Revista icidca vol 45 no2 2011 by Revista ICIDCA

Síntesis de nuevos materiales para el desarrollo de sistemas de liberación controlada. Synthesis of new materials for the development of controlled release systems Liván Alba-Gutierrez, Adolfo Brown-Gómez, Yeily Seruto-Milá, Mercedes Guerra-Rodríguez, Milaydis Reina-Hernández Deborah Crespo-Zayas, Gretel Mieres-Balmaceda, Jorge L. García-González, Arelys Rodríguez-Padrón

Obtención y generalización del empleo de una fitohormona síntetica para aumentar el rendimiento del tomate y otros frutos. Production and generalization of the use of a synthetic phytohormone to improve the yield of tomatoes and other fruits Laura Lamí-Izquierdo, Mercedes Díaz-Luzbet, Carlos García-Bassa, Mayrelys Mesa-Jardín, Melba Cabrera-Lejarti, María N. LoresNápoles, Deborah Crespo-Zayas, Amaury Álvarez-Delgado

Impacto ambiental de la producción de agro-combustibles. Environmental impact of agro-fuel production Miguel A. Otero-Rambla, Evelyn Faife-Pérez, Amaury Álvarez-Delgado

Estrategia para la implementación de un sistema de gestión de la calidad para la producción de FITOMAS. Strategy for the implementation of a quality management system for the production of FITOMAS Tania García-Martínez

Producción sostenible de alimento animal a partir de la caña de azúcar. Sugar cane for sustainable production of animal feed José Villar-Delgado, Ramón Montano-Martínez

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Aplicación del modelo de Weibull para la inactivación por calor de la Pseudomonas aeruginosa a diferentes temperaturas. Application of Weibull model for heat inactivation of Pseudomonas aeruginosa at different temperature Gloria Bueno-García, María Elena Díaz de Villegas-Díaz de Villegas, Gisela de Armas-García, Esmérida Torres-Castañeda, Maribel Saura-Moncisbaez

Obtención de celulosa esférica, carboximetilación, entrecruzamiento e inmovilización de monoamino ciclodextrina. Obtainment of spherical cellulose, carboxymethylation, crosslinking and monoamine-cyclodextrin immobilization Yelenys Hernández-Corvo. Vivian León-Fernández, Alex Fragoso-Sierra, Isis Menendezcuesta-Mirabal, Eduardo Bordallo-López

Estudio del consumo de ácidos en el ajuste de pH en diferentes medios de fermentación alcohólica. Study of the acid consumption on the pH adjustment, in different broths for ethanol fermentation Lixis Rojas-Sariol, Yaniris Lorenzo-Acosta, Fidel Domenech-López

Í N D I C E / C O N T E N T S

Liván Alba-Gutierrez, Adolfo Brown-Gómez, Yeily Seruto-Milá, Mercedes Guerra-Rodríguez, Milaydis Reina-Hernández, Deborah Crespo-Zayas, Gretel Mieres-Balmaceda, Jorge L. García-González, Arelys Rodríguez-Padrón Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba adolfo.brown@icidca.edu.cu RESUMEN El estudio abarcó la síntesis y caracterización de materiales con potencialidades para su empleo en sistemas de liberación controlada (SLC) para el sector agrícola, incorporando derivados de la agroindustria azucarera cubana como celulosa microcristalina, acetato de celulosa y dextrana. Se utilizó una técnica de síntesis no convencional por medio de la irradiación ultrasónica que permitió la obtención de poliuretanos poco solubles en agua y en disolventes orgánicos como: dimetilsulfóxido, dimetilformamida, etanol y acetato de etilo. Estas características, favorecen su utilización como SLC en medio acuoso alcanzándose capacidad de liberación de urea durante un periodo de 724 horas. Palabras clave: sistema de liberación controlada, celulosa microcristalina, acetato de celulosa, dextrana, irradiación ultrasónica ABSTRACT The study included the synthesis and characterization of materials with potentialities for their use in systems of controlled release (SLC) for agricultural sector, incorporating cuban sugarcane-industry by products as microcrystalline cellulose, cellulose acetate and dextran. A non-conventional synthesis technique was used throughout the ultrasonic irradiation which allowed to obtain low water and organic dissolvents solubility polyurethanes, such as:.dimethylsulfoxide, dimethylformamide, ethanol, and ethyl acetate. Such characteristics favor its use as SLC in an aquous media achieving a release capacity of urea for a 724 hour period. Key words: systems of controlled release, microcrystalline cellulose, cellulose acetate, dextran.

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INTRODUCCIÓN Los polisacáridos naturales son compuestos macromoleculares que están formados por cientos e incluso miles de unidades de monosacáridos. Estas unidades están enlazadas entre sí, por enlaces glicosídicos que se pueden hidrolizar y liberar los monosacáridos que le han dado origen. Se pueden clasificar en heteropolisacáridos y homopolisacáridos en dependencia de la cantidad de monosacáridos que se obtengan a partir de la hidrólisis, dos o más en el primero y uno solo en el segundo. Los estudios previos sobre sistemas de liberación controlada (SLC), formadores de películas y biomateriales demuestran las potencialidades de los polisacáridos naturales en el desarrollo de sistemas de liberación, partiendo de la síntesis controlada y el uso de métodos novedosos para su obtención (1-4). En la actualidad, la búsqueda de materiales biodegradables entre los derivados de la caña de azúcar, hace de la celulosa una alternativa relativamente barata para la obtención de polímeros con propiedades como formadores de películas y otras aplicaciones (5-8). La celulosa pura clasifica dentro de los homopolisacáridos del tipo glucosano y está compuesta por unidades de D-Glucosa en forma piranosa, unidas por enlaces -glicosídicos (C1-C4), esto garantiza que contenga grupos hidroxílicos libres en las posiciones 2, 3 y 6 del anillo, su variante, en forma de acetato de celulosa (AC) que involucra una estructura similar pero con acetilación parcial de algunos grupos hidroxilo, limita su reactividad respecto a la celulosa microcristalina (CMC), derivado de bajo peso molecular obtenido de la α-celulosa depolimerizada. Se desarrolló un estudio comparativo entre SLC preparados a partir de poliuretanos, uno derivado de CMC con toluendiisocianato (TDI), anteriormente reportado (9) y un nuevo material sintetizado de AC y TDI con el objetivo de evaluar las modificaciones en las propiedades de liberación de urea a partir de estas variantes. Para lograrlo, se utilizó síntesis no convencional por irradiación ultrasónica. Se utilizó además de los derivados de celulosa con TDI, un glucosano derivado de 4

dextrana, que a diferencia de la celulosa se encuentra formado principalmente por enlaces α (1,6). Este material fue modificado por reacción con TDI atendiendo al mismo propósito, la comparación de la liberación de urea a partir de diferentes poliuretanos obtenidos con materiales derivados de polímeros naturales de glucosa. El objetivo del presente trabajo es desarrollar sistemas de liberación controlada, revalorizando derivados de la agroindustria azucarera cubana en la obtención de poliuretanos para su posible uso en la agricultura, demostrando la eficiencia del método de síntesis empleado y utilizando como principio activo la urea para evaluar su liberación en medios que simulan las condiciones de acidez de algunos de los suelos cubanos. MATERIALES Y MÉTODOS Se emplearon como matrices poliméricas en este trabajo: celulosa microcristalina obtenida en la Unidad de InvestigaciónProducción de la Celulosa del Bagazo (Cuba 9), acetato de celulosa de la British Drug House, VWR International, UK y dextrana técnica de producción nacional, Otros reactivos: urea (grado técnico), toluidendiisocianato (Merck GmbH, RFA), hidróxido de sodio (Fluka AB, Heidelberg, RFA), dimetilsulfóxido (Fluka AB, Heidelberg, RFA) Síntesis de los materiales Se utilizaron como método de síntesis la irradiación ultrasónica en baño ultrasónico Elma Transsonic T 460/H frecuencia 35 kHz y la vía clásica con agitador mecánico Heidolph RZR 2020. La celulosa microcristalina (CMC) se mezcló con dimetilsulfóxido (DMSO) hasta lograr hinchamiento y se llevó hasta temperatura de 75 °C. Posteriormente se añadió toluidendiisocianato (TDI) en proporción de 1,5 mL por cada 2 g de CMC y se dejó reaccionar durante 4 horas (9). Para la obtención de PU de acetato de celulosa se mezcló AC con DMSO hasta cubrir toda la masa reaccionante. Una vez alcanzados los 75 °C, se añade el TDI (1,5 mL por cada gramo de AC) y se dejó reaccionar durante 4 horas. ICIDCA 45 (2) 2011

Se pesaron 2 g de dextrana, se añadió 15 ml de DMSO en baño ultrasónico a 60 °C. Se añadió 0,25ml de TDI y se dejó reaccionar durante 4 horas. Espectroscopía FTIR Se utilizó un equipo Vector 22 (Bruker) Software: Opus NT, ATR, rango 4000-600 cm-1, resolución 4 cm-1 con 600 scans contra aire. Preparación de los Sistemas de Liberación Controladas (SLC) La preparación de los SLC se realizó a partir de la obtención de sistemas matriciales por el mezclado del polímero modificado en solución de DMSO con urea (5 gramos). A continuación, el material seco se sometió a pruebas de liberación. El intervalo de pH seleccionado para el estudio (entre 4 y 9) corresponde a valores extremos que abarcan el comportamiento de los suelos cubanos. Se montaron varios ensayos de liberación controlada a partir de matrices modificadas. Para esto, se orientaron estudios cinéticos de liberación en celulosa microcristalina modificada con TDI (CMC+TDI), acetato de celulosa modificada con TDI (AC+TDI) y dextrana modificada con TDI (Dx+TDI). Las pruebas se desarrollaron a temperatura ambiente, tomando muestras cada 1 hora hasta completar 8 horas y cada 24 horas por un período de 30 días (724 h) con el objetivo de estudiar el comportamiento de los sistemas y observar las fluctuaciones en la concentración de urea provocadas durante la liberación, al ser expuestos los sistemas a diversas condiciones. El pH 7 se tomó como referencia para estudiar la acción de la acidez o la alcalinidad sobre el sustrato. Las pruebas de solubilidad se realizaron tomando 0,5 g de polímero modificado en 5 mL de disolvente a temperatura ambiente y también a reflujo en balones equipados con condensadores. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los materiales de partida son de naturaleza química equivalentes por tratarse de biopolímeros derivados de la glucosa. Sin embargo, conducen a la formación de matriICIDCA 45 (2) 2011

ces con propiedades diferentes debido al tipo de enlace y derivatización que presentan. Síntesis de PU a partir de CMC por reacción con TDI La síntesis de poliuretanos (PU) a partir de celulosa microcristalina ha sido discutida en un trabajo anterior (9) por lo que sólo se analizará el uso de este material en la preparación de SLC. Las películas obtenidas a partir de este material son poco flexibles y su coloración varía con el tiempo llegando a oscurecerse por efecto de la luz. Síntesis de PU a partir de AC por reacción con TDI Los resultados obtenidos con esta modificación fueron polímeros formadores de película que se extendieron sobre una superficie lisa, resultando materiales flexibles, transparentes e incoloros, solubles moderadamente en acetona, dimetilformamida, etanol y DMSO a temperatura ambiente. No obstante se observaron ventajas respecto a las obtenidas con CMC+TDI, debido a que las obtenidas a partir de AC+TDI son más estables respecto a características deseadas como la flexibilidad y coloración. Este resultado puede estar relacionado con la presencia de grupos acetilo en la molécula de glucosa, lo que limita su capacidad de entrecruzamiento y conduce a la obtención de materiales con mejores propiedades para la formación de películas en comparación con CMC. En la tabla 1 se reportan los resultados obtenidos para las pruebas de solubilidad realizadas en los productos de AC+TDI. Las solubilidades no se vieron notablemente afectadas al trabajar a la temperatura de reflujo de los disolventes indicados, solo se han reportado los resultados generales de este estudio. Síntesis de PU a partir de dextrana con TDI Los polímeros obtenidos a partir de dextrana no exhiben buenas propiedades para la formación de películas, pues rinden sólidos amorfos que al secar presentan textura de polvo fino y al ser sometidos a pruebas 5

Tabla 1. Solubilidad de los PU obtenidos con acetato de celulosa Disolvente Acetona Acetato de etilo DMF Etanol DMSO Agua

AC+TDI Poco soluble Poco soluble Poco soluble Poco soluble Poco Soluble No soluble

Las señales aromáticas se observaron entre 1436 y 1407 cm-1, el carbonilo de uretano alrededor de 1700 cm-1. La presencia de las señales de los grupos fundamentales (grupos uretano y aromático) permiten verificar la transformación de los grupos -OH de la glucosa (de los polímeros de acetato de celulosa y dextrana) en uretano (NHCOO). Los resultados se aprecian en la tabla 2.

Tabla 2. Señales características de los grupos funcionales asignados por FTIR de los derivados de AC y dextrana por reacción con TDI

de solubilidad con los disolventes CO ensayados para el acetato de celuGrupos -NH -Ar C-N (uretano) losa, incorporan el mismo sin (cm-1 ) 3380 1435-1407 1235 1700 disolverse, facilitando la inclusión de sustancias en su estructura y su consiguiente liberación. Las diferencias obtenidas pueden atribuirse a que la dextrana es un homopolisacárido del tipo glucosano al Estudio de la cinética de liberación en los igual que el acetato de celulosa pero se sistemas formulados encuentra principalmente formada por enlaces de D-Glucosa α (1,6) y la celulosa Se llevaron a cabo ensayos de liberación (del CMC y AC) por unidades de D-Glucosa controlada a partir de las matrices modificapero unidas por enlaces β-glicosídicos (1,4) das, orientándose los estudios cinéticos de lo que conlleva a una estereoquímica difeliberación en celulosa microcristalina modirente para ambos homopolímeros y al ficada con TDI (CMC+TDI), acetato de celumayor grado de porosidad que tienen los losa modificada con TDI (AC+TDI) y dexderivados de dextrana respecto a los de trana modificada con TDI (Dx+TDI). celulosa. Las pruebas se desarrollaron a temperaEs conveniente señalar que la escasa tura ambiente, tomando muestras cada 24 solubilidad de los polímeros modificahoras por períodos desde 14 hasta 30 días dos obtenidos a partir de derivados de (336 a 724 h) con el objetivo de estudiar el celulosa como de dextrana en los disolcomportamiento de los sistemas y observar ventes de ensayo, es en nuestro caso una las fluctuaciones en la concentración de condición deseable pues permite su uso urea provocadas durante la liberación, al ser en SLC, de otra forma el material se expuestos los sistemas a diversos valores de disolvería y no sería factible la obtenacidez, a pH 4, 7 y 9, simulando posibles ción de comportamientos de acción provalores extremos en los suelos. El pH 7 se longada. tomó como referencia. Caracterización por Espectroscopía Infrarroja (FTIR) de derivados de AC y dextrana Los grupos funcionales asociados a la reacción de formación de uretanos de la reacción del AC y dextrana con TDI pueden asignarse para el caso del NH uretano alrededor de los 3380 cm-1 , así como una señal correspondiente a la banda de vibración del grupo C-N en 1235 cm-1. 6

Cinética de liberación de urea en AC+TDI Se estudiaron en los pH anteriores, los perfiles de liberación de urea por un período de 30 días (724 horas). Tiempos mayores no se tomaron en cuenta porque las concentraciones liberadas mostraron una caída brusca correspondiente a la posible degradación del sistema. En las figuras 1, 2 y 3 se observan los perfiles de liberación de este sistema. ICIDCA 45 (2) 2011

Figura 1. Liberación a pH 7 Urea en AC+TDI (724 h)

Figura 2. Liberación a pH 4 Urea en AC+TDI (724 h)

Figura 4. Liberación a pH 7 Urea en CMC + TDI (336 h)

Figura 5. Liberación a pH 4 Urea en CMC + TDI (336 h)

Figura 3. Liberación a pH 9 Urea en AC+TDI (724 h)

Figura 6. Liberación a pH 9 Urea en CMC + TDI (336 h)

Las curvas demuestran que con pH 7 (referencia) y 9 se produce una menor y mayor liberación de urea, respectivamente. Este comportamiento es posible atribuirlo a la acción que ejerce el pH alcalino sobre los grupos acetato y uretano del poliuretano de AC+TDI.

Cinética de CMC+TDI

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liberación

urea

El comportamiento de esta matriz en agua, liberó a pH 4; 7 y 9 por espacio de 14 días (336 horas), demostrando en este intervalo su posible uso como SLC (figuras 4, 5 y 6). 7

Los estudios de cinética de liberación controlada demostraron que las fluctuaciones de concentración en CMC modificada con TDI a los pH analizados, permiten una liberación de urea de manera lenta, pero se produce un cambio en el material a las 336 horas (14 días) modificando sus propiedades y detectándose una caída brusca en su comportamiento como SLC por lo cual los valores posteriores a este lapso no se consideraron. Los diferentes perfiles de liberación obtenidos tanto para la AC+TDI como para la CMC+TDI muestran para el caso del pH 7 una liberación de urea más irregular produciéndose una fuerte caída en los valores para luego oscilar de manera irregular con el tiempo, a valores de pH 4 y 9 el comportamiento es similar a sistemas de liberación controlada con caídas más suaves. Este comportamiento pudiera ser atribuido a la estructura de los materiales, a pH 7 poseen un comportamiento atribuible al hinchamiento, mostrando caídas bruscas relacionadas con una rápida liberación; a valores de pH tanto ácidos como alcalinos el comportamiento tanto del AC como de la CMC modificadas con TDI muestran curvas escalonadas decrecientes más suaves, posiblemente relacionadas con diferencias en el hinchamiento y a la degradación de los grupos acetato y uretano (-OCONH-) ya que la destrucción de éstos producen cambios en la estructura reticular de los polímeros pues son sensibles tanto al medio ácido como alcalino induciendo la modificación de la estructura molecular y un cambio en su comportamiento por la alteración conformacional de las cadenas poliméricas que termina con la degradación de éstas.

También se observan diferencias en las curvas de liberación de urea en función del pH, pero en la dextrana esta dependencia parece menos marcada que en el resto de las matrices estudiadas.

Figura 7. Liberación de urea a pH 7 Dextrana + TDI (724 h)

Figura 8. Liberación de urea a pH 4 Dextrana + TDI (724 h)

Cinéticas de liberación de urea en Dextrana + TDI Se estudió la liberación por espacio de 30 días, mostrando sus potencialidades para estos fines (figuras 7, 8 y 9). Como puede observarse, los perfiles de liberación permiten también suponer que la dextrana modificada con TDI (Dx+TDI) es un polímero relativamente estable que manifiesta una degradación similar a los derivados de acetato de celulosa cuando se somete a pH ácidos y alcalinos en los rangos analizados. 8

Figura 9. Liberación de urea pH 9 Dextrana + TDI (724 h)

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Podemos atribuir este comportamiento como en los casos anteriores a las diferencias en la configuración molecular; en este caso la dextrana posee enlaces α entre C1C6 comparada con la estructura β C1-C4 de la celulosa; la estereoquímica de las cadenas poliméricas parece influir en el comportamiento de la liberación de urea en los ensayos realizados y aunque la dextrana modificada también posee grupos uretano sensibles al medio ácido y alcalino, las diferencias estructurales parecen afectar significativamente su comportamiento como SLC. CONCLUSIONES • Se logró la síntesis de nuevos materiales a partir de acetato de celulosa y dextrana por modificación con TDI. • Los mayores tiempos de liberación de urea se lograron a partir del estudio de los sistemas obtenidos con AC+TDI y dextrana modificada. • La dextrana modificada demostró una mejor estabilidad en la liberación ante los cambios de pH. • Los resultados con CMC mostraron un sistema que modula adecuadamente la liberación de urea, pero los tiempos obtenidos son menores que los otros sistemas ensayados. RECOMENDACIONES • Extender los estudios de liberación a ensayos en masetas. • Realizar en los sistemas estudiados, ensayos de liberación de fósforo, potasio y moléculas biocidas.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Fernandez, A. M.; Abraham, G.A.; Valentín, J.L.; San Roman, J. Synthesis and characterization of biodegradable non-toxicpoly(ester-urethane-urea)s based on poly(3-caprolactone)and amino acid derivatives, Polymer, 47: pp. 785-798, 2006. 2. García, L.; Bordallo, E.; et al. Celulosa Microcristalina. En: Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar. Manual de los Derivados de la Caña de Azúcar, 3ra ed. (La Habana), 2000 pp. 107-109 (Parte 3). 3. Timothy, J.M. Ultrasound in synthetic organic chemistry. Chemical Society Reviews, 26: pp. 443-451, 1997. 4. Kennedy, R.. Pectin and related carbohydrates for the preparation of polyurethanes foams. Sugar Industry Abstract 48(2): p. 80, 1986. 5. Ajioka, M.; Enomoto, T.; Tamaguchi , T.; Shinoda, N. Biodegradable polymer composition. Patente: JP5039381. China. Febrero, 1993. 6. Arranz, F.; Bejarano, E. M. y SánchezChávez, M. Macromol Chem Phys. 195, pp. 3789-3794, 1994. 7. Brown, A.; Vázquez, H.; Alba, L.; Reina M.; García, J.L.; Rodríguez, M.E. Estudio de un polímero funcionalizado de sacarosa. Rev. Mexicana de Ingeniería Química. 6: pp. 27-32, 2007. 8. Garcon, R. Synthesis of novel polyurethanes from sugar and 1,6 examethylene diisocyanate. Carbohydrate Polymer, 45: pp. 123-127, 2001. 9. Alba, L.; Brown, A.; García, J.L.; Rodríguez, A.; Reina, M. Métodos de síntesis para la obtención de poliuretanos de celulosa. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana) 43(1): pp. 27-32, 2009.

Laura Lamí-Izquierdo, Mercedes Díaz-Luzbet, Carlos García-Bassa, Mayrelys Mesa-Jardín, Melba Cabrera-Lejarti, María N. Lores-Nápoles, Deborah Crespo-Zayas , Amaury Álvarez-Delgado Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba laura.lami@icidca.edu.cu *Instituto Nacional de Investigaciones de la Agricultura Tropical (INIFAT) Santiago de las Vegas, La Habana, Cuba

RESUMEN El 4-cloro fenoxiacético (4-CPA) es un producto de acción fisiológica, ejerce una acción positiva sobre el tomate, la piña, la berenjena y otros frutos, cuando es empleado a concentraciones bajas. Es suministrado por diferentes firmas y muy utilizado en cultivos protegidos como inductor y favorecedor del cuajado del tomate. Considerando el precio de venta de los productos comerciales, la producción del 4-CPA es un proceso rentable, si se tiene en cuenta que por cada kilogramo del principio activo, es posible preparar más de 700 L del formulado Tomaticid. El ICIDCA posee las instalaciones necesarias para asumir la producción de la demanda nacional y cuenta con la tecnología, los estudios de residualidad y formulación para la elaboración del mismo. Adicionalmente, posee los avales de empleo, efectividad y ventajas sobre otros productos similares. El producto obtenido está inscrito, desde el 2005 en el Registro Central de Plaguicidas de la República de Cuba, y se evaluó biológicamente sobre plantaciones de tomate, ají, pepino y otros cultivos, en el Instituto Nacional de Investigaciones de la Agricultura Tropical (INIFAT) y en cultivos protegidos y a campos abiertos en otras instituciones. Palabras clave: fitohormonas sintéticas, acción fisiológica, 4-Cloro fenoxiacético, agroquímicos. ABSTRACT El 4-Chlorine phenoxiacetic acid PA is a product with a positive physiological action , in tomatoes, pineapples, aubergines and other fruits, when it is applied in lower concentrations. It is supplied by different firms and used in greenhouse cultivars as ripening inducer in tomatoes. Taking into account it selling price the production of 4-CPA is a feasible 10

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process if it is considered that every kg of active compound yields more than 700 L of Tomaticid formulate. ICIDCA has the installations needed to asume the production to meet national demand and in addition counts with the appropriate technology, waste disposal studies and formulation for the ellaboration of Tomaticid. On the other hand, it has the technical documentation about its application, effectiveness and advantages of this products over other similar products. This product was inscribed in the Central Plaguicides Record Office in 2005 and biologically evaluated on tomatoes, red pepper and cucumber among others, at INIFAT and other institutions in greenhouses and open fields. Key words: synthetic fitohormones, physiological action, 4-chlorine-phenoxy-acetic acid, agrochemicals.

INTRODUCCIÓN El tomate es una de las hortalizas de mayor consumo en el mundo, pero su producción presenta una serie de dificultades en países tropicales donde predominan altas temperaturas, humedad, elevada radiación solar y fuertes precipitaciones. Una de las características que se presenta en este cultivo durante los meses de verano, debido a las altas temperaturas, es la pobre o ninguna producción de polen por lo que se hace necesario la utilización de fitohormonas o compuestos químicos sintéticos de estructuras similares, a través de las cuales se puede conseguir el cuajado del fruto cuando la polinización o la fecundación no son espontáneas (1, 2). Debido a la necesidad de encontrar métodos más eficientes que permitan lograr mayor productividad por cosecha se emplean diferentes tipos de agroquímicos entre los que se encuentra el 4-CPA (producto de acción fisiológica) fitohormona sintética inductora y favorecedora del cuajado del tomate y otros frutos. El grupo más importante de los productos de acción fisiológica son los fenoxiacéticos, ya que en muchas aplicaciones han sustituido al ácido naftalenacético (ANA) y ácido indolacético (AIA) por sus ocasionales resultados irregulares (3). El 4-CPA se emplea para inducir el cuajado de frutos en distintas variedades de manzano, piña de América, cítricos, fresa y tomate. Es comercializado por la firma española ETISA, con el nombre comercial de "Tomatone", muy utilizado en cultivos protegidos como producICIDCA 45 (1) 2011

to de acción fisiológica, inductor y favorecedor del cuajado del tomate. En el ICIDCA se produjo y formuló el principio activo de esta fitohormona por tecnología inversa, con nombre "Tomaticid" a partir de una vía sencilla y económica. Este se evaluó biológicamente sobre plantaciones de tomate en túneles y casas de cultivo donde se encontró mayor productividad que con el producto comercial español y otros similares. También se evaluó en cultivos de tomate, ají, pimiento, pepino, berenjena, frijol y otros, a campo abierto (4-7). MATERIALES Y MÉTODOS El Tomaticid, de fórmula molecular C8H7ClO3 se obtiene en forma de cristales incoloros con punto de fusión de 157-158 ºC, y se puede formular como concentrado soluble, aerosol y tabletas. Actúa como regulador del crecimiento de las plantas y permite obtener una elevada fructificación de los ramilletes del tomate, al mismo tiempo que provoca un adelanto en la maduración de los frutos. Su estructura química es:

OCH2CO2H

Tecnología de producción En un reactor con agitación y control de temperatura se adicionaron 0,100 kg de 11

NaOH disueltos en 0,375 L de H2O, posteriormente se añadieron lentamente 0,322 kg de p-clorofenol previamente fundido a una temperatura de 50-55 ºC. A continuación se agregó una solución acuosa de 0,436 kg de monocloroacetato de sodio disueltos en 0,117 L de H2O entre 90-95 ºC y se agitó durante 2 horas a esta temperatura, se aciduló con HCl al 10% hasta pH 2, el producto obtenido se separó de la mezcla de reacción por filtración y se secó a la atmósfera. Rendimiento: 80% (8). Caracterización químico-física El producto obtenido se caracterizó por sus propiedades químico-físicas, mediante el empleo de técnicas de análisis de Cromatografía de Placa Delgada utilizándo Silica Gel G como fase estacionaria y una mezcla de benceno-etanol (9:1) como sistema de solventes por, la determinación de temperatura de fusión en equipo Buchi # 535 y por las espectroscopías de Resonancia Magnética Nuclear de RMN´H en DMSO-d6 como solvente a frecuencia de 200 MHz en un equipo Bruker AC-300 y de 13C en equipo Varian XL-de 75 MHz en DMSO-d6. Nueva formulación Se trabajó en nuevas formulaciones del producto y se obtuvo un concentrado de solubles (1 L) para la formulación de 10 L de Tomaticid al 0,14%, lo que facilita el trabajo y ahorra tiempo en la producción de grandes cantidades del producto. Técnica empleada En un reactor de 10 L se disolvieron 0,300 kg de NaOH en 2 L de agua. Se añaden con agitación vigorosa, cantidades estequiométricas del 4-CPA en pequeñas proporciones. Una vez alcanzada la formación de la sal sódica de todo el principio activo (pH 7), se añaden 8 L más de agua y se agita a temperatura ambiente hasta lograr la homogenización. El resultado obtenido es un concentrado con capacidad para la preparación de 100 L de Tomaticid. Evaluaciones biológicas El Tomaticid, se evaluó en tres casas de cultivo de la firma Pomodoro Cubano, utilizando como patrón de comparación la fitohormona comercial "Tomatone" y plantas sin tratar como testigos. 12

El producto a evaluar se asperjó sobre las flores de los ramilletes en dosis de 6 ml/L dos veces por semana de 7:00 a 10:00 am, cuando la planta comenzó a florecer (después de los 20-25 días de trasplantada). Luego de una semana comenzaron a aparecer los frutos. Entonces se realizó una segunda aplicación del producto a la dosis de 10ml/L en las flores nuevas. Las evaluaciones del comportamiento del Tomaticid, en comparación con el producto comercial Hormaton (Israel), se desarrollaron en el INIFAT y en áreas de la Granja Experimental Liliana Dimitrova de Provincia Habana, sobre sustrato conformado por suelo ferralítico rojo y materia orgánica y donde las variedades utilizadas fueron: Truhart L-27A y Truhart L-28, que tienen buena respuesta frente a factores abióticos. Los tratamientos experimentales a seguir fueron diferentes. Para el caso de la variedad Truhart L-28 las plantas se separaron en tres grupos: • Sin aplicación (control). • Aplicación en las flores. • Aplicación en toda la planta. Las plantas de la variedad Truhart L-27A se dividieron en dos tratamientos: • Sin aplicación (control). • Aplicación en toda la planta. El Tomaticid se aplicó en una dosis de 10ml/L dos veces a la semana. Se marcaron 8 plantas por cada grupo y se evaluó semanalmente la altura de las mismas. Se realizó un monitoreo de cada etapa del ciclo reproductivo del cultivo y se comenzó con la aplicación del producto Tomaticid al aparecer los primeros brotes florales, en abril. Al iniciarse la apertura de las flores, se realizó el conteo de las mismas así como de los frutos, al final se evaluó el número de frutos y peso de los mismos, que se realizó durante todo el ciclo del cultivo. El análisis estadístico se realizó a través de la prueba de t (Student). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los análisis del producto por cromatografía de placa delgada (CPD) mostraron la ICIDCA 45 (2) 2011

presencia de una mancha única en forma de estera, comportamiento propio de los ácidos, y que correspondió al producto comercial tomado como patrón, sin la aparición de las materias primas de partidas. La temperatura de fusión del producto obtenido (157-158 °C) coincide con la reportada en la literatura para el ácido p-cloro fenoxiacético. El espectro de RMN`H que se obtuvo corroboró la estructura que se esperaba, se observó la aparición de 4 señales en diferentes regiones del espectro que corresponden a los siete protones presentes. Los aromáticos aparecieron en forma de dos dobletes debido al acoplamiento entre los protones del anillo, uno de ellos en la cercanía de los 7,1 ppm y correspondía a H5 y H3 y en 6,8 ppm el de H4 y H6. En los 7,05 ppm apareció la señal del grupo hidroxílico y en los 4,55 ppm los protones metilénicos presentes en la molécula. La Resonancia Magnética de 13C confirmó igualmente los resultados de los análisis anteriores. Se observaron señales en 67,45 ppm del grupo metilénico; aromáticas entre los 129,3 y 129,5 ppm de los C5, C3 y C7, y en 115,3 ppm de los C2 y C6 adyacentes a los átomos de Cl y O respectivamente, en campos mayores debido al enlace directo con el oxígeno del fenol en 155,45 ppm correspondiente al C4; y en 171,9 ppm la del carbonilo presente en la molécula. Evaluaciones biológicas El Tomaticid, se evaluó en tres casas de cultivo de la firma Pomodoro Cubano, utilizando como patrón de comparación la fitohormona comercial "Tomatone" y plantas sin tratar como testigos. El producto a evaluar se asperjó sobre las flores de los ramilletes en dosis de 6 ml/L dos veces por semana de 7:00 a 10:00 am, cuando la planta comenzó a florecer

(después de los 20-25 días de trasplantada). Luego de una semana comenzaron a aparecer los frutos. Entonces se realizó una segunda aplicación del producto a la dosis de 10ml/L en las flores nuevas. Las evaluaciones biológicas del producto arrojaron excelentes resultados con una elevada fructificación de los ramilletes de flores, al mismo tiempo que indujo un adelanto de 8 a 12 días en la maduración. Los resultados del aumento del 10% de fructificación del Tomaticid con respecto al comercial Tomatone utilizado como patrón, se tradujo en un incremento de la productividad por cosecha de un 15 a un 20%. Las evaluaciones del comportamiento del Tomaticid en comparación con el producto comercial Hormaton (Israel) se desarrollaron en el INIFAT y en áreas de la Granja Experimental Liliana Dimitrova de Provincia Habana. Estas se llevaron a cabo durante la campaña de siembra julio-marzo sobre suelo ferralítico rojo compactado en un área total protegida de 5 125 m2. Se utilizaron cultivares comerciales de tomates híbridos FA-179.

Figura 1. Comparación con la hormona Hormaton (Israel) en fructificación, cuajado y maduración del tomate

Tabla 1. Resultados de los productos aplicados en la fructificación de las plantaciones de tomate % de fructificación Tratamiento 1 Tratamiento 2 Tratamiento 3 Testigo Tomatone Tomaticid Tomatone Tomaticid Tomatone Tomaticid 0 47,5 52,8 43,87 49,08 40,88 50,78

ICIDCA 45 (1) 2011

Tabla 2. Comportamiento de la floración-fructificación en el FA-179 Cantidad de racimos Tomaticid 10 ml 11 Tomaticid 7 ml 12 Hormaton 2 ml 11 Tratamiento

Cantidad de flores abortadas 31 33 30

Cantidad de frutos 28 34 29

Rendimiento kg/m 2 3,15 2,95 2,72

Tabla 3. Resultados de la fructificación de los ramilletes de flores con y sin tratamiento con las hormonas comerciales y el Tomaticid Producto Tomatone Hormaton Tomaticid Sin tratar

Número de frutos/ ramillete de flores Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 9 8 6 9 10 8 12 11 9 3 3 2

En la tabla 2 se muestra el comportamiento de la floración-fructificación en los diferentes tratamientos. Se evidencia que no existe diferencia significativa entre los tratamientos hormonales, para el número de flores abortadas, racimos y el rendimiento. Solo se detectaron en el número de frutos producidos. La tabla 3 muestra la diferencia significativa en la fructificación de los ramilletes de flores con y sin la utilización de hormona en condiciones climáticas de verano, adversas para el cultivo de tomate. Es de destacar que para el caso del producto Hormaton aunque la dosis establecida por las firmas productoras y el número de la aplicación es inferior dadas las características y propiedades químicas-toxicológicas del principio activo, el precio de este

Promedio aproximado 8 9 11 3

es muy superior y de importación en comparación con el Tomaticid el que se produce nacionalmente a costos muy inferiores y se cuenta disponible en el mercado nacional. Las evaluaciones del Tomaticid en plantaciones de tomate a campo abierto se realizaron en dos Cooperativas de Crédito y Servicios (CCS) del municipio San Miguel del Padrón, Ciudad de La Habana, en condiciones climáticas adversas (extrema sequía) y se observó en el área tratada un incremento de hasta un 30% de rendimiento por cosecha en comparación con los campos sin tratar. Las figuras 2 y 3 muestran los resultados obtenidos. Adicionalmente, se evaluó el producto en otros cultivos como pepino y pimiento. Donde se demostró su efectividad con resultados satisfactorios.

Figura 2. Plantas de tomate tratadas

ICIDCA 45 (2) 2011

Figura 3. Plantas de tomate sin tratar

Evaluación en cultivos de pimiento Preliminarmente, se hicieron algunas evaluaciones en plantaciones de pimientos en la casa de cultivos de la Empresa Carisombra SA., situada en ExpoCuba. La figura 4 muestra dos ejemplos de los frutos obtenidos con y sin tratamiento

Dado los resultados anteriores se desarrollaron experimentos de pimiento sobre un sustrato conformado por suelo ferralítico rojo y materia orgánica y donde las variedades utilizadas fueron Truhart L-27A y Truhart L-28, que tienen buena respuesta frente a factores abióticos. En la tabla 4 se muestra el comportamiento de la altura de las plantas, como valores medios del número de plantas por tratamiento al final del ciclo de desarrollo del cultivo. Los resultados muestran que en el caso de la variedad Truhart L-28 existen diferencias significativas entre el tratamiento donde se aplicó el Tomaticid en la planta completa y el tratamiento con aplicación solo en flor, así como también con el control. En la variedad Truhart L-27A se encontraron diferencias significativas entre el control y el tratamiento en la planta completa. El tratamiento donde se aplicó el Tomaticid a la planta completa provocó un mayor estímulo en el crecimiento de las misma en las variedades de pimiento estudiadas. En la tabla 5, se muestra el comportamiento del número de flores producidas en las dos variedades para los distintos tratamientos; se observa que para ambas variedades, los mayoTabla 4. Altura de plantas de variedades de pimiento para los distintos tratamientos

Tratamientos

Figura 4. Pimientos tratados a la izuierda y sin tratar a la derecha ICIDCA 45 (1) 2011

Control Tto. flores Tto. planta completa

Altura (cm) Var.Truhart Var.Truhart L-28 L-27A 47,63 b 43,88 b 45,38 b ------53,38 a

49,88 a

res valores se encuentran en el tratamiento donde se aplicó el producto en la planta completa, presentando diferencia significativa. Tabla 5. Valores medios de flores por planta para los distintos tratamientos

Tratamientos Control Tto. flores Tto. planta completa

No. flores promedio/planta Var.Truhart Var.Truhart L-28 L-27A 22 14,3 17,88 ------27,88

18,5

En la variedad Truhart L-28, donde se realizaron los tres tratamientos se observa que en este caso sí se detectaron diferencias significativas entre el control y los tratamientos y entre ellos, demostrando que los dos tratamientos hormonales influyeron en el número de flores producidas. Se analizó el número de frutos y peso promedio por frutos para cada tratamiento. En el caso de la variedad Truhart L-28 (tabla 6), se encontró que los mayores valores resultaron ser los correspondientes al tratamiento control y al tratamiento de la aplicación de flores. En el tratamiento de la planta completa el número de frutos superó marcadamente, al resto de los tratamientos. Para el caso de la variedad Truhart L27A (tabla 7) se observó que los valores de peso por fruto, para el tratamiento de la planta completa, superan a los del tratamiento control con diferencias típicas del empleo de hormonas. De forma general podemos decir que los tratamientos hormonales aplicados tuvieron un Tabla 6. Valores del número de frutos y de peso/fruto para cada tratamiento de la variedad Truhart L-28 Tratamientos

No. Frutos

Peso/Fruto

Control Tto flores Tto planta completa

32 25

26,34 26,19

23,87

efecto estimulante en el crecimiento y desarrollo de las variedades de pimiento estudiadas. • En general, el comportamiento de los índices medidos mostró que en ambas variedades los mayores valores resultaron estar en las plantas donde se le aplicó el producto a la planta completa, y se obtuvieron diferencias significativas con el resto de los tratamientos. • La aplicación del Tomaticid ejerció un efecto favorable en las variedades de pimiento Truhart L-28 y Truhart L-27A. Evaluación en cultivos de pepino En la tabla 8 se muestra el comportamiento de los índices medidos en los diferentes tratamientos aplicados al final del ciclo de cultivo. Se observa que en todos los casos los valores de los tratamientos son significativamente superiores a los del control. No existe diferencia significativa entre el tratamiento donde se aplicó Tomaticid solamente en las flores y donde se aplicó a la planta completa, aunque en determinados casos los valores de algunos de los índices son ligeramente mayores. Se observó diferencia cuando las plantas alcanzaron la plena floración, evidenciándose que este tratamiento favoreció y uniformó el proceso de formación de flores con respecto a los otros tratamientos. Tabla 7. V alores del número de frutos y de peso/fruto para cada tratamiento de la variedad Truhart L-27A Tratamientos

No. frutos

Peso/Fruto

Control

22,62

Tto. planta completa

25,83

Tabla 8. Índices morfológicos de la variedad de pepino HXS en los distintos tratamientos Tratamiento

Altura (cm)

No. hojas

No. guías

Control

85,8

37,3

3,9

Planta completa

101,1

49,6

5,1

Flores

99,8

55,3

5,5

ICIDCA 45 (2) 2011

El número total de flores femeninas producidas por tratamiento, al igual que las variables antes evaluadas fue mayor con relación al control, en los tratamientos donde se aplicó el Tomaticid, destacándose los valores más altos en el tratamiento en que se aplicó el Tomaticid a las flores y a la planta completa (tabla 9). Tabla 9. Floración y fructificación de la variedad HXS en los distintos tratamientos No. total de No. total Porcentaje flores de frutos femeninas

se detectaron diferencias favorables respecto al control. Evaluación en cultivos de frijol negro También se realizó una evaluación experimental sobre un sembrado de frijol negro variedad Cuba Cueta-9, en un suelo humito calcimórfico de la CCS Niceto Pérez, de San Miguel del Padrón, La Habana, lográndose resultados altamente significativos. Se colectaron 30 vainas promedio por planta tratada, en comparación con 18 en el cultivo sin tratar tomado como testigo, lo que significó un aumento del 40% de la productividad.

Control

91,6

PRÁCTICA SOCIO-ECONÓMICA

Tto. planta completa

97,8

Tto. flores

95,2

El Tomaticid es un producto que se emplea a muy bajas concentraciones, por lo que se enmarca en la escala de pequeña producción y no se requieren grandes instalaciones pra su elaboración. El ICIDCA posee facilidades que se adecuan a los volúmenes de producción, y podría satisfacer la demanda nacional de este producto. La extensión del empleo y la introducción en la práctica social del producto, en diferentes entidades agrícolas está respaldada por la venta de numerosos lotes a organismos y firmas para las que se suministraron muestras de promoción y posteriormente se han comercializado en un elevado número de agrupaciones y empresas agrícolas. El producto posee marca registrada con el Certificado No. 2000-1740, Resolución 961//2002, e inscrito en el Tomo 4, Folio 995 del Registro Central de Plaguicidas de la República de Cuba.

El número total de frutos presenta el mismo comportamiento que el número de flores, al igual que la proporción de flores que se convierten en frutos. Los tratamientos superan al testigo, se obtuvo 97,8 y 95,2% para los tratamientos planta completa y flor respectivamente y 91,6% para el control. El análisis estadístico realizado para el número promedio de flores y frutos por planta en cada tratamiento (tabla 10), muestra que los mayores valores para las dos variables medidas se presentan en los dos tratamientos superando al control, que presenta los valores más bajos. Los valores de las variables entre los dos tratamientos no presentan comportamientos distintos entre sí. Sin embargo, cuando se aplicó el Tomaticid a la planta completa Tabla 10. Valores medios de flores y frutos por planta en los distintos tratamientos Tratamiento

No. flores No. frutos promedio/ promedio/planta planta

Control

4,50

4,13b

Planta completa

5,75

5,63

Flores

5,25

5,00

ICIDCA 45 (2) 2011

CONCLUSIONES 1. Se logró una tecnología de producción del ácido p-cloro fenoxiacético (4-CPA) con altos rendimientos y nivel de pureza. 2. Las evaluaciones del 4-CPA obtenido por el ICIDCA en plantaciones de tomate, arrojaron excelentes resultados, mostrando diferencias significativas (aumento de la productividad y fructificación) con los productos comerciales utilizados en las casas de cultivo y a campo abierto. 3. Se demuestra la factibilidad de producción nacional del 4-CPA lo que arrojaría 17

Figura 5. Extensión del empleo del Tomaticid en Cuba beneficios considerables por concepto de sustitución de importaciones y aumento de los rendimientos por cosecha. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Gokmen, P. Investigations on the multiresidue analysis of 2,4-D, 4-CPA and BNOA, and determination of the relationship between residue amount and morphological malformations in tomatoes. Tesis Doctoral. 2007. 2. Biblioteca Digital de la Universidad de Chile. Sistema de Servicios de información y bibliotecas, SISIB. Capitulo 7. Regulación Hormonal del Crecimiento. 3. Barberá, C. Pesticidas agrícolas. Productos de acción fisiológica. Cuarta edición. Ediciones Omega S.A. Barcelona.1989. p. 350. 4. Lamí, L; Díaz, M; García, C; Mesa, M; Lores, M; Alvarez, A; et al. Generalización del empleo del Tomaticid para aumento del rendimiento del tomate y otros frutos. Premio de Innovación CITMA. Archivo de la Unidad de C-T. Delegación CITMA provincial, La Habana. 2009. 5. Lamí, L; Díaz, M; García, C; Mesa, M; Lores, M; Alvarez, A; et al. Producción, formulación y comercialización del Tomaticid utilizado en el aumento del cuajado y fructificación del tomate y otros frutos. Premio de Innovación CITMA. Archivo de la Unidad de C-T. Delegación CITMA provincial C. de La Habana. 2008. 18

6. Lamí, L; Díaz, M; García, C; Mesa, M; Lores, M; Alvarez, A; et all. Producción, formulación y comercialización del producto 4-CPA utilizado como hormona sintética en cuajado de frutos. [en línea] <htpp://www. forumcyt.cu/> XVI Forum provincial de Ciencia y Técnica, La Habana. 2007. 7. Lamí, L; Díaz, M; García, C; Mesa, M; Lores, M; Alvarez, A; et al. Alternativa de obtención de agroquimicos para su empleo en cultivo protegidos. [en línea] <htpp:// www.forumcyt.cu/> XIII Forum provincial de Ciencia y Técnica, La Habana. 2000. 8. Brian, S. Vogel's Practical Organic Chemistry; Logman Scientific & Technical (Fifth Edition) 1989. p. 316-350. 9. Castilla Y., Prieto Y., Rodríguez, R. Trabajo de Curso de Fisiología Vegetal. Fac. de Biología Universidad de La Habana, Cuba [en línea] <http://fbio.uh.cu/ webfv/articulos/auxinas.ppsf > 10. Checa-Mollet del Valles, J. L. Las hormonas vegetales Revista de biología, ciencias experimentales y de la salud. Biología Molecular, Barcelona-España, Octubre 1996. 11. La Agencia de Protección del Ambiente 40 CFR Part 180 [EPA-HQ-OPP-20060036; FRL-8062-7] 12. Lluna, R. Conociendo como actúan se puede mejorar la producción. Hormonas vegetales. Ediciones de Horticultura, España, 2007. 13. Organización Mundial del Comercio G/SPS/N/USA/1326 1 del 2006 (06-2881) Comité de Medidas Sanitarias y Fitosanitarias notificación Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA). ICIDCA 45 (2) 2011

Miguel A. Otero-Rambla, Evelyn Faife-Pérez, Amaury Álvarez-Delgado Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba miguel.otero@icidca.edu.cu

RESUMEN Se analiza el aporte de sectores como la agricultura desarrollada y el transporte al consumo de energía en la actualidad. Los fertilizantes, la ganadería y el cultivo del arroz son los consumidores más importantes de energía fósil y a su vez los que aportan más emisiones. Una buena parte de la humanidad cifra sus esperanzas en el efecto positivo de los biocombustibles y otras fuentes renovables de energía sobre el cambio climático. Esta producción, sin embargo, tiene un indiscutible impacto ambiental negativo. Se enfoca desde el punto de vista termodinámico la sostenibilidad de la producción de los biocombustibles y se demuestra que todo proceso económico convierte las fuentes de baja entropía en desechos. Se estudia en detalle el consumo de energía fósil de la producción de bioetanol de maíz y caña de azúcar así como su residualidad. Se presentan algunos aspectos de la producción de biodiesel y las perspectivas de producirlos a partir de microorganismos oleaginosos que no compiten por las tierras de producción de alimentos. Palabras clave: agro-combustibles, microorganismos oleaginosos, impacto ambiental, cambio climático, emisiones de gases. ABSTRACT The contribution to the energy consumption in sectors as developed agriculture and transportation present day is analyzed. The most important consumers of fossil fuels today are fertilizers, cattle rear and rice crops which at the same time are the most important sources of greenhouse gases emission (GGE). An important part of mankind put their hopes in the positive effect of agrofuels and other renewable sources of energy on climatic change. Nevertheless, these productions have an unquestionable negative environmental impact. ICIDCA 45 (2) 2011

Sustainability of agrofuel production is analysed on the basis of Thermodynamic Laws and it is demonstrated that all economical processes convert low entrophy sources in wastes. The energy consumption of fossil fuels in bioethanol from corn and sugarcane is analyzed as well as their waste generation. Some aspects about biodiesel production from microorganisms are presented and their perspectives emphasized as they do not compete for food producing land. Keywords: agri-fuels, oleaginous microorganisms, environmental impact, climatic change, gas emissionss.

INTRODUCCIÓN La ecuación energética Muchos expertos consideran que los mayores depósitos de energía descansan en la reducción de su consumo a escala planetaria (1). La agricultura desarrollada es una alta consumidora de energía (básicamente de fuentes fósiles) para producir fertilizantes, agroquímicos y la operación de toda la maquinaria que se emplea en las labores agrícolas (2). A pesar de estos gastos energéticos, el sector agrícola, sin embargo, consume solo el 25% de la energía para llevar el alimento a nuestras mesas, el resto se gasta durante la cadena de: procesamiento, empaque, congelación, cocción y transportación. Así, se gastan en los países industrializados no menos de 15 cal. para producir y poner en la mesa del consumidor una caloría de alimento (2). El transporte global contribuye en el 14% a la emisión de gases de efecto invernadero (GEI). No obstante, la agricultura como tal, aporta una cantidad similar sin tomar en cuenta el desmonte de tierras y el cambio de cultivos. No es de extrañar entonces, que la agricultura intensiva o desarrollada, sea un factor clave tras el calentamiento global. Dentro de los consumidores más importantes de energía fósil en la agricultura industrializada se encuentran los fertilizantes (3). Esta es la fuente simple mayor de GEI de la agricultura, seguido por las ganadería (emisión de metano por la digestión anaeróbica de los rumiantes) y el cultivo del arroz (anegación de tierras, emisión de metano). Por otra parte, las grandes cantidades de nitrógeno que atraen las plantaciones o que se depositan artificialmente en el suelo, son 20

posteriormente emitidas a la atmósfera, en alguna medida, como óxido nitroso (unas 298 veces mayor que el efecto invernadero del CO2) (4). Energía y medio ambiente Los enormes gastos energéticos que demandan nuestro modelo civilizatorio conducen al calentamiento global y los cambios climáticos que vemos hoy por doquier (5). Una buena parte de la humanidad espera hoy un efecto positivo de los agro-combustibles y otras fuentes renovables de energía sobre estos cambios. En este sentido, la Unión Europea por ejemplo, se ha propuesto sustituir el 10% de sus necesidades de transporte por los agro-combustibles para el 2020. Sin embargo, se requiere para ello el suministro de aproximadamente 15 mil millones de litros de bioetanol y biodiesel para cubrir esa demanda y no hay posibilidades en Europa para mayores siembras energéticas o para incrementos importantes de bioetanol de granos. Por tanto, las importaciones serán la fuente principal de suministro (6). La producción de biocombustibles, a pesar de que puede reducir las cantidades de GEI emitidos, tiene un indiscutible impacto ambiental negativo. Impacto del hombre sobre la naturaleza El impacto humano sobre la naturaleza ha sido con frecuencia un proceso destructivo. Se puede mencionar un grupo de efectos negativos asociados con la actividad antropogénica, incluso desde la prehistoria. Por ejemplo (7): • Deforestación y ciclos de inundaciones y sequías durante el sistema de plantaciones romano. ICIDCA 45 (2) 2011

• Consecuencias ecológicas de las guerras púnicas que devastaron la Campania durante años, • El agotamiento de los suelos y la escasez de agua para la irrigación de las tierras labrantías en la civilización maya y teotihuacana. • Más recientemente, las poblaciones de salmónidos en el río Columbia en el oeste de norteamérica se vieron impedidas de acceder a sus zonas de desove por los embalses construidos en el estado de Washington. • En Egipto, por la construcción de la presa en Asuán (río Nilo) en 1971, las sardinas mediterráneas murieron y los pescadores de estas especies se quedaron sin ingresos. Así mismo, los agricultores de estas localidades tuvieron que recurrir a los fertilizantes químicos, en ausencia de las crecidas primaverales del Nilo y con ello el depósito de la capa anual de limo fértil sobre las tierras ribereñas del río. • El mar de Aral, en Asia Central, casi se secó totalmente por el desvío de Amu Daria y Sir Daria, ríos que lo alimentaban, para regar los campos de algodón en Kazajtan, antigua Unión Soviética.

soluciona a corto plazo, sucederán largos períodos de conflictividad social en todo el planeta. Por otra parte, y no menos importante, se encuentra el deterioro ecológico expresado en los cambios climáticos producto del calentamiento global a partir de la actividad antropogénica sobre la biosfera, que avanza inexorablemente. Finalmente, la búsqueda de fuentes alternativas de energía para sostener una humanidad, básicamente en los países industrializados y emergentes, con una terrible adicción por los combustibles fósiles que a pasos agigantados viene envenenando el planeta. La tabla 2 muestra la lista de países más contaminantes en la actualidad. Tabla 2. Emisiones totales de gases de efecto invernadero en los países industrializados y semi-industrializados más contaminadores (a, b)

País China

Emisiones totales, millones ton/año 6113,3

Año de referencia 2010

USA

5919,6

2010

La tabla 1 muestra un resumen de los GEI de mayor importancia

Rusia

1591,0

2010

India

1393,9

2010

Tabla 1. Lista resumen de gases con efecto invernadero (GEI) y sus concentraciones atmosféricas desde la Revolución Industrial a la fecha (a)

Japón

1233,1

2010

Alem ania

793,9

2010

Reino Unido

552,1

2010

Francia

373,7

2010

Sudáfrica

358,5

2010

Brasil

331,8

2010

GEI D ióxido de Carbono Metano Óxido Nitroso

Concentración Concentración 1750 2009 280 ppmv

370 ppmv

0,8 ppmv

1,77 ppmv

275 ppbv

314 ppbv

Retos fundamentales de la humanidad en el siglo XXI El mayor reto que enfrenta la humanidad en el presente, es el aseguramiento de la alimentación para más de 6 mil millones de seres humanos (el más acuciante a corto plazo) en un planeta en vías de agotamiento y con reservas limitadas de tierras. Si no se ICIDCA 45 (2) 2011

Uno de los destinos más importante del consumo de combustibles fósiles es el transporte individual. Este presenta un impacto importante no solo en el transporte de personal, sino también en el de carga. La figura 1 muestra el impacto del transporte automotor en nuestra civilización. LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y SOSTENIBILIDAD Se evidencia de la figura 1 la enorme diferencia en el gasto de combustible por tonela21

de un cuerpo más caliente a uno más frío. En este sentido, con el transcurrir del tiempo, la entropía del universo tiende a ser máxima, es decir, toda se disipa como calor; o lo que es lo mismo, una vez convertida en calor no hay posibilidad de usarla nuevamente.

Figura 1. Consumo promedio por unidad de carga de diferentes medios de transporte (t/km) (7) .

da de carga entre la carga por carreteras y otros medios como el ferrocarril y el cabotaje. Este último es con frecuencia muy poco explotado incluso en países con miles de kilómetros de costas como es el caso de Cuba. El gasto energético desde el ámbito de la termodinámica La termodinámica, es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. En la actualidad también lo tienen desde el punto de vista ecológico. Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico. Este se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. La termodinámica además incluye un sistema de leyes o principios, a saber: • Primera Ley o de la Conservación de la Energía (Joule, Clausius, Thompson) La energía no puede ser creada o destruida; o lo que es lo mismo, la energía del universo permanece constante y por tanto lo único que se puede hacer es transformar una en otra, es decir, no se puede crear energía nueva. • Segunda Ley o Ley de la Entropía (Clausius) Sin la compensación de los cambios en alguna otra parte, el calor solo puede fluir 22

• Tercera Ley (Nernst y Planck) La entropía de cualquier sustancia condensada, i.e. líquido o sólido es cero en el cero absoluto de temperatura. Pero, la temperatura del cero absoluta es inalcanzable por lo que no se puede detener la conversión espontánea de energía en calor. De acuerdo con esto, la producción de biocombustibles va a tener indefectiblemente impacto ambiental negativo a pesar de que puede reducir, en algunos casos, las cantidades de GEI (8) A partir del enunciado de las leyes anteriores pueden hacerse algunas consideraciones de importancia ecológica. La vida económica se alimenta de la baja entropía, i.e. granos, madera, acero, cobre, aluminio, telas, computadoras, etc., todas ellas estructuras altamente organizadas. Por otra parte, si se analiza el valor económico de la tierra de acuerdo con la termodinámica, aún cuando ésta no puede ser consumida, en el sentido literal del término, este valor se deriva de dos hechos fundamentales: a) la tierra permite al ser humano capturar la forma más vital de baja entropía que existe, la luz del sol. b) nuestro planeta dejó de hacer nueva tierra en grandes cantidades hace muchos millones de años, por tanto la que existe actualmente es la única que tenemos, y tendremos, hasta el fin de nuestra civilización. Si se tiene en cuenta que todo proceso económico es altamente entrópico, ni crea ni destruye masa o energía, sino solamente transforma baja entropía en alta entropía, entonces, todo proceso económico, desde el punto de vista termodinámico, transforma la baja entropía en desechos. Una vez que ya sabemos que los procesos de producción de biocombustibles son generadores de alta entropía, analicemos las alternativas presentes de su producción y su impacto en nuestros ecosistemas. ICIDCA 45 (2) 2011

Bioetanol de maíz Desde 2006, EE.UU. es el mayor productor de bioetanol, y sigue aumentando sus escalas de producción en busca de la autosuficiencia energética. Más de 25 mil millones de litros anualmente son producidos a partir del maíz del Medio Oeste norteamericano (2). El 40% de la producción del grano está en manos de granjeros que a su vez son dueños de destilerías. El etanol consume el 13% de todo el maíz cosechado en EE.UU. (9). El maíz como cultivo agrícola exhibe algunas características importantes, entre ellas la de requerir tierras de alta calidad para su cultivo (8, 9). • La captura y conversión de la energía solar es inferior a otros cultivos empleados como sustrato para la fermentación alcohólica. • La estación de cultivo es mucho más corta que en los cultivos perennes dedicados a este propósito como la caña de azúcar por ejemplo. • Su rendimiento energético es ~ 100-130 GJ/ha/cosecha. La caña de azúcar, está en el entorno de los 400 GJ/ha. • Consume más fertilizante nitrogenado que cualquier otro cultivo individual en EE.UU., y está fertilizada totalmente su producción. • Requiere abundante irrigación. Consumo de energía fósil en la producción de bioetanol de maíz y caña de azúcar La energía fósil es esencial para la agricultura intensiva (industrializada). Los insumos más importantes de energía en la producción de etanol de maíz son los siguientes: • Fertilizantes nitrogenados (toda energía fósil). • Fosfato, potasa y calcio en la industria (toda energía fósil). • Herbicidas e insecticidas (toda energía fósil). • Combustibles fósiles: diesel, gasolina, gas natural. • Electricidad (casi toda energía fósil). • Transporte (toda energía fósil). • Siembra y regadío (mayormente energía fósil). • Infraestructura (mayormente energía fósil). • Mano de obra (mayormente energía fósil) Finalmente, este maíz es transformado, ICIDCA 45 (2) 2011

con el auxilio de más energía fósil, en bioetanol puro. En el caso de la caña de azúcar, el mayor productor mundial es Brasil. • Este país produjo más de 23,4 mil millones de litros en 2009 (8). • El 95% de la producción en modo discontinuo con recirculación de levadura. • La totalidad del área sembrada de caña es de 7 millones de hectáreas. • Requiere de tierras de calidad media para su cultivo. • La captura y conversión de la energía es muy alta. • Su cultivo es anual y no requiere resiembra más que cada 5-6 años. • Rendimiento energético ~400 GJ/ha/ cosecha. • Es también un alto consumidor de fertilizante nitrogenado (~70 kg/ha) y K2O) • No requiere abundante irrigación. El consumo de energía fósil en la producción de bioetanol de caña se desglosa como sigue: • Fertilizantes nitrogenados (toda energía fósil) • Fosfato y K2O (toda energía fósil). • Lubricantes (energía fósil). • Electricidad (renovable, proceso autosostenible por la combustión del bagazo) • Transporte (energía fósil). • Siembra (eventualmente tracción animal), regadío (mayormente energía fósil) • Infraestructura (energía fósil). • Mano de obra (mayormente energía fósil aunque menor que el maíz. En este caso, los azúcares son transformados en bioetanol puro a partir de energía renovable, si y solo si, la destilería está asociada a una fábrica de azúcar o genera su propio vapor a partir de sus residuos fibrosos (bagazo). RESIDUALIDAD DE AMBOS PROCESOS Maiz • En el remojo del grano, se produce licor de maíz que se utiliza como fuente de nitrógeno en algunas producciones fermentativas especiales. • El grano no hidrolizado se seca junto con las vinazas de destilación (muy pobres en nutrientes) para la alimentación animal preferentemente rumiantes. 23

Tabla 3 Comparación entre la producción de etanol a partir de caña de azúcar (Brasil) y maíz (EE.UU.) Caña de azúcar Cinco cortes en seis años Rendimiento etanol 80 L/t 6 millones de hectáreas en producción Pudiera competir por tierras Cultivo perenne Rendimientos de 70 t/ha 1 hectárea rinde 5542 L etanol Cosecha manual mayormente con producción de alimentos Costo producción U$S = 0,21

Maíz Siembra anual Cosecha anual Rendimientos de 4-4.5 t/ha Rendimiento etanol 380 L/t 1 hectárea rinde 3028 L etanol 43 millones de hectáreas en producción Totalidad de la cosecha mecanizada Compite por las tierras para producir alimentos Costo de producción U$S = 0,27

Caña • Genera de 11 a 15 L de vinazas (altamente contaminantes)/ L de bioetanol destilado.

con muy pocas necesidades de agua, nativa de Centroamérica. Sus semillas contienen una gran cantidad de aceite. Ha sido empleada en África desde hace cientos de años La tabla 3 ofrece la comparación entre como cerca viva. Se ha calculado que una ambos procesos planta de Jatropha puede producir un litro de aceite a partir de sus semillas cada año PRODUCIÓN DE BIODIESEL por espacio de 40 años (1). Sin embargo, en África ha mostrado algunas propiedades Biodiesel es el nombre dado a un comindeseables como hospedera de un virus bustible alternativo al diesel convencional y que ataca la yuca (Mannihot utilísima) que que se fabrica a partir de grasas vegetales o destruyó el 80% de la producción del sudanimales a partir de la reacción catalítica de este en el continente provocando una hamlos ácidos grasos con un alcohol alifático de bruna y la muerte de más de 3000 personas cadena corta (metanol o etanol), por medio que se alimentaban básicamente de este culde un proceso conocido como transesterifitivo (1). De hecho fue abandonada su procación. La reacción esquemática de la tranducción en toda esta región a finales del sesterificación se muestra en la figura 2. siglo pasado. En Australia y Nueva Zelanda, se considera una planta perjudiCO-OCR1 cial. La palma Cat. alcalino aceitera o palma CO-OCR2 R1COO-Met + R2COOMet + R3COO-Met + C3 H5 (OH) 3 africana (Elaeis Metanol glicerol Ésteres metílicos (biodiesel) guineensis), es CO-OCR3 un cultivo extendido en todo el Triglicérido sudeste de Asia, Figura 2. Reacción esquemática de la transesterificación especialmente en Malasia e Indonesia, los mayores productores de aceite de palma en Fuentes de aceites para la producción de el mundo (2). biodiesel El impacto ecológico de estas plantacioEs posible la producción de biodiesel a nes es ya considerable y algunos especialispartir de cultivos que producen aceites no tas avanzan que será un desastre ecológico a comestibles como la Jatropha curcas de la mediano plazo. El drenaje de las tierras de familia de las Euphorbiaceas. Esta planta es turba, el secado y la combustión de ésta en el un arbusto que crece en tierras marginales sudeste asiático, han emitido y emiten canti24

ICIDCA 45 (1) 2011

dades enormes de GEI[1]. En 1997 y 1998 casi 12 millones de hectáreas en Indonesia, fueron arrasadas y el dióxido emitido alcanzó el equivalente del 16-20% de todas las emisiones debidas a los combustibles fósiles en el mundo en esos años (1, 2). Sin embargo, existen otras alternativas para la producción de biodiesel con un impacto ambiental considerablemente inferior como es la producción de lípidos microbianos que pueden ser convertidos en combustible posteriormente. Microorganismos oleaginosos como fuente de producción de biodiesel Microalgas autotróficas Estos microorganismos utilizan el CO2 del aire como fuente carbonada y la luz del sol como energía para acumular lípidos bajo ciertas condiciones de cultivo. En la acumulación influye: la especie, los parámetros de cultivo (T, intensidad de luz, pH, salinidad, fuentes de nitrógeno y minerales, etc.). Sin embargo, el escalado es en extremo complicado. Requiere de áreas extensas si se cultiva en estanques -deben ser somerosde las que hoy no existe disponibilidad en general. Al precisar la luz como fuente de energía, la iluminación natural varía entre el día y la noche y estacionalmente a lo largo del año. La iluminación artificial puede suplir estas necesidades. Por otra parte, las algas con altos contenidos de lípidos no sobreviven fácilmente, ni producen eficientemente lípidos en los ambientes contaminados de las lagunas abiertas. La tabla 4 muestra las potencialidades de estos microorganismos. Levaduras Son organismos heterotrófos que requieren de carbono orgánico como fuente de C y energía simultáneamente. Muchas especies de levadura son capaces de acumular lípidos en cantidades significativas, bajo ciertas condiciones de propagación: T, pH, fuente de C, etc. Pueden crecer casi sobre cualquier sustrato y su propagación es intensiva pues requieren áreas relativamente pequeñas[2].

Tabla 4. Acumulación de lípidos por varias especies de microalgas (10) Contenido lípidos, %

Especie C. vulgaris

C. emersonii C. protothecoides

63 23 56,6

C. vulgaris

Su tecnología es de complejidad media y tradicional y la producción masiva es sencilla. El potencial de las algas es mayor en la producción de biodiesel pero probablemente las levaduras triunfen finalmente en este propósito por las múltiples ventajas que ofrecen. La tabla 5 muestra la producción de lípidos por diferentes especies y géneros de levaduras (10-16). Tabla 5. Producción de lípidos por diferentes especies de levadura (10) Rendimiento lípidos, g/L 13,8 5,9

Coeficiente lípidos, % 22,7 20,4

L. starkeyi

9,99

L. starkeyi

6,89

R. glutinis T. fermentans C. curvatus

7,19 5,32 37,1

13 8,42 NR

R. glutinis (12)

3,78

11,28

Especies R. toruloides L. starkeyi

Cianobacterias Se ha sugerido la posibilidad de producir biodiesel a partir de cianobacterias. Conocidas también como algas verde-azules, pueden convertirse en la principal plataforma bioenergética. Pueden llegar hasta 25% de su peso en forma de lípidos. Otras fuentes alternativas de combustible lo conforman las celdas de hidrógeno. En la actualidad se apuesta por ellas como

[1] Al drenar, la turba se oxida y emite CO2. Adicionalmente, con el tiempo se seca y se incendia espontáneamente. [2] Una fábrica de producción de 20-30 t de biomasa /día precisa de un área de 2-3 ha incluyendo los servicios auxiliares.

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la fuente de energía automotor del futuro. Sin embargo, las celdas combustibles de H2, presentan múltiples barreras tanto económicas como tecnológicas. De lo que hoy se conoce de ellas se evidencian varios problemas de difícil solución a mediano y corto plazos (8). El catalizador que emplean es un metal de las tierras raras, el rhodio[3]. Este tiene un precio de 30 000 U$S/kg, es decir, casi tan caro como el oro[4] y un lantánido, Cerio (nanopartículas, 250 U$$/kg)[5]. La mezcla reaccionante de etanol-agua es ultra pura (~ 99,9999%), porque las trazas de impurezas pueden destruir tanto el catalizador como la celda. La purificación del etanol a ese nivel es en extremo costosa y consume grandes cantidades de energía, generalmente fósil. Etanol: alternativa actual La única alternativa en la actualidad a los combustibles fósiles en el sector automotor es el etanol (el biodiesel en menor escala y, básicamente en Europa). Sin embargo, es muy probable que el impacto de todas las energías alternativas -si es que logran implementarse en las proporciones requeridas- no se sienta hasta mediados del siglo actual. La figura 3 muestra la producción mundial estimada de bioetanol hasta 2020.

Figura 3. Producción mundial de bioetanol hasta 2020. Realidades y perspectivas

Sostenibilidad y renovabilidad La tendencia actual en el cultivo de los agrocombustibles es la utilización de todas las partes de la planta, no solamente aquellas de las que se produce el biodiesel. Ahora bien, cuando se colecta la totalidad de la planta se retira con esta, la mayoría de los minerales del suelo que contribuyeron a su crecimiento. Esto impide que se recicle una parte de la materia orgánica y los nutrientes a la tierra, lo que contribuye a la posterior erosión. El reciclaje de las partes de la planta que no se convierten en biocombustibles, podría ser una contribución para mantener la fertilidad y evitar la erosión. Todos y cada uno de los ecosistemas en la Tierra están altamente optimizados para reciclar casi toda la biomasa que generan, de no ser así, la vida asociada a ellos (flora y fauna) degeneraría indefectiblemente afectándonos en alguna medida. El "Desarrollo Sostenible" y otros términos asociados como "Manejo Sostenible de Ecosistemas", "Agricultura Sostenible", etc., se han ido enraizando en nuestra conciencia desde que fueron acuñados en la Cumbre sobre la Tierra en Río de Janeiro en 1992, pero… ¿existe algo realmente sostenible en la naturaleza?, ¿cuán sostenidos son los procesos que hoy muchos consideran sostenibles?. Un proceso es sostenible, si y solo si, es capaz de sostenerse, es decir, mantenerse sin interrupción, debilitamiento o pérdida de su calidad, "por siempre"; el entorno del que este proceso se alimenta y al que expele sus desechos debe ser igualmente "sostenible por siempre". Si no se cumplen estas dos condiciones -y es altamente improbable que eso suceda- no existe la sostenibilidad como tal y los discursos oficiales de empresas, ONGs, gobiernos y entidades públicas son solo palabras huecas. Hablando en términos estrictamente ecológicos, solo la energía proveniente del sol, los vientos o el agua, pueden ser sostenibles en alguna medida. La agricultura industrializada no puede ser sostenible porque descansa en el gasto irreversible y la transformación química de combustibles fósiles, y si esto fuera poco, la creciente tendencia de utilizar todas las par-

[3] http://www.kitco.com/charts/rhodium.html [4] http://www.preciooro.com/ [5] http://www.advancedmaterials.us/58N-0801.html

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tes de la planta, cualquiera sea ésta, reducen aún más la porción de materia que debía regresar al suelo para reponer su desgaste. La civilización moderna con el consumo creciente de energía que le acompaña, sencillamente no se sostiene. Se impone una nueva armonía con la naturaleza. Si no la hallamos pronto, esta nos pasará factura al final y no será nada agradable. CONCLUSIONES A partir de los principios de la termodinámica no es posible la sustentabilidad de las fuentes alternativas de energía con excepción de las derivadas de la luz solar en su más amplia acepción. La producción de biocombustibles no está exenta de impacto ecológico negativo y presenta solo una sustentabilidad relativa. Las actuales producciones de la agricultura industrializada son responsables de una buena parte de las emisiones de GEI. La producción de biodiesel a partir de microorganismos y desechos industriales puede ser una alternativa menos dañina al entorno que las procedentes de los cultivos oleaginosos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Houtart, F. La Agroenergía: solución para el clima o salida de la crisis para el capital. Editorial Ciencias Sociales, La Habana, 2009. 2. Sasson, A. Bioenergy and Agrofuels. Relevance beyond polemics. AGRY-BYS s.a.r.l (a.u.), Rabat, Morocco. 2008. 3. Pimentel, D.; Patzek, T.W. Ethanol production using corn, switchgrass and wood; biodiesel production using soybean and sunflower. Natural Resources Research, 14, 65-76. 2005. 4. IPCC Fourth Assessment Report. Changes in the atmospheric constituent and in radiative forcing. Working Group 1. 2007. 5. Hopewood, N.; Cohen, J. Greenhouse gases and society. <http:// www.umich. ed/~g2658/society/greenhouse.htm>. [Consultado mayo 2010]. 6. European Environmental Agency: Greenhouse gas emission trends and proICIDCA 45 (2) 2011

jections in Europe 2008. Tracking progress towards Kyoto targets. Executive summary. ISSN 1725-9177. 2008. 7. Turrini, E. El Camino del Sol Editorial Cubasolar, La Habana, 2006. 8. Patzek, T.W. Thermodynamics of cornethano biofuel cycle Critical Reviews in Plant Sciences, 23(6): p. 519-567. 2004. 9. Patzek, T.; Pimentel, D. Thermodynamics of energy production from biomass Critical Reviews in Plant Sciences, 24(56), p. 327-364, 2005. 10. Han, X.; Miao, X.L.; Wu, Q.Y. High quality biodiesel production from heterotrophic growth of Chlorella protothecoides in fermenters by using starch hydrolysate as organic carbon. J Biotech 126(4): p. 499-507. 2006. 11. Almazán, O.A.; Klibansky, M.M.; Otero, M.A. Microbial fat synthesis in Rhodotorula glutinis from blackstrap molasses in continuous culture Biotechnol. Letters 3 (11): p. 663-666. 1981. 12. Klibansky, M.M.; González, L.F.; Otero, M.A. Comparación de los sistemas en doble y simple etapa para la producción de Rhodotorula glutinis a partir de mieles finales de caña. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar 19(1): p. 16-21. 1985. 13. Li, Y.H.; Liu, B.; Zhao, Z.B.; Bai, F.W. Optimized culture medium and fermentation conditions for lipid production by Rhodosporidium toruloides. Chin J Biotechnol 22(4):650-656. 2006. 14. Li, Y.H.; Zhao, Z.B.; Bai, F.W. High-density cultivation of oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides Y4 in fedbatch culture. Enzyme Microb Technol 41:312-317. 2007. 15. Kong, X.L., Liu, B., Zhao, Z.B., Feng, B. Microbial production of lipids by cofermentation of Glucose and xylose with Lipomyces starkeyi 2#. Chin J Bioprocess Eng 5(2):36-41. 2007. 16. Otero, M.A., Almazán, O.A. Rhodotorula SPP. a potential candidate for biodiesel production ISSCT Congress, Veracruz, Mexico, Marzo 2010. a. Emisiones de gases por países: h t t p : / / w w w. e u s t a t . e s / e l e m e n t o s / ele0005600/ti_Emision_de_gases_de_efe cto_invernadero_por_paises_en_equivalentes_de_CO2_2007/tbl0005658c.html. b. Carbon emission: http://www.carbonplanet.com/country_emissions. 27

Tania García-Martínez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba tania.garcia@icidca.edu.cu

RESUMEN Se expone la estrategia para el diseño e implementación de un Sistema de Gestión de la Calidad para la producción de FitoMas en la planta del Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), según la norma NCISO 9001:2008. Se realizó el diagnóstico actual de la organización y se describen las tareas a realizar en cada etapa de la estrategia. Palabras clave: FitoMas, calidad, gestión, estrategia. ABSTRACT The strategy for the design and implementation of a Quality Management System according to the standard NC-ISO 9001:2008 in the ICIDCA's FitoMas plant is described in the present paper. The current diagnosis of the organization was carried out and the tasks for each stage of the strategy were described. Keywords: FitoMas, quality, management, strategy.

INTRODUCCIÓN El bionutriente FitoMas se produce en el Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA). Su producción está destinada a la agricultura cañera y otros cultivos: frutales tropicales, 28

hortícola de fruto (tomate, pimiento, pepino), hortícola de hoja (col, lechuga), granos y tubérculos (1, 2). Dada la gran aceptación del producto, los volúmenes de producción alcanzan más de 2 millones de litros al año. La calidad se ha convertido en una política de empresa y representa uno de los facICIDCA 45 (2) 2011

tores estratégicos de éxito en la actualidad. Según las tendencias internacionales, la implementación de los Sistemas de Gestión de la Calidad (SGC) constituye una herramienta indispensable para garantizar la interrelación eficaz de todos los procesos que conducen a la satisfacción del cliente. La adopción de un SGC debe ser una decisión estratégica de toda organización. Su diseño, alcance e implementación están influenciados por las necesidades, objetivos particulares, procesos empleados, tamaño y estructura de la organización (3). Un SGC es un sistema de gestión para dirigir y controlar una organización con respecto a la calidad (4), que estimula o permite analizar los requerimientos del cliente, definir los procesos necesarios para materializar un producto aceptable, controlar estos procesos y perfeccionarlos (3). El presente trabajo tiene como objetivo mostrar las acciones realizadas en la gestión de la calidad en la producción de FitoMas y proporcionar las ideas fundamentales que conforman una propuesta de estrategia para el diseño e implementación del SGC para la producción de FitoMas en la planta del ICIDCA, de acuerdo a la NC-ISO 9001:2008, que permita brindar un producto conforme a los requisitos del cliente, incrementar la confianza de estos y aumentar la excelencia en la actividad. MATERIALES Y MÉTODOS Teniendo en cuenta lo informado en la literatura (5, 6) se elaboró la estrategia del sistema de gestión de la calidad, que se establece en las siguientes etapas: 1. Diagnóstico: en esta etapa se diagnostica el estado de la organización y de la documentación existente. 2. Diseño del SGC: a partir de los resultados del diagnóstico se elabora una propuesta para su posterior implementación. 3. Implementación del SGC: Ejecución de la estrategia. 4. Mantenimiento del SGC. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Diagnóstico La planta de Fitomas, es una organización que comprende a los trabajadores de las ICIDCA 45 (2) 2011

áreas vinculadas a la producción de dicho bionutriente: las plantas de producción y envase, el almacén, el laboratorio de control de la calidad, la caldera y calidad. Desde la puesta en marcha de la planta se realizaron diversas acciones orientadas a la gestión de la calidad; se revisó y estudió la documentación técnica, se confeccionaron los Procedimientos Normalizados de Operación (PNO), instrucciones de trabajo y registros de control para el proceso y el producto. Se seleccionó el personal y se entrenó. Documentación Como parte de la gestión de la calidad, se elaboró un Manual de procedimientos, que establece la documentación para llevar a cabo la producción y el control de la calidad. El mismo incluye los siguientes documentos: • Procedimientos Normalizados de Operación (PNO): Estos documentos describen la forma específica para llevar a cabo una actividad o un proceso. A través de estos procedimientos se establecieron las responsabilidades de los puestos de trabajo y las instrucciones de trabajo correspondientes a cada área relacionada con la producción. Se confeccionaron, además, instrucciones de trabajo generales, denominadas así, porque son comunes a varias áreas de trabajo. • Registros de control: son documentos que declaran los resultados logrados o proporcionan las evidencias de las actividades realizadas, facilitan el seguimiento de los procesos y del producto y garantizan la trazabilidad. La ejecución de cada PNO se evidencia a través de uno o más registros de control. • Modelos: como modelos se establecieron los planes de mantenimiento de los equipos, calibración de los equipos e instrumentos de medición, capacitación e inspecciones. Se elaboraron, además, expedientes para los equipos de trabajo e instrumentos de medición, los cuales constituyen, también, registros de control. Estos expedientes contienen los datos fundamentales de los equipos y en ellos se recoge la historia de estos, como los mantenimientos y las reparaciones realizadas y en el caso de los equipos e ins29

trumentos de medición, además, las calibraciones y/o verificaciones realizadas. La aplicación del Manual de Procedimientos permite el seguimiento y control del proceso y del producto así como la trazabilidad de estos, esclarece el trabajo a realizar y facilita la comunicación entre todos los involucrados. Esta documentación se encuentra implementada en cada área. En la figura 1 se representa la proporción de los diferentes documentos, según su clasificación, en tanto que la figura 2 representa la distribución de la documentación por áreas.

pertenece al laboratorio de control (37,5%), dado el número de técnicas de análisis y equipos de medición que se utilizan. En la planta de producción se encuentra el mayor porciento de los registros (34,81%). La mayor cantidad de trabajadores pertenece a la planta de producción por lo que la contribución de esta área sobre los PNO de responsabilidades (33,33%) es mayoritaria. Es de destacar que el 60% de todos los modelos se encuentra en el área de calidad, y corresponde a capacitación, calibración de instrumentos de medición e inspecciones. Capacitación del personal

Figura 1. Distribución de los documentos según su clasificación

Figura 2. Distribución de la documentación por áreas

Como se aprecia en la figura 1 los registros de control constituyen la mayor contribución a la documentación. Estos controlan las actividades y los expedientes de los equipos. Algunas instrucciones de trabajo se controlan a través de varios registros. En la figura 2 se aprecia que la mayor proporción de las instrucciones de trabajo 30

La formación del personal debe ser una actividad permanente cuando se desea implementar un sistema de gestión de la calidad. Sobre esta base, se han realizado acciones para la capacitación en temas de gestión de la calidad. El personal responsable con la gestión de la calidad ha recibido cursos en el Instituto de Investigaciones en Normalización (ININ) en el período 20092010. • Sistema de Gestión de la Calidad según NC- ISO 9001:2008. • Documentación de los Sistemas de Gestión de la Calidad. • Mejora Continua de la Calidad. Herramientas y Técnicas Básicas. • Control Estadístico de la Calidad Intralaboratorio. • Gestión por Procesos. • Reducción continua de las pérdidas con el empleo de las 7-M. • 5-S, Actividades claves para lograr calidad en su ambiente laboral. Para todo el personal de la organización, vinculado con la producción, se impartió un entrenamiento relacionado con las instrucciones de trabajo, las responsabilidades de cada puesto de trabajo y el manejo de la documentación, que se establecen en el Manual de Procedimientos. Así como también conferencias sobre producciones más limpias. En entrevistas realizadas a los trabajadores, como parte del diagnóstico, se determinó la necesidad de capacitar a todo el personal de la organización, en la norma NC ICIDCA 45 (2) 2011

ISO 9001: 2008 Sistemas de Gestión de la Calidad - Requisitos y en los temas sobre las herramientas de productividad sistémica. Aseguramiento metrológico Para los instrumentos y equipos de medición se ha establecido un plan de calibración y/o verificación anual, lo cual permite confiabilidad en los resultados. Diseño del sistema de gestión de la calidad El diseño y la posterior implementación del SGC para la producción de FitoMas en la planta del ICIDCA, de acuerdo a la NCISO 9001:2008 Sistema de Gestión de la Calidad - Requisitos, permitirá analizar los requerimientos del cliente, definir, gestionar, controlar y mejorar continuamente todos los procesos relacionados con la producción y permitirá contar con la participación de toda la organización. Para desarrollar cada una de estas etapas se proponen un conjunto de tareas, según se muestra en la tabla 1. Para llevar a cabo con éxito la implementación del SGC es necesario preparar a la organización a través de la comunicación, la información y la capacitación. Todos los miembros de la organización deben conocer los beneficios de la implantación del SGC, los avances logrados y los planes que se emprenderán, para lo cual, estas informaciones deben ser claras, concisas y permanentes durante el desarrollo de todo el sistema. Según las necesidades de formación identificadas en el diagnóstico se elabora el plan de capacitación. La política de la calidad debe ser adecuada a los propósitos de la organización, debe ser comunicada a todos los miembros de la misma. Debe expresar el compromiso de la alta dirección, garantizando los recursos necesarios para el SGC y la revisión periódica del mismo que permita el mejoramiento continuo. Los objetivos de la calidad serán coherentes con la política de calidad. Para que una organización funcione de manera eficaz, tiene que determinar y gestionar numerosas actividades (procesos) relacionadas entre sí. La aplicación de un ICIDCA 45 (2) 2011

enfoque de procesos tiene como ventaja el control continuo que proporciona sobre los vínculos entre los procesos individuales dentro del sistema de procesos, así como sobre su combinación e interacción. Enfatiza en la comprensión y el cumplimiento de los requisitos, mejora la eficacia de la organización y proporciona una base para la mejora continua (3). En este sentido se identificaron los procesos relacionados con la producción (7) los cuales se muestran en la figura 3. Estos procesos deben ser documentados y deben establecerse los métodos para medir la eficacia de cada uno. La documentación es el soporte del sistema de gestión de la calidad, pues en ella se plasman no sólo las formas de operar de la organización sino toda la información que permite el desarrollo de los procesos y la toma de decisiones (8). Para implemnetarla es necesario determinar las necesidades de documentación, es decir, los documentos que deben existir en la organización para cumplir con los requisitos de la norma ISO 9001:08, las regulaciones propias del sector y los documentos requeridos por la organización para asegurar el control, funcionamiento y planificación de sus procesos; realizar un diagnóstico documental; diseñar el sistema documental; elaborar la documentación requerida; implantarla; mantener y mejorar el sistema documental continuamente (8 y 9). El sistema documental estará conformado por: • Manual de calidad. • Política de calidad. • Manual de procedimientos que exige la norma. • Manual de procedimientos para la producción y el control de la calidad del producto. • Plan de la calidad. • Documentación de los procesos. • Registros de control. • Documentos reglamentarios del sector y del ICIDCA. • Documentos internos de la organización. Según el diagnóstico realizado la organización cuenta con el manual de procedimientos para la producción y el control de la calidad, el cual debe ser revisado y mejorado periódicamente. Se debe trabajar en la 31

Tabla 1 Etapas para el diseño e implementación del SGC E ta p a s

Preparación de la organización

Diseño del SG C y elaboración de la documentación

Implantación del SGC

Mantenimiento

Ta r e a s

• D iagnóstico de la organización (realizado) • Comunicación e información • Confección plan de capacitación • Capacitación • Determinar las expectativas de los clientes • D eclaración de la política • D efinición de los objetivos de la calidad • Identificación de los procesos necesarios e interrelaciones para alcanzar los objetivos de la calidad • D iagnóstico de la documentación • Establecer la estructura documental del SGC • Elaboración de la documentación • Establecer métodos para medir eficacia y/o eficiencia de los procesos • Implantación de la documentación en las áreas correspondientes • Auditorías internas • Revisión del Sistema por la D irección • • • • •

Ejecución de acciones a tomar Establecimiento del proceso para Auditorias internas periódicas Revisión por la alta dirección Seguimiento de las no conformidades • Seguimiento del proceso de mejora continua

S a li d a s

Informe Reuniones, actas, encuestas Plan de capacitación Personal capacitado Adiestramientos Informe de capacitación Contrato Política de calidad Documento Mapa de procesos

Informe Documento Manuales de procedimientos Manual de la calidad Plan de la calidad Se establecen en la documentación sobre los procesos Informe implantación del sistema Informe. Plan de acciones correctivas Determinar y entregar recursos necesarios para las acciones correctivas y mejoras Registrar las acciones tomadas Plan de mejora continua Informes Mejora del SGC Acciones correctivas y preventivas Mejora continua del SGC

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Figura 3. Mapa de procesos para la planta de producci贸n de Fitomas

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elaboración de la documentación establecida para el sistema de gestión de la calidad, una vez definida la autoridad, responsabilidad y el proceso para la elaboración de la misma. Implementación del sistema diseñado Una vez elaborada y aprobada la documentación se distribuye a todos los implicados, se pone en práctica lo establecido y luego se recopilan evidencias. A través de auditorías internas se pone a prueba lo concebido documentalmente. Teniendo en cuenta, los resultados de revisión por la dirección, de análisis de datos y los de auditorías internas, se elabora un plan de acciones (correctivas y/o preventivas) que luego se ejecuta. Durante esta etapa se debe establecer un proceso para el mejoramiento continuo del SGC, que permita aumentar la capacidad para cumplir los requisitos e identificar las oportunidades de mejora. Mantenimiento del SGC Una vez implementado el SGC es necesario mantenerlo, lo cual se realiza a través de revisiones por la dirección y auditorias internas periódicas, el seguimiento de las acciones tomadas y del proceso de mejora continua. CONCLUSIONES La estrategia propuesta para gestionar la calidad en la producción de FitoMas en la planta del ICIDCA, constituye un importante paso para trabajar en esta dirección. La implementación del sistema diseñado promueve la confianza en la satisfacción de los requerimientos de los clientes, la mejora continua del sistema y la participación de todos los trabajadores.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Montano, R.; Zuaznábar, R.; García, A.; Viñals, M.; Villar, J. FitoMas E. Bionutriente Derivado de la Industria Azucarera. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana), XLI (3): p. 14-21, 2007. 2. Villar, J., Montano, R.; Rolando, L. Efecto del bioestimulante Fitomas-E en cultivos seleccionados. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana), XXXIX (2): p. 41-45, 2005. 3. Norma Cubana NC- ISO 9001: 2008 Sistemas de Gestión de la Calidad Requisitos. 4. Norma Cubana NC- ISO 9000: 2005. Sistemas de Gestión de la Calidad Fundamentos y Vocabulario. 5. Ortega, G.; Delgado, G. Estrategia para la implementación del sistema de gestión de la calidad en el Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana) XLI (1): p. 22-31, 2007. 6. Ortega, G.; Delgado, G.; Santo Tomás, J.; Eng, F.; Altuna, B.; Ferrer, Y.; et al. Diseño del sistema de gestión de la calidad para las investigaciones en la Dirección de Biotecnología del ICIDCA. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana) 44 (3): p. 39-48, 2010. 7. Normalización francesa FD X 50-176. Control de la calidad, Control de proceso. Fascículo de documentación, publicado por AFNOR en junio 2000. 8. Pérez, Z. Metodología para la implementación de un sistema documental ISO 9000. [en línea] <http://www.monografias.com/ Monografías _com.htm>. (Consulta: marzo 2010) 9. Álvarez, S.; Llerena, M.; Rodríguez, O. Implementación de un sistema documental en el CENCEC según exigencias de la Norma ISO 9001:2000. Normalización (2-3): p. 71-78, 2008.

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José Villar-Delgado, Ramón Montano-Martínez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba jose.villar@icidca.edu.cu

RESUMEN En el presente trabajo se analiza, sobre una base documentada, la posibilidad de producir carne y leche de manera sostenible mediante la alimentación del ganado con empleo del jugo o de la propia caña de azúcar picada o triturada. Una hectárea de caña en asociación con soya por esta tecnología, proporciona los nutrientes necesarios para la obtención de 2 t de carne de bovino y 0,9 t de carne de cerdo en pie, contra solo 1,24 t de carne de cerdo por métodos convencionales. De la misma manera y con un positivo balance se analiza la producción de leche. La tecnología puede representar una variante atractiva para los nuevos usufructuarios de tierras y dado su escasa dependencia de los insumos externos es mucho menos vulnerable, que los sistemas intensivos convencionales, a crisis económicas o políticas que se originen en el escenario internacional. Palabras clave: caña de azúcar, producción sostenible, alimento animal, métodos agroecológicos. ABSTRACT In the present paper the production of meat and milk in a sustainable way using juice or minced cane for livestock feeding is analyzed. One hectare of sugar cane associated with soy can supply the required nutrients for the production of 2 t of living bovine meat and 0,9 t of pig. In the same area by conventional feeding methods it produces the equivalent of only 1,24 t of living pig meat. This technology of production could be an attractive alternative for the new land users. Such a system due to a lesser dependence of external supplies is considerably less vulnerable than conventional intensive technologies to international political or economical crisis. Keywords: sugar cane, sustainable production, feed, agro-ecological methods. ICIDCA 45 (2) 2011

INTRODUCCIÓN La producción de alimento animal a partir de la caña de azúcar se ha visto siempre como una posibilidad real de obtener cantidades de carne y leche sin necesidad de emplear cereales importados (1,2). En este sentido se han tenido en cuenta diversos productos, subproductos y derivados de la agricultura y la industria cañera (3). En un trabajo anterior (4) se proponen variantes de producción de carne de cerdo y bovino conjuntamente con energía eléctrica en sistemas optimizados para la obtención de electricidad con empleo de turboalternadores de extracción-condensación y de meladura invertida a partir de los jugos. Este sistema, sin embargo, no existe en las fábricas de azúcar del país y su implementación requeriría grandes inversiones. En el presente trabajo se analizan variantes más ajustadas a la realidad, que puedan contribuir a orientar a los nuevos tenedores de tierras y que permitan una producción sostenible de alimentos para la población. Los análisis se realizan sobre la base de los resultados que se documentan en la información al respecto, publicada desde hace más de 20 años acerca de la utilización de la caña de azúcar en la alimentación animal. Producción sostenible Un proceso sostenible según el Diccionario de la Real Academia Española de la Lengua (DRAE) es un proceso que puede mantenerse por sí mismo, esto implica que el sistema debe generar todo o casi todo lo necesario para cumplir sus objetivos. Es fácil en los sistemas agrícolas advertir cuáles funcionan sobre la base de procesos insostenibles, en general los procesos de producción intensiva dependientes de insumos importados: fertilizantes, plaguicidas, herbicidas, maquinaria compleja, también uso indiscriminado del agua y los suelos. Estos procesos contribuyen evidentemente en gran medida al deterioro del medio ambiente: consumo de combustibles fósiles, deterioro de los suelos y contaminación ambiental con énfasis en la humana. Esta agricultura industrial o intensiva es la que prevalecía antes del denominado período especial en Cuba, la que a pesar del enorme 36

gasto de recursos nunca pudo gozar de los rendimientos esperados, aunque sí de los efectos negativos consustanciales a este tipo de producción. Durante el período especial dado el colapso de la economía y la escasez de recursos, el concepto sostenible ganó algún terreno apoyado sobre todo en bases agroecológicas: uso de biofertilizantes y abonos verdes, bionutrientes naturales, plaguicidas botánicos, producción local de entomófagos y entomopatógenos, manejo ecológico de plagas y arvenses. Sin embargo, dado la reanimación económica del país y la posibilidad de la compra de algunos insumos suele aparecer con cierta frecuencia la oreja peluda de la producción industrial agrícola con la introducción inclusive de cultivos transgénicos que independientemente de los problemas medioambientales que pueda ocasionar, se opone a un tipo de producción agrícola sostenible (5). Producción sostenible de alimento animal a partir de la caña de azúcar La producción intensiva de alimentos se realiza sobre la base de piensos balanceados de importación o la compra de las materias primas y su elaboración en el país. Las principales fuentes proteicas de origen animal en Cuba son: el huevo, la carne de cerdo y la carne y leche de vacuno. En la figura 1 se muestra la producción de estos alimentos en los últimos 8 años (6) y no se observa un incremento apreciable en ninguno. En el huevo a partir del 2004, se produce un aumento sustancial para mantenerse estable a partir del 2006 pero todavía bajo distribución normada. La leche de vaca como consecuencia del aumento del precio de compra al productor se ha incrementado ligeramente en los últimos años. Como se conoce, el empleo de cereales para la alimentación de animales compite con la necesidad de estos para la alimentación humana. No obstante parece difícil, aún en períodos de escasez, lograr la universalización del vegetarianismo por lo que siempre existirá una demanda de proteína animal que en nuestro país no está cubierta y cuya producción, como se aprecia por los datos señalados, no se incrementa significativamente. Solamente de carne de vacuno en pie, que ahora ronda las 120 mil t/año, se produjo en ICIDCA 45 (2) 2011

1989 cerca de 256 mil t además de decenas de miles de toneladas en conserva que se importaban (7).

de cerdos y todos en la alimentación de rumiantes (vacuno, ovino-caprino, etc.). Producción de carne de cerdo

Figura 1. Producción de alimentos de origen amimal, 2002-2009

Lo ideal sería emplear alimentos obtenidos de subproductos agrícolas, aunque en la mayoría de los casos o se dificulta su transportación o deben ser tratados para incrementar su digestibilidad, lo que aumenta su costo. Esto se puede reducir sin embargo, mediante la producción en pequeñas fincas y con empleo de sistemas agroecológicos, lo que no está reñido con la situación actual donde el sector campesino con el 25% de las tierras produce el 66% de los alimentos y la mayor parte de los renglones dedicados a la exportación. A eso se suma la reciente entrega de pequeñas áreas en usufructo ideales para ser explotadas por métodos agroecológicos de manera sostenible. En este sentido son conocidas las bondades de la caña de azúcar como productor de nutrientes digeribles totales por unidad de área, que puede ser más de tres veces la de los granos tradicionales (8). Esto disminuye el uso de la tierra para la obtención de la parte energética de la ración de los animales. De la caña se puede utilizar el jugo, el bagazo y el follaje o la caña picada o troceada. El primero más aconsejable en la alimentación

Se propone la sustitución de piensos por jugo de caña como parte energética y soya planta (con el grano formado) como fuente de proteína en la ración de los cerdos. De acuerdo a la fórmula recomendada por el Ministerio del Azúcar de Cuba (MINAZ) (9) para la ceba de un cerdo desde 40 hasta 100 kg en 100 días se necesita 1 t de jugo de caña y 50 kg de harina de soya (50% de PB). Para una tonelada de jugo obtenida en trapiches pequeños con rendimiento de extracción (jugo/caña) de un 50% son necesarias 2,5 toneladas de caña en campo. En la tabla 1 se muestra para 100 t de caña en campo (caña integral) la cantidad de productos disponibles y su valor nutritivo (2, 10) con vistas a la alimentación del ganado. La caña de azúcar se cosecha todo el año pues lo que interesa son los azúcares totales que prácticamente no sufren fluctuaciones, igual ocurre con la caña acamada por eventos meteorológicos. La soya se siembra en asociación con la caña (11) escalonadamente con vistas a contar con la cantidad suficiente para la ración diaria de los animales, se hace en fase con el corte de caña. Este cultivo germina sobre la paja húmeda, evita el enyerbado del cañaveral y aporta nitrógeno. En cuanto a inversiones o suministros externos, se debe contar con un pequeño molino (trapiche) para la extracción del jugo. Puede analizarse la posibilidad de picar la soya tanto verde como seca para mejorar su manipulación o almacenarla, en este caso es necesario un pequeño molino o picador de forraje. Para fijar nitrógeno en el cultivo de la soya se trata la semilla a sembrar en una hectárea con un kilogramo del

Tabla 1. Productos disponibles para alimentación animal obtenidos de 100 t de caña Cantidad, MS. % Azúcares solubles, PB, % MS t % MS (2) (2,10) Jugo∗ 40 20 86 0,94 Hojas∗∗ 13 65 3,13 Cogollo 7 30 10 3,91 Bagazo 39 38 22 2,7 ∗ 50 % de caña limpia ∗∗ Se deja 1 t de hojas en campo para favorecer la protección del suelo Producto

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inoculante Rhizobium. Se aplican también 3-4 litros/ha del bionutriente FitoMas-E en ambos cultivos. Tanto el Rhizobium como el FitoMas-E son de producción nacional y de bajo costo. La ración diaria para los cerdos es la siguiente: Jugo de caña Soya planta (forraje)

10 kg (aunque se suministra ad libitum) 5,4 kg

Con 40 t de jugo se pueden alimentar 40 cerdos. Los 5,4 kg de soya planta con 27% de materia seca y 17% de proteína equivalen a 0,5 kg de harina de soya. Una hectárea de soya planta como forraje produce 1 000 kg de proteína en 80 días (12) por lo que una hectárea de la leguminosa con una sola cosecha sería suficiente para suministrar la parte proteica de los 40 cerdos. El área de caña y soya asociada se puede extender a 1,3 ha para un cálculo conservador. Se producen durante la ceba 1,85 t de carne de cerdo en pie por hectárea en el año. El valor de la producción de la carne de cerdo en pie por hectárea, al precio actual en el mercado internacional (13) de 1 681 US$/t, es de 3 110 US$. Si se lleva la caña al central se producen 9 t de azúcar crudo que a los precios actuales (14) de 0,30 US$ por libra representan 5 400 US$/ha. Ahora bien esta variante requeriría una cercanía del productor a un central azucarero y por otro lado el precio actual del azúcar no se corresponde con el precio histórico, alrededor de los 0,10 US$ la libra, por lo que solo posiblemente de manera coyuntural se podrían obtener estos valores. Por último, la caña tiene que pasar por un proceso industrial que depende del suministro externo de combustible, piezas de repuesto y otros insumos y cuya eficiencia, en las condiciones cubanas, es muy sensible a diversos factores. La producción de carne de cerdo con maíz y soya cultivados por métodos convencionales requiere de la siguiente ración: Maíz grano seco Harina de soya

1,7 kg 0,5 kg

Una hectáreaa de maíz a 7 t/ha (rendimiento medio en EE.UU) en las mismas condiciones de ganancia de peso puede ali38

mentar a 42 cerdos mientras que son necesarias 1,04 ha de soya a 2 t/ha (rendimiento medio en EE.UU). Esta superficie corresponde solamente a la producción de harina, ya que además se obtiene aceite (28%). Luego durante la ceba se producen 2,52 t de carne en pie en 2,04 ha o 1,24 t/ha. El valor de la carne de cerdo en pie es de 2 084 US$/ha. Al comparar las dos tecnologías se tiene que el valor de la producción de carne de cerdo en pie utilizando caña-soya (sostenible) es de 3 110 US$/ha, mientras que al emplear maíz-harina de soya (sistema convencional) es de 2 084 US$/ha. Se produce 1,5 veces más valor por hectárea con la tecnología sostenible caña-soya que con la tecnología maíz/soya convencional, sin contar con las ventajas económicas y medioambientales de la primera en función de su carácter sostenible. Además con la tecnología caña-soya se obtienen todavía 59 t de productos vegetales sacarificados (ver tabla 1) con los que se puede suplementar la alimentación de rumiantes (vacuno, ovino-caprino) y de algunas aves como gansos y patos que asimilan cierta cantidad de material fibroso. Otros elementos que apoyan lo sostenible del sistema es la siembra como cerca viva de árboles leguminosos p.e. el bien vestido Gliricidia sepium cuyo follaje se puede suministrar al ganado vacuno. Se plantea (5) que el suministro a cualquier tipo de ganado de frutos del noni ahorra vitaminas, incrementa la conversión de carne por kilogramo de alimento consumido y mejora su estado de salud. Para esto se puede intercalar algunos árboles en el área. Las excretas de los animales y algunos de los productos lignocelulósicos disponibles se emplean para la producción de biogás y biofertilizante. También en dependencia del mercado se puede producir alternativamente, con este sistema, patos, conejos u otros animales. La poca dependencia de esta tecnología del suministro externo la hace casi invulnerable a los cambios políticos o económicos en el escenario internacional, cuestión que como se sabe ha golpeado de manera brutal a nuestra economía y en especial a la producción agropecuaria en dos ocasiones en los últimos 50 años. Se debe señalar además que el rendimiento promedio de maíz seco según la FAO (1978) es de 2,6 t /ha/año. El ICIDCA 45 (2) 2011

rendimiento que se espera en Cuba de maíz transgénico FR-Bt1 es de 4 t de maíz seco/ha-año (15). Luego si consideráramos una producción de maíz por los métodos convencionales, en el país tendríamos índices comparativos aún mejores para la producción sostenible de carne con la tecnología caña-soya que los expuestos anteriormente. La tecnología convencional además demanda el empleo de maquinaria pesada y combustible y por supuesto alto consumo de fertilizantes y plaguicidas con los problemas conocidos para la salud y el medioambiente. En suma, gastos en maquinaria, combustibles y productos químicos que hacen depender la producción de un financiamiento en divisas, de los vaivenes del comercio internacional y peor aun de las relaciones con los países exportadores. Producción de carne de bovino y cerdo La alimentación de bovinos se plantea a partir de animales de 200 kg que ganan 800 g diarios, hasta 400 kg de peso en 250 días, con la ración que se muestra en la tabla 2 (10, 16). Tabla 2 Ración diaria para ganado bovino en ceba (kg) Producto Caña picada Soya mata fresca Jugo de caña Urea Total

MO 14 17 2,5 0,2 33,7

MS 4,2 4,6 0,5 0,2 9,5

PB 0,13 0.78 0,005 0,56 1,48

Mediante el cultivo de 1,3 ha de caña en asociación con soya se pueden obtener 2 t de proteína (2 cosechas de soya) que puede suministrar la ración de 10,2 cabezas. Este número de animales consume 35,7 t de caña picada y 6,38 t de jugo equivalente a 12,4 t de caña. El consumo total de caña de los bovinos es de 48,1 t, quedan aun 29,9 t de caña del total de 78 t de tallos disponibles. El jugo proveniente de esa cantidad de caña puede alimentar 15,3 cerdos y se necesitaría sembrar 0,38 ha adicional de soya para obtener la proteína necesaria. Por tanto con 1,68 ha se alimentan 10,2 cabezas de ganaICIDCA 45 (2) 2011

do bovino y 15,3 cerdos, lo cual representa 2 040 kg de carne en pie de bovino que al precio internacional (13) de 2 508 US$/t suma 5 116 US$ y 918 kg de cerdo que a precio internacional (1 681 US$/t) hacen 1 543 US$. En resumen se obtiene en las 1,68 ha carne por un valor total de 6 659 US$ o 3 964 US$/ha. Esto es 854 US$ más que lo que se obtiene por hectárea para la cría solo de cerdos. Los elementos externos necesarios son los mismos que se plantean en la alimentación de cerdos y en este caso se añade una pequeña cantidad de urea, 510 kg en el año, un insumo que se importa para la industria azucarera y que no debe ser difícil de adquirir en estas condiciones. No obstante, en caso de no poder contar con el mismo, existen variantes para sustituir este nutriente, por ejemplo árboles leguminosos sembrados al efecto. La producción anual de carne de cerdo y res en pie en los últimos años suma alrededor de 300 mil toneladas (210 mil en banda). Para un consumo apreciable en las condiciones actuales de 25 kg per cápita por año de carne, se necesitaría producir por esta tecnología 110 mil toneladas adicionales de carne en pie en 62,5 mil hectáreas. Se recomienda que los productores a los cuales se les entregue o dispongan de una caballería, dediquen a la producción animal no más de 5 ha, esto permite una gran flexibilidad del sistema, ya que se contaría adicionalmente para el ganado con una apreciable masa de residuos vegetales generada durante la producción de alimentos. Producción de leche La producción de leche se lleva a cabo con vacas que tienen un rendimieto promedio de 8 litros diarios y que se alimentan de acuerdo a la siguiente ración (10): Tabla 3. Ración diaria por vaca, kg (8 litros de leche por día) Producto Caña picada Soya mata fresca Jugo de caña Urea Total

MO 18 17 2,5 0,2 37,7

MS 5,4 4,6 0,5 0,2 10,7

PB 0,17 0,78 0,02 0,56 1,53

El consumo anual por vaca de los productos se muestra en la tabla 4. Tabla 4. Consumo anual por vaca de los productos Producto Caña picada Jugo de caña Soya mata fresca Urea

t 6,57 0,913 6, 206 0,073

El jugo consumido es equivalente a 1,8 t de caña picada, luego el total de caña consumida es de 8,37 t por animal. Una hectárea de caña puede suministrar la parte energética a 9,3 vacas. El área de soya mata asociada necesaria para suministrar la proteína a estos animales es de 1,63 ha. En resumen como las vacas producen en 280 días de ordeño 20 832 litros, en total se obtienen 12 780 litros de leche por hectárea. El valor de la leche producida por hectárea al precio internacional (13) 3 670 US$/t es de 4 901 US$. Este valor supera a los obtenidos en los dos casos anteriores de producción de carne. El precio de la leche pagado a los productores a 2,50 pesos/litro es de 39 157,5 pesos o 1 566 CUC. Lo que implica un ahorro de 3 335 US$/ha con respecto a lo sufragado por la leche importada. En estos momentos se producen alrededor de 500 millones de litros (5). Para satisfacer un consumo aceptable de 90 litros per cápita anuales de leche, se necesitarían 500 millones adicionales que se pueden producir de manera sostenible por esa tecnología en 39 mil hectáreas con 24 mil vacas en ordeño. CONCLUSIONES Se propone utilizar la caña de azúcar en la alimentación animal de manera sostenible. La ceba de cerdos con empleo de jugo y soya como forraje puede proporcionar 2,4 t de carne en pie por hectárea contra 1,24 t equivalente con maíz y harina de soya por métodos convencionales. Positivos resultados se obtienen también con esta tecnología en la alimentación combinada de bovinos y cerdos y en la producción de leche de vaca. Se emplea el jugo o la caña picada para 40

suministrar la parte energética de la ración y aún se dispone de bagazo sacarificado, hojas y cogollo para suplementar la alimentación de otros animales menos exigentes como cabras, patos o gansos. Existe además la posibilidad, de producir con las excretas y el material lignocelulósico energía como biogás y biofertilizante. El sistema puede ser de interés para los nuevos usufructuarios de tierra que quieran establecer un sistema de producción sostenible de alimentos de origen animal y vegetal. En cualquiera de sus variantes es prácticamente invulnerable ante situaciones críticas económicas o sociales que puedan presentarse interna o externamente y no atenta contra los recursos medioambientales que maneja, en oposición a la producción intensiva convencional muy dependiente de los insumos de materiales y energía importados y por añadidura contaminadora y destructora del entorno en que realiza sus operaciones. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Cabello, A. Hacia una estrategia del uso de la caña para alimentación animal. Subproductos y derivados de la agroindustria azucarera. México. GEPLACEA. Serie DIVERSIFICACIÓN, 1988, p. 291313. 2. Preston, T.; Murgueitio, E. La caña de azúcar como base de la producción pecuaria en el trópico. Subproductos y derivados de la agroindustria azucarera. México. GEPLACEA. Serie DIVERSIFICACIÓN, 1988. p. 413-427. 3. Cabello, A. Los sistemas agroalimentarios actuales y la caña de azúcar: Un análisis comparativo. (Monografía) [Soporte electrónico] En: Instituto Cubano de Investigaciones de los derivados de la caña de azúcar. Compendio de los derivados de la caña de azúcar.2.a ed. ISBN 978-959-7165-18-7 La Habana: ICIDCA, 2008. 4. Villar, J. Alimento animal y energía de la caña de azúcar. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar 43 (1):p.41-48, 2010. 5. Montano, R. Maíz transgénico cubano: ¿Y la sostenibilidad?. Transgénicos ¿Qué se gana? ¿Qué se pierde? Textos para un ICIDCA 45 (1) 2011

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Gloria Bueno-García, María Elena Díaz de Villegas-Díaz de Villegas, Gisela de Armas-García, Esmérida Torres-Castañeda, Maribel Saura-Moncisbaez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba gloria.bueno@icidca.edu.cu; mariaelena.diaz@icidca.edu.cu

RESUMEN Se demuestra bajo las condiciones experimentales establecidas que las curvas de sobrevivencia de la Pseudomonas aeruginosa siguió una cinética no lineal mostrando una caída inicial rápida en el conteo celular seguida por una cola causada por una disminución de la velocidad de inactivación, El modelo de Weibull describió con precisión la cinética de inactivación. Se estimaron los parámetros estadísticos que mejor explican la frecuencia observada: media, varianza y coeficiente de asimetría. Para la Pseudomonas aeruginosa el valor b depende de la temperatura y el valor n es independiente. El modelo de distribución de Weibull fue capaz de predecir el tiempo de calentamiento para inactivar ocho ciclos log10 y para estimar el tiempo de calentamiento equivalente para la misma proporción de P. aeruginosa sobreviviente a otras temperaturas. Palabras clave. Pseudomonas aeruginosa, inactivación por calor, Weibull. ABSTRACT Under experimental conditions established it have been demonstrated that survival curves of Pseudomonas aeruginosa followed a not linear showing a rapid initial drop in cellular counts followed by tailing caused by a diminishing inactivation rate. The Weibull distribution model was able to describe the inactivation kinetics The statistic parameters that gave a better description of the observed frequencies were estimated .For Pseudomonas aeruginosa, the b value depended of the temperature and the n value was independent . The model based on the Weibull distribution was capable of predicting the heating time to inactivate eight Log10 cycles and and to estimate equivalent heating time for the same proportion of surviving P. aeruginosa to other temperatures. Keywords: Pseudomonas aeruginosa, heat inactivation, Weibull. 42

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INTRODUCCIÓN El control de las malezas resulta de vital importancia para poder maximizar la producción agrícola. Para combatir las mismas se emplean diferentes métodos entre los que se encuentra el uso de herbicidas químicos, que si bien es efectivo, la tendencia es hacia su disminución debido a la contaminación ambiental y daños que producen al hombre (1, 2). Una de las alternativas al uso de herbicidas químicos es el empleo de bioherbicidas, obtenidos por vía biotecnológica cuyo principio activo pueden ser organismos vivos como hongos (Micoherbicidas) y bacterias y/o las fitotoxinas que ellos producen, aplicados a las malezas de forma similar a los herbicidas convencionales (3) Entre los microorganismos que pueden inhibir selectivamente el crecimiento de las plantas indeseables e impedir la germinación de las semillas, y/o el desarrollo de las mismas mediante la producción de fitotoxinas, se encuentran las bacterias del género Pseudomonas (4) En la actualidad muchos de los bioherbicidas producidos están constituidos por organismos vivos, los cuales tienen limitaciones como los períodos de viabilidad y los requerimientos específicos en el campo (temperatura, riego para establecer la infección, etc.), por lo que se hace difícil alcanzar su establecimiento antes de que se controlen las malezas y existe peligro de escape a cultivos vecinos susceptibles, lo que no ocurre con las fitotoxinas. La bacteria Pseudomonas aeruginosa produce fitotoxinas que presentan acción postemergente de contacto en el control de las malezas de hojas anchas, por lo que puede considerarse como un agente efectivo para el control biológico (5). En la producción de las fitotoxinas por vía fermentativa, una opción para eliminar las limitaciones por la presencia de organismos vivos en los caldos fermentados es el empleo de tratamientos térmicos para la inactivación del microorganismo. El propósito de este estudio fue investigar el efecto de resistencia térmica en régimen isotérmico de Pseudomonas aeruginosa contenida en cultivos de fitotoxinas, utilizando un modelo más conveniente y flexible que el tradicional modelo de primer ICIDCA 45 (2) 2011

orden, con el objetivo de lograr el mínimo procesamiento del cultivo. MATERIALES Y MÉTODOS Microorganismo y condiciones de cultivo Se empleó la cepa de Pseudomonas aeruginosa PSS de la colección de cultivos del Instituto Cubano de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) aislada del suelo. Erlenmeyers de un litro que contenían 330 ml de medio optimizado con glicerina, como fuente de carbono, y urea y fosfato de amonio, como fuente de nitrógeno, se inocularon con 33 ml de inóculo crecido en medio King-B (6) y se incubaron. Las condiciones de cultivo fueron: pH 7, temperatura 30 °C y agitación 150 rpm durante 24 horas. Inactivación del microorganismo Se llevó a cabo en frascos Durán de 100 ml estériles que contenían 50 ml del cultivo fermentado e inmersos en baño termostatados con recirculación a temperaturas de 50 y 60 °C durante 60 min y 70 °C durante 40 min. A intervalos prefijados se colectó 1 ml de muestra, se diluyó en serie, se sembró en placas Petri en medio agar King-B (15) y se incubó a 30 °C, durante 24 horas. Calorimetría diferencial de barrido La muestras (10-12 mg) se pesaron en crisoles de aluminio sellados de 40 μL, se sometieron a calentamiento, en un Calorímetro Diferencial de Barrido de la firma Mettler Suizo TA 4000 en un rango de temperatura entre 30 y 150 °C, a una velocidad de 10 °C/min en atmósfera de aire dinámico, las experiencias se realizaron por triplicado. Modelación Las curvas de sobrevivencia de P. aeruginosa se ajustaron de acuerdo al modelo basado en la distribución de Weibull utilizando la ecuación propuesta por van Boekel (7) (1)

Donde b y n son dos parámetros característicos de la distribución de Weibull. El valor b es denominado parámetro de escala y n parámetro de forma. Los valores de b y n se utilizaron para graficar las curvas de frecuencia de resistencia y se empleó la siguiente ecuación: (2)

De acuerdo a la función acumulativa de la distribución de Weibull el valor de n refleja el tipo de concavidad de la curva semilogarítmica. Cuando n>1 se manifiesta una pronunciada concavidad hacia abajo, en tanto que, sistemas con valores n= 1 son lineales indicando una cinética de primer orden. Finalmente sistemas con n<1 muestran curvas semilogarítmicas con concavidad hacia arriba. El valor b representa la pendiente total de la curva de sobrevivencia isotérmica. Los parámetros estadísticos que mejor explican la distribución de frecuencias observadas como la media (μ), varianza (δ2) y coeficiente de asimetría (v) se calcularon según Peleg y Cole (8). Todos los parámetros se derivaron usando técnicas de regresión no lineal mediante el programa Origin (9).

referencia y para igual proporción de microorganismos sobrevivientes está el valor F. (4) Donde T es la temperatura a ser comparada, Tref temperatura de referencia, z es el número de grados que debe incrementarse la temperatura para que el valor del tiempo de reducción decimal D sea reducido a la décima parte del inicial, tref es el tiempo de calentamiento a la temperatura de referencia. Análisis estadístico La bondad de ajuste del modelo fue evaluada utilizando el coeficiente de regresión (R2) y la raíz del cuadrado medio del error (RMSE, por sus siglas en inglés). El RMSE representa el "error estándar del modelo" al medir la desviación promedio entre el valor ajustado y el observado de acuerdo a la siguiente ecuación: (5) Donde el valor n es el número de observaciones y p el número de parámetros a ser estimado.

Determinación del tiempo de calentamiento

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para estimar el tiempo necesario para alcanzar un determinado nivel de inactivación se utilizó la siguiente fórmula:

Las curvas de sobrevivencias de la Pseudomonas aeruginosa se muestran en la figura 1. Las líneas discontinuas indican que los datos fueron ajustados con el modelo de Weibull. Como se puede observar las curvas estimadas por el modelo muestran una alta correlación con la data experimental, lográndose coeficientes de regresión (R2) y RMSE altamente significativos, indicando que el modelo matemático fue apropiado para representar los datos de sobrevivencia (tabla 1). La curva de sobrevivencia de la Pseudomonas aeruginosa muestra concavidad hacia arriba con valor de n<1 haciéndose más notable en dependencia de la severidad del tratamiento por calor. La concavidad hacia arriba o cola indica que las células más sensibles mueren rápidamente

(3) Donde d representa el número de reducción logarítmica o factor de 10, b tiempo de la primera reducción decimal y n factor de forma. Determinación del valor F De los criterios más comúnmente utilizados para determinar tiempos de calentamiento equivalentes a una temperatura diferente con relación a una temperatura de 44

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Figura 1. Curvas de inactivación isotérmicas de P. aeruginosa ajustada de acuerdo a la Eq.(1)

Figura 2. Termograma de cepa de Pseudomonas aeruginosa

y las sobrevivientes con mayores posibilidades de soportar las condiciones del tratamiento no mueren o probablemente se adaptan a este. Los altos valores de R2 (0,99) y los bajos de RMSE entre 0,10 y 0,34 son indicativos también de la bondad de ajuste del modelo de Weibull. Diferentes modelos de Weibull se presentan en la literatura (10, 11, 7). Sin embargo Couvert, et al. (12) establecen un modelo en la que sus parámetros tienen significación física y el valor b de la Eq.(1 ) simboliza el parámetro de escala dependiente de la temperatura conocido como parámetro de escala transformado (13), considerando que el valor de b tiene igual analogía al valor de D y representa el primer tiempo de reducción decimal necesario para disminuir el número de microorganismos por un factor de 10, es decir destruir el 90% de inactivación de los microorganismos por lo que mide la rapidez con que los mismos mueren. En la figura 2 se muestra el termograma de la cepa Pseudomonas aeruginosa. Como se puede observar la temperatura de desnaturalización inicial es 50 ºC y la temperatura final del pico de transición térmica tuvo

valor cercano a 100 ºC. La temperatura tope de transición que representa la máxima desnaturalización térmica de proteínas y componentes celulares fue de 80 ºC. Diferentes trabajos informan la fuerte relación que existe entre la muerte térmica y los picos observados entre 50 - 85 °C, por los microorganismos vegetativos (14-16), por lo que el intervalo de temperatura en el cual ocurre la mayor reducción, en el área bajo el pico, es debido al precalentamiento y es el resultado de la desnaturalización de las principales subunidades ribosomales. Los resultados de las temperaturas de transición térmica por calorimetría diferencial de barrido concuerdan con las obtenidas en baño de agua. Hay que señalar que la velocidad de calentamiento aplicada, hasta alcanzar la máxima temperatura deseada es diferente a la del barrido calorimétrico. En el baño de agua, aunque las temperaturas son bajas, los tiempos de exposición fueron largos (10 - 60 min) en tanto en la calorimetría el tiempo para alcanzar los 100 ºC fue de 8 minutos, tiempo similar en el que la temperatura del baño de agua se equilibró a la temperatura de los frascos sumergidos.

Tabla 1. Constantes y estadísticas obtenidas por la aplicación del modelo de distribución acumulativa de Weibull Temperatura (ºC)

(RMSE)

Media (min)

50 60 70

6,514 2,950 1,775

0,678 0,668 0,668

0,994 0,993 0,990

0,10 0,23 0,34

4,00 1,76 1,07

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Coeficiente de asimetría 0,09 0,18 0,31

Varianza (min2) 0,139 0,306 0,509

La distribución de frecuencia de sensibilidad o resistencia obtenida a partir de los valores b y n y los parámetros estadísticos asociados se presentan en la figura 3 y en la tabla 1.

Figura 3. Distribución de frecuencia de resistencia de la cepa Pseudomonas aeruginosa

Como se demuestra la sensibilidad del microorganismo por efecto de la temperatura, resultó en un desplazamiento del tiempo de inactivación hacia la izquierda (indicado por el aumento de los correspondientes valores de la varianza) reduciendo el tiempo de exposición en concordancia con la disminución de la media de vida. El aumento de la temperatura incrementó la asimetría de las curvas de sobrevivencia hacia la derecha. De igual forma que los resultados obtenidos por van Boekel (7), el valor de n no cambió con la temperatura por lo que puede ser tratado como un parámetro independiente de la temperatura. La dependencia

Figura 4. Dependencia del parámetro de escala b con la temperatura 46

de la temperatura del parámetro b se muestra en la figura 4. Una relación lineal entre el log b y la temperatura de tratamiento fue observada entre estos dos parámetros. La dependencia lineal permite estimar el valor z que se define como el numero de grados centígrados que hay que aumentar a la temperatura de tratamiento para reducir el valor de b a la decima parte, es decir, para que la línea de termodestrucción atraviese un ciclo logarítmico y la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción de inactivación de la Pseudomonas aeruginosa. El valor calculado de z a partir del inverso de la pendiente fue de 35 ºC y la Ea de 111,96 kJ/mol. Como z está referido al valor b y considerando igual analogía al valor de D obtenido en la cinética lineal en la que el valor es recíproco de k (velocidad de muerte), el valor b es inversamente proporcional a Ea. El alto valor de z encontrado y el bajo valor de Ea indican una baja sensibilidad de la velocidad de inactivación del microorganismo a la temperatura. La Pseudomonas aeruginosa es una célula vegetativa resistente a la inactivación por calor, a diferencia de los resultados obtenidos para igual microorganismo por Hassani et al. (17). La eficiencia alcanzada en los procesos térmicos, determinada por la relación tiempo-temperatura se expresa por el número de reducciones decimales alcanzadas mediante el tratamiento y es independiente del volumen. De acuerdo a los resultados obtenidos, al aplicar un tratamiento isotérmico a 70 ºC durante 40 min se obtuvo una disminución de 8 ciclos log para un valor logarítmico de 10-8, es decir de una concentración inicial de células de 1,37x108UFC/ ml solo sobrevivió una (10°) (figura 1). La estimación del tiempo de calentamiento a diferentes temperaturas que daría igual proporción de microorganismos sobrevivientes (reducción de 8 ciclos log10) se muestra en la figura 5. La intensidad del proceso térmico medido a partir del factor ( ) fue de 4 min a la temperatura de 105 ºC lo que significa una disminución de 10 veces el tiempo, para la misma intensidad a 70 ºC e igual proporción de P. aeruginosa sobrevivientes. ICIDCA 45 (2) 2011

Figura 5. Relacion entre el tiempo para reducir 8 ciclos log10 y la temperatura

CONCLUSIONES La curvas de sobrevivencias obtenidas en este estudio fueron cóncavas hacia arriba. Las colas de las curvas de sobreviviencia indican que el método convencional de análisis y regresión lineal no es adecuado para describir la inactivación del microorganismo y por ende los valores D y z no proporcionan predicciones confiables. El modelo de Weibull permitió una descripción más exacta de la cinética de inactivación de la Pseudomonas aeruginosa. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Fernández, C.; Juncosa, R. Biopesticidas: ¿la agricultura del futuro?. Phytoma 141: pp. 14-19, 2002. 2. Mazariegos, L.A. Bioplaguicidas: Consideraciones del sector privado sobre los estándares industriales y la calidad del producto. En U. Röttger y R. Muschler (ed.), Simposio Internacional de Bioplaguicidas para Países en Desarrollo, CATIE, Turrialba, Costa Rica. Octubre 28-30, 2003, pp. 44-50 3. Li, Y.; Sun, Z.; Zhuang, X.; Xu, L.; Chen, S.; Li, M. Research progress on microbial herbicides. Review. Crop Protection 22: pp. 247-252. 2003 4. Bender, C.L.; Alarcón-Chaidez, F.; Gross, D.C. Pseudomonas syringae Phytotoxins: mode of action, regulation, and biosynthesis by peptide and poliketide synthetases. Microbiology and Molecular Biology Riviews, 63: pp. 266-292. Chile, 1999. 5. Díaz de Villega,s M. E.; Bell, A,; Altuna, B.; González, M. A.; García, R.; Paredes, ICIDCA 45 (2) 2011

E.; et al. XVII Congreso de la Asociación Latinoamericana de Malezas (ALAM). Biocontrol de malezas con fitotoxinas de Pseudomonas aeruginosa PSS. I Congreso Iberoamericano de Ciencia de Malezas. Memorias del IV Congreso Nacional de Ciencia de Malezas. Varadero 8-11 Noviembre, 2005. 6. King, E.O.; Ward, M.K.; Raney, D.E. (1954) Two simple media for the demostration of pyocyanin and fluorescin. J. Lab. Clin. Med. 44: 301-307. 7. van Boekel, M.A.J.S. On the use of the Weibull model to describe thermal inactivation of microbial vegetative cells. Intl. J. Food Microbiol. 74: 139-159, 2002. 8. Peleg, M.; Cole, M. B. Reinterpretation of microbial survival curves. Critical Reviews in Food Sci, 38, 353, 1998. 9. Microcal ™ Software, Inc. Data analysis and Technical Graphics, Origin versión 6 1991-1999. 10. Buzrul, S.; Alpas, H. Modeling the synergistic effect of high pressure and heat on the inactivation kinetics of Listeria innocua: a preliminary study. FEMS Microbiology Letters, 238, pp. 2936, 2004. 11. Peleg, M. Modeling and simulation of microbial survival during treatments with a dissipating lethal chemical agent. Food Research International, 35, pp. 327336, 2002. 12. Couvert, O.; Gaillard, S.; Savy, N.; Mafart, P.; Legue´ rinel, I. Survival curves of heated bacterial spores: effect of environmental factors on Weibull parameters. International Journal of Food Microbiology, 101,pp. 73-81, 2005. 13. Collado, J.; Fernández, A.; Cunha, L. M.; Ocio, M. J.; Martinez, A. Improved model based on the Weibull distribution to describe the combined effect of pH and temperature on the heat resistance of Bacillus cereus in carrot juice. Journal of Food Protection, 66, pp. 978-984, 2003. 14. Miles, C.A.; Mackey, B.M.; Parsons, S.E. Differential scanning calorimetry of bacteria. Journal of General Microbiology 132, pp. 939-952, 1986. 15. Teixeira, P.; Castro, H.; Mohácsi-Farkas, C.; Kirby, R. Identification of sites of injury in Lactobacillus during heat stress. Journal of Applied Microbiology, 83: pp. 219-226, 1997. 47

16. Niven, G.W;, Miles, C.A.; Mackey, B.M. The effect of hydrostatic pressure on ribosome conformation in Escherichia coli: an in vivo study using differential scanning calorimetry. Microbiology 145, pp. 419-425 , 1999.

17. Hassani, M.; Álvarez, I.; Raso, J.; Condón, S.; Pagán, R. Comparing predicting models for heat inactivation of Listeria monocytogenes and Pseudomonas aeruginosa at different pH. International Journal of Food Microbiology 100, pp. 213- 222, 2005.

FitoMas es un cóctel natural de sustancias o r g á n i c a s intermediarias complejas de alta energía, especialmente 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 vegetal

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tur a N to trés c u s od ntie r P A

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Yelenys Hernández-Corvo. Vivian León-Fernández, Alex Fragoso-Sierra, Isis Menendezcuesta-Mirabal, Eduardo Bordallo-López Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar CP 33500, Quivicán, Mayabeque, Cuba yelenyshernandez@hotmail.com

RESUMEN Se desarrolla una metodología para obtener partículas esféricas de celulosa a partir de una solución de xantogenato de celulosa y su posterior carboximetilación, entrecruzamiento e inmovilización de monoamino ciclodextrina (NH2-CD). Los productos se caracterizan por microscopía óptica y electrónica, no observándose variaciones en cuanto a la forma de las partículas después de la funcionalización. Se determinan la porosidad, retención de agua y volumen de sedimentación, cuyos valores medios se incrementan con la introducción del grupo carboximetilo. Se obtienen partículas esféricas con un tamaño promedio de 86 µm con una desviación estándar igual a 16. La capacidad de intercambio (Ci) de la carboximetilcelulosa esférica (CM-CELEF) es 1,6 meq/g y su rango de pH de trabajo es de 4,5 - 8. La Ci del conjugado CM-CELEF-NHCD disminuye a 0,93 meq/g, lo que indica que el 20% de los grupos activos participaron en la reacción de inmovilización de la NH2- CD. Por espectroscopía FT-IR se observan las bandas características de los productos obtenidos. Palabras clave: celulosa, CM-CELEF, NH2-CD. ABSTRACT A methodology for the obtainment of spherical particles from a cellulose xanthogenate solution and its subsequent carboxymethylation, crosslinking and monoamine cyclodextrin (NH2-CD) immobilization has been developed. The products are characterized by optical and electron microscopy and no changes in the shape of the particles were observed after the functionalization reaction. Porosity, water retention and sedimentation volume were determined. The mean values of these properties are increased with the introduction of carboxymethyl group. Spherical particles have an average size of 86 microns and a standard deviation of 16. Exchange capacity (Ci) of the spherical carboxymethylcellulose (CM-CELEF) is 1,6 meq/g and the pH working range 4,5 to 8. Exchange capacity ICIDCA 45 (2) 2011

of conjugate (CM-CELEF-NHCD) decreases to 0,93 meq/g, pointing out that 20% of the active groups were involved in the immobilization reaction of the NH2-CD. By FT-IR spectroscopy was observed the characteristic bands of both products. Keywords: cellulose, CM-CELEF, NH2-CD.

INTRODUCCIÓN En los protocolos de purificación de biomoléculas, generalmente se requieren de 10-20 etapas de separación y purificación y la combinación de varias técnicas para lograr una alta pureza de los productos. Por ello, se trabajó en el desarrollo de soportes o matrices con ligandos inmovilizados que permitieran acoplarse de manera reversible a las biomoléculas de interés, reduciendo el costo del proceso. Las ciclodextrinas forman parte de estos ligandos, por tener una cavidad hidrofóbica que les permiten formar complejos de inclusión con moléculas orgánicas de pequeña talla (1) y con las biomoléculas, característica que ha sido puesta en función de desarrollar diferentes productos en farmacología, cosmética y en cromatografía (2,3), debido a su capacidad de inhibir la actividad de las amilasas por formar complejos enzima-sustrato relativamente fuertes, sin ser hidrolizadas. La celulosa en forma esférica, es un soporte que por su naturaleza hidrofílica, biocompatibilidad, estabilidad química y térmica es utilizada como matriz cromatográfica (4). Sus grupos hidroxilos permiten su activación por diferentes rutas de síntesis y su posterior derivatización (5), encontrando aplicación en intercambio iónico (6) inmovilización de enzimas (7), recobrado de metales pesados (8), diseño de sistemas para la liberación controlada de medicamentos (9) y biosensores (10). En el presente trabajo se realizó la obtención y caracterización de la celulosa esférica a partir de una solución de xantogenato de celulosa y su posterior carboximetilación, entrecruzamiento e inmovilización de NH2-CD. Los productos se caracterizaron por microscopía óptica, electrónica, espectroscopía FTIR y se determinaron algunas de sus propiedades físicas: tamaño de partí50

culas, porosidad, retención de agua y volumen de sedimentación, así como el rango de pH de trabajo y la Ci. MATERIALES Y MÉTODOS El análisis de las imágenes se realizó en un microscopio óptico OLYMPUS VANOX acoplado a una cámara de video SONY, empleando el software para morfometría en imágenes DIGIPAT de la Eicisoft y un microscopio electrónico de barrido Philips de la serie XL-20. Para el procesamiento estadístico de los resultados experimentales se trabajó con el programa STATGRAPHICS 5.0. Los espectros se registraron en un espectrofotómetro FT-IR Bruker IFS60v en pastillas de KBr. Las mediciones de pH se realizaron en un pHmeter Eutech instruments CyberScan pH 1100. Se utilizó como fuente de celulosa, pulpa para disolver grado rayón con un grado de polimerización promedio, viscosimétrico GPv 1000, bisulfuro de carbono, epiclorhidrina, ácido oléico, ácido monocloroacético, todos de la firma Riedel-deHaën (Alemania), hidróxido de sodio; BDH (Inglaterra) y NH2-CD (donado por Laboratorio Bioinorgánica, facultad de Química, Universidad de La Habana). Los demás reactivos utilizados son de las firmas mencionadas anteriormente. Obtención de la CELEF El estudio de la obtención de la CELEF se realizó a través de un diseño de experimentos 23 de forma aleatoria, con el objetivo de desarrollar métodos de síntesis que permitieran regular el tamaño promedio y la distribución de tamaño de las partículas esféricas de celulosa, así como su forma, siendo los parámetros variables la concenICIDCA 45 (2) 2011

tración de ácido oléico; velocidad de agitación (VA) y la temperatura (T). La variable dependiente seleccionada fue el tamaño de las partículas para cada uno de los experimentos y se observó la esfericidad. La CELEF se preparó siguiendo el procedimiento reportado por Quintela (11). El xantogenato de celulosa se sintetizó con un contenido de celulosa al 7%. Obtención de la CM-CELEF Se dispersaron 15 g de CELEF en 2-propanol y se añadió lentamente con agitación, una disolución de NaOH. La mezcla se agitó durante 30 minutos a temperatura ambiente. Se añadió lentamente epiclorhidrina y ácido monocloroacético, disuelto en 2-propanol, se incrementó la temperatura hasta 70 °C y se mantuvo bajo estas condiciones durante 60 minutos. Finalmente, al producto se le adicionó HCl 1mol/L hasta pH ácido, se filtró y se lavó con agua desmineralizada hasta su neutralidad y se almacenó en etanol al 20%. Inmovilización de la ciclodextrina Se trataron 100 mg de CM-CELEF con 30 mg de N-(3-dimetilaminopropil)N´-etilcarbodiimida (EDAC) en buffer fosfato pH=6 a temperatura ambiente durante 15 minutos. A la mezcla de reacción se le adicionaron 20 mg de mono-6-amino-6-desoxi-β-ciclodextrina (NH2-CD) (12) y la suspensión fue agitada durante 1 hora a temperatura ambiente. La CM-CELEF derivatizada se lavó con abundante agua desmineralizada y acetona y posteriormente se secó al vacío sobre P2O5. Caracterización de los productos obtenidos Microscopía óptica. Se digitalizaron aleatoriamente varias imágenes, de una muestra del producto en suspensión acuosa y se obtuvo el radio de más de 300 partículas. Microscopía electrónica. Una muestra seca del producto se fijó sobre una cinta adhesiva que estaba adherida sobre el portaobjeto. Posteriormente se trató con vapores de oro hasta lograr una capa superfiICIDCA 45 (2) 2011

cial homogénea con un espesor del orden de los nanómetros. Propiedades físicas La porosidad, volumen de sedimentación y retención de agua se determinaron según, el procedimiento descrito en la literatura (11). Capacidad de intercambio (Ci). La Ci se determinó mediante una valoración por retroceso, según la técnica reportada, (13). Rango de pH de trabajo de la CM-CELEF. El intercambiador CM-CELEF se valoró potenciométricamente con NaOH 0,05 mol/L en KCl 1 mol/L con agitación constante, realizándose las correspondientes lecturas de pH. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Obtención y caracterización de la CELEF En la figura 1 se representan algunas de las reacciones involucradas durante la disolución-regeneración de la celulosa en forma de partículas esféricas así como la síntesis de la CM-CELEF entrecruzada. Dadas las particularidades del polímero en estudio y la necesidad de contar con métodos de síntesis que permitan regular el tamaño promedio y la distribución de tamaño de las partículas esféricas de celulosa, se ensayaron diferentes condiciones de síntesis empleando siempre keroseno como medio de dispersión y ácido oléico como tensoactivo (TA). En algunos de los experimentos realizados no fue posible la obtención de partículas en forma esférica, pues ocurría la formación de aglomerados. Esto se debe a la baja concentración de TA, que no es capaz de estabilizar las gotas en estado líquido del xantogenato de celulosa en la etapa inicial del proceso de coagulación y a la velocidad de agitación utilizada, que favorece las colisiones entre las partículas, contribuyendo a la deformación de estas. Por otra parte, en otros experimentos se manifestó un efecto inverso a lo ocurrido en los explicados anteriormente, en ellos se observó la formación de partículas esféricas pero no existía uniformidad entre ellas, además con una distribución de tamaño muy amplia. El tratamiento de los resultados experimentales se ajustó a un modelo de regresión lineal 51

Figura 1. Disolución-regeneración de la celulosa y síntesis del intercambiador de iones CM-CELEF entrecruzado.

múltiple, ecuación 1, que describe la relación entre el tamaño de partículas (TP) y las tres variables independientes estudiadas, las cuales son inversamente proporcionales al TP.

la T, porque en el rango estudiado no se pudo demostrar su influencia sobre el tamaño y la geometría de las partículas. En la figura 2 se ilustra la influencia de las condiciones experiTP=162,364 - 13.25 x [TA] - 0,192808 x T - 0,0075 x VA (Eq. 1) mentales en la forma de las partículas de CELEF, las cuales fueron obteniEn la tabla 1 se exponen los valores del das bajo diferentes condiciones experiestadístico t en orden decreciente de su coementales. ficiente para cada una de las variables estuLa curva de distribución de tamaño de diadas, siendo la concentración de TA la partículas obtenida en los experimentos más significativa, luego la VA y por último explicados anteriormente se muestra en la figura 3. Las dos curvas son unimodal ajustándose a una distribución Gaussiana. La figura 3 I es simétrica alrededor del valor Tabla 1: Análisis de regresión múltiple promedio de tamaño de partícula (86 µm), no siendo así en la figura 3 II, donde la Parámetros E s ta dí s t i co t curva de distribución es asimétrica con cola Conc. tensoactivo -16,3510 a la derecha y los tamaños de partículas no Vel. agitación -3,70212 se encuentran alrededor del valor promeTemperatura -2,14287 dio. 52

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I: [TA] 4%, [VA] 1200 rpm, [T] 80°C

II: [TA] 3%, [VA] 800 rpm, [T] 70°C.

Figura 2. Microscopía óptica de las partículas de CELEF obtenidas bajo diferentes condiciones experimentales.

I: [TA] 4%, [VA] 1200 rpm, [T] 80°C

II: [TA] 3%, [VA] 800 rpm, [T] 70°C.

Figura 3. Curva de distribución de tamaño de partículas.

Figura 4. Microfotografías obtenidas por MEB de la CELEF y CM-CELEF.

Síntesis y caracterización del intercambiador iónico CM-CELEF Utilizando las siguientes condiciones experimentales, 4% [TA], 1200 rpm y 80°C, ICIDCA 45 (2) 2011

se obtuvieron las partículas de CELEF que fueron empleadas en la síntesis de la carboximetilcelulosa esférica entrecruzada (CMCELEF). En la figura 4 se representan las imágenes de las partículas de CELEF y CM53

Tabla 2. Propiedades del intercambiador iónico CM-CELEF. P r o p i ed a d e s

Porosidad (%) Vol. sedimentación (mL/g) Retención de agua (gH 2O/g) Capacidad de intercambio (meq/g) Forma física

Figura 5. Espectros FT IR de los productos obtenidos A) CELEF, B) CM-CELEF

CELEF obtenidas por microscopía electrónica de barrido (MEB), donde se muestra la forma esférica y la textura de la superficie. Las propiedades estudiadas de la CELEF y del intercambiador iónico CM-CELEF, cuya capacidad de intercambio para ión pequeño fue 1,6 meq/g. se reportan en la tabla 2. El espectro FTIR que se representa en la figura 5 posee las bandas: νO-H, νC-H y νC-O alrededor de los 3500, 2950 y ~ 1000 cm-1 respectivamente, características de los anillos de glucosa. La modificación de los grupos -OH por -OCH2COOH se puede corroborar por la aparición de una nueva banda intensa en 1755 cm-1, correspondiente a la νC=O del grupo carboxilo, con relación al espectro de la celulosa sin modificar. Rango de pH de trabajo de la CM-CELEF La curva de valoración de la CM-CELEF, figura 6, se corresponde con una resina de intercambio catiónico débil, donde se muestra un salto a valores de pH entre 4,5-8,0. En esta zona los grupos carboxilos están ionizados correspondiendo con el rango óptimo de trabajo, o sea, en este intervalo es donde ocurre la mayor adsorción. A valores de pH 54

CELEF 95,4 15,7 4,9 esferas

CM-CELEF 97,5 29,2 21,2 1,6 esferas

Figura 6. Curva de valoración de la CM-CELEF con NaOH 0,05 M en KCL 1M. Inmovilización de la monoaminociclodextrina.

inferiores o superiores la resina tiene poca efectividad por no estar ionizada. La CM-CELEF fue evaluada en la inmovilización de NH2-CD siguiendo la estrategia mostrada en la figura 7. Esto implica la reacción de los grupos-COOH del carboximetilo con la NH2-CD para formar una amida. Esta reacción se llevó a cabo en presencia de un agente copulante (EDAC), que se adiciona al grupo -COOH favoreciendo la formación del enlace amida (-CONH-). Esto se puede corroborar en el espectro FTIR representado en la figura 8, por la aparición de una nueva banda en 1614 cm-1 correspondiente a la νC=O del grupo carboxilo y la disminución de la intensidad de la banda en 1743 cm-1 del grupo -COOH. La disminución de la frecuencia de la banda νC=O al pasar del grupo -COOH al CONH se explica por el mesomerismo que presenta el grupo amida, que provoca el debilitamiento del doble enlace C=O y por tanto, la disminución de su frecuencia de vibración. Por otra parte, el enlace de la NH2CD a la CM-CELEF provoca una disminución de la Ci hasta 0,93 meq/g, lo que indica que el 20% de los grupos activos participaron en la reacción de inmovilización de la NH2CD. ICIDCA 45 (2) 2011

Figura 7. Obtención de la CM-CELEF-NHCD

5. Figura 8. Espectros FTIR de los productos A) CM-CELEF B) CM-CELEF-NHCD.

En esta reacción no todos los grupos reaccionaron debido al impedimento estérico de la NH2-CD. CONCLUSIONES 1. Se obtuvieron partículas de celulosa en forma esférica a partir de una solución de xantogenato de celulosa, en medio básico, utilizando ácido oléico como tensoactivo 2. Con una concentración de tensoactivo 4% y velocidad de agitación de 1200 rpm se obtuvieron partículas con un tamaño promedio de 86 µm. ICIDCA 45 (2) 2011

Los valores de temperatura (70, 80 y 88 °C) no influyeron de forma significativa en el diámetro medio de las partículas esféricas de celulosa. La funcionalización de la celulosa esférica con grupos carboximetilo permitió obtener partículas con una capacidad de intercambio de 1,6 meq/g y el rango de pH de trabajo de 4,5-8. La inmovilización de la NH2CD en la CM-CELEF fue demostrada por la aparición en el espectro FTIR de una nueva banda correspondiente al enlace amida y por la reducción de la Ci de la CM-CELEF.

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Lixis Rojas-Sariol, Yaniris Lorenzo-Acosta, Fidel Domenech-López Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Vía Blanca 804 y Carretera Central, San Miguel del Padrón, La Habana, Cuba lixis.rojas@icidca.edu.cu

RESUMEN Se estudia la influencia de diferentes ácidos y nutrientes en el ajuste del pH de medios de fermentación alcohólica a partir de melaza de caña de azúcar. El objetivo es evaluar de manera preliminar la sustitución de compuestos azufrados por otros que no aporten azufre a los medios de fermentación, debido a que el contenido de sulfatos (SO2) presentes en las vinzas depende en gran medida del azufre que se incorpore a la fermentación alcohólica, mediante la adición de los nutrientes y ácidos que se empleen. Es importante que la vinaza tratada mediante digestión anaeróbia presente bajas concentraciones de sulfatos para minimizar en el biogás producido el contenido de H2S, evitar la corrosión del equipamiento empleado en el uso del biogás y disminuir los costos de desulfuración. Sin embargo, los resultados muestran que no es recomendable sustituir el ácido sulfúrico y el sulfato de amonio empleados industrialmente en los medios de fermentación alcohólica, ya que para alcanzar el valor de pH deseado se adicionan menores cantidades de ácido cuando se usa ácido sulfúrico en un medio de fermentación compuesto por fosfato de amonio y sulfato de amonio, además económicamente también es aconsejable usar este ácido, porque es más barato con respecto a los ácidos estudiados. Palabras clave: fermentación alcohólica, ajuste de pH, compuestos azufrados. ABSTRACT The influence of different acids and nutrients in the pH adjustment ethanol fermentation broths from sugar cane molasses is studied in this paper. The objective is to evaluate in a preliminary way the substitution of sulphur compounds by others that do not contribute to the increase of this element to fermentation broth, by sulpahte content (SO2) present in vinasses it is important that vinasses contain low conventration of sulphates to guarantee low concentrations of H2S in the biogas produced by means of anaerobic digesICIDCA 45 (2) 2011

tion, to prevent corrosion of the equipment used in biogas and to decrease the desulfurization costs. Results show that it is not convenient to substitute sulphuric acid and ammonium sulphate industrially used in the broths for ethanol fermentation, since the woeking pH is obtained with lower amounts of acid when sulphuric acid for this purpose together with ammonium sulphate. On the other hand, sulphuric acid is cheaper than rest of the acids studied. Key words: ethanol fermentation, pH adjustment, sulphur compound.

INTRODUCCIÓN La fermentación alcohólica es el resultado del proceso respiratorio anaerobio de las levaduras. A escala industrial se usa por excelencia la levadura Saccharomyces cerevisiae, como microorganismo responsable de la fermentación en el proceso de producción de alcohol. De este proceso se obtiene además vinaza, residual líquido muy agresivo para el medio ambiente, vapores ricos en alcohol y CO2, los cuales pueden ser recuperados para aumentar eficiencia y reducir costos (1). Durante la fermentación alcohólica las bacterias contaminantes compiten con las levaduras por el azúcar y los nutrientes; causando un descenso significativo en la producción de etanol, por tanto, cuanto menor sea el pH más protegido se encuentra el medio de fermentación ante posibles ataques bacterianos. Para ajustar el pH de los medios de fermentación se emplea principalmente ácido sulfúrico (2). Cuando se destila el mosto fermentado de melazas y jugos de caña de azúcar para producir etanol, se obtiene un residuo líquido de color oscuro llamado vinaza. Estas vinazas tienen composiciones distintas y varían de una fábrica a otra (3), dependiendo de: • El tipo y características del sustrato empleado, (mieles o jugos). • La calidades de todas las materias primas a utilizar en el proceso • El tipo de microorganismo utilizado (levadura o bacteria) (4). • Las condiciones de fermentación. • La eficiencia del proceso de destilación y su equipamiento. • La eficiencia de fermentación (5). • La recuperación eficiente previa de la levadura. 58

Así las vinazas tienen composiciones diferentes entre las destilerías de alcohol, y en menor grado para una misma destilería en cada etapa del año (3,6). Las vinazas o mostos de destilerías constituyen el principal residual de la industria alcoholera. Es un residuo que genera efectos secundarios indeseables tales como contaminación de ríos, fuentes de aguas subterráneas y mares cercanos a estas instalaciones, por lo que su tratamiento y disposición constituyen una gran preocupación del sector azucarero. Uno de los tratamientos más factibles es su uso para producir biogás mediante la digestión anaerobia. Este tratamiento permite: reducir en un 75% la carga orgánica contaminante de las vinazas, obtener lodo fertilizante y aguas para ser utilizadas en el fertirriego, dejando de emitir gases de efecto invernadero, mejorando por ende el ambiente y obteniéndose energía renovable (7,8), que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica sin la presencia del oxigeno del aire, que por su alto valor calórico de 4435 a 5191 kcal/m3 puede ser utilizado con fines energéticos. En principio el biogás puede ser empleado en cualquier equipo comercial diseñado para utilizar gas natural, sin embargo, en el proceso de producción de biogás tanto el azufre orgánico, presente en algunos aminoácidos como el inorgánico, pueden ser reducidos a H2S (figura 1); un gas muy tóxico para el hombre y el ambiente y altamente reactivo con los metales hierro y cobre, originando la corrosión del equipamiento empleado. Por esta razón, es necesario la desulfurización del biogás como tratamiento previo a su uso, siendo la desulfurización biológica el tratamiento más barato (9,10). El contenido de sulfuro de hidrógeno (H2S) del biogás producido mediante digesICIDCA 45 (2) 2011

Figura 1. Ciclo del azufre en la naturaleza (11)

tión anaerobia, depende en gran medida del sulfato (SO4) presente en las vinazas obtenidas en los procesos de producción de etanol y a su vez, los sulfatos de las vinazas dependen, en gran medida, del azufre que se incorpore a la fermentación alcohólica. (12,13). El azufre se incorpora al medio de fermentación por tres vías fundamentales: ácidos empleados para ajustar el pH del medio de fermentación, miel como fuente de carbono (ver tabla 2) y sales nutrientes. Si se sustituye alguno de estos compuestos por otros que no aporten azufre es posible disminuir el contenido de sulfatos en la vinaza y producir biogás con bajas concentraciones de sulfuro de hidrógeno. El objetivo que se persigue en esta investigación es evaluar la influencia de diferentes nutrientes y ácidos en el pH del medio de fermentación, teniendo en cuenta que algunos contienen en su composición azufre y otros no.

tal HANNA, siguiendo el procedimiento descrito en el manual de Métodos Estándar para el Análisis de Aguas y Aguas Residuales (14). Para determinar la composición de sales en el medio se consideró la composición molecular reportada en la literatura de la levadura Saccharomyces cerevisiae, levadura de alta capacidad fermentativa, que es empleada en los procesos industriales de fermentación alcohólica (13). La composición de los medios estudiados se muestra en la tabla 1.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se emplea como fuente de carbono melaza procedente del ingenio azucarero Heriberto Duquesne. La caracterización que se muestra en la Tabla 2 se realizó en el Laboratorio de Agua y Aguas Residuales del Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar. En el medio de melaza diluida, se ajustaron los reductores totales iniciales a 14,5 %.

Se procedió al estudio del ácido sulfúrico (H2SO4), ácido fosfórico (H3PO4 y ácido nítrico (HNO3) para ajustar el pH de tres medios diferentes de fermentación. Para realizar el ajuste de pH de los medios, se emplearon todos los ácidos en concentración de 50 % y se utilizó un pH metro digiICIDCA 45 (2) 2011

Tabla 1. Composición de los medios de fermentación M e d ios

S a l es

I II III

Fosfato de amonio, sulfato de amonio Fosfato de amonio, urea Fosfato de amonio, nitrato de amonio

Tabla 2. Caracterización de miel B Análisis pH Materia seca gravimétrica Cenizas P 2O5 Nitrógeno total Azúcares reductores totales Azúcares reductores libres Azúcares reductores inferiores Lodos Demanda Química de Oxígeno Calcio Nitrógeno total Fósforo digerido Sólidos totales Sólidos totales fijos Sólidos totales volátiles Sólidos disueltos totales Sólidos disueltos fijos Sólidos disueltos volátiles Sólidos suspendidos totales Sólidos suspendidos fijos Sólidos suspendidos volátiles Sulfatos Demanda Bioquímica de oxígeno

V alor

% % % % % % % mg/L % mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L

5,25 82,339 8,39 0,26 0,34 66,83 19,67 3,25 4 5103000 1,10 1400 24415,88 423166,67 40466,67 3822700 385800 34800 351000 37366,67 5666,67 31700 8020,85 125000

de amonio; a pesar de esta diferencia el pH de cada medio antes de adicionar ácido para el ajuste del pH deseado fue 6. En los medios I y II el mayor consumo de ácido, para los diferentes niveles de pH, se alcanza cuando se emplea ácido fosfórico, siguiendo en orden descendente: el ácido nítrico y el ácido sulfúrico. Sin embargo, en el caso del medio III, compuesto por fosfato de amonio y nitrato de amonio, en el intervalo de pH de 4 a 5,5, existe mayor consumo de ácido nítrico (figuras 2-4). El ácido sulfúrico presenta el mejor comportamiento en cuanto a consumo, para cada medio de fermentación. En el caso del medio I constituido por sulfato de amonio y fosfato de amonio se aprecian los menores valores de consumo de este ácido (figura 5).

RESULTADOS Y DISCUSION El pH del vino de 3,1- 4 no es el idóneo para un comportamiento fisiológico óptimo de las levaduras. Cuanto menor sea el pH, más lejos del pH óptimo estarán las células de levaduras para la bioconversión de los azúcares fermentables. No obstante, los valores de pH bajos protegen la batición de la contaminación por bacterias (2). En estudios de fermentación realizados a temperatura de medio 32 ±2 °C y pH 4,6-4,8 se obtuvo el máximo rendimiento de etanol, a concentraciones bajas de ácido (15, 13) A partir de los resultados anteriores, el análisis del comportamiento de los diferentes ácidos en cuanto a consumo, es de mayor importancia para el intervalo de pH 4 - 5. Las figuras 2-4 muestran el comportamiento de cada uno de los ácidos empleados en función de cada medio de fermentación. Los tres medios de fermentación son diferentes con relación a la fuente de nitrógeno empleada. En el medio I se usó sulfato de amonio, medio II urea y medio III nitrato 60

Figura 2. Ajuste de pH del medio I compuesto por fosfato de amonio y sulfato de amonio.

Figura 3. Ajuste de pH del medio II compuesto por fosfato de amonio y urea ICIDCA 45 (2) 2011

volúmenes de este ácido con respecto al ácido nítrico y fosfórico. Por otra parte, el ácido sulfúrico es el más económico de los tres ácidos empleados en el estudio. De todos los medios empleados, el más adecuado para el ajuste de pH en cuanto al consumo de ácido sulfúrico se refiere, es el medio de fermentación compuesto por fosfato de amonio y sulfato de amonio. Figura 4. Ajuste de pH del medio III compuesto por fosfato de amonio y nitrato de amonio

Figura 5. Ajuste de pH empleando ácido sulfúrico en los tres medios de fermentación.

Es recomendable utilizar ácido sulfúrico para ajustar el pH de los tres medios de fermentación estudiados, porque permite emplear menores volúmenes con respecto al ácido nítrico y ácido fosfórico. En el caso del medio de fermentación compuesto por fosfato de amonio y sulfato de amonio, las cantidades de ácido para el ajuste del pH deseado, son menores. Económicamente también es atractivo el uso de ácido sulfúrico ya que de todos los ácidos estudiados es el más barato (tabla 3). Tabla 3. Precios de ácidos* Pr o du c t o

Ácido fosfórico tm Ácido nítrico tm Ácido sulfúrico tm *Precio de importación para

P r ec i o t o t a l

1307,99 426 207 el país, 2011

CONCLUSIONES El empleo de ácido sulfúrico para ajustar el pH de los medios de fermentación alcohólica estudiados permite utilizar menores ICIDCA 45 (2) 2011

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