas (vegetales) representan una forma natural de almacenamiento de energía

química, la cual se puede aprovechar de múltiples maneras, desde las más

elementales como la alimentación del ser humano o la generación de energía a través

de combustión directa, hasta otras más complejas como la―generación de energía a

través de compuestos intermedios (por ejemplo etanol, esteres, biocondensables,

etc.)o la prometedora generación directa de energía a través de

bioceldas”(Pizzariello, Stred’ansky, &Miertus, 2002: 99-105).

El creciente aprovechamiento energético de la biomasa de las plantas se ha

encaminado a “generar lo que hoy se conoce como biocombustibles. Estos pueden

ser de primera, segunda” (Sims, et al., 2010: 1570) o “tercera generación”

(Suurs&Hekkert ,2009: 3) dependiendo de si provienen de cultivos comestibles

(maíz, palma, soja o caña de azúcar.), residuos de cultivos (como tallos, cáscaras,

pulpa y pieles de frutas) o microalgas, respectivamente.

En los últimos años se ha intensificado la investigación de dispositivos que

transformen la energía química de la biomasa en energía eléctrica. Bullen et al,

2006desarrolló un estudio donde clasificaesos “dispositivos electroquímicos en: (i)

baterías, (ii) celdas de combustible y (iii) celdas solares. Bullen define cada uno de

estos dispositivos como sigue: Las baterías son dispositivos electroquímicos donde

todas las reacciones ocurren dentro de la batería, donde el cátodo, ánodo y el

combustible se almacena en el interior de este dispositivo. Las celdas de

combustibles son dispositivos similares a las baterías pero el suministro de

combustibles es desde el exterior. Las celdas solares son dispositivos donde la luz

incidente es convertida a energía eléctrica”. Además, Bullen, de acuerdo al

combustible que usan, clasifica cada uno de estos dispositivos en: (a) Biológicamente

catalizados, cuando usan enzimas o microorganismos vivos como agentes

catalizadores. (b) Orgánicos, cuando usan agentes químicos más complejos, y

catalizadores inorgánicos (metálicos). (c) Inorgánicos, cuando usan agentes químicos

simples y catalizadores inorgánicos. (Bullen et al; 2006: 2018, 2019)

Del conjunto de dispositivos electroquímicos, “las bioceldas(celdas de combustible

con sustrato orgánico) sobresalen como una alternativa prometedora de

aprovechamiento de la biomasa. En el futuro se considera que las Bioceldas en

miniatura podrán ser utilizadas como fuentes de suministro de energía



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utilizandodispositivos nano-micro electrónicos y biosensores”. Esto gracias a que las

bioceldas requieren solo pequeñas fuentes de energía química, que puede ser tomada

de plantas e incluso de organismos vivos (por ejemplo, glucosa desde el torrente

sanguíneo). (Ramanavicius, et al., 2005:1962)

“En las bioceldas se producen reacciones de óxido – reducción, en el ánodo la

reacción de oxidación y en el cátodo de reducción. La transferencia de electrones

hacia el cátodo es a través de un circuito externo, mientras que los protones se

transfieren a través de la membrana que divide a las semiceldas. El circuito se

completa con el movimiento de cargas compensadoras a través del electrolito en

forma de iones positivos”(Pant et al, 2010: 1534).

La generación de electricidad en las bioceldas a partir de biomasa renovable y de

residuos, tiene gran potencial de desarrollo tanto en términos de autosuficiencia

energética, como en términos de “no afectar el abastecimiento de productos para la

alimentación como lo hacen los combustibles de primera generación”(Mohammadi,

et al, 2011: 1-11).

Existen una gran variedad de sustratos que pueden ser usados como materias primas

para la generación de energía, desde compuestos puros hasta mezclas complejas de

materia orgánica. Por ejemplo, “residuos orgánicos de aguas residuales, biomasa

lignocelulosica, residuos de actividades agrícolas, industriales, madereras, solidos

municipales, etc”(Simset al, 2010: 1751).

Uno de los sustratos prometedores a usar en las bioceldas es la carga orgánica de las

aguas residuales. El tratamiento convencional de éstas requiere de una serie de

operaciones de tipo mecánico, químico, biológico que conlleva a una inversión sin

retorno. “Mediante el uso de aguas residuales como sustrato para la conversión de

energía se logra de manera simultánea generar electricidad y tratar las aguas

residuales”(Sharma&Kundu, 2010: 180).

Las industrias relacionadas a los alimentos y el consumo en sí de los productos

alimenticios, generan grandes cantidades de efluentes líquidos. Toda vez que los

almidones son el principal componente de los alimentos, estos efluentes tienen la



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característica de ser muy ricos en almidón. He aquí entonces, una interesante fuente

de sustrato para las bioceldas.

“El almidón, el material de carbohidrato de reserva dominante de las plantas

superiores, se compone principalmente de dos tipos de homopolimeros α-D-glucosa,

es decir, de amilosa y amilopectina. La amilosa es una molécula esencialmente lineal

compuesto de unidades de anhidroglucosa conectados a través de α (1 → 4) vínculos

con unas pocas α (1→ 6). Su peso molecular promedio en peso (Mw) es de

aproximadamente 1x 105- 1x10

6. La amilopectina es una molécula mucho mayor con

Mw de 1x107- a 1x10

9 y una estructura muy ramificada construido de

aproximadamente 95% α (1→ 4) y 5% α (1→6) vínculos entre sí. Dentro de los

gránulos de almidón, el conjunto de macromoléculas con alternancia de grupos semi-

cristalinos y el crecimiento de anillos amorfos, no es uniforme”(Lin&Mei, 2006:

527).

Murphy comenta que el almidón es el segundo polisacárido más abundante en las

plantas después de la celulosa; “se compone de polímeros de glucosa que vienen en

dos formas moleculares, lineales y ramificadas. La primera referida como amilosa

(llamada también región cristalina del almidón) y el segundo como amilopectina

(región amorfa del almidón)”(Phillips et al, 2005: 41-64). Los almidones pueden

ser modificados por métodos enzimáticos, físicos y químicos.

“El almidón es naturalmente sensible a la protonación por ácidos, incluso por

pequeñas cantidades de ácidos orgánicos débiles. Sin embargo la hidrolisis acida con

HCl ha recibido más atención”(Tomasik. P, Schilling. C, Vol 59). La hidrolisis

ácida generalmente tiene lugar cuando el “ácido ataca la región amorfa del granulo.

Consecuentemente la despolimerización de la fracción amilopectina es más rápida

que de la fracción amilosa. Esto genera un gran número de fracciones poliméricas

lineales” (Betancur&Chel, 1997: 4237-4241)

La propuesta de utilizar almidón como materia prima en principio pasa por dos

reacciones: una de hidrolisis y otra de oxidación; en esta última se producen las

reacciones de óxido- reducción.



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Estudios sobre la hidrolisis del almidón indican que:

Wang et al., 2012 en estudios sobre las características de gránulos de almidón en un

guisante; realizaron reacciones de hidrolisis con HCl observando que: en “el primer

día la hidrolisis ocurre sobre la superficie del grano de almidón generando la

formación de poros, grietas y fisuras las cuales se incrementaron en los días

siguientes. Por lo tanto la penetración del ácido es mejor y se promoverá

principalmente la hidrolisis en las regiones no cristalinas. En las últimas etapas de la

hidrolisis se degradan las regiones cristalinas formadas por las dobles hélices de la

amilopectina”. Con lo cual proponen un nuevo modelo esquemático de la

organización del grano del almidón: una región central amorfa rodeada por una

alternancia de anillos en crecimiento semi- cristalino y amorfo (Wang et al., 2012:

1948).(Ver figuraen Anexo 1)

Jayakody&Hoover, 2001, estudiaron el efecto de lintnerización de los gránulos de

almidón de cereales, tratadas con HCl 2.2N a 35ºC por 15 días. Los resultados

muestran que “la hidrolisis acida: a) en la región amorfa es función de la

concentración de lípidos, tamaño de grano y porosidad. b) en la región cristalina es

función de la distribución de los puntos de ramificación α (1→ 6) entre las regiones

amorfas y cristalinas, concentración de amilopectina y grado de empaquetamiento de

las hélices dobles dentro de los cristalitos” (Jayakody&Hoover, 2001: 679)

Betancur&Chel, 1997 estudiaron la influencia de la concentración del HCl (a

diferentes concentración 0.5- 1.5%), temperatura (45-55ºC) y el tiempo de reacción

(3- 6h) sobre las propiedades de viscosidad y el numero alcalino del almidón de

Canavaliaensiformis. Muestran que “la concentración de HCl tiene mayor influencia

sobre la viscosidad y el número alcalino del almidón, en contraste con la temperatura

y tiempo de reacción que no tiene mucha influencia significativa” (Betancur&Chel,

1997: 4237-4241)

Estando el almidón hidrolizado en glucosa es utilizado para obtener energía eléctrica

en bioceldas:

Na Lu et al, en el año 2009, muestra el uso de las celdas de combustible biológico

para la generación de electricidad, utilizando aguas residuales del procesamiento de



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8

almidón. Los resultados de este estudio, indican una “eficiencia en la remoción de la

DQO del 98% con un periodo de operación de 140 días y un voltaje máximo de

490,8mV”. (Lu, et al, 2009: 1-11).

Diversos estudios se han desarrollado en torno al uso de la glucosa como

combustible en las bioceldas. ArunasRamanavicius, (2005), desarrollo un estudio en

bioceldas con encimas usando dos electrodos de carbono de 3mm de diámetro, a

temperatura ambiente en solución acuosa a pH 6, usaron glucosa como fuente de

energía el potencial de la celda alcanzando fue de 145mV.(Ramanavicius,et al,

2005: 1963).

AdanHeller, 2003, desarrollo bioceldas que consisten en dos fibras de carbono de

7mm diámetro, recubiertos con diferentebioelectrocatalizadores enzimáticos.

Presenta la base lógica del diseño y las capacidades proyectadas del concepto de

Bioceldas de fibras glucosa/O2 para alimentar los biosensores implantados (Heller,

A., 2004: 209).

En el año 2004, Niessen et al, desarrollo una biocelda usando como fuente de energía

almidón, glucosa o melaza, y como catalizador los microorganismos

Clostridiumbutyricumo Clostridiumbeijerinckii. El voltaje de la celda alcanzada fue

de 756mV. (Niessen et al, 2004: 955)

Como ya se comentó; existen trabajos relacionados con la segunda etapa de

transformaciones por oxido reducción de glucosa para generar energía.

Estudiar el proceso de obtención de energía eléctrica a partir de almidón mediante

bioceldas electroquímicas, en la cual las reacciones de hidrólisis y oxido-reducción

se realicen casi simultáneamente, lo que significa que el proceso se realiza en una

sola etapa, es materia de investigación y de desarrollo en el presente trabajo



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CAPITULO II

MATERIALES Y MÉTODOS

2.1EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS.

2.1.1. Equipos

Balanza Analítica Sartorious

Descripción: BT-210S con % error ± 0.001.

PLC (ProgrammableLogicController)

Descripción: TELEMECANIQUE- SR1 -B101- FU

Multitester Digital

Motores: Consisten en dos motores, uno de 12 V CC y otro de 4.5 V CC

para mover los agitadores de las unidades construidas.

Termómetro Termocupla: Consiste en un termómetro de conexión

trasera, rango de temperatura: 0-200 °F.

Resistencia: Consiste en una resistencia eléctrica de 2200watts cuyo uso

común es en hervidores eléctricos. Se usaron para calentar el agua que

calentaría las bioceldas.



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10

2.1.2. Materiales.

Probeta

Caja de tecnopor

Pipeta

Varillas de vidrio

Electrodo de grafito

Piseta

Celdas galvánicas

Acetato de celulosa (membrana)

2.1.3. Reactivos

Agua destilada

Almidón: almidón soluble de papa (Soluble potatostarch)

Ácido Clorhídrico (0.1N)

2.2 UNIDADES CONSTRUIDAS

2.2.1 Control de agitación y calentamiento del agua.

Para que el calentamiento sea constante durante el tiempo de reacción de las

bioceldas, se diseñó un equipo con un programadorautomático (PLC) que

mantendrá la temperatura durante el tiempo delexperimento.

Este equipo está constituido por:

a) Controlador lógico programable (PLC) TELEMECANIQUE- SR1 -

B101- FU.

b) Contactor de 25 Am 220V CA.

c) Relay de 220 V CA 7 Amp.



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11

d) Transformador de 220 V CA a 12 V CC.

e) Transformador de 220 V CA a 4.5 V CC.

a

b

c

d

e

h

f

g

(a) Contactor (b) Relay (c) transformador

de voltaje de 220 V CA a 12 V CC (d)

borneras de salida de energía eléctrica (CC

y CA) (e) transformador de voltaje de 220 V

CA a 4.5V CC (f) controlador lógico

programable (PLC) (g) Fusible (h) borneras

de ingreso de energía eléctrica.

1

3

5

4

2

6

(1) Termómetro (2) Recipiente

plástico para agua (3) agitadores (4)

hélice (5) soporte para las bioceldas

(6) agua acondicionada

térmicamente.

Fig. 1 - Sistema Eléctrico del control de la agitación y calentamiento de agua

Fig. 2-Acondicionamiento para la cámara de calentamiento del agua y la cámara

de reacción de las bioceldas.



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2.2.2 Cámara de calentamiento de agua

Comprende dos semi cámaras, una donde se calienta el agua con una resistencia

eléctrica y tiene dos tubos que conectan a otra la cámara para el intercambio de

agua entre las dos cámaras.

La cámara de calentamiento está constituido por:

a) Un recipiente plástico de 7 litros

b) Una resistencia eléctrica de 2200watts controlado por PLC. (Fig. 3, b_1)

c) Agitador con motor de 12 V CC

d) 2 tuberías para la circulación de agua de la zona de fría hacia la caliente

(ingreso y retorno).

Fig. 3 - Cámara de calentamiento de agua

1

4

2

3

(a)

(a) Compartimiento de acondicionamiento térmico (b) Representación esquemática

de la cámara de calentamiento de agua. (b_1) Resistencia eléctrica (b_2) Agitador (b_3)

recipiente plástico para almacenamiento de agua (b_4) tubería de intercambio de agua.

(b)



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2.2.3 Cámara de Reacción

En estacámara se encuentran las celdas galvánicas en baño maría.

La cámara de reacción está constituido por:

a) Un termómetro como se observa en la Fig.(4, b_1)

b) 4 celdas galvánicas( ver Fig.4, b_3)

c) Agitador con motor de 4.5 V CC (ver Fig. 4, b_4)

d) Agua acondicionada térmicamente producto del calentamiento que

produce la resistencia que se muestra en la Fig. 4, b_1

Fig. 4- Cámara de Reacción

(a) Representación esquemática; (b) Compartimiento de la reacción (b_1)

Termómetrotermocupla (b_2) Agua acondicionada térmicamente (b_3) Caja plástica

con cuatro compartimientos (Celdas) (b_4) Agitador.

2

1

3

4

(a)

(b)



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2.2.4 Celdas Galvánicas (Bioceldas)

Celda galvánica Construida por:

a) Una caja plástica divida en ocho compartimientos los cuales están

conectados para formar 4 bioceldas. Cada biocelda está conformada por

dos cámaras o semi-celdas (ver Fig.6, b_1) comunicadas a través de una

película de Acetato de Celulosa (ver Fig.6, b_2).

b) acetato de celulosa (membrana intercambiadora de protones) colocada

en la parte central de las semi-celdas.

Fig. 6 - Bioceldas

(a) caja de 4 celdas galvánicas (b_1) semi-celdas (b_2) película

intercambiadora de protones (acetato de celulosa) (b_3) caja de celdas

galvánicas.

Celdas

1

3

2

(a)

(b)

Fig. 5- Bioceldas expuestas al agua caliente



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2.2.5 Electrodos.

Los electrodos usados para la medición del voltaje generado en las celdas; son

de grafito. Estos grafitos tienen una longitud aproximada de 6cm y se conectan a

cables de cobres; tal como lo muestra la Fig.7.

Construido con varillas de grafito y cable de cobre.

(1) Cable de cobre (2) electrodos de grafito

1

2

Fig. 7 - Electrodos



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2.3 PROCEDIMIENTO

2.3.1 Procedimiento para la medición de voltaje.

Para la medición del voltaje se usaron electrodos de gafito y un multitester.

El presente trabajo tiene como variables de estudio a: Relación agua (mL)/HCl (mL);

Relación agua (mL)/Almidón (g); Temperatura; Tiempo de vida útil.

2.3.2 Procedimiento para la Calibración de Temperatura.

La temperatura del agua es controlado por PLC (Controlador lógico programable)

cuyos parámetros son:tiempo de calentamiento y el tiempo de agitación. Tal como

se muestra en lasconexiones eléctricas respectivas (ver Fig.8).

La calibración de la temperatura se realizó bajo el siguiente procedimiento:

a) Llenado de agua en ambos compartimientos de la cámara de calentamiento

hasta cubrir totalmente la resistencia eléctrica (ver Fig. 2).

b) Se asignó tiempos de pre agitación (t1), agitación (t2) y calentamiento (t3) y el

tiempo de espera (4) según el siguiente formato hasta lograr la temperatura

requerida.

Tabla II - Formato para lograr la temperatura requerida

N°

ensayo

Tiempo

de

agitación

1(t1)

Tiempo de

agitación 2

(t2)

Tiempo de

calentamiento

(t3)

Tiempo de

espera

(t4)

Temperatura

final(ºC)

1

2

3

..n

c) Luego de encontrar los parámetros bajo los cuales trabajara el sistema. En cada

semi-celda se preparó una disolución de 0.5 g de almidón y 75ml de agua destilada.



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El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas. Se realizaron tres ensayos

bajo esta misma metodología a 30,35 y 41ºC.

Fig. 8 - Circuito eléctrico del control de agitación y calentamiento



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SOFTWARE –

PLC

Fig. 9 - Software PLC

(a)Software que controla la agitación y calentamiento del agua, (b) parámetros de

control

2.3.3 Procedimiento para la concentración de HCl.

a) En cada semicelda se preparó una disolución conteniendo 0.5 g de almidón y

75ml de agua destilada.

b) Solamente a una de las semi-celdas se adiciona HCl (1, 2.5, 5 y 10mL)

c) Se registran los valores de voltaje durante 5 días.

2.3.4 Procedimiento para la Relación Agua (mL)/Almidón (g)

a) En cada semicelda se adicionó 0.5 g de almidón.

b) Los volúmenes de agua fueron diferentes para cada celda logrando las relaciones

almidón/ agua desde 80/1 hasta 160/1.

c) El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas.

d) Se registran los valores de voltaje durante 10 días, después se desechó las

muestras.

PARAMETROS DE CONTROL t1: tiempo de pre agitación t2: tiempo de agitación t3: tiempo de calentamiento t4: tiempo de espera o reposo (no agitación no calentamiento)

(a)

(b)

i1---------I2------------------------------------------------------- [M1

M1----------------------------------------------------------------- TT1

T1------------------------------------------------------------------ TT2

t2---------I2------------------------------------------------------- [Q1 (Agitador 1 y 2)

Q1----------------------------------------------------------------- TT3

t3------------------------------------------------------------------- [M2

M2-------I2-------------------------------------------------------- TT

T4------------------------------------------------------------------ [Q2 (Resistencia eléctrica)

Q2------------------------------------------------------------------ [M3

M3----------------------------------------------------------------- RT1

(a)



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2.3.5 Procedimiento para determinar el tiempo de vida útil

a) En cada semicelda se preparó una disolución de 0.5 g de almidón y 75ml de

agua destilada.

b) El volumen de HCl fue 10 mL para todas las semiceldas.

c) Luego se registró periódicamente los valores de voltaje durante 14 días.



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CAPITULO III

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Generación de energía con electrodos de superficie lisa y rugosa.

En la medición de la electricidad se utilizaronelectrodos de grafito, procedentes de

las minas de lápiz. Estos presentaban dos tipos de terminales uno liso y otro

rugoso. Dado que el experimento depende de la medida del voltaje generado; se

realizaron ensayos para determinar si la superficie de los electrodos, que va a

estar en contacto con la solución de la bioceldas,tiene o no una influencia sobre

los valores que se reportan de voltaje.

Los ensayos se realizaron por duplicado, las superficies de los electrodos con los

que se midió el voltaje fueron lisas y rugosas. Los parámetros de las bioceldas

fueron las siguientes:

Tabla III - 1Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie lisa

N° de

celda

Almidón (g)

[HCl]*

M

Superficie del

Electrodo

Derecha Izquierda

1 0.5 0.5 1.0x10-3

LISO 2 0.5 0.5 2.5x10-3

3 0.5 0.5 9.0x10-3



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Tabla III - 2 Parámetros de las bioceldas- medición con electrodos de superficie rugosa

N° de

celda

Almidón (g)

[HCl]*

M

Superficie del

Electrodo

Derecha Izquierda

1 0.5 0.5 1.0x10-3

RUGOSO 2 0.5 0.5 2.5x10-3

3 0.5 0.5 9.0x10-3

* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.

El comportamiento de las bioceldas según la superficie de electrodos (lisa o rugosa)

es como se muestra en las Tablas III-3 y III-4 y las Figuras10 y 11.



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Tabla III - 3Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas con electrodos de Superficie Lisa

Tiempo

(h)

Voltaje (mV) Dispersión (R2)

CELDAS CELDAS

1 2 3 1 2 3

0 20 21 30

0.6899 0.7056 0.7845

4.15 15 13 24

32.15 13 12 17

36.45 13 15.3 23

54.45 10 8.3 13

87.45 14.3 14

89.15 14 11.2 9.7

103.45 11 7.5 4.5

113.25 9 4 15

126.45 8 3 6.3

127.25 4 2.5 7.3

Tabla III - 4 Resultados de la generación de voltaje en las celdas de almidón, medidas con electrodos de Superficie Rugosa

Tiempo

(h)

Voltaje (mV) Dispersión (R2)

CELDAS CELDAS

1 2 3 1 2 3

0 28 19.1 29.5

0.0385 0.1381 0.0531

4.15 25 17.4 23

32.15 7.6 8.3

36.45 11 6.3 35.3

54.45 2.3 8.8

57.15 6.3 3.5 43.9

65 8.9 4.3 31.9

87.45 10.3 25 50

89.15 19.2 25.3 49

103.45 25.2 15 47.8

113.25 28

52.5

126.45 19.8 18 44

127.25 24.6 27 43



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Fig. 10 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas con electrodo de superficie lisa.

R² = 0.6899

R² = 0.7056

R² = 0.7845

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e (

mV

)

Tiempo (h)

1.0x10-3M 2.5x10-3M 9.0x10-3M

Lineal (1.0x10-3M) Lineal (2.5x10-3M) Lineal (9.0x10-3M)

[HCl]



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Fig. 11 - Voltaje vs. Tiempo para celdas diferentes concentraciones de HCl y medidas con electrodo de superficie rugosa.

R² = 0.0385

R² = 0.1381

R² = 0.0531

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e(m

V)

Tiempo (h)

1.0x10-3M 2.5x10-3M 9.0x10-3M

Lineal (1.0x10-3M) Lineal (2.5x10-3M) Lineal (9.0x10-3M)[HCl]



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.

Los resultados que se muestran en las Figuras 10 y 11; se observa claramente que

el valor de la correlación R2

para las diferentes concentraciones de HCl tiene

menor dispersión en las que se utilizó electrodos de superficie lisa en contraste

con los resultados que se obtienen con electrodos rugosos. En este último caso los

valores de voltaje que se leen en el multitester, son valores que no obtienen una

tendencia de comportamiento definida.

Por lo tanto, los ensayos que se realizaron en el estudio de las variables se

siguieron con electrodos de superficie lisa.

3.2 Concentración de HCl.

Para determinar la influencia de la concentración del HCl en el mecanismo de

reacción de las bioceldas, se ensayó a diferentes concentraciones de HCl, bajo las

siguientes condiciones:

Tabla III - 5 Parámetros de las biocleldas a diferentes concentraciones de HCl

N° de

celda

Almidón (g)

[HCl]*

M

Derecha Izquierda

1 0.5 0.5 1.0x10-3

2 0.5 0.5 2.5x10-3

3 0.5 0.5 4.8x10-3

4 0.5 0.5 9.0x10-3




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Tabla III - 6 Resultados de la generación de voltaje a diferentes concentraciones de HCl

Tiempo

(h)

Voltaje (mV)

[HCl]

1.0x10-3

M 2.5x10-3

M 4.8x10-3

M 9.0x10-3

M

0 19 20 30 42

2 24 27.8 33 57.4

2.4 32.1 25 32.8 60.5

3.15 22.7 20 41.1 62

4.15 11 13 38.5 55

20.4 41 31.9 57

22.3 27.2 16.4 29.1 54

23 35.1 24.1 33 59

32.15 15.3 12 31.3

36.45 8.5 15.3

47.4 36.4 38.1 40 47

48 59.8 31.6 50.1 43.8

49 40.8 28.2 41.3 50

65 49.5 56.8 55.8 45.9

74 47 42.5 43.3 55.1

75 49.5 29.8 37.7 43.8

81.3 36 46 62.3

82 36.3 21 38 56.2

87.45 14.3 14 23 6.3

89.15 11.2 20 9.7

103.45 14.3 7.5 19.2 4.5

113.25 15 4 29 15

126.45 17.5 3 16.9 6.3

127.25 17.3 2.5 19 7.3

Los resultados que se muestran en la Tabla III-6 yFig.12 (páginas abajo), se

observan tres intervalos de tiempo con comportamientos similares, el primero

corresponde a las 40 primeras horas de reacción; un segundo entre 40 y 80 horas

y un tercer tramo a partir de las 80 horas en adelante, con las siguientes

características:

En las 40 primeras horas:

Sistema con 1mL de HCl, presenta datos dispersos y no hay tendencia definida

en la generación de voltaje.



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Sistema con 2.5 mL de HCl, la generación de energía es más o menos constante

con un promedio de 16mV

Sistema con 5 mL de HCl,la generación de energía es constante alrededor de 31

mV. Siendo ésta la más alta.

Sistema con 10 mL de HCl,se estabiliza rápidamente en 55mV

Entre 40 y 80 horas:

Sistema con 1mL de HCl, alcanza un plató con un valor promedio de 50 mV

Sistema con 2.5 mL de HCl, presenta un comportamiento tipo campana

alcanzando un máximo de 56.8 mV a las 65 h, y después disminuye.

Sistema con 5 mL de HCl, se observa un plató promedio de 50mV.

Sistema con 10 mL de HCl, continúa el plató en un valor similar al primer

tramo.

A partir de las 80 horas en adelante (tercer tramo):

Independiente de la concentración de HCl adicionado, el sistema disminuye la

generación de energía posiblemente por la desactivación del sistema.



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(a)

(b)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e(m

V)

Tiempo(horas)

HCl [1x10-3M]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e(m

V)

Tiempo(Horas)

HCl [2.5x10-3M]



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29

(c)

(d)

Fig. 12 - Generación de Voltaje a diferentes concentraciones de HCl

HCl: (a) [1.0x10-3

M], (b) [2.5x10-3

M], (c) [4.8x10-3

M] y (d) [9.0x10-3

M]; 0.5g de

almidón y 75mL de agua destilada

La hidrólisis ácida del almidón ha sido realizado desde 1870 para modificar su

estructura y producir almidón soluble (Kirchoff, 1871)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e(m

V)

Tiempo(Horas)

HCl [4.8x10-3M]

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120 140

Vo

ltaj

e(m

V)

Tiempo(Horas)

HCl [9x10-3M]



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30

La hidrólisisácida, está relacionado con el efecto de la concentración de HCl y el

proceso de hidrolisis, como se observa en las gráficas de la Fig.12. Esto

significa que por un lado está el mecanismo de la reacción y por otro la

concentración del ácido.

Respecto al comportamiento similarde las gráficas en cuanto a la

generación de energía eléctrica a lo largo del tiempo ensayado, se puede

comentar lo siguiente:

Inicialmente la generación de energía eléctrica es baja (antes de las 40 horas),

salvo en el caso de la concentración de HClmás alta ensayada (9x10-3

M), esto

guarda correspondencia con el trabajo de Abdorreza et al, 2012, quienreportaen

su estudio acerca de las ―Propiedades físico-químicos, térmicas y reológicas de

la hidrólisis acida del almidón de soya‖ que durante las 6 primeras horas de

tratamiento con HCl (0.14M) la hidrólisis acida tiene poco efecto en la

degradación de la amilosa y la amilopectiuna; después de 12 horas

aproximadamente se incrementa fuertemente la degradación.

En adición a esto, la degradación del almidón según Jiping, et al; 2007, se inicia

por el ataque a la superficie del gránulo formando grietas, este es un proceso

lento. Así mismo, de los trabajos de Shujun, et al, 2008 y Wang, Yu, Jin,

2008, las estructuras amorfas del almidón (ubicadas en el interior del gránulo)

reaccionan con mayor facilidad que las estructuras cristalinas (ubicadas en la

superficie del gránulo. Ver figura en Anexo 1). En base a estos trabajos se

propone que, salvo el caso de la concentración de HClmás alta ensayada (9x10-

3M), inicialmente no ocurreoxidorreducción, sino lo que ocurre es el ataque al

gránulo seguido de la hidrólisis a las regiones amorfas, que serían las que

posteriormente por oxidorreducción generan la corriente eléctrica pasadas las 40

horas en todos los ensayos.

Finalmente, se debe recalcar que la concentración de 9.0x10-3

M, no experimenta

un generación inicial de energía notoriamente baja, sino más bien su gráfica

muestra una generación constante hasta las 80 horas, luego de las cuales

disminuye drásticamente como las gráficas de las demás concentraciones.



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Enfocándose ahora, ya no en el comportamiento de las gráficas, sino en el efecto

del nivel de concentración de HCl,se puede comentar lo siguiente:

Knyaginichev, Bolkhovitina, Myasoedova&Pakhomova, 1962, reportan que

cuando se utiliza altas concentraciones deHCl, se estaría produciendo un rápido

rompimiento de la cadena de almidón.

De acuerdo a estos estudios cuando la concentración del HCl es 9.0x10-3

M(alta

concentración.Fig. 12_(d)) se generaría un mayor número de moléculas ―libres‖

que reaccionaríanpor la oxidación reducción y por lo tanto, producenmás

energía, haciendo que el sistema sea más estable en su producción. Sin

embargo, a bajas concentraciones de HCl el rompimiento de la cadena es lento,

en consecuencia las reacciones de oxidación reducción disminuyen y el sistema

tiende a ser inestable en la generación de energía, como se muestra en

laFig.12_(a).Este comportamiento hace suponer que la naturaleza de la fuerza

acida estaría determinando la eficiencia del proceso, tal como concluyeJane

Wang et al, 2003, al estudiar las ―propiedades reológicas y estructurales del

almidón de maíz afectadas por la hidrolisis acida‖. Dicho autorafirma que tanto

la amilosa y la amilopectina se hidrolizaron en un grado mayor cuando la

concentración de ácido se incrementa, es decir que está en relación con la

concentración del HCl.

Los productos finales de la degradación del almidón en las bioceldas no

pudieron ser analizados debido a que el equipo que se requiere, CG-Masas, se

encontró malogrado. Sin embargo, Betancur &Chel, 1997, propone quelos

productos finales al tratar el almidón con HCl son aldehídos.

En ese orden de ideas, se sugiere que las reacciones que se producen en este

proceso pueden ser divididos en 2 estapas: (i) La primera, una reacción de

hidrólisis con compuestos terminales de tipo aldehído y (ii) La segunda, una

reacción de oxidación-reducción de los aldehídos.



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3.3 Relación agua/ almidón:

Se realizaron ensayos para determinar la influencia de relación agua/ almidón

sobre las reacciones que tienen lugar en las biocledas. Las condiciones bajo las

que se realizó este ensayo fueron:

Tabla III - 7 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la relación agua /almidón

N° de

celda

Almidón (g) Agua destilada(mL) [HCl]*

M Derecha Izquierda Derecha Izquierda

1 0.5 0.5 40 40

9x10-3

2 0.5 0.5 55 55

3 0.5 0.5 75 75

4 0.5 0.5 80 80




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Los resultados del ensayo se muestran a continuación:

Tabla III - 8Resultados de la generación de voltaje a diferentes relaciones agua/almidón

Tiempo

(h)

Voltaje (mV)

Relación agua(mL)/almidón(mL)

80/1 110/1 150/1 160/1

0 14.1 30.1 27.3 18

0.25 45.3 52.1 22 14

2 49.7 30 25.5 21.4

7.5 44.6 33.7 34.9 23

11 53.1 45.1 48.1 39.5

25.25 32.6 29.5 33.3 21.2

28.5 38.2 31.9 41.4 22.4

33 31.6 24.2 35.7 15.6

34.5 32.9 24.9 37.6 27.2

55 45.6 46.7 70 47.3

57 26.5 30.8 68.9 52.1

61 33 33.9 65.1 50.1

76 42.8 30.5 48.4 44.3

78 32 27.5 51.1 32.7

100 35.1 31.2 50.5 33.6

104 37.9 32.9 52.4 32.5

124.5 38.6 47.4 62.4 36.1

131 31.8 39.1 75.3 32.3

149.5 73.2 45 50 36

153.5 44.1 41.6 61.2 29.1

156 33.1 46.3 59.1 60.1

163.5 50.5 55.1 51.2 42.1

179.5 53 40 45 25

200 52.5 45.6 46.5 39.6

202.5 50.4 47.4 43.6 38.6

222 54.6 59.6 68.1 42.3

226 51.3 67.4 53.6 36.2

245.5 43.5 54.3 89.3 43.9

Los ensayos de relación agua/ almidónque se muestran en la Fig. 13 y Tabla

III-8; muestran en general en todos los casos una tendencia de aumentar la

generación de energíacon el tiempo de reacción.Las relaciones agua/ almidón

80/1 y 110/1 presentan un comportamiento similar en el tiempo, pero la relación

agua/ almidón 150/1 genera los mayores voltajes; mientras que en la relación

160/1 se registran los valores más bajos de voltaje. Es decir que la generación de



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energía se incrementa en la dilución del sistema hasta un máximo de 150/1 y

posteriormente disminuye.Este comportamiento estaría relacionado con el

potencial del H+ que se genera.

Fig. 13 - Generación de energía a diferentes relaciones agua/ almidón

Desde Agua/Almidón :80/1 hasta 160/1 y a una concentración de HCl de 9.0 x10-3

M

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Vo

ltaj

e

(mV

)

Tiempo (h)

Relacion agua/almidon

80 agua/almidon 110 agua/almidon 150 agua/almidon 160 agua/almidon



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3.4Influencia de la temperatura.

Se realizaron tres ensayos, bajo las siguientes condiciones:

Tabla III - 9 Parámetros de las biocleldas para determinar la influencia de la Temperatura

N° de

ensayo

Temperatura

(°C)

Almidón (g) Agua

destilada(mL) [HCl]*


1 30 0.5 0.5 80 80

9x10-3

2 35 0.5 0.5 80 80

3 41 0.5 0.5 80 80


Tabla III - 10 Resultados de la generación de voltaje a diferentes Temperaturas

1er Ensayo

30°C

2do Ensayo

35°C

3er Ensayo

41°C

Tiempo(h) Voltaje(mV) Tiempo(h) Voltaje(mV) Tiempo(h) Voltaje(mV)

0 6.7 0 53 0 89.7

1 1.9 1 52 1 83.2

2 4.3 2 61 2 82

3 9.7 6.15 121 3 96

4 9.5 7.15 121.5 4 111

5.3 23 8.15 125 5 111.5

6.25 23.2 9.15 130 17 103

7 23 21.15 150.2 18 120

19 59.8 22.15 140.5 19 130

20 53.3 23.15 132.7 20 139

20.4 63 24.15 132 21 146

21.15 78 25.15 115 22 156

25.15 84.5 26.15 105 23 160

26.3 83.4 24 157

27.49 80.7 26 166

29.29 81.2 28 170

30.09 74.6

Los resultados presentados en la Tabla III-10 y Fig. 14.; muestran que:



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1.- En las 10 primeras horas:En general la generación de voltaje se incrementa

linealmente con el aumento de la temperatura. En el caso de temperaturas de 35

y 41ºC, no hay diferencia significativa en la generación de energía, pero el

rendimiento es mayor que las obtenidas a 30 °C.

2.- De las 15 horas en adelante: Los resultados muestrancomportamientos

diferentes: para los ensayos realizados a 30°C se mantiene la tendencia

ascendente de generación de energía, alcanzando hasta 80 mv a las 30h de

reacción. En las celdas a 35°C, la generación de energía empieza a disminuir

drásticamente a partir de las 21 h. Mientras que aquellas a 41°C tiende a seguir

incrementando la energía hasta alcanzar 170 mv.

Fig. 14 - Generación de energía en las celdas de almidón, usando temperaturas de 30,35 y 41°C; 0.5g de almidón y HCl de concentración 9.0 x10-3M

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25 30 35

Vo

ltaj

e (

mV

)

Tiempo (h)

Temperatura

30 °C

35°C

41 °C



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Teniendo en cuenta que la generación de energía por el proceso de óxido-

reducción es relativamente proporcional a la degradación de la cadena de

almidón:

a) A 35°C se nota dos etapas bien diferencias, una inicial de comportamiento

rápido y otra lenta. Este comportamiento concuerda con el reportado por:

Miao, et al, 2011; quien en su investigación de la hidrolisis acida del

almidón ceroso de maíz, con HCl 2,2 N a 35 º C, diferencia dos etapas: una

inicial rápida debido a la hidrólisis de las zonas amorfas del almidón y una

segunda fase más lenta por la hidrólisis de las zonas cristalinas.

De acuerdo con el trabajo de Miao et al ,2011,el incremento de la

generación de energía en una primera etapase debe alataque de las zonas

amorfas, para luego en una segunda etapa disminuirdebido a que el ataque a

las zonas cristalinas es más lento. Esta referencia concuerda con la Fig. 14,

pues al observar el comportamiento de las celdas a 35ºC, se nota claramente

como en las primeras horas la generación de voltaje aumenta rápidamente es

decir se da lugar a la hidrolisis rápida cuyo ataque es preferentemente a las

zonas amorfas del granulo, produciéndose así una fuerte erosión del

almidón, los mismos que tienden a romperse. Por ello a partir del tiempo de

reacción de las 21h en adelante; se aprecia una caída significativa en la

generación del voltaje; debido a que estaría produciéndose lo que Miao, et

al, 2011 llama la fase lenta de la hidrolisis cuyo ataque es preferentemente a

las zonas cristalinas del granulo.

Así mismo Miao, et al, 2011; menciona dos hipótesis acerca de la hidrólisis

más lenta de las partes cristalinas del gránulo de almidón. En primer lugar,

la alta densidad de las cadenas de almidón dentro de los cristalitos de

almidón no permite fácilmente la penetración de H3O+en las regiones.

Segundo, la hidrolisis acida de los enlaces glucósidos puede requerir un

cambio en la formación (de silla a media silla) de la unidad de D-

glucopiranosil (Hoover, 2000). En consecuencia, las regiones amorfas de los

gránulos de almidón son preferentemente degradados durante el proceso de



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hidrólisis ácida ya que la organización de las moléculas en esta zona es más

desordenada. (Gérard et al, 2002.; Robin et al., 1974).Esta hipótesis sugiere

que las regiones amorfas se encuentran principalmente en la parte de núcleo

de los gránulos de almidón o distribuidos alternativamente en las regiones

cristalinas.

b) A 41°C la generación de energía mantiene una tendencia ascendente y se

registra mayores valores de voltaje debido probablemente a que a esta

temperatura se facilita la difusión del ácido en los gránulos de almidón

(Lin&Mei, 2006); así mismotiene mayor Energía de Activación (EA) para

romper la zona cristalina del almidón con similar velocidad que se hace en la

zona amorfay/o el mecanismo podría ser diferente al propuesto por Miao, et

al, 2011; quien identifica dos etapas de hidrolisis: una rápida y otra lenta.

c) A 30°C hay un aumento lento de energía pero constante en el tiempo. En

este caso posiblemente el mecanismo de penetración del ácido a las zonas

cristalinas es similar al propuesto por Lin&Mei, 2006; quien al realizar la

modificación acida del almidón de maíz a diferentes temperaturas cita que:

Las velocidades de hidrolisis se deben principalmente a la difusión del ácido

a través de las cavidades internas del granulo de almidón, esta difusión está

relacionada de manera proporcional al aumento de temperatura. De tal

manera que al elevar la temperatura de reacción se estaría facilitando la

difusión del ácido en los gránulos de almidón de maíz y también aumentaría

la reactividad del enlace glicosídico. Es así que a 25 º C el ácido sólo podría

difundirse dentro de las regiones amorfas cerca de la superficie, el canal y las

cavidades centrales del almidón de maíz. Mientras que aproximadamente a

45ºC el ácido se difunde en casi todas las regiones amorfas de los gránulos

de almidón en muy poco tiempo. Por lo tanto, para este estudio, a 30°C la

difusión del ácido sería en la región principalmente amorfa y muy lenta en

las zonas cristalinas, con lo cual la degradación es lenta y en consecuencia

también lo es la generación de energía.



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3.5 Tiempo de vida útil.

Los ensayos se realizaron bajo las siguientes condiciones iniciales:

Tabla III - 11 Parámetros de las biocleldas para determinar el tiempo de vida útil

N° de

ensayo

Temperatura

(°C)

Almidón (g) Agua

destilada(mL)*** [HCl]*


1 26.4** 0.5 0.5 80 80 9x10-3

* En cada celda la adición del HCl es solo a una semi-celda.;

* *Temperatura ambiente promedio según la estación en la que se realizó los ensayos (verano);

*** Después de 14 días de reacción se adiciono 70 mL de agua al sistema.

Los resultados que se presentan en la gráfica de la Fig. 15 y en la Tabla del

anexo (Ver Anexo 2)muestran que la generación de energía se incrementa

linealmente en el tiempo hasta las 338 horas (14 días) de reacción,

alcanzando los 214mV. Sin embargo, por la evaporación de la solución en

las bioceldas a lo largo del ensayo, se adicionó70mL más de agua

destilada;ello, al contrario de lo que se esperaba, no permitió recuperar la

tendencia inicial, posiblemente porque parte del HCltambién se evaporó o

ya se había consumido por las reacciones, y en consecuencia la adición del

agua destilada provocó una muy baja concentración de HCl en el sistema.



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Fig. 15 - Comportamiento de las bioceldas de almidón en la generación de voltaje durante 26 días de reacción

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Vo

ltaj

e (

mV

)

Tiempo (h)



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CAPÍTULO IV

CONCLUSIONES

En el trabajo de investigación titulado:‖ Obtención de energía eléctrica a partir del

almidón: Influencia de la concentración de HCl, Temperatura y Sustrato”,

desarrollado en el laboratorio de Catálisis, Absorbentes y Materiales se llega a las

siguientes conclusiones:

1. Es posible obtener energía eléctrica en una sola etapa utilizando bioceldas de

almidón con HCl.

2. El proceso está regulado principalmente por la concentración de HCl, el cual

influye favorablemente en la hidrólisis del almidón, tendiendo el sistema a

estabilizarse con concentraciones de HCl altas.

3. Las temperaturas del orden de 41 °C favorecen la generación de energía.

4. Se determinó que el tiempo de vida útil del sistema es de 338 horas (14 días) y el

mayor voltaje registrado es de 214.0 mV.



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CAPÍTULO V

RECOMENDACIONES

1. Realizar un estudio utilizando otras membranas.

2. Activar el sistema con catalizadores solidos ácidos o con enzimas.

3. Investigar la influencia del desgaste de los electrodos, en la medición de voltaje

generado por las bioceldas de almidón.



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CAPÍTULO VI

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ANEXOS



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ANEXO 1. Modelodeorganizacióndel gránulo de almidón. La figura muestrauna

imagende un gránulo dealmidón de guisantedespués de2 díasdehidrólisis ácida (Wang

et al., 2012: 1947)



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ANEXO 2. Tabla de Resultados de la generación de voltaje durante 26 días de

reacción

Fecha Hora Temp

agua tiempo Voltaje(mV)

25-feb

5.30 am 26.5ºC 0 80.3

9.00 am 27.0 ºC 3.5 69.4

11.00 am 30.5 ºC 5.5 72.6

1.00 pm 32.0 ºC 7.5 80.8

3.00 pm 31.5 ºC 9.5 80.2

11.00 pm 26.0 ºC 17.5 70.3

26-feb

7.00 am 24.0 ºC 25.5 70.8

10:00 a.m. 28.0 ºC 28.5 73.8

11.30 pm 25.5 ºC 42 87.6

27-feb

9.00 am 26.5 ºC 51.5 89.3

12.00 m 30.5 ºC 54.5 90.2

2.00 pm 30.5 ºC 56.5 90.0

4.30 pm 30.5 ºC 59 90.0

9.00 pm 26.5 ºC 63.5 102.1

28-feb

6.00 am 23.0 ºC 72.5 90.0

4.30 pm 30.0 ºC 83 103.9

7.00 pm 29.0 ºC 85.5 105.2

29-feb

8.00 am 24.0 ºC 98.5 112.6

6.00 pm 30.0 ºC 108.5 104.2

9.00 pm 27.0 ºC 111.5 101.7

01-mar

8.30 am 26.0 ºC 123 92.5

12 m 31.5 ºC 126.5 101.4

5.00 pm 31.0 ºC 131.5 119.8

9.00 pm 28.0 ºC 135.5 132.6

02-mar

8.00 am 25.0 ºC 146.5 111.1

7.00 pm 30.0 ºC 157.5 88.1

9.00 pm 28.0 ºC 159.5 90.8

03-mar

5.30 am 24.0 ºC 168 112.2

8.00 am 24.5 ºC 170.5 111.6

10.30 pm 28.0 ºC 185 115.1

04-mar 5.30 am 24.0 ºC 192 114.4



Bibliot

eca d

e Ing

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ía Quím

ica U

NT

49

Página 49

8.30 am 24.0 ºC 195 110.9

10.00 pm 27.0 ºC 208.5 108.6

05-mar

5.30 am 24.0 ºC 216 107.8

5.00 pm 32.5 ºC 227.5 116.8

11:00 p.m. 27.0 ºC 233.5 118.5

06-mar 11.00 pm 27.5 ºC 257.5 129.7

07-mar 6.30 am 24.0 ºC 265 132.7

10.30 am 27.5 ºC 269 138.4

08-mar 11.00 pm 27.0 ºC 305.5 154.8

09-mar 6.00 am 24.0 ºC 312.5 159.2

10-mar

8.00 am 25.0 ºC 338.5 214.0

11.00 am 28.0 ºC 341.5 112.3

11.30 am 28.0 ºC 342 106.2

6.00 pm 30.0 ºC 348.5 38.1

11-mar 7.30 am 24.0 ºC 362 37.9

10:00 p.m. 26.5 ºC 376.5 31.4

12-mar

7.00 am 24.0 ºC 385.5 30.6

5.00 pm 30.5 ºC 395.5 29.7

7.00 pm 30.0 ºC 397.5 72.9

13-mar 6.30 am 24.0 ºC 409 69.1

11.00 pm 27.0 ºC 425.5 63.0

14-mar 8.00 am 24.5 ºC 434.5 59.3

4.00 pm 32.5 ºC 442.5 17.1

15-mar 6.30 am 24.0 ºC 457 25.9

19-mar 10.00 pm 27.0 ºC 568.5 39.7

20-mar 8.30 am 29.5 ºC 579 41.9

9.00 pm 28.0 ºC 591.5 43.8

21-mar 7.00 am 24.0 ºC 601.5 40.1

5.00 pm 29.0 ºC 611.5 48.1

22-mar 6.30 am 24.0 ºC 625 41.0

23-mar 8.00 am 27.0 ºC 650.5 26.4

24-mar 7.30 am 25.0 ºC 674 25.9



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Química OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL