Revista icidca vol 46 no2 2012 by Revista ICIDCA

Tabla de Contenido

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar Volumen 46 - No. 2 – mayo-agosto - 2012 SOLERA 2.0: un software para la gestión y control de bodegas de añejamiento SOLERA 2.0: a software for the management and control of ageing cellars Arnaldo Díaz-Molina, Idania Blanco-Carvajal, Mayra Capote-Arritola

Evaluación de la zeolita como soporte sólido para la formulación del biofertilizante Azospirillum. Assessment of zeolite as a solid support for formulation of Azospirillum biofertilizer Dayamí Borges-Rodríguez, Ana Nelis San Juan-Rodríguez, Angela O. Díaz-Llanes, Eulalia Gómez-Santiesteban, Raúl Hernández-Sánchez

Modelación matemática del proceso de cocción de la masa cocida "C" y su vínculo con el control del proceso. Parte II: simulación del proceso Mathematical modelling of "C" massecuites boiling and its link with process control. Part II: process simulation Ramón Consuegra-del Rey

Reducción de la concentración de ion potasio en las vinazas de destilación de alcohol por medio de la propagación de Candida utilis Reduction of potassium ion in distillery slops by means of Candida utilis propagation Miguel A. Otero-Rambla, Oscar A. Almazán-del Olmo, Daniel Bello-Gil, Gustavo Saura-Laria, Julio A. MartínezValdivieso-Piloto

Evaluación de la etapa de prehidrólisis del bagazo de caña para la obtención de etanol en planta piloto. Evaluation of the prehydrolisis stage of sugarcane bagasse for the obtainment of ethanol Marelys Medina-Estevez, Yelenys Hernández-Corvo, Tamara Susana León-Martínez

Gestión energética en la producción del ingrediente farmacéutico activo 2-bromo-5-(2-bromo-2nitrovinil)-furano y vitrofural Energy management in the production of active pharmaceutical ingredient 2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl)furan and vitrofural María Isabel Díaz-Molina, Iván L. Rodríguez-Rico, Zenaida Rodríguez-Negrín, Mirta E. Cuellar-de la Cruz

Obtención de biocombustible piroleñoso a partir del bagazo de caña de azúcar en una planta experimental cubana The obtainment of pyroligneous biofuel from sugarcane bagasse in a Cuban experimental plant Juan Fernández-Rodríguez, José Alberto Pérez-Hernández, Fernando González-Águila

Selección de una cepa bacteriana y un medio de cultivo industrial para la producción de poli 3hidroxibutirato Selection of a bacterial strain and industrial culture media for poly 3-hydroxybutyrate production Arianna Núñez-Caraballo, Emilia Carrera-Bocourt, María Teresa Fernández-Santisteban, Antonio Bell-García, Georgina Michelena-Álvarez

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 3 - 11

Arnaldo Díaz-Molina, Idania Blanco-Carvajal, Mayra Capote-Arritola 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 arnaldo.diaz@icidca.edu.cu RESUMEN Solera es un sistema para la gestión de información en las bodegas de añejamiento de una fábrica de ron. Su configuración dinámica le permite adaptarse a cualquier tipo de fábrica, independientemente de su organización y/o productos almacenados. Posibilita el registro de bodegas, tipos de depósitos, productos, clasificación de extracciones, toneles, y los movimientos de agregación y extracción de bebidas sobre cada tonel; genera, en cada caso, gran parte de la información necesaria. Registra los procesos de llenado y vaciado de varios toneles de forma automática, así como su traslado en caso de ser necesario. Calcula automáticamente el añejamiento de cada tonel. Lleva un control estricto de las bajas producidas en cada bodega. Garantiza la obtención de reportes configurables que sirven para realizar análisis estadísticos y/o controlar eficientemente las actividades realizadas en cada bodega. Está instalado en el Centro de Referencia de Alcoholes y Bebidas (CERALBE) perteneciente al ICIDCA, su instalación en otras roneras es posible. Palabras clave: solera, toneles, añejamiento, bebidas alcohólicas, software. ABSTRACT Solera is a system for managing information in the aging cellars of a rum factory. Its dynamic configuration allows it to be adapted to any kind of factory, regardless of its organization and/or stored products. It facilitates the registration of cellars, types of deposits, products, classification of extractions, barrels, and the movements of aggregation and extraction of beverages in each barrel; it generates in each case much of the needed information. It registers the filling and emptying of several barrels automatically, as well as its transfer if is necessary. It calculates automatically the aging of each barrel. It keeps a strict control of the casualties in each cellar. It guarantees the obtaining of several reports that can be changed by the users and are useful for statistical analysis and/or execute an efficiently control of the activities in each cellar. It is installed at the Reference Center of Alcohols and Beverages (CERALBE) located in the Researches Institute ICIDCA, and its installation in other rum factories is possible. Keywords: solera, barrels, ageing, alcoholic beverages, software. 3

INTRODUCCIÓN

misma llevaba el control de su solera de forma manual al contar con una pequeña producción, pues sólo disponía de 60 toneles. Al incrementarse los niveles productivos y con ello aumentar la cantidad de toneles, se hizo necesario contar con una herramienta automatizada que llevara el control de la misma (4). Por otro lado, se determinó que otras roneras del país también llevaban este control de forma manual y presentaban las mismas dificultades, por lo que se requería que el sistema desarrollado fuera capaz de adaptarse al modelo de cualquier fábrica de ron. Para dar solución a este problema se diseñó e implementó el sistema Solera 1.0, que es un precedente del sistema Solera 2.0. El mismo permitía realizar un tratamiento de la información fácil, rápido y seguro, y garantizaba todos los requisitos funcionales expuestos por los especialistas. Sin embargo, solo se podía instalar en aquellas entidades con similares características al CERALBE, lo cual constituye una seria limitación considerando que cada ronera dispone de su propia organización. Otros problemas relacionados con la tecnología fueron surgiendo, lo cual dificultó en gran medida su generalización e indujo la necesidad de actualizar el software tecnológicamente. Surge así el sistema Solera 2.0, que basado en las experiencias acumuladas aporta nuevas herramientas para facilitar el trabajo del especialista y elimina las limitaciones de la versión anterior.

En una fábrica de ron, una de las áreas más importante es la solera, donde se lleva a cabo el sistema de añejamiento o envejecimiento de las bebidas. El proceso de añejamiento repercute directamente en la calidad del producto final, y se basa en la mejora de las propiedades organolépticas1 de las bebidas, aportando aromas y sabores característicos. Por esta razón, se debe tener un control estricto de cada uno de los toneles o barriles que contienen las bases o caldos almacenados. El ron es una bebida alcohólica de alta graduación, cuya producción presenta una serie de etapas, condicionadas por factores que pueden influir decisivamente en su calidad. Uno de los factores que cabe destacar es el sistema de añejamiento o envejecimiento de las bases almacenadas, lo que condicionará la calidad final del producto (1). Este factor ha sido durante mucho tiempo uno de los fenómenos más misteriosos del mundo de la tecnología de las bebidas destiladas. En el envejecimiento de las bebidas alcohólicas, los toneles de madera de roble tienen un efecto beneficioso para ellas. Al conjunto o disposición de los toneles que se emplean desde la antigüedad para añejar, conservar, criar y trasladar las bebidas, se les denomina solera y es donde la bebida sufre a lo largo del tiempo una evolución dentro del tonel tras encontrarse en unas condiciones ambientales dadas, y que repercute fundamentalmente en una mejora de sus propiedades organolépticas, con la aparición de aromas y sabores característicos (2, 3). En una fábrica de producción de rones una de las áreas más importantes es la solera, por lo que se debe tener un control estricto sobre cada uno de los toneles o barriles que contienen las bases o caldos que están almacenados en los mismos. El Centro de Referencia de Alcoholes y Bebidas (CERALBE) perteneciente al Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), cuenta con una solera en el área experimental de producción Bodegas Vigía. La

Sistemas similares en Cuba y otros países Durante un estudio del estado del arte realizado por investigadores del ICIDCA, se determinó que este tipo de sistemas no abunda en la industria cubana y tampoco en el extranjero. En Cuba, por ejemplo, algunas roneras han desarrollado sus propios sistemas informáticos para dar solución a sus requisitos. Estos sistemas, sin embargo, no han sido publicados y solo resuelven los problemas específicos de la ronera en cuestión. En la Feria Internacional de Informática de La Habana, Informática 2011 (5), se pre-

1. Organoléptico: Dicho de una propiedad de un cuerpo: Que se puede percibir por los sentidos. (DRAE, Diccionario de la Real Academia Española). 4

sentó una aplicación SCADA2 (Supervisory Control And Data Acquisition, Control de Supervisión y Adquisición de Datos) para la Ronera Central "Agustín Rodríguez Mena" del municipio de Santo Domingo perteneciente a la Empresa Cubaron. Este sistema elimina la baja interconectividad entre las máquinas instaladas y la necesidad de establecer un control estricto en la materia prima utilizada en la elaboración del producto final (6). Para su funcionamiento utiliza un PLC3 (Programmable Logic Controller, Controladores Lógicos Programables) que permite reflejar en el sistema SCADA, las principales variables controladas por la instrumentación instalada en la ronera. Aunque es capaz de supervisar todo el proceso de fabricación de ron, su objetivo no concibe la gestión y el control de las actividades realizadas en las bodegas de añejamiento, por lo que no interfiere con el sistema Solera 2.0. La compañía Siemens (7) ofrece librerías de software para la automatización de industrias relacionadas con la elaboración de bebidas y alimentos. Brindan soluciones para casi cualquier tipo de fábrica, como por ejemplo fábricas de azúcar, de bebidas, de aceites comestibles, así como varios sectores del tabaco. Sus ofertas relacionadas con las bebidas (8, 9), si bien son abarcadoras, se enfocan en la producción y no en el proceso de añejamiento de bebidas. Además, cualquier solución extranjera tendría que importarse, lo que implicaría un gasto económico mucho mayor y no existen garantías de que el mantenimiento postventa se ofrezca con carácter gratuito. Otro ejemplo de software foráneo lo constituye el sistema Easy WMS®. Fue realizado para la gestión de bodegas de cualquier envergadura, y dedicadas a los más diversos sectores de actividad ya que encaja en cualquier compañía. Tiene como principal objetivo controlar, coordinar y gestionar todos los procesos que se desarrollan en una bodega. Sus diferentes niveles de funciona-

lidad permiten adaptar el software a las necesidades concretas de cada instalación en función del grado de complejidad y automatización que presente. Puede adaptarse fácilmente al crecimiento de un negocio o a nuevos procesos y volúmenes de información gracias a su gran flexibilidad (10). A pesar de la descripción anterior, los procesos realizados en una bodega de añejamiento de bebidas difieren en gran medida de las actividades ejecutadas en una bodega convencional. Debido a este último aspecto y a las dificultades que pueden surgir con la adquisición de un sistema extranjero, se decidió no tomar en consideración esta alternativa. Con la realización del sistema Solera 2.0 se dispone de una solución nacional especializada en el control de todo el proceso de añejamiento de bebidas. Gracias a su flexibilidad puede utilizarse en cualquier fábrica de ron, independientemente de su envergadura o requisitos de producción y ventas. No existe actualmente en Cuba ningún otro sistema con estas características, excepto el Solera 1.0, con las limitaciones antes expuestas. NOVEDADES DEL SISTEMA SOLERA 2.0 En la tabla 1 se exponen de forma comparativa las principales diferencias entre la versión actual del sistema y la versión anterior. Algunas características de la versión actual son explicadas en detalle más adelante. DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA El sistema funciona bajo una arquitectura cliente-servidor. Esto significa que los datos están alojados en una base de datos central con toda la seguridad requerida, y en cada estación de trabajo (las computadoras de los usuarios) se instala el software

2. SCADA: Es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar variables de proceso a distancia, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática por medio de un software especializado. http://es.wikipedia.org/. 3. PLC: Son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial. Son diseñados para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Algunos autores los identifican como Autómatas Programables Industriales. http://es.wikipedia.org/.

Solera 2.0, que se encarga de establecer la comunicación con el servidor central. El establecimiento de la comunicación software-datos es configurable, por lo que esta

aplicación es fácilmente adaptable a cualquier distribución en red. En la figura 1 se muestra un esquema de este tipo de comunicación.

Tabla 1. Comparación entre la versión 1.0 y la versión 2.0 del sistema Descripción

Versión 1.0

Versión 2.0

Adaptabilidad a los requisitos de cada ronera

Herramientas poco configurables. Los reportes se presentan de forma estática. Está diseñado para el trabajo en soleras pequeñas, con características similares al CERALBE.

Plataforma de desarrollo e instalación

Se desarrolló en el gestor de bases de datos Microsoft Access, lo cual lo hace muy dependiente de la versión que esté instalada en la computadora.

Distribución

Es un sistema alojado en la computadora del cliente. Aunque puede trabajar en red, la capacidad de concurrencia es limitada.

Generación automática de datos

La introducción de los datos depende totalmente del usuario, incluyendo el cálculo de la edad de los toneles.

Operaciones sobre varios toneles simultáneamente

Ninguna.

Compatibilidad con otros sistemas y formatos

No ofrece ninguna opción para exportar la información a otros formatos.

Seguridad del sistema

No presenta ninguna estrategia para la seguridad de los datos.

Copias de seguridad

Dependen del usuario.

Herramientas totalmente configurables. Cada reporte puede personalizarse con la selección de los campos a mostrar. Su diseño está pensado para cualquier tipo de solera. Fue desarrollado en el lenguaje de programación C++ y la base de datos diseñada en el gestor de bases de datos Microsoft SQL Server. Presenta un asistente de instalación muy fácil de utilizar. Es un sistema alojado en la computadora del cliente pero funciona de manera distribuida con una base de datos central en un servidor. No existen límites en cuanto a la concurrencia de las solicitudes. Propone valores por defecto que aceleran la edición de los datos de entrada. Calcula de forma automática la edad de los toneles, su altura en centímetros y la cantidad de litros después de cada movimiento. Permite registrar el llenado y vaciado de uno o varios toneles simultáneamente. Facilita el traslado de los toneles marcados hacia otra ubicación de la solera. Presenta opciones que permiten exportar los listados a Microsoft Excel y Adobe PDF. El acceso al sistema se realiza mediante la solicitud de cuenta de usuario con contraseña. Toda la información relacionada con los usuarios se almacena de forma encriptada en la base de datos. Se implementaron niveles de seguridad según la autoridad que posea cada usuario en el manejo de la información. Aunque el usuario puede ejecutar este proceso cuando lo estime conveniente, las copias se realizan automáticamente cada cierto tiempo (definido por el administrador de la base de datos).

Las ventajas de la configuración clienteservidor son muchas, pero las más notables se enfocan en torno a la seguridad y disponibilidad de la información. Por ejemplo, si una estación de trabajo deja de funcionar por cualquier motivo, las otras tendrán acceso a la información, pues los datos están almacenados en un servidor central. Por otro lado, un servidor es generalmente una máquina con una arquitectura de hardware robusta, que además de poseer una capacidad mucho mayor de procesamiento, rara vez se daña.

con total independencia de las otras estaciones, algo que no sería posible con una configuración local.

Figura 1. Ejemplo de arquitectura clienteservidor.

Codificadores de datos Almacenan la información primaria del sistema. Su objetivo es personalizar el funcionamiento del software para que sea adaptable a cualquier tipo de solera, independientemente de su tamaño, distribución, cantidad de toneles y/o productos almacenados. Se ofrecen un total de 7 codificadores o nomencladores, como se les conoce en algunas bibliografías técnicas: • Listado de bodegas • Listado de tipos de depósticos. Ej: Rack, Pila Gallega, Parle, etc. • Listado de depósitos • Listado de productos • Tamaño de los toneles • Listado de tipos de extracciones • Datos generales de la entidad

HERRAMIENTAS PRINCIPALES DEL SISTEMA Como cualquier sistema para la gestión y control de procesos, las herramientas del software Solera 2.0 garantizan la entrada mínima de datos posible. Luego procesa esta información y la muestra de forma conveniente para el usuario a través de reportes previamente configurados. El principio de funcionamiento de este sistema es obtener la mayor cantidad de información posible a partir del mínimo de datos almacenados, característica fundamental para aquellos especialistas que deben llevar simultáneamente el análisis, el control y la producción. Debido a la cantidad de opciones que ofrece esta aplicación no se ha considerado conveniente explicarlas todas, en lugar de ello, se han seleccionado aquellas que son imprescindibles para la ejecución del programa.

Existen variantes más sofisticadas con innumerables prestaciones, pero en principio, el funcionamiento es este. En cualquier caso, sin embargo, existen algunas características poco positivas que deben tomarse en consideración. En primer lugar, la información no está en la máquina del usuario y la transferencia de datos se realiza mediante una red que el sistema no verifica, por lo que pueden existir virus ocultos que dañen la información. Por otro lado, si el servidor central falla por algún motivo y no existe un respaldo de seguridad, la información no estará disponible para ninguna estación de trabajo hasta que se restablezca el servicio. No obstante a estas consideraciones, es conveniente aclarar que estos aspectos rara vez afectan el funcionamiento de un sistema en particular. Es innegable que este tipo de comunicación hace del sistema Solera 2.0 un software mucho más robusto con un amplio alcance para los usuarios. Nótese que un especialista podrá realizar consultas de información desde su estación de trabajo

Una muestra de estos se aprecia en la figura 2. Registro de toneles Almacena la información de cada tonel de la entidad. Con esta herramienta el especialista puede describir los datos de cada uno de sus toneles, para luego consultarlos por cualquiera de sus campos. Esta herra7

Figura 2. Algunos codificadores del sistema.

Figura 3. Herramienta para el registro de toneles.

además por cada tonel, a medida que se le realizan los movimientos, la altura actual en centímetros y la cantidad de litros almacenados. Cuando se selecciona un tonel aparecen dos opciones, una para darle baja o reactivarlo, y otra para ejecutarle un movimiento. Además, se pueden llenar o vaciar varios toneles simultáneamente, o bien trasladarlos a otra ubicación. Como se muestra en la figura 3, con esta herramienta se pueden gestionar los toneles de todas las bodegas de la entidad. Registro de movimientos: Almacena la información de cada movimiento realizado. En este sentido registra la identificación del tonel, el tipo de movimiento y la información significativa del tonel antes y después del movimiento, por ejemplo: cantidad de litros y añejamiento. Presenta opciones para filtrar los resultados, y permite seleccionar una bodega, un tipo de depósito y un rango de fechas. Obsérvese la figura 4.

Reportes El sistema ofrece un total de 14 reportes. Estos se agrupan en tres clasificaciones, las relacionadas con los movimientos, las relacionadas con la información de los toneles y las relacionadas con los productos almacenados. En algunos casos se combinan estas clasifica-

Figura 4. Movimientos registrados. mienta genera automáticamente el añejamiento de cada tonel tomando para ello la fecha actual del servidor central y los datos del último movimiento realizado. Genera 8

ciones para dar solución a los requisitos de los usuarios. Algunos reportes son: • Bajas y movimientos por tonel y periodo • Valoración de las extracciones por período(gastos incurridos en el período evaluado) • Toneles llenos, vacíos, o por rango de edad • Situación de los toneles para formular • Cantidad de litros por producto • Ubicación de los toneles por producto • Toneles por producto, litros y añejamiento

búsqueda. Otras opciones son la de exportar el listado hacia Microsoft Excel y la generación de una plantilla de impresión, desde la cual se puede imprimir el documento generado o exportarlo hacia Adobe PDF. Las figuras 5a y 5b constituyen ejemplos de esto. Transferencia y consulta de datos antiguos Es común que los especialistas evalúen solamente la información más actualizada, dejando los reportes anteriores para análisis estadísticos o partes relacionados con alguna inspección. El sistema Solera ofrece una alternativa para garantizar esta práctica. Cuando se desea marcar un grupo de registros como "no actuales", se especifican las fechas a partir de las cuales se desean mantener los registros (movimientos y bajas) en la base de datos central (véase figura 6). Luego aparecen una serie de confirmaciones y cuando se termina el proceso, se habrá generado un fichero en la propia estación de trabajo con la información no deseada. A partir de ese momento los registros antiguos desaparecen de la base de datos central, pero no se pierden. Para consultarlos basta con abrir el archivo mencionado y el sistema se adapta para establecer una conexión local, y ofrece entonces todos los reportes mencionados anteriormente.

Como se mencionó anteriormente existen otros reportes, pero en general, el funcionamiento es el mismo. Todas las herramientas para la obtención de información disponen de una paleta de configuración que permite personalizar los parámetros de

Figura 5a. Reporte configurable.

Figura 6. Transferencias de bajas y de movimientos. Una vez concluida la consulta de datos antiguos el usuario puede restablecer la conexión remota original, y obtiene entonces los registros más actualizados.

Figura 5b. Hoja de impresión generada. 9

SEGURIDAD DEL SISTEMA

trada en un sistema de trazas que se ejecuta paralelamente a la aplicación. En cada traza se almacena la identificación del usuario, fecha y hora en que fue ejecutada, la acción realizada y la herramienta que se puso de manifiesto. Este proceso potencia la seguridad del sistema y permite llegar a conclusiones sobre las actividades realizadas por cada especialista. El tiempo máximo que se almacenan estos registros es de un año de antigüedad.

Como se aprecia en la tabla 1, el sistema Solera dispone de varios esquemas de seguridad. Desde el punto de vista del usuario, se exige para poder acceder a la información la descripción de una cuenta de usuario con contraseña. Véase figura 7a. Una vez autenticado, el sistema determina cuáales herramientas puede activar en dependencia del nivel de autoridad del especialista autenticado. Estos niveles son en orden de mayor a menor autoridad: (administrador general, administrador, usuario avanzado y usuario restringido). Mientras que un administrador general puede ejecutar cualquier acción, un usuario restringido puede solo consultar información sin posibilidad alguna de editarla o exportarla. Estos niveles se explican detalladamente en la documentación de ayuda del software.

DOCUMENTACIÓN Y AYUDA DEL SISTEMA Con la instalación del software se brinda un manual del usuario y un fichero de ayuda que puede consultarse desde cualquier herramienta. Se ofrecen los datos generales del ICIDCA y la información de contacto necesaria para localizar a los autores. Con estas opciones, el usuario puede aclarar cualquier duda sin necesidad de que los desarrolladores del software se dirijan a su entidad. CONCLUSIONES • A partir del análisis de las condiciones actuales en las roneras cubanas se pudieron identificar los problemas existentes para gestionar y controlar las actividades en las soleras. • Se realizó un estudio del estado del arte para analizar las herramientas similares existentes en Cuba y el mundo. No se identificó ningún sistema cubano con características similares al Solera. Por los elevados precios y poca adaptabilidad a las roneras cubanas de los sistemas extranjeros, se determinó la necesidad de implementar una solución nacional. • Constituye una necesidad para las roneras de Cuba la instalación de un sistema como el Solera, lo cual ha

Figura 7a. Autenticación de usuario.

Figura 7b. Registro de trazas de usuario. Como se observa en la figura 7.b, cada acción realizada por cada usuario es regis10

• •

•

sido avalado por especialistas del sector. Este sistema facilita el cálculo de los parámetros de cada tonel, incluido su añejamiento para realizar nuevas formulaciones y planes de producción. Con la actualización del sistema hacia la versión 2.0 se eliminaron las dificultades existentes con la versión anterior. Se ha realizado, de conjunto con especialistas del CERALBE una etapa de validación del sistema que ha permitido refinar las herramientas del software y ha demostrado su utilidad. El software Solera para la gestión y control de bodegas de añejamiento constituye un resultado con un impacto económico considerable. Permite valorar el gasto incurrido por concepto de extracción de bebidas en divisa y su equivalente en moneda nacional. Es un producto comerciable, cuenta con un manual del usuario, ayuda en línea y plegable promocional. Por sus características configurables puede ser implantado en cualquier ronera independientemente de su tamaño, organización y/o productos almacenados.

2. Casares, R., y Olmedo, R.G. Estudio analítico de algunos coñacs españoles, Anal. Bromatol., I, 31-56. 1949 3. Giménez, R.; López, H.; Villalón, M.; López Martínez, M.C. Evolución de los parámetros físico-químicos en aguardientes macerados con madera de roble: Influencia del tiempo de maceración. Alimentaria, julio-agosto: 111-117. 1997 4. Capote M. Manual de utilización del sistema computacional Solera. Versión 2.00, ICIDCA, pp. 1-18. 2008 5. Feria Internacional de Informática en La Habana, http://www.informaticahabana.cu/. (Visitado: 01/03/2011). 6. Feria Internacional de Informática en La Habana "Informática 2011", http://www.informaticahabana.cu/node/1 667. (Visitado: 01/03/2011). 7. Siemens Global Web Site, http://www.siemens.com/. (Visitado: 03/03/2011). 8. Siemens - Food and Beverage Industry, http://aunz.siemens.com.au/productivity-ae_food_beverage/. (Visitado: 03/03/2011). 9. Siemens - Greater efficiency and productivity for the food and beverage industry, http://www.automation.siemens.com/mc m s / f o o d beverage/industry/Pages/Default.aspx. (Visitado: 03/03/2011). 10. Sistema Easy WMS®, http://www.mecalux.cl/software-para-bodegas/32106521p.html. (Visitado: 04/03/2011).

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Bravo Abad, F. y Pérez Rodríguez, L. Muestras comerciales de brandy y coñac. Alcoholes superiores y espectro de absorción ultravioleta. Alimentaria, 22 (6), 89100. 1985

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 12 - 18

Dayamí Borges-Rodríguez, Ana Nelis San Juan-Rodríguez, Angela O. Díaz-LLanes, Eulalia Gómez-Santiesteban, Raúl Hernández-Sanchez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar CP.33500, Quivicán, Mayabeque, Cuba cuba10@enet.cu RESUMEN Se realizó una caracterización física de la zeolita proveniente de los yacimientos de San Juan de la Yeras, con el objetivo de evaluar sus posibilidades para ser usada como soporte sólido en la formulación del biofertilizante Azospirillum. Se evaluaron fracciones de tres tamaños de partícula, de las que la fracción Zoac (<0,8 mm) fue la más apropiada de acuerdo con sus características y disponibilidad. Se realizaron experimentos mediante un diseño factorial 22 para evaluar la estabilidad del inoculante formulado en soporte sólido, teniendo en cuenta dos niveles de relación de inoculación y concentración celular del producto. De acuerdo con los resultados obtenidos, el producto líquido no puede ser almacenado a temperatura ambiente por un período superior a 14 días, mientras que la zeolita provee al microorganismo de un ambiente adecuado para su mantenimiento por un período de 90 días. La inoculación más efectiva resultó ser la realizada al 21 % con una titulación del producto al salir del fermentador de 1 x 109 UFC/ml para una tasa de extinción celular de 1,4 x 106 cel/ml-1/día-1. La poca cantidad de inóculo líquido que es capaz de admitir este material y su bajo contenido de materia orgánica constituyen desventajas que debe ser consideradas para el establecimiento de una formulación definitiva del biofertilizante. Palabras clave: zeolita, biofertilizante, Azospirillum. ABSTRACT A physical characterization of zeolite from San Juan de las Yeras was carried out to assess its possibilities as a solid support in the formulation of Azospirillum biofertilizer. Three fractions with different particle size were tested being the Zoac fraction (<0,8 mm) the most appropiated according to its characteristics and availability. Different experiments were carried out through a 22 factorial design with two levels of inoculant ratio and cell concentration in product to assess the stability of inoculant formulated on the solid. According to obtained results, the liquid product can be stored at ambient temperature for more than 14 days, whereas zeolite provides a suitable environment to microorganism able to mantain for 90 days. The most effective inoculation turned out to be that carried out at 21 % with a titer at the fermentor outlet of 1 x 109 CFU.ml-1 for a ratio of cell extinction of 1,4 x 106cell.ml-1.day-1. The amount of inoculant admited by this material is very low which, together with the minimal concentration of organic matter, are drawbacks to be taken into account for biofertilizing formulation. Keywords: zeolite, biofertilizer, Azospirillum. 12

INTRODUCCIÓN

para los inoculantes microbianos. Estos deben cumplir una serie de características que favorezcan el mantenimiento y conservación de los microorganismos con una vitalidad adecuada para el momento de la aplicación. Dentro de las mismas se encuentran una elevada capacidad de absorción y retención de agua, un contenido elevado de materias orgánicas y nutrientes, baja tendencia a la formación de grumos, facilidad de molida y naturaleza biodegradable. El elevado cumplimiento de estos requerimientos ha hecho que la turba se haya convertido en el soporte sólido mayoritariamente empleado en los estudios realizados con Azospirillum (8,9). No obstante, la necesidad de búsqueda de otras alternativas a la turba es un imperativo debido a la escasez de yacimientos en nuestro país, además de resultar la extracción de estos un atentado contra la estabilidad ecológica de los ecosistemas. Las zeolitas naturales son aluminosilicatos cristalinos microporosos con estructuras bien definidas en la que prevalecen los tetraedros de [SiO4]4- y [AlO]5-, unidos a través de los átomos de oxígeno. La estructura presenta canales y cavidades de dimensiones moleculares en las que se encuentran los cationes de compensación, moléculas de agua, sales y otros. Este tipo de estructura microscópica hace que las zeolitas presenten una superficie interna extremadamente grande, entre 500 y 1000 m2/g, con relación a su superficie externa. Aunque esta superficie es poco accesible para componentes de tipo macromolecular, la microporosidad de estos sólidos es abierta y la estructura permite la transferencia de materia entre el espacio intracristalino y el medio que lo rodea. Los tetraedros [AlO4]5- inducen cargas negativas en la estructura, las que se neutralizan por cationes de compensación intercambiables. Estos cationes junto con las moléculas de agua, ocupan el espacio intracristalino de estos aluminosilicatos (10). Esta estructura le confiere a la zeolita dos propiedades muy importantes: capacidad de adsorción e intercambio iónico, las que son ventajas a su favor, para el posible uso como soporte de inmovilización y podrían resultar muy atractivas para la obtención de un producto para la biofertilización, más aún si se trata de microorganismos que no son capaces de formar estructuras de resistencia (11).

El desarrollo agrícola, que en nuestro país se ha convertido en una tarea estratégica para la satisfacción de las necesidades alimenticias de la población y para el incremento productivo, en sectores tan importantes como la industria azucarera, ha significado un reto para los científicos cubanos quienes se encuentran enfrascados en la búsqueda de alternativas económicas y ambientalmente sostenibles. El uso de biofertilizantes ha sido desde hace algunos años una de las armas más acertadas con este fin. Las bacterias del género Azospirillum han sido ampliamente estudiadas y utilizadas en la biofertilización. La capacidad del Azospirillum para estimular el crecimiento de las plantas ha sido demostrada en decenas de experimentos, tanto de campo como de invernadero. Varios son los mecanismos que se han sugerido como responsables del efecto estimulatorio. Además de fijar nitrógeno, esta bacteria es capaz de producir hormonas de crecimiento vegetal, y genera un incremento importante en la magnitud del sistema radicular, lo que permite mayor capacidad de absorción de agua y nutrientes disponibles en el suelo, incluyendo la mayor absorción de los nutrientes o fertilizantes aplicados, por lo que significa una disminución en la necesidad del empleo de fertilizantes químicos (1-4) El modo más sencillo para el empleo de estos inoculantes es su aplicación en forma líquida, directamente a los cultivos sin experimentar procesamiento posterior a la salida del fermentador. Sin embargo, se conoce que el licor de Azospirillum obtenido en el fermentador pierde rápidamente viabilidad, y en ocasiones, luego de 30 días de almacenamiento, prácticamente ya no existen células viables de esta bacteria en el líquido (5). Al mismo tiempo, aparecen frecuentemente grandes contaminaciones de otros microorganismos. La experiencia indica que para que un producto comercial cumpla con los requerimientos se necesita una formulación fácil de aplicar, que disminuya las dificultades para su transportación y con posibilidades de ser almacenado sin que se pierdan sus propiedades (6,7). Con el fin de satisfacer esta necesidad se han empleado numerosos soportes sólidos 13

En este trabajo se presentan los estudios realizados con el objetivo de aprovechar estas posibilidades de la zeolita para su empleo como soporte sólido del biofertilizante Azospirillum y el establecimiento de una formulación que garantice el cumplimiento de los requerimientos para este producto.

Determinación de pH En un vaso de precipitado de 250 ml se suspendieron 10 g de zeolita en 90 ml de agua. Se agitó la mezcla con agitador magnético, a la vez que se determinó el valor del pH utilizando un pHmetro HANNA pH213. Contaminación microbiana Se pesó 1 g de zeolita y se resuspendió en 100 ml de agua estéril agitando en zaranda rotatoria por 1 h. La suspensión resultante se sembró por diseminación en placas de Agar Nutriente a partir de diluciones seriadas de la misma y se incubó por 72 horas a 35 °C.

MATERIALES Y MÉTODOS Microorganismo empleado Se utilizó la cepa 8I de Azospirillum brasilense proveniente de la colección de microorganismos del INICA. La misma fue aislada de la rizosfera de la caña de azúcar, variedad Jaronú 60-5 y seleccionada por su capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico.

Capacidad de retención de agua Se pesaron 100 g de zeolita (base seca) en un vaso de precipitado de 500 ml, se agregó agua agitando constantemente hasta lograr la saturación, después se adicionó agua hasta conseguir una pasta suave. Se transfirió a un cilindro graduado previamente tarado, con un agujero en el fondo cubierto con una malla y se dejó drenar durante 24 horas. Al cabo de este tiempo se pesó el cilindro con su contenido. Se expresó la capacidad de retención de agua sobre el peso seco del soporte.

Desarrollo del cultivo Para la obtención del inóculo en el laboratorio se partió de una cepa crecida en medio BMS (12), y se utilizó para la propagación el medio diseñado por el INICA con fructosa y extracto de levadura como fuentes de carbono y nitrógeno, respectivamente (13). La propagación se llevó a cabo en zaranda giratoria, en erlenmeyers de 500 ml de capacidad total y volumen efectivo de 100 ml, a una temperatura de 37 ºC y una velocidad de agitación de 180 rpm durante 16 horas. El medio fue esterilizado en autoclave a 121 ºC durante 30 minutos. El inóculo así obtenido fue utilizado para inocular el fermentador de 50 l, y posteriormente el de 500 l utilizando un medio con miel final y levadura hidrolizada como fuentes de carbono y nitrógeno, respectivamente.

Determinación de humedad recomendada La cantidad de inóculo a agregarse al soporte puede ser muy inferior a la capacidad de retención del mismo, ya que el inoculante resultante debe ser de textura friable, no pegajosa o grumosa, por lo que se procedió a determinar la cantidad deseada de líquido a agregar por el método de prueba y error. Para ello se prepararon 6 bolsas de polipropileno de 10 x 10 cm con 50 g de zeolita en cada una. Se agregó a la primera bolsa 5 ml menos de agua que el volumen correspondiente a su capacidad de retención de humedad, y se continuó hasta que cada bolsa recibió 5 ml menos que la anterior. Se sellaron las bolsas y el contenido se manipuló hasta lograr una absorción completa de la humedad. Se dejó reposar por dos horas. Al cabo de este tiempo, se comprobó manualmente la consistencia de cada una y se escogió el tratamiento que absorbió la mayor cantidad de agua manteniendo la textura deseada. Se registró la relación zeolita/agua. El nivel de humedad recomendada se expresó en porcentaje y se calculó

Caracterización física de la zeolita Para la preparación de los bioinoculantes se evaluó como soporte sólido la zeolita proveniente de los yacimientos de San Juan de la Yeras, Las Villas, la que se encuentra disponible en tres tamaños de partículas diferentes. La materia prima se caracterizó de acuerdo con la metodología propuesta previamente (14). Se realizaron análisis de: humedad, pH, contaminación microbiana, capacidad de retención de agua y humedad recomendada. Determinación de humedad Se realizó en un analizador de humedad Sartorius MA 150. 14

sobre la base del peso húmedo de la preparación final.

placas a partir de diluciones seriadas de la muestra original en el medio semi-selectivo Agar-Rojo Congo, el que permite el reconocimiento de las colonias de Azospirillum a partir de la aparición de colonias típicas con un color rojo oscuro o escarlata. Se estudió, además, la estabilidad del biofertilizante no soportado, envasado en recipientes plásticos estériles a temperatura ambiente (25-30 °C). Con los datos obtenidos se determinó la tasa de cambio de extinción (-) o multiplicación (+) a partir de la fórmula [T= X2-X1/t2t1], donde X es el número medio de células.ml-1 en tres repeticiones de la muestra en el tiempo (t). Los resultados fueron analizados estadísticamente mediante análisis de varianzas (ANOVA).

Preparación del biofertilizante soportado y estudios de estabilidad Para la inoculación se utilizó la zeolita (Zoac), la que fue previamente esterilizada en autoclave mediante dos tratamientos de 1 h, 121 °C, 1 atm. Se utilizó para los experimentos el producto obtenido en dos lotes experimentales en el fermentador de 500 l. Para el análisis de la estabilidad del biofertilizante Azospirillum soportado, se trabajó con un diseño factorial 22 en el que se estudió el efecto de la relación de inoculación y la concentración inicial del inoculante sobre el comportamiento de la viabilidad del producto en el tiempo. La tabla 1 muestra las variables del diseño aplicado.

Tabla 1. Diseño experimental para el estudio de la estabilidad del biofertilizante Azospirillum soportado en zeolita

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización física de la zeolita Variantes Concentración celular Los resultados de la -1 experimentales del inoculante (UFCml ) caracterización física reaI 1,2 x 109 lizada a la zeolita se II 1,0 x 1010 muestran en la tabla 2. III 1,2 x 109 Los resultados obtenidos, luego de la caracteriIV 1,0 x 1010 zación de la zeolita, Tabla 2. Caracterización física de la zeolita muestran que en todos los casos los valores de Análisis Zeolita Zeolita Zeolita retención de agua y micronizada (Zoac) granulada humedad recomendada Tamaño partícula Micronizada <0,8mm 1-3 mm son relativamente bajos Humedad (%) 2,9 3,6 5,3 en comparación con la pH 8,2 8,4 7,0 turba. En un soporte estas características Contaminación 5,3 x 105 1,3X106 * (UFC/g) determinan la cantidad de inóculo líquido que Retención de agua 38 30 * (%) puede agregársele y por lo tanto, el número de Humedad 29 21 * recomendada (%) células viables del micro* E l elevado tamaño de partícula no permite la formación de una mezcla organismo por unidad de homogénea para la realización de los análisis. peso en el producto final. De la misma manera, la El material inoculado se envasó en bolhumedad recomendada es la cantidad máxisas de polipropileno de 10 x 10 cm y se ma de inóculo líquido que puede retener un almacenó a temperatura ambiente 25-30 °C. soporte manteniendo una textura deseada, Se realizó un conteo de células viables es decir, una consistencia friable y no pegasemanalmente durante 30 días y cada dos josa. Los valores bajos de estas propiedades semanas por un período de 90 días. Las siemsugieren que la cantidad de este soporte bras fueron realizadas por diseminación en necesaria para preparar adecuadamente el Relación de inoculación (% de inoculante) 21 21 30 30

bioinoculante es alta, e igualmente lo será, la cantidad del mismo que se debe añadir al suelo para cumplir con los requerimientos de fertilización, lo que evidentemente, constituye una desventaja. Se aprecia en la tabla que la zeolita micronizada presenta valores superiores de retención de agua y humedad recomendada. Sin embargo, la diferencia con respecto a la Zoac no es significativa si tenemos en cuenta que este tipo de zeolita es de mucho más difícil producción y adquisición, de acuerdo con sus elevados precios en el mercado. Otro factor a considerar es el hecho de que la Zoac es un subproducto en la industria que no es utilizado con otros fines. Por estas razones se decidió utilizar esta última para los ensayos de estabilidad. Los niveles de contaminación son elevados, lo que implica la necesidad de un proceso de esterilización previo a la inoculación.

Figura 1. Comportamiento de la vibilidad en el tiempo del biofertilizante Azospirillum en medio líquido a temperatura ambiente.

Estudios de estabilidad El hecho de que uno de los principales propósitos de la utilización de soportes sólidos para los biofertilizantes sea garantizar una vitalidad elevada de los microorganismos durante largos períodos de tiempo, facilitando su almacenamiento, determina que el estudio de la estabilidad del biofertilizante soportado sea uno de los principales puntos en los que debemos detenernos a la hora de evaluar la calidad de estos. En la figura1 se puede apreciar el comportamiento de la viabilidad en el tiempo del Azospirillum en medio líquido a temperatura ambiente (25-30 °C). Como es fácilmente apreciable, el número de células viables decrece considerablemente en el tiempo, pues se observa una disminución de 1x109 UFC.ml-1 a 1,85x107 UFC.ml-1 al cabo de los 30 días con una pérdida completa de la viabilidad luego a los 60 días, para una tasa de extinción de 1,6 x 107 células. ml1.día-1. Por otra parte, los niveles de contaminación con hongos y bacterias son elevados bajo estas condiciones, afectando considerablemente su vitalidad. En las figuras 2 y 3 se puede apreciar el comportamiento de la viabilidad del Azospirillum brasilense soportado en zeolita y en la tabla 3 los valores de la tasa de extinción para las variantes experimentales.

Figura 2. Comportamiento de la vibilidad en el tiempo del Azospirillum brasilience soportado en zeolita para 21 % de inoculación.

Figura 3. Comportamiento de la vibilidad en el tiempo del Azospirillum brasilience soportado en zeolita para 30 % de inoculación.

De acuerdo con los resultados obtenidos, la utilización de la zeolita como soporte sólido para Azospirillum garantiza que después de 90 días de almacenamiento su viabilidad solo decrece en un orden, obser16

para el establecimiento de una formulación definitiva para el biofertilizante. 3. La zeolita tipo Zoac debe ser inoculada a 21 % para lograr una consistencia adecuada para la aplicación del biofertilizante. 4. La tasa de extinción celular para el biofertilizante soportado en zeolita es mayor para una mayor concentración celular del inoculante.

Tabla 3. Tasa de extinción calculada para las diferentes variantes experimentales Variante experimental I II III IV Sin Soportar

Tasa de extinción (cel.ml- 1.día -1) 1,4 x 10 6 8,1 x 10 6 2,2 x 10 6 9,0 x 10 6 1,6 x 10 7

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Bashan, Y., Levanony, H.. Current status of Azospirillum inoculation technology: Azospirillum as a challenge for agriculture. Can. J. Microbiol.36:. 591-608. 1990 2. Lin, W.; Okon, Y.,Hardy, R.W. Enhanced mineral uptake by Zea mays and sorghum bicolor roots inoculated with Azospirillum brasilense. Appl. Environ. Microbiol. 45: 1775-1779. 1983. 3. Pacovsky, R.S.; Paul, E.A., Bethlenfalvay, G.J. Nutrition of sorghum plants fertilized with nitrogen or inoculated with Azospirillum brasilense. Plant Soil 85: 145-148. 1985. 4. Paredes-Cardona, E.; Carcaño-Montiel, M.G.; Mascarúa-Esparza, M.A., Caballero-Mellado, J. Respuesta del maíz a la inoculación con Azospirillum brasilense. Rev. Latino-amer. Microbiol. 30: 351-355. 1988 5. Nápoles M., Velazco A. Utilización del ácido ascórbico como preservante en biopreparados de Azospirillum brasilense. Cultivos tropicales. 15(2): 25-27, 1994. 6. Bashan, Y. Inoculants of plants growthpromoting bacteria for use in agriculture. Biotechnol Adv. 116: 729-770. 1998. 7. Bashan, Y.; Hernández, J.P.; Leyva, L.A., Bacilio, M. Alginate microbeads as inoculant carriers for plants-growth promoting bacteria. Biol Ferlility Soils.35:. 359368. 2002. 8. Villar, J.; Viñals, M.; Alvarez, X.; Dorta, M. Tecnología de producción de inoculantes de Azospirillum y factibilidad económica de su aplicación agrícola en cultivos seleccionados, Cultivos tropicales. 26 (3): 23-26, 2005. 9. Viñals, M.; Villar, J. Avances en la formulación y aplicación de inoculantes bacterianos de uso agrícola. Cultivos tropicales. 20 (4): 9-17. 1999.

vándose para todos los casos una tasa de extinción mucho menor que la del biofertilizante no soportado. Los niveles de contaminación resultaron igualmente bajos. El análisis estadístico mediante ANOVA y Prueba de Múltiples rangos reflejó la existencia de diferencias significativas asociadas a la concentración inicial del inoculante, siendo la tasa de extinción celular mayor para las variantes II y IV, las cuales comenzaron con mayor concentración celular. En el caso de la relación de inoculación no se apreciaron diferencias significativas para los dos niveles analizados. Es necesario aclarar que estos niveles no influyen en la concentración celular del producto una vez formulado, y se observó para ambos una disminución semejante. Para el caso de las muestras inoculadas con 21 %, su consistencia es la más adecuada físicamente para la aplicación por su friabilidad. COINCLUSIONES 1. El biofertilizante Azospirillum en medio líquido no debe ser almacenado a temperatura ambiente por un período mayor de 14 días, pues ocurre una pérdida significativa de su vitalidad y se alcanzan elevados niveles de contaminación. 2. La zeolita provee al Azospirillum de un medio adecuado para su conservación por un período de 90 días, sin pérdidas considerables de su vitalidad y niveles relativamente bajos de contaminación, aunque la poca cantidad de inóculo líquido que es capaz de admitir y el bajo contenido de materia orgánica constituyen desventajas que deben ser consideradas 17

10.

Olguín-Gutiérrez, M.T. Zeolitas. Características y Propiedades. <http://www.ua.es/grupo/lma/web%20c yted/publicaciones/cyted%20librotaller V/II.1%20Teresa%20Olguin(PDF).pdf>. 2007. (Fecha de Consulta: 10/1/2011). 11. Monge, O.; Valenzuela, J.L.; Acedo, E.; Certucha, M.T. Almendáriz, F.J. Biosorción de Cobre en sistema por lote y continuo con bacterias aerobias inmovilizadas en Zeolita natural (Clinoptilolita). Rev. Int. Contam. Ambient. 24 (3): 107-115. 2008. 12. Döbereiner, J. Methods for evaluating biological nitrogen fixation: forrage gras-

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 19 - 22

Ramón Consuegra-del Rey Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Carretera de Boyeros a la CUJAE, km 2 ½. Boyeros. La Habana. Cuba. ramon.consuegra@icinaz.minaz.cu RESUMEN Se simula el proceso de cocción de las masas cocidas finales en los tachos, sobre la base de un modelo matemático. Se analizan variantes de control ideal de la sobresaturación y del contenido de cristales que reflejan la necesidad de puntos de ajuste variables en los sistemas de control basados en mediciones de la conductividad eléctrica y del brix, respectivamente. Se sugiere una explicación sobre las posibilidades de un mayor agotamiento con el uso de tachos continuos. Palabras clave: modelo, simulación, masa cocida. ABSTRACT "C" massecuite boiling process is simulated using mathematical model. Ideal controls of supersaturation and crystal content are evaluated. These control alternatives indicate the necessity of variable set-points in such systems based on conductivity and brix control. An explanation about better exhaustion in continuous vacuum pans is also suggested. Keywords: model, simulation, massecuite.

-INTRODUCCIÓN

en gran medida la superficie cristalina y la distancia entre los cristales presentes en las masas cocidas. Este último aspecto incide notablemente sobre la evitación de la nucleación espontánea en zonas localizadas de los tachos donde la circulación no es totalmente perfecta. Como elemento adicional acerca de la importancia del control del contenido de cristales, se encuentra su estrecha influencia sobre la consistencia, la que determina a su vez la necesaria fluidez de las masas cocidas en los tachos.

En el caso de la cocción de masas cocidas en los tachos, el control de la sobresaturación y del contenido de cristales puede considerarse como una alternativa de control ideal (1). La sobresaturación constituye la fuerza directora de la transferencia de masa y su valor deberá estar en el intervalo comprendido entre las fronteras de saturación y de nucleación espontánea. Por otra parte, el contenido de cristales condiciona 19

Hasta el presente no se han logrado medir la sobresaturación y el contenido de cristales de forma directa y continua a los efectos del control automático del proceso, por lo que se usan métodos indirectos sobre la base de la medición de variables que de alguna forma se relacionan con las de interés. Entre los más extendidos se encuentran el conductimétrico que usa a la conductividad eléctrica como variable de referencia y la radiofrecuencia que se relaciona con el Brix de las masas cocidas. En los últimos años ha logrado buen espacio el uso de microondas para medir el Brix de las masas (2). En el presente trabajo se analizan relaciones entre las variables indirectas con la sobresaturación y el contenido de cristales ante diferentes alternativas de control a lazo abierto.

este resultado, debido a que un número considerable de sistemas de control, para tachos instalados en la industria, usan la conductividad eléctrica como variable fundamental de control.

Figura 1. Variación de la conductividad. Situación controlada de sobresaturación y contenido de cristales.

MATERIALES Y MÉTODOS La definición del modelo matemático del proceso de cocción de las masas cocidas C en los tachos, referida en la parte 1 del presente trabajo (3), ofrece la posibilidad de simular las diferentes alternativas de control que se analizan.

Por tratarse de un análisis asociado con tendencias, se decidió relacionar el comportamiento de la conductividad respecto a su valor inicial (Ωm/Ω0) con la fracción del incremento de la masa (ΔM/Mt = (M - M0)/ Mt; donde Mt y M0 simbolizan los valores inicial y final de la masa contenida en el tacho, respectivamente. Se puede precisar que el valor de la conductividad eléctrica debe descender en la medida en que se incrementa el contenido de la masa en el tacho. Esto significa que los sistemas de control deben contemplar un set-point de carácter variable en función del nivel de la masa cocida y que la variación no es lineal. Se ha podido apreciar que en reiteradas ocasiones los operadores mantienen el set-point fijo, al parecer porque esta condición se corresponde de manera relativamente aceptable en la etapa anterior a la producción de la masa cocida C, consistente en la cocción de la masa de "cristalización" que es el pie de la masa sometida a este estudio. Las figuras 2 y 3 muestran la disminución de la sobresaturación y del contenido de cristales al aumentar el contenido de masa cocida en el equipo, en el caso en que el set-point de la conductividad eléctrica permanece constante. Se aclara que en este caso, por tratarse de una simulación del proceso que no considera un control ideal de la sobresaturación, el flujo de agua evaporada responde a la ecuación (2 - 7) derivada de la Parte 1 (1) del presente trabajo:

RESULTADOS Y DISCUSIÓN El control de la sobresaturación y del contenido de cristales Por tratarse de 2 variables que se deben controlar simultáneamente será necesario igual número de variables de mando, por lo que el contenido de cristales es regulado mediante el flujo de miel B, y la sobresaturación a través del flujo de agua que se condensa en la calandria, que es equivalente al flujo de agua que se evapora en el tacho. Para lograr este objetivo mediante el uso del modelo matemático, se derivan las expresiones que calculan la sobresaturación y el contenido de cristales, respectivamente y las derivadas se igualan a cero, despejándose las expresiones del flujo de miel y de vapor resultantes de estas condiciones. En este caso de control ideal se asume que el tacho es capaz de evaporar toda el agua que sea necesaria para que la sobresaturación mantenga su valor durante todo el proceso. La figura 1 establece el comportamiento de la conductividad eléctrica de la masa cocida ante la alternativa de control sujeta a análisis. Se le concede especial atención a 20

E = 0,045. ΩM + 0,1176. MT + 0,001

la masa ante la alternativa en que se controlan la sobresaturación y el contenido de cristales por lo que, en el caso de sistemas de control que se basen en RF y microondas, respectivamente, también los set-points de Brix deberán ser variables.

Las variables E, ΩM y MT representan el flujo de agua evaporada, la conductividad eléctrica de la masa cocida y la masa contenida en el tacho, respectivamente. El comportamiento de las variables fundamentales implica la disminución de la velocidad de cristalización por concepto de la disminución de la sobresaturación, y la alta probabilidad de nucleación espontánea en zonas localizadas del tacho, al disminuir el contenido de cristales (en Cuba se conoce como la presencia de "sobrante de miel").

Figura 4. Variación del brix de la masa, Situación controlada de la sobresaturación y el contendio de cristales. Resulta interesante el reporte (2) acerca de la medición continua del contenido de cristales en un tacho industrial. El sistema se fundamenta en la medición del Brix del licor madre con un refractómetro en línea y la del Brix de la masa cocida mediante microondas, junto a la consecuente determinación del contenido de cristales según:

Figura 2. Variación de la sobresaturación a conductividad constante.

CC =

(Brix de masa - Brix de licor) (1,00 - Brix de licor)

Usando el modelo matemático, se simuló el proceso ante la alternativa de control del contenido de cristales, regulando el flujo de miel B ante la condición de presión de vapor constante en la calandria del tacho discontinuo, sobre el que se basaron las corridas experimentales que dieron lugar a los ajustes de los coeficientes de las ecuaciones del modelo. La figura 5 refleja el comportamiento de la sobresaturación, cuyo valor se incrementa hasta un nivel determinado de la masa cocida en el tacho, para luego decrecer hasta un valor cercano al punto de saturación aún cuando el referido nivel no ha alcanzado su valor máximo. Por otra parte, la figura 6 establece el resultado del estado comparativo entre la relación flujo de agua evaporada / flujo de cristalización (E/FC) ante esta alternativa de control y aquella en la que se controlan

Figura 3. Variación del contenido de cristales a conductividad constante. El uso de transmisores de radiofrecuencia (RF) ha sido extendido desde hace varios años por concepto de su relación con el Brix de las masas cocidas y es común que sean conceptualizados como transmisores de Brix. Por otra parte, en los últimos años se reportan (2) ventajas del uso de las microondas a los efectos del control, ya que esta medición permite definir de forma directa el contenido de agua en las masas cocidas y por ende su brix. La figura 4 indica que el Brix de la masa cocida (Bxm) debe aumentar con el nivel de 21

nar el incremento de las posibilidades de agotamiento de los licores madre en el caso de la cocción de la masa cocida final. Esta sugerencia se fundamenta en que sus más altos coeficientes de transferencia de calor, posibilitados por concepto de la baja y constante carga hidrostática y por la alta y constante relación superficie calórica/volumen, reducen la posibilidad de que la sobresaturación descienda a partir de una determinada etapa del proceso.

Figura 5. Variación de la sobresaturación a presión constante en la calandria.

CONCLUSIONES Los resultados de la simulación del proceso de cocción de las masas cocidas C en los tachos indican el carácter variable y no lineal que deben tener los set-points en los sistemas de control basados en mediciones que se relacionan con la sobresaturación y el contenido de cristales, entre las que se encuentran la conductividad eléctrica, la radiofrecuencia y las microondas. Se puntualiza que en el caso de la producción de masas cocidas finales en tachos discontinuos, el flujo de evaporación puede ser un paso limitante que limite el potencial de agotamiento de los licores madre, lo que constituye un elemento a favor de los tachos continuos en los casos en que se decida valorar la aplicación de esta última tecnología.

Figura 6. Variación de la relación E/FC a presión constante en la calandria. simultáneamente la sobresaturación y el contenido de cristales, la que permanece constante acorde con la línea recta representada en la figura. Se puede apreciar que el comportamiento de la sobresaturación está vinculado con la desproporción entre ambos flujos por concepto del exceso de flujo de agua evaporada en los inicios de la cocción y por defecto de este a partir de un valor definido del nivel de masa cocida. La disminución de la sobresaturación durante la etapa en que su valor resulta alto es simple mediante la reducción de la presión en la calandria; sin embargo, el caso opuesto se complica, ya que las posibilidades de incrementar la presión están limitadas por un valor máximo que depende de la fuente de suministro de vapor al tacho. La modificación del valor máximo es posible, pero apunta hacia el incremento del consumo de vapor en el proceso. Lo analizado anteriormente permite reflexionar acerca de que, a las demostradas ventajas de los tachos continuos (respecto a los discontinuos) desde los puntos de vista de los incrementos de la productividad y de la economía energética, se pudiera adicio-

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 23 - 29

Miguel A. Otero-Rambla, Oscar A. Almazán-del Olmo, Daniel Bello-Gil, Gustavo Saura-Laria, Julio A. Martínez-Valdivieso-Piloto 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 Las levaduras son capaces de acumular cantidades apreciables de la mayoría de los minerales presentes en su medio de crecimiento. Una buena proporción de los contenidos de cenizas (7,5-8,1 %) encontrados en la levadura panadera o en la recuperada de la fabricación de cerveza, está constituida por fosfato de potasio. Adicionalmente, la levadura posee la habilidad de acumular, en elevadas concentraciones, otros iones presentes en los sustratos en los que crecen, aun cuando no les sean necesarios. Las vinazas de destilación de alcohol contienen cerca de 70 % del potasio, proveniente de los fertilizantes químicos empleados en los campos de caña; así, la fertilización y el riego con estas aguas residuales debe ser calculada cuidadosamente para evitar la salinización del suelo. Cuando la levadura Candida utilis crece en un medio compuesto por vinazas de destilación, sales nutrientes (fosfato y sulfato de amonio) y un estimulador de crecimiento microbiano, muestra una gran resistencia a la concentración de potasio en las condiciones de cultivo continuo. En los estudios experimentales realizados, las células de levadura fueron propagadas bajo las condiciones mencionadas en el párrafo anterior, en presencia de concentraciones crecientes de K2O en el medio de propagación, desde 2,5 gl-1 ( correspondientes a vinazas procedentes de la fermentación de melazas de caña) hasta 25 gl-1. La tasa máxima de crecimiento (µmax) varió desde 0,32 a 0,28 h-1 para los valores extremos señalados, en tanto que el rendimiento biomasa-sustrato se encontró en el rango de 0,23 a 0,18. Estos resultados sugieren que la levadura propagada sobre vinazas de destilación pueden reducir significativamente el contenido de potasio de estos residuales, haciéndolos más adecuados para propósitos de irrigación. De acuerdo con los informes de evaluación sobre la utilización de esta levadura en la alimentación animal, no se encontraron efectos negativos sobre la salud de estos. Palabras clave: descontaminación de vinazas, proteína unicelular, proteína forrajera, remoción de potasio. ABSTRACT Yeasts accumulate varied amounts of most of the minerals present in their growth media. Much of the 7.5-8.1% ash found in baker's yeast or harvested from beer is potassium phosphate, also yeasts have the ability to accumulate other ions (but not necessarily nee23

ded) in high concentration. Distillery slops still contains about 70 % of potassium present in the soil of cane fields as chemical fertilizer; thus ferti-irrigation with these waste has to be carefully calculated since otherwise soil salinization can occur. When grown in a medium composed by distillery slops, nutrient salts (ammonium phosphate and sulphates) and microbial growth enhancer Candida utilis yeast shows a great resistance to potassium concentration under continuous culture. In the reported experiments yeast cells were propagated under above conditions with increasing amounts of K2O in the propagation mediums from 2,5 gl-1 concentration (corresponding to distillery slops from blackstrap molasses fermentation) up to 25 gl-1. Specific growth rate (µmax) ranged from 0,32 to 0,28 h-1 for the extreme values mentioned above, while biomass-substrate yield coefficient were 0,23 to 0,18 respectively. These results suggest that yeast propagated on distillery slops could significantly reduces the potassium content of this wastes, making them suitable for irrigation purposes. According to the reported nutritional assessment the potassium accumulated has no deleterious effect over the animal health. Keywords: distillery slops decontamination, single cell protein, feed protein, potassium removal.

INTRODUCCIÓN

resulta en una menor emisión de vapores a temperatura ambiente y, consecuentemente, una mayor seguridad en su manipulación y empleo. Adicionalmente, el etanol anhidro muestra valores mínimos y máximos de calentamiento de 21,2 mJ/l y 23,4 mJ/l respectivamente, también inferiores a los de la gasolina, que requiere 30,1 y 34,9 mJ/l. El etanol, como combustible alternativo a las fracciones del petróleo fósil, exhibe actualmente, un crecimiento en su producción muy rápido. Es previsible que se mantenga este ritmo en el futuro, de manera que pueda ser mezclado con la gasolina de forma extensiva. Muchos ecologistas cifran sus esperanzas en que este pueda ser desarrollado como una fuente más limpia de combustible que el petróleo o el gas natural. Por otra parte, la agroindustria azucarera presenta un impacto ambiental elevado en todos los países tropicales y subtropicales que operan esta producción (5). Es conocido, sin embargo, que esta industria genera cantidades importantes de empleo en Latinoamérica, en la medida que la caña es uno de los cultivos comerciales más extendidos en el área, y al mismo tiempo, se encuentra entre las plantas más eficientes en secuestrar el dióxido de carbono del

Actualmente existen en el mundo 121 países productores de azúcar y 57 que producen etanol a partir de la caña comercialmente. Aproximadamente el 72 % del azúcar producida en el mundo proviene de la caña. Con relación al etanol, 54 % se produce de granos, en tanto que 46 % se basa en la caña de azúcar (1). La producción de etanol se concentra principalmente en Estados Unidos y Brasil, que combinados acaparaban 91 % de la producción mundial en 2010 (2). Aunque por décadas Brasil no tuvo rival como el mayor productor de alcohol en el mundo, desde 2005 los Estados Unidos lo superaron, sobre la base del empleo de granos (maíz fundamentalmente) (3). El etanol ha mostrado ser un excelente combustible para motores, de hecho, la patente alemana original del motor de combustión interna, en el siglo XIX, especificaba al etanol como su combustible. Posee un RON (Research Octane Number) de 108,6 y un MON (Motor Octane Number) de 89,7; muy semejantes a los de la gasolina estándar (4)1. El etanol tiene, además, una presión de vapor inferior a la de la gasolina, lo que

1. En la mayoría de los países, incluyendo Australia y todos los de Europa, el número que se muestra en las bombas de las gasolineras es el RON, sin embargo en Canadá, EE.UU. y algunos otros como Brasil, el número mostrado es un promedio entre el RON y el MON conocido como PON (Pump Octane Number). 24

entorno y mediante la fotosíntesis convertir la energía solar en biomasa. Una medida de este poder limpiador es que una hectárea de caña de azúcar secuestra -cada año- 19 toneladas métricas de dióxido de carbono de la atmósfera, algo que ningún otro cultivo alcanza. Esto la convierte en un cultivo realmente eco-amigable, superando a la remolacha azucarera. El azúcar y el etanol son casi los únicos productos que la industria azucarera genera y ambos precisan grandes cantidades de agua, que el proceso retorna, pero en forma de grandes volúmenes de residuales líquidos (6). Dentro de los residuales industriales más contaminantes, se encuentran las vinazas de destilación de alcohol, consecuencia de sus altos contenidos de sustancias orgánicas e inorgánicas. Las vinazas se generan en proporciones que oscilan entre 12 y 16 m3/m3 de etanol destilado y su carga orgánica - en términos de demanda química de oxígeno (DQO) fluctúa entre 30 y 65 mg/ml, en dependencia de las eficiencias de fermentación y destilación de la instalación fabril (6, 7). Para reducir el impacto ambiental de la disposición de estas vinazas en los cursos de agua, se han implementado varias estrategias de abatimiento de su potencial contaminante, fundamentalmente a partir de sistemas biotecnológicos, de manera de cumplimentar los límites de contaminación permitidos por la mayoría de las disposiciones legales vigentes. Entre estos procedimientos, destacan: la fertirrigación, la digestión anaeróbica, la desalinización y concentración, la combustión de vinazas en quemadores especiales y el reciclado al proceso, para reducir, al mismo tiempo, las cantidades de agua de dilución (6, 7). En nuestro país se ha desarrollado una tecnología comercial que, además de reducir significativamente el potencial de contaminación de las vinazas, permite obtener un rico concentrado proteico de uso forrajero como producto adicional. Esto significa que, la revalorización de las vinazas a través de la producción de proteína microbiana, convierte este residual en una materia prima valiosa y adicionalmente, al abatir una buena parte de su carga contaminante, hace una contribución importante al manejo sostenible de los ecosistemas en los que se

encuentra enclavada la destilería (7, 8) aportando humedad a los campos y combatiendo así otra de las amenazas al entorno: la desertificación. Resulta que si bien se presta una atención adecuada a la fracción orgánica de las vinazas, no sucede lo mismo con sus componentes minerales, en especial las sales de potasio que constituyen la abrumadora mayoría de las cenizas (9). Las vinazas contienen cerca del 70 % del potasio extraído de los campos por la caña. La devolución de este nutriente a los cultivos es sin dudas un aporte de no poca importancia económica. Sin embargo, la irrigación con estas aguas residuales debe ser calculada cuidadosamente puesto que de otra manera, la salinización de los suelos es un peligro real. El potasio, por otra parte, es un elemento esencial en el metabolismo microbiano y eventualmente puede ser incorporado por la biomasa de levadura durante el proceso de propagación sobre vinazas. El objetivo de este trabajo es precisamente, la evaluación de la remoción de potasio por la propagación de células de levadura y el efecto del mismo sobre los parámetros cinéticos de su crecimiento. MATERIALES Y MÉTODOS Microorganismo Se empleó la cepa de levadura Candida utilis NRRL Y-660 en la propagación, en todos los experimentos realizados. Los inóculos fueron preparados a partir de cuñas de agar-malta, incubadas por 24 horas a 32 ºC y pH 4,5 en una zaranda orbital termostatada, en un medio con melazas de caña y con un contenido de sustancias reductoras totales de 20 mg/ml suplementadas con sales de sulfato y fosfato de amonio, para cubrir los requerimientos nutricionales de las células. Para la propagación de la levadura en modo discontinuo, se utilizó un fermentador Marubishi MD5 con un medio compuesto por vinazas provenientes de la fermentación alcohólica de las melazas de caña de un destilería local, con una concentración de DQO de 60 mg/ml suplementadas con sales nutrientes de sulfato y fosfato de amonio en concentraciones de suficiencia 25

de manera que el sustrato limitante fuese la concentración de DQO. Se añadió al medio de propagación un promotor de crecimiento microbiano QZ-350 (Quimizuk, La Habana, Cuba) como fuente de micronutrientes en concentración de 0,03 mg/ml. Se adicionaron al medio de cultivo diferentes concentraciones de sulfato de potasio para determinar la resistencia de las células a este elemento y determinar su comportamiento cinético bajo estas condiciones.

Las vinazas de destilación procedentes de melazas muestran una concentración de sólidos típica en el entorno de 6-7 bx. Si provienen de la fermentación de jugos, la concentración apenas alcanza 5 °Bx. La tabla 1 ofrece una comparación entre ambas vinazas. Tabla 1. Composición promedio de las vinazas de destilación de etanol procedentes de la fermentación de melazas y jugos de caña

Análisis químico El contenido de nitrógeno fue determinado según Kjeldahl (10) en un analizador automático de nitrógeno Kjeltec Auto System 1030 (Tecator AB, Haganas, Sweden). La materia seca gravimétrica fue llevada a cabo por desecación a 105 ºC por 24 horas y los lípidos por extracción con éter etílico y desecación hasta peso constante en una estufa de vacío 60 ºC. La DQO fue estimada por reflujo en una mezcla de oxidación de la muestra en presencia de dicromato de potasio (11). Las cenizas se cuantificaron por incineración a 600 ºC por 4 horas, enrasando posteriormente a 100 ml con agua destilada y el potasio detectado por espectrofotometría de absorción atómica referido a la materia seca igualmente.

Componente Melazas Sólidos totales, 70-80 mg/ml DQO, mg/ml 60-65 pH 4,6 Cenizas, % 1,7-3,5 Nitrógeno Kjeldahl, 0,70 mg/ml Fósforo (P 2O 5), 0,30 mg/ml Potasio,mg/ml 3,74-7,83 Calcio, mg/ml 1,8 Magnesio, mg/ml 0,77

Jugos 25 30-35 4,1-4,5 1,5-3,0 0,43-0,50 0,25 1,20-2,10 0,51 0,23

El potasio es el componente mayoritario de las cenizas de las vinazas, independientemente de cual sea el sustrato de la fermentación. Esto es una consecuencia de los requerimientos de potasio por la caña de azúcar. Este es el nutriente de mayor aplicación al suelo y las demandas de la planta pueden ascender hasta 800 kg/ha.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Producción de etanol de caña de azúcar La figura 1 muestra el esquema de la producción de bioetanol a partir de la caña. Azúcares

FERMENTACIÓN

Reactivos químicos (sales nutrientes, etc)

DESTILACIÓN

Recirculación levadura

DESHIDRATACIÓN

Etanol

Vinazas 26

Una cosecha de 100 t de caña retira del suelo una cantidad de K2O en el entorno de 220 kg (12). Alrededor de 98 % de los iones metálicos en los jugos o las melazas son K, Ca y Mg, pero el primero es ampliamente el más abundante de los tres. Las melazas típicas presentan un contenido de potasio en sus cenizas en el entorno de 70 a 75 % (13). El uso de las vinazas en la fertilización de los suelos, ha evolucionado en los últimos años desde la disposición directa en los cursos de agua en los años de la década del los 70 hasta la actualidad, en la que un uso más racional se ha impuesto tratando de prevenir la contaminación del manto freático (12). No obstante, se ha documentado que la mayor desventaja en el empleo de las vinazas como fertirrigación, radica en el transporte de las vinazas desde el sitio en el que se generan hasta los campos de caña. Cuando la distancia alcanza 50 km, los costes reales de irrigación se incrementan por encima de los USD/ha. De esta manera, el área real de disposición de las vinazas para estos propósitos es significativamente menor a aquella de que proviene la caña cosechada con la acumulación de potasio en el suelo, por encima de las necesidades de la planta. Los iones potasio representan la mayor fracción mineral intracelular en la mayoría de las células. Se ha informado su rol crucial en una amplia variedad de procesos metabólicos, incluyendo la regulación del volumen celular, el pH interno, biosíntesis de proteínas y la prevención del efecto perjudicial de los iones sodio (14, 15). La limitación de iones potasio hace posible inclusive, que los iones amonio devengan tóxicos para la célula (16). La propagación de las levaduras en las vinazas de destilación de alcohol, dejando a un lado el hecho de que se produce proteí-

na, un nutriente en general escaso, es capaz de eliminar potasio del medio de crecimiento e incorporarlo a la biomasa celular. Para evaluar los límites de inhibición de la concentración del potasio en el crecimiento, se llevó a cabo un grupo de experimentos a diferentes concentraciones de este ion. La tabla 2 ofrece algunos parámetros cinéticos de la levadura en función de la concentración de potasio. La tabla muestra el comportamiento cinético de las células de levadura en presencia de concentraciones de potasio entre 5 y 30 mg/ml en el medio de cultivo. Esta última concentración es aproximadamente 6 veces superior al contenido típico en las vinazas. En el entorno de 13 mg/ml no hay efecto significativo del potasio en la tasa máxima de crecimiento, el rendimiento biomasa-sustrato o la productividad volumétrica para la levadura C. utilis. Los valores obtenidos son muy similares a los informados previamente por otros autores (6, 8) para una composición similar del medio sin adición de potasio. El hecho de que la levadura sea capaz de crecer en altas concentraciones de potasio y poseen la habilidad de acumular la mayoría de los minerales presentes en el medio de cultivo, aunque no sean necesarios para el metabolismo, permite ajustar el contenido mineral de las células cosechadas de cualquier medio en particular, para eliminar metales indeseables en los residuales líquidos (17, 18). La última columna en la tabla 2 muestra el contenido de potasio acumulado en las células bajo las condiciones experimentales impuestas. En una vinaza típica estos valores permiten retirar alrededor de 50 % del potasio presente en el medio. En la medida que el contenido de potasio se incrementa en el medio, la cantidad retirada también aumenta, aunque en una proporción menor con

Tabla 2. Parámetros de crecimiento de la levadura Candida utilis NRRL Y-660 bajo diferentes concentraciones de potasio [ K+] , mg/ml

µmax, h -1

0,00* 0,228 12,96 0,225 25,91 0,175 * contenido de K+ > 5 mg/ml.

P, mg/ml-h

Yx/s

1,403 1,321 1,236

0,226 0,206 0,177

K en levadura, mg/ml 21,2 32,7 42,1

relación a la cantidad presente. Sin embargo, para la mayoría de los propósitos prácticos, la propagación de levadura no solo reduce la carga orgánica de las vinazas en 60-70 % (19), sino también la mitad de su contenido de potasio. Los informes de trabajos de investigación relacionados con el uso de la levadura de vinazas en la alimentación animal no muestran efectos deletéreos en la salud de estos (20-22).

5. Octane rating http://en.wikipedia.org/ wiki/Octane_rating (consultado Julio 2011) 6. Otero, M.A., Saura, G., Martínez, J.A., Almazán, O.A. Fodder yeast production: a new approach for distillery vinasses treatment Int Sugar J 110 (1319): 693696, 2008 7. Otero, M.A.; Martínez, J.A., Saura, G. Las vinazas de destilerías. Un co-producto de la producción de etanol más que un residuo? 49 Conferencia de ATAC, Santiago de Cuba, noviembre 1-4, 2006 8. Martínez, J.A.; Almazán, O.; Saura, G. y Otero, M.A. Production of fodder yeast from stillage in Cuba: an environmental approach Zuckerindustrie 129, 92-95, 2004 9. Van Andel, A., Van Lier, J.B. Vinasse treatment for energy production and environmental protection at alcohol distillery plants IX International Congress on Sugar and derivatives. International Workshop on Production and Uses of ethanol CFC- ISO-ICIDCA, Havana, June 20th, 2006 10. Anon. Nitrogen determination by Kjeltec Auto System, Application Note 53, Tecator AB. 1983 11. Conde, J.; Bartok, J.; Reyes, A. Método rápido para la determinación de la Demanda Química de Oxígeno. ICIDCA Sobre los deriv 12 (3): 21-26, 1978. 12. Veronez de Sousa, A.S. Uso da vinhaça na lavoura de cana-de-açúcar. Distribuição e formas de aplicação International Workshop on Sustainable Production of Alcohol and Beverages, Proc. X International Congress on Sugar and Derivatives, ISBN978-959-7165-163, 2008 13. Otero, M.A., Reyes, A., Carrera, E., León, M.A. Composition and properties of sugar cane molasses from northeastern Cuba Int Sugar J 95 (1129) 4-8, 1993 14. Gómez, M.J., Luyten, K. and Ramos, J. The capacity to transport potassium influences sodium tolerance in Saccharomyces cerevisiae. FEMS Microbiol Lett 135: 157-160, 1996 15. Rodríguez-Navarro, A. Potassium transport in fungi and plants. Biochim Biophys Acta 1469: 1-30, 2000 16. Hess, D.C, Lu, W., Rabinowitz, J.D,

CONCLUSIONES La propagación de levadura ofrece un método sui géneris de descontaminación de las vinazas de destilación del etanol, reduciendo al mismo tiempo la carga orgánica de estas y su fracción mineral, en especial el contenido de potasio. De acuerdo con los resultados obtenidos, la propagación de levaduras, en un medio de vinazas, es un excelente pre-tratamiento para la posterior irrigación. Así, estos residuales previamente tratados con una carga orgánica inferior a 30 mg/ml de DQO y contenidos de potasio en el entorno de 2,5 mg/ml, presentan un impacto ecológico muy inferior al de las vinazas no tratadas al ser empleadas para la fertirrigación de los campos de caña, constituyendo, además una fuente segura y valiosa de humedad y materia orgánica. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Camacho, M., Ramos, J. and RodríguezNavarro, A. Potassium requirements of Saccharomyces cerevisiae Current Microbiol. 6 (5):295-299. 2005 2. F.O. Licht, World Ethanol and Biofuels Report, 8 (16) 28 April p. 328. 2010 3. Nastari, P.M. World ethanol market-overview and outlook. IX International Congress on Sugar and Derivatives. International Workshop on Production and Uses of Ethanol CFC - ISO - ICIDCA, Havana, June 20th, 2006 4. Strapason, A. Ethanol and environment IX International Congress on Sugar and Derivatives. International Workshop on Production and Uses of Ethanol CFC ISO - ICIDCA, Havana, June 20th, 2006 28

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 30 - 37

Marelys Medina-Estevez, Yelenys Hernández-Corvo, Tamara Susana León-Martínez Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Planta Bioprocesos, CP. 33500, Quivicán, Mayabeque. Cuba calidadc9@enet.cu

RESUMEN Se estudia la etapa de prehidrólisis del bagazo de la caña de azúcar en el proceso de obtención de etanol a partir de residuos lignocelulósicos. Se obtienen parámetros tecnológicos que permitan garantizar las condiciones óptimas de trabajo y aumentar el rendimiento de la etapa. Se cuenta con un modelo matemático que describe el comportamiento del material en estudio bajo diferentes condiciones de operación. Estos resultados, permiten disponer de toda la información requerida para acometer los estudios de inversión de plantas industriales, lo cual contribuirá a la solución de las necesidades crecientes de energía de la humanidad, de forma amigable con el medio ambiente. Palabras clave: prehidrólisis, xilosa (xilano), furfural, bagazo de la caña de azúcar, producción de etanol. ABSTRACT The process of prehydrolisis stage of sugarcane bagasse for the obtainment of ethanol from lignocellulosic residues is studied. Thus technological parameters leading to the appropriate conditions to increase the yield of this stage were achieved. A mathematical model that describes the behavior of the material under different operating conditions is available.These results, give the information required to carry out further investment studies for industrial installations, which constitutes a contribution to the solution of the impending of energy needs environmentally friendly. Keywords: prehydrolisis, xylan, furfural, sugar cane bagasse, ethanol production.

INTRODUCCIÓN

Estos resultados pueden ser utilizados para el escalado de esta etapa y acometer los estudios de inversión de plantas industriales, lo cual constituirá una contribución a la solución de las necesidades crecientes de energía de la humanidad, de forma amigable con el medio ambiente.

Actualmente, en el mundo se lleva a cabo gran cantidad de estudios y proyectos para desarrollar la producción a escala comercial de etanol, a partir de biomasa lignocelulósica. Los materiales que más se han investigado son: la madera y los residuos forestales, el papel reciclado y losresiduos de la industria papelera, el bagazo de caña, los desechos agrícolas, así como los residuos sólidos urbanos (1-4). En este trabajo se estudia la etapa de prehidrólisis en el proceso de obtención de etanol a partir del bagazo de la caña de azúcar. De esta forma, se obtienen los parámetros tecnológicos que permiten garantizar las condiciones óptimas de trabajo y aumentar el rendimiento de la etapa. Además, se dispone de un modelo matemático que describe el comportamiento del material en estudio bajo diferentes condiciones de operación. La conversión de materiales lignocelulósicos a etanol incluye dos etapas fundamentales: hidrólisis de la celulosa del material lignocelulósico a azúcares reductores fermentables y la fermentación de los azúcares a etanol (5, 6). Este proceso consta de las siguientes etapas: 1. Pretratamiento, cuya función es hacer más susceptible y accesible el material para la etapa posterior. 2. Prehidrólisis, que permite liberar las hemicelulosas que contiene el material. 3. Hidrólisis, que libera la glucosa presente en los materiales lignocelulósicos. 4. Fermentación de las hexosas y pentosas para obtener etanol. 5. Separación y concentración del etanol.

MATERIALES Y MÉTODOS Los licores de prehidrólisis se obtuvieron a partir de bagazo integral almacenado a granel por el sistema Cuba 9, cuyas características se reflejan en la tabla 1. Esta caracterización fue realizada mediante la aplicación de métodos de análisis químicos convencionales (7), obtenidos a partir de un muestreo realizado a una pila de un metro de altura de bagazo integral, localizada en el patio del centro. Se tomó un kilogramo a diferentes alturas de la pila, con el fin de obtener muestras lo más representativas posible. Tabla 1. Composición del bagazo integral Componentes Celulosa Pentosanos (Hemicelulosas) Lignina Extractivos Cenizas

Composición (%) 46,4 23,9 23,6 2,4 3,7

Los experimentos se realizaron en un digestor rotatorio ubicado en las instalaciones piloto de pulpa de la planta de bioprocesos. Las características técnicas del equipo se describen en la tabla 2.

Uno de los principales problemas vinculados a la producción de etanol, a partir de biomasas lignocelulósicas, es el pretratamiento e hidrólisis de la materia prima. De su efectividad dependerá que se obtengan altos rendimientos durante la conversión de los azúcares a etanol. Es por eso que se pretende con este estudio: 1. Realizar un diseño de experimentos que permita estudiar el comportamiento de la etapa de prehidrólisis del bagazo con agua caliente. 2. Determinar las mejores condiciones de operación en el intervalo de valores estudiados.

Tabla 2. Características técnicas del digestor Características Especificaciones Capacidad 18 l Medio de calentamiento Resistencia eléctrica Control de temperatura Hasta 200 oC Material Acero inoxidable

Diseño experimental El diseño del experimento ha aplicado un plan factorial 23 en el estudio de la etapa de prehidrólisis del bagazo para la obten31

ción de etanol (8). El plan experimental constó de 8 corridas. La matriz del plan factorial se presenta en la tabla 3.

fermentación alcohólica de estos azúcares (10, 11). Posteriormente, las muestras obtenidas de cada experimento se trasladan a los laboratorios para determinar las concentraciones de azúcares, así como el porciento de lignina soluble y concentración de furfural.

Tabla 3. Diseño de experimento Variables de origen Corridas 1 2 3 4 5 6 7 8

X1 T ( oC)

X2 T (min)

160 180 160 180 160 180 160 180

60 60 90 90 60 60 90 90

X3 Hidromódulo 6 6 6 6 8 8 8 8

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Resultados experimentales En las tablas 4 y 5, que se muestran más adelante, aparecen los resultados experimentales y sus réplicas, respectivamente. A continuación se analiza el comportamiento de cada compuesto obtenido a partir de la prehidrólisis del bagazo con agua caliente.

Los niveles de los factores se seleccionaron de acuerdo con el conocimiento previo acumulado en la materia y el estudio teórico de la operación de prehidrólisis. Para los experimentos se tomó como base de cálculo 1 kg de bagazo (base seca). El hidromódulo utilizado fue una de las variables independientes y expresó la relación entre el líquido total alimentado a la etapa y el sólido total. El bagazo alimentado al digestor presentó 68 % de humedad, por lo que el volumen de agua adicionada al digestor fue una función del valor del hidromódulo fijado y del contenido de agua del bagazo. El diseño persigue la maximización del contenido de celulosa en el sólido y altas concentraciones de xilosa en el licor, así como la minimización de los contenidos de lignina, furfural y de 5-hidroxi metil furfuraldehido, que inhiben el crecimiento microbiano y, por tanto, la fermentación alcohólica (9, 10). Durante la prehidrólisis, ajustando los parámetros de operación prefijados en el digestor rotatorio, tiene lugar la reacción de formación de azúcares. Estos parámetros son: temperatura, hidromódulo y tiempo (tabla 3). La solución obtenida recibe el nombre de prehidrolizado, el cual es un líquido amarillo verdoso, entre cuyos componentes se encuentran: xilosa, glucosa, arabinosa y galactosa. Existen otros componentes que se forman durante el proceso como: ácido acético, compuestos fenólicos y furfural; este último es un inhibidor de la

Concentración de xilosa Se debe señalar que hay parte de la xilosa que no puede ser recuperada, pues su pérdida depende de varios factores (12, 13): • Filtración del prehidrolizado • Neutralización del prehidrolizado • Concentración del prehidrolizado • Conversión a furfural. Los resultados obtenidos experimentalmente de concentración de xilosa (tabla 4) son similares a los reportados en la literatura (5). La temperatura, parámetro de operación prefijado (160-180 °C), tiene un efecto notable en los altos valores de concentración obtenidos (77-80 %). Aunque en la literatura aparecen informados valores superiores de temperatura de trabajo (200-240 °C), lo que implica conversiones mayores (80-85 %), no se pudo trabajar a temperaturas más elevadas por limitaciones en el equipamiento disponible. Contenido de hemicelulosas Para el análisis de los resultados del porcentaje de hemicelulosa se tomó como patrón de referencia los resultados descritos por Martín (10). Este plantea que de la hemicelulosa prehidrolizada, el mayor contenido en cuanto a concentración entre las pentosas, lo presenta la xilosa, aunque existen otros monosacáridos como: arabinosa, galactosa, manosa, entre otros. Los resultados finales demuestran que las pentosas no xilosas se encuentran en muy baja concentración, por lo que pueden despreciarse. 32

Un dato significativo en estos experimentos es que un porcentaje de hemicelulosa presente en la fibra no pudo ser hidrolizado, aspecto que afecta los rendimientos de concentración de xilosa, pues la hemicelulosa que no se solubilizó, es decir, que permaneció en la fibra, contiene xilosa, y por tanto el rendimiento de xilosa en el hidrolizado se afecta (14) (tabla 5). La cantidad de hemicelulosa no hidrolizada es una función de la temperatura. Esto demuestra la necesidad de operar a temperaturas más altas para alcanzar rendimientos mayores de xilosa. Esto está limitado por un factor práctico, la disponibilidad de equipamiento y uno energético, ya que la mayor temperatura incrementa el consumo de energía para el calentamiento (15). En la tabla 4 se reportan los porcentajes de hemicelulosa no hidrolizada.

miento de lignina, los resultados obtenidos fueron los esperados pues la lignina presente en la fibra mantuvo un porcentaje mayor de 95 % (16); en la corrida 2, que en este caso es la óptima, se obtuvo un valor del 99 % (tabla 4). Se demostró que la lignina solubilizada fue del 1 %, valor que no es significativo para etapas posteriores. Furfural e hidroximetilfurfural El furfural y el hidroximetilfurfural son dos de los subproductos obtenidos durante el proceso de prehidrólisis del bagazo para la obtención de monosacáridos que posteriormente se fermentarán a etanol. Las concentraciones obtenidas de ellos están en un intervalo aceptable en comparación con las obtenidas por otros investigadores (2-2,5 g/l), (10). Partiendo de que las temperaturas de ebullición de estos compuestos no sobrepasan los 170 ºC (7), y la temperatura de operación óptima del digestor es 180 ºC, alrededor del 90 % de ellos se evaporan al desgasificar el equipo; además, desde el punto de vista medioambiental no provocan ningún efecto negativo (10). En las posteriores etapas del proceso de obtención de etanol: neutralización, decantación, intercambio iónico, entre otras, los valores de concentración de furfural se eliminan progresivamente (17). Es necesario señalar que a partir de los parámetros prefijados para trabajar en estos experimentos, fundamentalmente la temperatura, se permite que el agua se comporte como un ácido débil, por lo cual la conversión de xilosa a furfural o hidroximetilfurfural (en el caso de la celulosa) es inevitable, puesto que los monosacáridos en

Contenido de celulosa La celulosa es un polisacárido que por hidrólisis puede producir glucosa, que puede ser posteriormente transformada en etanol. Los resultados obtenidos de la celulosa también fueron comparados con la literatura (5) y son considerados satisfactorios, pues cumplieron con el intervalo de porcentajes entre 95-100 % de recuperación de la celulosa en la fibra; se demostró la gran dependencia que presenta la misma con la temperatura. Contenido de lignina La lignina es otro de los agentes inhibidores de la fermentación, pues afecta el ataque microbiano (10). En cuanto a rendiTabla 4. Resultados del diseño de experimento

Temp Tiempo Concentración Corridas o Hidromódulo ( C) (min.) de xilosa (g/l) 1 2 3 4 5 6 7 8

160 180 160 180 160 180 160 180

60 60 90 90 60 60 90 90

6 6 6 6 8 8 8 8

30,59 38,24 28,13 36,87 28,22 37,42 27,4 36,05

% de % de Concentración % de lignina celulosa de furfural hemicelulosa en la en la (g/l) en la fibra fibra fibra 2,40 97 96 22 2,12 99 100 20 2,51 96,5 97 22.5 2,20 98 98 21 2,46 96,5 97 22 2,15 99 98 21 2,61 95 95 23 2,36 97 98 20,5

Tabla 5. Réplicas de los resultados del diseño de experimento Temp Tiempo Concentración Corridas o Hidromódulo ( C) (min.) de xilosa (g/l)

% de % de Concentración % de lignina celulosa de furfural hemicelulosa en la en la (g/l) en la fibra fibra fibra 2,17 98 99 21

180

37,52

160

31,01

2,42

160

28,57

2,53

180

36,2

2,38

180

36,93

2,22

160

28,32

2,48

160

27,47

2,62

180

38,4

2,14

100

caliente y medio muy ácido, sufren una deshidratación que conduce a la formación de un anillo pentagonal de furfural o hidroximetilfurfural, según parta de pentosas o hexosas (2, 18).

las variables y la respuesta. Se reporta el error estándar de la estimación, el cual plantea la desviación normal de los residuos. El error absoluto de la media (MAE) indica el promedio del valor de los residuos. El estadístico Durbin-Watson (DW) examina los residuos para determinar si existe alguna correlación significativa basada en el orden en el que se suceden en los datos del diseño; puesto que el P-valor es superior a 0,05 (tabla 6), significa que no hay indicios de correlación en la serie de residuos (figura 1). Por otra parte, se analizó cómo influyen las variables de operación prefijadas (temperatura, tiempo e hidromódulo) en la concen-

Análisis estadístico La dependencia de la concentración de xilosa con las variables temperatura, tiempo e hidromódulo se ajustó con STATGRAPHICS versión Centurión XV al modelo siguiente: Conc (xilosa)=-30,9888-0,63375*Hidromódulo + 0.4245*Temperatura-0,0504167*Tiempo

para temperatura en °C, tiempo en minutos Tabla 6. Parámetros estadísticos del modelo e hidromódulo en %. de xilosa Los parámetros que muestran la bondad del ajuste realizado y presentado en la ecuaParámetros Valores ción anterior se presentan en la tabla 6. R2 99,2081 % Las variables prefijadas: la temperatura, R 2 (ajustado para g/l) 99,0101 % el tiempo y el hidromódulo presentan el Error estándar 0,4496 valor de P inferior a 0,05 e indican que son Error absoluto medio 0,3156 significativamente diferentes de cero al 95 2,21665 % de nivel de confianza (tabla 7). Un Estadístico Durbin-Watson (P=0,7023) aumento significativo del tiempo convierte el producto de interés en sustancias Tabla 7. Valores de probabilidad indeseables para procesos posteriores, y en particular, la fermentación. Parámetro Estimación Error Estadístico ValorEl estadígrafo R-cuadrado ajustaEstándar T P do para los grados de libertad, el cual Constante -30,9888 2,14456 -14,4499 0,0000 es el más adecuado para la comparaHidromódulo -0,63375 0,11240 -5,63806 0,0001 ción de números diferentes de variaTemperatura 0,4245 0,01124 37,765 0,0000 bles independientes, es alto, lo que Tiempo -0,0504167 0,007493 -6,72787 0,0000 indica una buena correlación entre 34

tración de xilosa (ver figura 2). Se demuestra que la misma presenta una notable dependencia con dichos parámetros, y resalta con gran significación la temperatura.

Como puede apreciarse en la tabla 4, la corrida No. 2, coincide con los valores de las variables optimizadas presentadas en la tabla 8, con la mayor concentración de xilosa, con la menor concentración de furfural y mayor proporción de lignina en la fibra. Los resultados obtenidos en esta tabla fueron comparados con otros diseños de experimentos realizados con anterioridad (5) obteniéndose una gran similitud en cuanto a eficiencia de los resultados antes mencionados.

Optimización del diseño Los resultados de las variables de operación descritas con anterioridad fueron optimizados utilizando el software STATGRAPHICS versión Centurión XV y aparecen en la tabla 8. Para la optimización se emplearon como criterios los estadígrafos "t" de Student y "F" de Fisher con un 95 % de confianza.

Evaluación económica El costo de producción de 1 kg de xilosa en Planta Piloto se tomó como base de cálculo para el análisis. El resultado muestra los indicadores económicos de mayor influencia en el costo de producción y sobre los que es posible incidir en el escalado (19, 20, 21). Para el análisis económico se han considerado 20 días de trabajo y una productividad de 0,05 kg./d. El gasto de salario asume un operador con calificación de obrero durante 24 días laborables. Se tuvo en cuenta los insumos necesarios para la Figura 1. Residuos para la concentración de xilosa. producción de 1 kg de xilosa en la Planta Piloto de pulpa: bagazo integral y agua. Los precios de estas materias primas fueron suministrados por el Dpto. de Precios del Grupo Empresarial Cubano (AZCUBA). Dentro de los servicios que esta producción requiere se encuentran el agua tratada y la energía eléctrica. Los índices de consumo de los materiales empleados fueron calculados tomando como referencia el valor óptimo de Figura 2. Dependencia de los parámetros de operación. concentración de xilosa obtenida (tabla 4). Máxima concentración de xilosa: 38,24 g/l Tabla 8. Valores puntuales referentes al Cantidad de bagazo integral alimentado al diseño de experimento digestor: 1 kg (base seca) Factores Bajo Alto Óptimo Cantidad de agua tratada alimentada al digestor: 3,87 l Temperatura 160 180 180 Cantidad de licor de prehidrólisis obtenido: 5 l tiempo 60 90 60 Cantidad de xilosa extraída: Hidromódulo 6 8 6 38,24 g/l x 5 l= 191,2 g 35

RECOMENDACIONES

Índice de consumo de bagazo integral: 1 kg /0,1912 kg=5,23 kg de bagazo/kg de xilosa Índice de consumo de agua tratada: 3.87 l/ 0,1912 kg=20,24 l de agua tratada/kg de xilosa

Optimizar etapas posteriores, con el fin de obtener mayores rendimientos en la producción de etanol.

Se calculó la ficha de costo unitaria correspondiente a la obtención de 1 kg de xilosa en la Planta Piloto. La tabla 9 muestra un resumen de la desagregación de los costos tomando en consideración la equivalencia de 1 USD=1 CUC=24 pesos MN.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Cardona, C.; Sánchez, O.; Ramírez, J.; Alzate, L. Biodegradación de residuos orgánicos de plazas de mercado. Rev. Col. Biotecnol, 6: 78-89. 2004 2. Sun, Y.; Cheng, J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technol, 83: 1-11. 2002 3. Cundiff, J.S. American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI, 1992, pp. 189-200. 4. Mateos, I. Aprovechamiento de residuos agrarios, 2006. http://www.eeci.net. (Consulta: 15 marzo 2010) 5. Laser, M.; Schulman, D.; Allen, S.G.; Lichwa, J.; Antal Jr., M.J.; Lynd, L.R. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol. Bioresource Technol, 74: 3-15. 2002 6. Lynd, L.R.; van Zyl, W.H.; Mc Bride, J.; Laser, M. Consolidated bioprocessing of cellulosic biomasa: an update. Current Opinión in Biotechnology 16: 577-583. 2005 7. García, J.L.; Suárez, M.; Domenech, F.; Blanco, G.; Santiesteban, C. Alcohol. En: L.O. Gálvez (editor), Manual de los derivados de la caña de azúcar. Tercera Edición. La Habana, Cuba, p. 197-206. 2000 8. Söderström, J.; Pilcher, L.; Galbe, M.; Zacchi, G. Two-step steam pretreatment of softwood by dilute H2SO4 impregnation for ethanol production. Biomass Bioenerg, 24: 475-486. 2003 9. Lynd, L.R.; Weimer, P.J.; van Zyl, W.H.; Pretorious, I.S. Microbial celluloseutilization: fundamentals and biotechnology. Microbiol. Mol. Biol. R., 66: 506-577. 2002 10. Martín, C. Estudio de la inhibición de la fermentación de hidrolizados de bagazo de caña de azúcar para la producción de etanol. Tesis Doctoral, Facultad de Mecánica y Química, Universidad de Matanzas, Cuba, 2002

Tabla 9. Desagregación de los costos Elementos del costo Materias primas y materiales Salario y seguridad social Combustibles Energía Amortización Otros gastos Total

Valor (USD) 93,069 19,057 0,008 65,660 1,840 2,410 182,044

Como resultado, se ha obtenido un costo total para la producción de 1 kg de xilosa de 182,044 en moneda convertible, donde se aprecia que el salario y la seguridad social, así como las materias primas son las partidas del costo que más inciden en el mismo. CONCLUSIONES • Mediante el diseño del experimento realizado se obtuvieron los parámetros óptimos de operación del digestor en la etapa de prehidrólisis, a partir del bagazo de caña de azúcar, mediante el uso de técnicas de optimización apoyados en el software STATGRAPHICS versión Centurión XV. • Se estudió una tecnología a escala de planta piloto, para el tratamiento del bagazo de caña, donde se lograron altos rendimientos de azúcares, así como valores mínimos de sustancias inhibidoras de posteriores procesos. • Los elementos del costo de producción que más inciden son el salario, la seguridad social y las materias primas. 36

11. Palmqvist, E.; Hahn-Hägerdal, B.; Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. II: inhibitors and mechanisms of inhibition. Bioresource Technol, 74: 2533. 2000 12. Farone, W.A.; Cuzens, J.E. Method of separating acids and sugars resulting from strong acid hydrolysis. U.S. Patent 5,580,389. December 3, 1996. 13. Linden, J.C.; Schroedrer, H.A.; Teixeira, L.C. Simultaneous saccharification and cofermentaion of peracetic acid-pretreated biomass. Appl. Biochem. Biotechnol, 84-86, 11-127. 2000 14. Palmqvist, E.; Hahn-Hägerdal, B.; Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. I: inhibition and detoxification. Bioresource Technol, 74: 17-24. 2000 15. Pimentel, D. Ethanol fuels: Energy, economics and environmental impact. Int. Sugar J., 103, 491-494. 2001 16. Lynd, L. R. Cellulosic ethanol fact sheet National Commission on Energy Policy Forum: The future of biomass and transportation fuels, Washington, DC. June 13, 2003

17. Berg C. World Fuel Ethanol. Analysis and Outlook. 2001 www.agraeurope. co.uk/FOLstudies/ FOL-Spec04.html. (Consulta: 5 mayo 2010) 18. Wiekenkamp, S. SunOpta Inc, 2006 swiekenkamp@sunopta.com Website: www.sunopta.com. (Consulta: 11 mayo 2010) 19. Lynd, L. R., Overview and evaluation of fuel ethanol from cellulosic biomass: technology, economics, the environment and policy. Ann Rev Energy Environ, 21:403-465. 1996 20. Pandey, A.; Zoclo, C.R. Economic utilization of crop residues for value addition: a futuristic approach. J. Sci. Ind. Research., 59, 12-22. 2000 21. Zumalacárreui, L.; Pérez, O.; Lombardi, G.; Ramos, P.; Zumalacáregui, B. Beneficios ambientales de la caña de azúcar para la producción de etanol combustible. Ingeniería y Competitividad. Colombia, 2008.

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 38 - 41

María Isabel Díaz-Molina1, Iván L. Rodríguez-Rico2, Zenaida Rodríguez-Negrín1, Mirta E. Cuellar-de la Cruz1 1.Centro de Bioactivos Químicos. Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní km 5 ½, Santa Clara. CP 54830, Villa Clara, Cuba. midiaz@uclv.edu.cu 2.Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química Farmacia. Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní km 5 ½ Santa Clara. CP 54830, Villa Clara, Cuba. RESUMEN Se procedió a analizar la estructura del consumo en el año 2010 por cada portador energético: electricidad, gas licuado, alcohol A, alcohol D, grasas y lubricantes, diesel y gasolina para la obtención del producto intermedio 2-(2 nitrovinil) furano(G-0), el Ingrediente Farmacéutico Activo 2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinil)-furano (G-1) y el vitrofural. Utilizando el diagrama de Pareto se concluyó que el portador energético más utilizado es la electricidad, por lo que se procede a analizar los consumos de energía por equipos en los talleres de producción de 2-(2 nitrovinil) furano, 2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinil)furano y vitrofural. Al realizar el análisis de los paretos se identifican cuáles son los equipos más consumidores de energía eléctrica en cada uno de los talleres, destacándose el consumo del baño de aceite y de los baños de agua. Se estratifica el diagrama de Pareto en el taller de G-0 y se encuentra que la causa particular más influyente es el baño de aceite que sirve como medio de calentamiento y soporte para realizar la síntesis del bioactivo G-0. El gráfico de consumo eléctrico y producción en el tiempo (E-P vs. T) muestra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada en el año 2010. Palabras clave: administración energética, ingredientes farmacéuticos activos, diagrama de Pareto. ABSTRACT The structure of consumption for each energy carrier: electricity, liquefied gas, alcohol, alcohol D, greases and lubricants, diesel and gasoline in the year 2010, was analyzed to obtain the intermediate 2-(2 nitrovinyl) furan (G -0), the active pharmaceutical ingredient 2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl)-furan (G-1) and vitrofural. Using the Pareto diagram it was demonstrated that most widely used energy carrier is electricity, thus it was analyzed the energy consumption of equipment in the production of premises for 2- (2 nitrovinyl) furan, 2 bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl)-furan and vitrofural. When performing Pareto analysis identifies what the teams electricity consumers in each of the workshops, highlighting the use of the oil bath and the bath water. Stratified Pareto diagram in the workshop of G-0 and find that the particular cause most influential is the oil bath that serves as the heating medium and support for the synthesis of bioactive G-0. The graph of power consumption and production over time (E-P vs. T) shows the simultaneous variation of energy consumption with production carried out in 2010. Keywords: Energy management, active pharmaceutical ingredients, Pareto diagram. 38

INTRODUCCIÓN

Teniendo en cuenta estos aspectos la industria farmacéutica exige que el personal a cargo de la administración de las operaciones farmacéuticas se encuentre preparado ante este mercado tan competitivo y en constante evolución. Para ello, es indispensable su actualización al más alto nivel (5). La industria farmacéutica comprende la fabricación de materias primas de uso farmacéutico y de especialidades farmacéuticas (medicamentos, preparados para uso terapéutico o profiláctico, etc.).Dentro de las materias primas de uso farmacéutico se encuentran los principios activos terapéuticos, los productos intermedios y los excipientes o sustancias auxiliares (6). En la Planta de Producción del Centro de Bioactivos Químicos se produce a ciclo completo el ingrediente farmacéutico activo 5-bromo-2(2-bromo-2-nitrovinil)-furano, denominado comúnmente G-1, por vía químico sintética partiendo del 2-(2 nitrovinil) furano (G-0) obtenido a partir del furfural. También se produce en esta planta el vitrofural que se usa como aditivo para los medios de cultivo en la producción de vitroplantas. La eficiencia en la producción y el mejoramiento en la calidad del producto inherente a las buenas prácticas de fabricación implantadas en la producción de bioactivos y vitrofural conducen, inevitablemente, a un mejor uso de la energía. El consumo de energía eléctrica está comprendido dentro de los aspectos ambientales significativos a tener en cuenta en la Planta de Producción del Centro de Bioactivos Químicos.

Las nuevas estrategias para reducir el impacto ambiental derivado de la actividad industrial se basan en un enfoque integral preventivo, que privilegia una mayor eficiencia de utilización de los recursos materiales y energéticos, e incrementan simultáneamente la productividad y la competitividad. Ello involucra la introducción de medidas tecnológicas y de gestión que permiten reducir los consumos de materiales y energía, prevenir la generación de residuos en su fuente misma, y reducir los riesgos operacionales y otros posibles aspectos ambientales adversos, a través de todo el ciclo de producción (1). El objetivo principal de la gestión de la energía es maximizar los beneficios o minimizar los costos. El ahorro de energía es, sin duda, el medio más rápido, el más eficaz y el más rentable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la calidad del aire (2). En los sistemas energéticos de las empresas no saltan a la vista los puntos vitales que determinan los altos consumos, su detección requiere de la aplicación de herramientas estadísticas en diferentes regímenes de trabajo y de herramientas especiales para establecer prioridades en políticas de ahorro y control de la energía. Dentro de los métodos más usados están: diagramas de Pareto, histogramas, estratificaciones, análisis energéticos, análisis entrópicos, balances termoeconómicos. En la actualidad, los energéticos han pasado de ser un factor marginal en su estructura de costos a constituir un rubro importante en los mismos y la necesidad de lograr un mayor equilibrio entre economía y medio ambiente, han convertido al ahorro y uso eficiente de la energía en una herramienta fundamental para lograr este objetivo (3). El incremento de la demanda, el aumento de los precios de la energía, las restricciones financieras para ampliar la oferta energética, la necesidad de lograr mayor competitividad internacional, así como la imperiosa necesidad de protección del medio ambiente, son factores que impulsan actualmente el aumento de la eficiencia energética en la región, pues existe un gran potencial para ello (4).

MATERIALES Y MÉTODOS Se utilizan diagramas de Pareto para presentar la información en orden descendente, desde la categoría mayor a la más pequeña en unidades y en porciento. Los porcentajes agregados de cada barra se conectan por una línea para mostrar la suma incremental de cada categoría respecto al total. Se estratifica el diagrama de Pareto para encontrar las causas particulares más influyentes en el efecto estudiado. En el primer diagrama de Pareto se registran los consumos equivalentes de energía por portador energético en el año 2010. Luego de deter39

minar que el portador energético más utilizado es la electricidad se procedió a realizar el Pareto para el taller de producción de G-0, G-1 y vitrofural, se pusieron los equipos utilizados en las diferentes operaciones de los talleres. De esta manera, se identifican cuáles son los equipos más consumidores de energía eléctrica en cada uno de los talleres. Después, se realiza el gráfico de consumo y producción en el tiempo (E - P vs. T), para mostrar la variación simultánea del consumo de electricidad con la producción realizada en el año 2010 en la Planta de Producción del Centro de Bioactivos Químicos.

En las figuras 2, 3 y 4 (diagramas de Pareto) se puede observar la información en orden descendente del consumo de energía por equipos en los diferentes talleres de producción.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Figura 2. Diagrama de Pareto para el taller de G-0.

En la Planta de Producción la energía térmica se utiliza para el calentamiento de los baños de aceite, calentamiento de los baños de agua, termostato, etc. La energía eléctrica que se consume en la Planta de Producción proviene de la red de distribución del Sistema Eléctrico Nacional y se utiliza en las diferentes operaciones unitarias para impulsar motores eléctricos de los equipos y producir movimiento mecánico. En el emplazamiento físico donde se encuentra la Planta de Producción existe un metro contador eléctrico. Se procedió a analizar la estructura del consumo en el año 2010 por cada portador energético, luego de realizar el análisis se concluye que el portador energético más utilizado es la electricidad como se muestra en el gráfico de Pareto en la figura1, por lo que se procede a analizar los consumos en cada taller de producción.

Figura 3. Diagrama de Pareto para el taller de G-1.

Figura 1. Diagrama de Pareto para el consumo anual en toneladas equivalentes de petróleo por portadores energéticos.

Figura 4. Diagrama de Pareto para el taller de vitrofural. 40

Al realizar el análisis de los paretos se identifican cuáles son los equipos más consumidores de energía eléctrica en cada uno de los talleres, se destaca el consumo del baño de aceite y de los baños de agua. Estratificando el diagrama de Pareto en el taller de G-0 se encuentra la causa particular más influyente y se cambia el baño de aceite de cinco plazas por el baño de aceite de 3 plazas, que consume menos energía eléctrica y cumple la misma función al servir como medio de calentamiento y soporte, para realizar la síntesis del bioactivo G-0. El gráfico de consumo y producción en el tiempo (E - P vs. T) muestra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada, en este caso se analiza el año 2010. El gráfico se realiza para el portador energético energía eléctrica de la Planta de Producción para la producción total, como se muestra en la figura 5.

gía eléctrica en cada uno de los procesos productivos: baño de aceite y baño de agua en el taller de G-0 y baño de agua en el taller de G-1. 2. Se realiza el cambio del baño de aceite de 5 plazas que tiene 12 resistencias de 1,25 kW por el baño de aceite de 3 plazas que tiene 8 resistencias de 1,25 kW . 3. El gráfico de consumo y producción en el tiempo (E - P vs. T) se realiza para el portador energético energía eléctrica de la Planta de Producción y muestra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada, en este caso se analiza el año 2010. Se determina que no siempre un incremento de la producción produce un incremento del consumo de energía asociado al proceso y viceversa, esto se atribuye a que se realizan otras actividades en esa área como las de mantenimiento y existe un solo contador eléctrico. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Zaror, C. A. Principios de diseño de procesos limpios. Zaror, C. ed. Introducción a la Ingeniería Ambiental para la Industria de Procesos. Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería. Universidad de Concepción. Concepción. Chile. Capítulo 6 p 6-1, p 6-32.2000 2. COM. Comisión de las Comunidades Europeas. Libro Verde sobre la eficiencia energética o cómo hacer más con menos. Bruselas. 22- 6, 2005. 3. Yane J.P.; Gaitan, R., Oscar, G. Herramientas para la gestión energética empresarial. Scientia et Technica 11 (29): 169 -174. UTP. ISSN 0122-1701. 2005 4. Reyes, T. Gestión energética. Apuntes para un libro de texto. Facultad de Mecánica. Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.pp. 2 - 83. 2008 5. CEDECAN Convención Internacional para Directores del área técnica de la Industria Farmacéutica. Cuba. Centro de Desarrollo CANIFARMA. División Técnica Científica. Meliá Cohiba, La Habana y Meliá Las Américas, Varadero, Cuba. 27 de mayo al 1 de junio de 2007. 6. Ramos, CC. Los residuos en la industria farmacéutica. Revista CENIC Ciencias Biológicas., 37 (1): 25-31.2006.

Figura 5. Gráfico de Consumo de electricidad vs. Producción en el año 2010. Generalmente, debe ocurrir que un incremento de la producción genere un incremento del consumo de energía asociado al proceso y viceversa. En el mes de marzo se observa un aumento de la producción y no hay un aumento en el consumo de electricidad; en el mes de mayo decrece la producción y se incrementa el consumo de electricidad. En el mes de julio hay un incremento en la producción total y el consumo de electricidad decrece. En los restantes meses no hay comportamientos anómalos, no hay producción en la Planta y el consumo de electricidad decrece y se mantiene estable. CONCLUSIONES 1. La gestión energética de los procesos productivos nos permite identificar los equipos mayores consumidores de ener41

ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 42 - 48

Juan Fernández-Rodríguez, José Alberto Pérez-Hernández, Fernando González-Águila 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 juanfernandez5212@yahoo.com.mx, direcc9@enet.cu

RESUMEN Se presentan los resultados de la preparación y caracterización del bagazo para la obtención de biocombustible piroleñoso en un reactor de lecho fluidizado atmosférico, que opera bajo un régimen de pirólisis rápida en un rango de temperatura de 450 a 500 ºC. El biocombustible obtenido constituye una alternativa ecológica para la sustitución parcial del combustible fósil, a pesar de que presenta mayor densidad y viscosidad que el combustible diesel, en tanto que su valor calórico es menor. Palabras clave: Pirólisis, bagazo, lecho fluidizado, biocombustible piroleñoso, planta experimental. ABSTRACT The results from the preparation and characterization of sugarcane bagasse, aiming to the obtainment of a pyroligneous biofuel in a fluidized bed reactor, are presented. The fast pyrolisis was carried out at atmospheric pressure and at 450 to 500 ºC. The yielded biofuel is an ecological alternative for the partial substitution of fossil fuels despite its higher viscosity and density in comparison with diesel oil. The caloric value is also lower than that one related to diesel. Keywords: Pyrolysis, bagasse, fluidized bed, biooil, experimental pilot plant.

INTRODUCCIÓN

fuentes renovables. En tal sentido, la biomasa y los combustibles obtenidos a partir de ella tienen un futuro promisorio (1). Los biocombustibles, también denominados combustibles biológicos o agrocombustibles, debido a que se obtienen a partir

Cada día cobra mayor importancia, en nuestro país y en el mundo, la investigación en el campo del uso de vías alternativas para la generación de energía a partir de 42

de diferentes materias primas de origen vegetal, están teniendo un repunte importante en los últimos tiempos en cuanto a actividades de investigación e inversiones, a pesar de las fuertes críticas que algunos de ellos han recibido a causa de las afectaciones que provocan en la disponibilidad de alimentos y otras limitaciones que se les atribuyen (2). La imperiosa necesidad de encontrar materias primas que no compitan con las de la cadena alimentaria, es otra de las principales fortalezas que tiene el uso del bagazo como biomasa para la obtención de biocombustible piroleñoso (3). Este biocombustible es un producto que se obtiene por pirólisis de la biomasa. Se trata de un combustible de circulación libre, de color marrón oscuro y un olor acre. Por medio de la pirólisis, el material vegetal se expone a una temperatura entre 400 y 500 °C en un entorno libre de oxígeno. El biocombustible piroleñoso es un sustituto de los combustibles fósiles. Se puede bombear bien, se inflama y se quema correctamente cuando se le atomiza (4). En Cuba existe una cultura del uso de la biomasa como combustible directo, fundamentalmente la biomasa cañera (bagazo) que todavía se quema en las calderas de los ingenios azucareros pero de una forma poco eficiente, por lo que otro tipo de portador energético de mayor valor agregado, como el biocombustible piroleñoso, constituye una alternativa interesante (5). El ICIDCA cuenta con una planta experimental de investigaciones -en la conversión termoquímica de la biomasa vegetal- basada en la tecnología de la pirólisis rápida, a través de un reactor de lecho fluidizado, para la obtención de biocombustible usando como materia prima el bagazo. La oportunidad que tiene Cuba de disponer de miles de toneladas de residuos agrícolas e industriales de la caña, así como otros tipos de biomasa, resulta una razón atractiva para aceptar el reto tecnológico y trabajar en esta línea, a partir de la comprensión de que la obtención de energía limpia es un aspecto estratégico. El objetivo de este trabajo es mostrar la potencialidad del bagazo para su conversión a biocombustible piroleñoso, mediante la implementación de tecnología de pirólisis rápida en una planta experimental cubana.

MATERIALES Y MÉTODOS El bagazo procedente del central Manuel Fajardo, después de haber sido desmedulado en hidropulpeador y zaranda vibratoria piloto hasta alcanzar 78 % de fibra, fue esparcido sobre una manta negra de polietileno tendida en el piso y fue impregnado con una solución diluida de ácido clorhídrico y secado al sol hasta la humedad de equilibrio. Posteriormente, el bagazo tratado fue molido en un molino de discos con muy bajos consumos energéticos e introducido en la tolva de alimentación del reactor pirolítico. Como se aprecia en la figura 1, el bagazo molido procedente de la tolva de almacenamiento se alimenta al reactor mediante un mecanismo de tornillo sin fin, que es accionado por un moto-reductor acoplado a un motor de velocidad variable, el cual permite alcanzar capacidades de entrega entre 1 y 10 kg/h de biomasa en base seca. El lecho fluidizado utiliza como material inerte arena sílice de 1,15 mm de tamaño de partícula y se alimenta con nitrógeno y aire como fluidos gaseosos, que además de garantizar la velocidad de fluidización calientan el lecho hasta la temperatura de trabajo. La energía para calentar se obtiene, simultáneamente, de un caldeador acoplado a un quemador de balón de gas butano y un horno tubular eléctrico que facilita la regulación de la temperatura a través de un lazo de control digitalizado, el cual permite la lectura escalonada de cinco termopares ubicados en distintas posiciones a lo largo del reactor. La descomposición térmica de la biomasa, de acuerdo con los requerimientos tecnológicos, ocurre en menos de un segundo y los gases condensables, los gases no condensables y los sólidos productos de la reacción ingresan a un ciclón donde se separan. Posteriormente los vapores son condensados en un sistema de enfriamiento de dos condensadores tubulares en serie para evitar el craqueo de los gases condensables y convertir, con el mayor grado de efectividad, la fracción condensable en líquido biocombustible piroleñoso. Los gases no condensables, aprovechando su valor calórico en esta etapa, se utilizan para secar la biomasa o para calentar el reactor o de lo contrario, se envían a la atmósfera por 43

medio de un sistema de extracción al vacío acoplado a una torre, para evitar la contaminación del ambiente de trabajo. El reactor de lecho fluidizado está conformado por una columna de 32 cm2 de área transversal y tiene una capacidad de 2,7 litros. Por debajo de la columna se encuentra unido a una cazoleta de mayor diámetro que soporta al distribuidor y que sirve como receptor de gases. El distribuidor presenta orificios de 0,72 mm de diámetro. Cuando los gases de calentamiento alcanzan la velocidad de mínima fluidización y la temperatura de trabajo, la biomasa se descompone, y se forma el carbón vegetal que es enviado hacia la salida del reactor junto con los gases permanentes y los condensables, los que después de condensarse forman el biocombustible que se colecta en un contenedor de vidrio mediante conexiones de mangueras.

por el método ESTRUCTU, se determinaron los contenidos de C, H, O, N y S, mientras que en la determinación del pH se utilizó el método potenciométrico. Se realizaron las mediciones del pH al extracto filtrado después de dispersar 2 gramos de la muestra en 100 ml de agua destilada. Los análisis termogravimétricos se realizaron en una termobalanza METTLER TG50 que mide de forma continua el peso del material carbonizado, en presencia de nitrógeno (5 l/h), dentro de un horno. Estas mediciones se hicieron en el rango de temperatura comprendido entre 27 y 500 ºC, con una velocidad de calentamiento de 10 ºC/min.

Figura 1. Esquema de la planta de biocombustible. El principal gas fluidizante utilizado durante los experimentos es el nitrógeno, el cual se mezcla con un 10 % del aire estequiométrico de la reacción de combustión, de manera que se obtenga la energía necesaria para mantener la pirólisis de la biomasa. En la figura 2 se puede apreciar el sistema de alimentación del bagazo al reactor, así como los sistemas de separación de sólidos y de enfriamiento de gases.

Figura 2. Reactor de lecho fluidizado utilizado en las corridas experimentales. En la determinación del poder calórico de la biomasa se empleó el método analítico y para los combustibles líquidos se empleó un calorímetro. Para el caso del bagazo, se calculó el valor calórico bajo (VCB) por medio de la expresión siguiente: VCB= 4250 - 4850 (H) en kcal/kg

Ensayos y normas aplicadas En la determinación de las propiedades químicas y físicas de la biomasa se aplicaron las normas TAPPI e ISO. En un equipo de análisis químico elemental (Eager 200),

donde: H representa la fracción de humedad del material. 44

Para determinar el poder calórico del biocombustible se empleó un calorímetro mediante la norma DIN 51900-3. En la determinación de la viscosidad, densidad y contenido de agua de los combustibles se aplicaron las normas ASTM.

están constituidos mayoritariamente por tres polímeros naturales: lignina, celulosa y hemicelulosas, y en grado mucho menor por materias extrañas orgánicas como: ceras, gomas, mucílagos, etc., representadas por los extractivos en alcohol benceno, así como por materias inorgánicas representadas por las cenizas. Debe enfatizarse que en el bagazo hidrolizado, debido al tratamiento con ácido, se produce una reducción del contenido inicial de pentosanos, lo que trae como consecuencia un incremento relativo del contenido de lignina del material y también de los extractivos y la solubilidad en sosa del mismo. En la tabla 3, el análisis elemental de las muestras revela que los materiales de origen leñoso, como el aserrín, presentan menor contenido de carbono que el bagazo hidrolizado, pero ocurre lo contrario con relación a los contenidos de oxígeno. Igualmente, se evidencia que la relación entre el carbono y el hidrógeno es ligeramente menor en el aserrín de madera. En la tabla 4 se reportan las propiedades físicas de la materia prima. La humedad está en el rango de la humedad de equilibrio

RESULTADOS Y DISCUSIÓN La caracterización granulométrica del bagazo hidrolizado y molido presenta los resultados que se muestran en la tabla 1. La granulometría de la biomasa utilizada en esta planta experimental para la obtención de biocombustible y combustible sintético debe tener una estructura de forma granular o de polvo, con el fin de garantizar una adecuada fluidez del material en el interior de la tolva y del sistema de alimentación de biomasa; sin embargo, no se requiere una finura extrema del material. Por otra parte, desde el punto de vista de su conversión a biocombustible, la biomasa de menor tamaño de partícula tiene una pirólisis más rápida y homogénea. Como se muestra en la tabla 2, los materiales de origen vegetal, como el bagazo,

Tabla 1. Granulometría de la materia prima retenidos en los tamices (%) Tamices 0,160 mm 0,100 mm 0,080 mm 0,063 mm 0,040 mm (%) (% ) (%) (%) (%) Materia prima Bagazo 73,9 12,2 3,5 0,63 2,52 hidrolizado

Fondo (%) 7,14

Tabla 2. Análisis químico de la materia prima Materia prima Bagazo hidrolizado

Lignina Celulosa Pentosanos Extractivos NaOH 1 % Cenizas (%) (%) (%) (%) (% ) (%) 26,87

48,28

12,1

10,14

40,0

4,71

Tabla 3. Análisis químico elemental de las materias primas Materia prima Carbono Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno Azufre Relación (%) (% ) (%) (%) (%) C/H Bagazo 47,4 7,2 40,69 0 0 6,58 hidrolizado Aserrín 38,6 7,3 53,9 0,1 0 5,28 45

Tabla 4. Análisis físico de la materia prima Propiedades Materia prima Bagazo hidrolizado

Densidad aparente (kg/m 3) 204

Cenizas (%)

Humedad (%)

VCB kcal/kg

4,71

4,82

9,08

3810

de los materiales lignocelulósicos. Por otra parte, el pH del extracto acuoso del bagazo hidrolizado es moderadamente ácido producto del tratamiento químico en la preparación de la materia prima; en este sentido, deberán tenerse en cuenta estas características de la biomasa para evitar posibles problemas de corrosión durante su manipulación. Otra característica de este material es que presenta baja densidad de bulto, por lo que resulta muy voluminoso, lo cual debe ser considerado en el diseño de los equipos de manipulación.

por Varhegyi, en la curva termogravimétrica del bagazo puro (6). En esta etapa se desprenden los volátiles ligeros, de relativamente bajo peso molecular, pertenecientes mayoritariamente a las hemicelulosas. A partir de 350 y hasta 500 ºC aparecen nuevos productos volátiles más pesados ,debido a reacciones de craqueo que rompen las cadenas de compuestos formados a partir de la celulosa y de la lignina. Este estudio constituye la base para el establecimiento del régimen térmico de operación del lecho fluidizado en una planta de biocombustible piroleñoso, se aplicaron elevadas temperaturas en poco tiempo, en ausencia de oxígeno, a las pequeñas partículas de la biomasa, para romper su estructura instantáneamente y así producir líquidos orgánicos condensados con rendimientos por encima del 60 %.

Pirólisis del bagazo de caña La pirólisis es un proceso de descomposición térmica de las moléculas más grandes en productos de reacción más pequeños, conocido también como termólisis. En estas reacciones no participa ningún agente oxidante. En ocasiones, con un suministro limitado de un agente oxidante y controlando la reacción, se llega a un proceso de gasificación parcial. Los productos de pirólisis, de los que se han detectado más de un centenar, generalmente son: gases, líquidos como el etanol, el aceite piroleñoso, acetona, ácido acético, entre otros y sólidos como el carbón. La proporción de estos compuestos depende de las condiciones del proceso, las características de la biomasa, la temperatura óptima y el tiempo. En la figura 3 se presenta el termograma, en atmósfera de nitrógeno, del bagazo hidrolizado y de los residuos agrícolas de la caña (RAC) en función de la temperatura. Desde el principio del proceso y hasta aproximadamente 110 ºC, ocurre el secado de la biomasa, evidenciado por la primera inflexión de la curva, con desprendimiento de vapor de agua. A partir de los 200 ºC, se produce una disminución brusca del peso de la muestra y ocurre una importante conversión del bagazo, que continúa hasta aproximadamente los 350 ºC. Resultados similares se obtuvieron

Figura 3. Termogramas de distintos materiales empleados en la obtención de biocombustibles. La tecnología de pirólisis en lecho fluidizado es muy compleja, por lo que es necesario ejercer un control preciso del flujo del material que se fluidiza, del flujo de gas y la temperatura del lecho. Por otra parte, la fluidización puede provocar la atrición extensiva 46

de las partículas sólidas y, por lo tanto, producir pérdidas por arrastre. Los problemas más críticos están asociados con la forma aerodinámica de las partículas de la biomasa y con el enfriamiento brusco y condensación de los volátiles, lo que conduce a ineficiencia en la conversión a biocombustible. Las principales ventajas de esta tecnología son: • La transportación del biocombustible es más barata que la de la biomasa. • El biocombustible tiene una densidad de energía volumétrica mayor que la de la biomasa. • El contenido de cenizas en el biocombustible es muy bajo con respecto al de la biomasa. • Los minerales como: el potasio, el cromo y el cobre permanecen en el sólido que se obtiene.

calórico, que resulta ser menor que el del petróleo. La acidez del producto obtenido presenta valores superiores de pH que la del biocombustible de referencia, lo que puede ser una consecuencia de una baja formación de ácidos orgánicos característicos de estos productos o que la formación de ácido fórmico y acético en el proceso de pirólisis rápida sea menor que la informada convencionalmente en la literatura entre 0,4-7,2 % y 2,1-6,1 %, respectivamente, en dependencia de la materia prima (7). CONCLUSIONES • El rango de temperatura entre 450 y 500 °C resulta adecuado para la obtención del biocombustible a partir de bagazo. • Las muestras de biocombustible obtenidas se caracterizan por un relativo alto contenido de agua que disminuye la capacidad calórica del combustible. • La densidad y la viscosidad del biocombustible obtenido son más altas que las del diesel. • El valor calórico del biocombustible piroleñoso es menos de la mitad del correspondiente al diesel.

La principal desventaja es que todavía no se logran costos competitivos con relación a los combustibles tradicionales. En la tabla 5 se comparan algunas propiedades físicas del biocombustible producido por la firma Dynamotive, de Canadá, con una muestra de biocombustible obtenido en la planta experimental del ICIDCA, tomando como referencia al combustible comercial diesel. La muestra biocombustible ICIDCA se obtuvo con un rendimiento del 60 %, bajo un régimen de operación de 450- 470 °C en el reactor de pirólisis, un flujo de biomasa de 50 g/min, un flujo de nitrógeno de 132 l/min y un flujo de aire de 26 L/min. La densidad y la viscosidad del biocombustible son más altas que las del diesel. El alto contenido de oxígeno y agua del biocombustible piroleñoso, reduce su valor

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Tabla 5. Propiedades del biocombustible piroleñoso producido Biocombustible Biocombustible Propiedades Unidades Dinamotive Icidca Valor calórico mJ/kg 15-20 14 Viscosidad cSt 3-9 4,1 a (80 °C) Acidez pH 2,3-3,3 3,5 Agua Densidad

% en peso

20-25

kg/l

1,2

1,12

Diesel 42,0 2-4 (a 20 °C) 5 0,05 % V combinado 0,980

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ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar, 2012, vol. 46, no. 2 (mayo-agosto), pp. 49 - 54

Arianna Núñez-Caraballo, Emilia Carrera-Bocourt, María Teresa Fernández-Santisteban, Antonio Bell-García, Georgina Michelena-Álvarez 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 arianna nunez@icidca.edu.cu

RESUMEN Se realizó un diseño estadístico de experimentos 32 con réplica en cada punto, con el objetivo de seleccionar una cepa y un medio de cultivo para la obtención de Poli 3- hidroxibutirato (PHB). Los resultados indicaron la selección de la cepa de Bacillus subtilis B/ 23-44-4 y un medio de cultivo compuesto por miel final de caña al 1 %, hidrolizado de levadura 1 g/l y sal común 2,5 g/l para la producción de poli-β−hidroxibutirato, con el que se logra la reducción de los costos de producción casi 6 veces por concepto de materias primas, a través de la sustitución de las fuentes de carbono y nitrógeno que hasta ahora se habían empleado. Palabras clave: plásticos biodegradables, poli-β-hidroxibutirato, Bacillus subtilis, miel final de caña. ABSTRACT A statistical experimental design of 32 with a replica at each point was assayed in order to select a strain and a culture medium for Poly 3 - hidroxybutirate (PHB) obtention. Bacillus subtilis B / 23-44-4 and a culture medium consisting of cane molasses 1%, yeast hydrolysate 1 g/L and sodium chloride 2,5 g/L were selected; with the objective of reducing the production costs almost 6 times by a raw materials through the substitution of carbon and nitrogen sources that up to now had been used. Keywords: biodegradable plastics, poly-β-hydroxybutyrate, Bacillus subtilis, cane molasses.

INTRODUCCIÓN

sar (4). Algunas propiedades de los polihidroxibutiratos de mucha utilidad son su resistencia a la humedad y su poca solubilidad en agua, además muestran una aceptable impermeabilidad al oxígeno (5). El PHB ,en condiciones aeróbicas se degrada a dióxido de carbono y agua y, en ausencia de oxígeno, se degrada a metano (6). A pesar de esta posibilidad de aplicación, la sustitución de los plásticos químicos por los biopolímeros aún no es viable por razones de competitividad económica. La producción de PHAs presenta actualmente un costo que varía alrededor de US $ 4-10/kg, en contraste con los polímeros sintéticos, cuyo precio está en el entorno de US $ 1/kg. Para esto, la comunidad científica internacional ha enfocado sus investigaciones en tres líneas fundamentales: la búsqueda de nuevas cepas salvajes capaces de acumular mayores niveles de PHB, el desarrollo de procesos fermentativos más eficientes utilizando materias primas más baratas, y la implementación de procesos de recobrado del polímero más sencillos y económicos. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar la producción de PHB en tres cepas que fueron previamente seleccionadas como productoras por Bello (7), evaluar su comportamiento en un medio de cultivo industrial y, por consiguiente, realizar una selección de la mejor variante para futuros trabajos.

La industria química es un sector de producción y desarrollo importante; sin embargo es una fuente de generación de desechos que ocasiona un impacto negativo en el medio ambiente. Para disminuir este efecto, es necesario desarrollar procesos químicos sustentables que minimicen los residuales con menor consumo de energía, por lo que cada día son mayores los esfuerzos legislativos a nivel mundial con el objetivo de potenciar la producción de nuevos materiales no contaminantes al medio ambiente a partir de fuentes renovables. En la sociedad actual se ha hecho imprescindible el uso de los plásticos en distintas aplicaciones que incluyen la industria de la construcción, la alimenticia, la farmacéutica y la del transporte, que presentan múltiples ventajas en relación conmateriales tradicionales como los metales, el vidrio y el papel. Sin embargo, la mayoría de los polímeros utilizados en la actualidad permanecen en la naturaleza por largos períodos de tiempo y por tanto se acumulan, lo cual genera grandes cantidades de residuos sólidos. Esta situación ha impulsado la necesidad de desarrollar biomateriales como los plásticos biodegradables, que brindan la posibilidad de reducir los daños medioambientales que causan la continua producción y acumulación de plásticos petroquímicos en los ecosistemas. Los polihidroxialcanoatos (PHAs) son polímeros biodegradables de origen microbiano. Son sintetizados por diversos microorganismos, como polímeros de reserva de carbono y energía, pudiendo después de su extracción y ulterior procesamiento, alcanzar propiedades semejantes a las de los plásticos convencionales. Dentro de los PHAs más estudiados se destaca el polihidroxibutirato (PHB) (1, 2), que posee gran aplicabilidad en varias esferas por ser no tóxico y biocompatible en múltiples usos (3). El PHB tiene propiedades similares al polipropileno, aunque es más duro y quebradizo porque el 100 % de sus carbonos asimétricos están en configuración D (-). Es un termoplástico que puede ser procesado por técnicas de extrusión e inyección, altamente cristalino y muy frágil, mientras que el copolímero de PHB con PHV es menos cristalino, más flexible y más fácil de proce-

MATERIALES Y MÉTODOS Microorganismos utilizados en el estudio Este estudio parte de resultados previamente obtenidos por el grupo de trabajo (7) que permitieron una selección de microorganismos productores de PHB. De las cepas procedentes de la Colección de Cultivos Microbianos del Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA), se evaluaron tres bacterias (tabla 1), con el objetivo de seleccionar una para los posteriores estudios. Conservación de microorganismos El medio de cultivo empleado para la conservación de los microorganismos en este estudio tuvo la siguiente composición: Medio Caldo Nutriente (CN) (en g/l): pepto50

Procedimiento experimental para la selección de la cepa y el medio de cultivo Se realizó a nivel de zaranda un diseño de experimentos 32 con réplica en cada punto con el objetivo de seleccionar una cepa y un medio de cultivo para los posteriores estudios en microplanta. Las variables que se evaluaron fueron la cepa y el medio de cultivo y como variable respuesta se consideró la producción de PHB (% PHB/p.s.). En la tabla 2 se muestran los niveles para cada variable.

na 5, extracto de levadura 2, NaCl 5, extracto de carne, agar 15, pH 7,0 ± 0,1. Tabla 1. Bacterias empleadas en el estudio de selección de microorganismos productores de PHB y método de conservación Cepas

Conservación (-20 y -80 ºC)

Bacillus subtilis B/ 23-44-4

Glicerol 20 % en caldo nutriente

Bacillus licheniformis B/ 23-26-4 Azospirillum brasilense 8i

Glicerol 20 % en caldo nutriente

Tabla 2. Niveles para cada variable estudiada Variables Nivel (-1) Nivel (0) Nivel (1) Bacillus Bacillus Cepa Azospirillum subtilis licheniformis (X1) brasilense 8i B/ 23-44-4 B/ 23-26-4 Medio A B C (X2)

Glicerol 20 % en caldo nutriente

Las cepas fueron cultivadas en placas a 30 °C por 24 h y conservadas a 4 °C durante 6 meses. Para la preparación de los inóculos se tomaron dos asadas de cultivo de los microorganismos y se inocularon en caldo nutriente. Los inóculos se crecieron a 37 ºC, 150 min1 durante 18 horas en erlenmeyers de 150 ml con un volumen de trabajo de 15 ml.

βCuantificación de la producción de poli-β hidroxibutirato A la materia seca celular resultante de 1 ml de caldo de cultivo se le adicionó 0,5 ml de NaOH2 equiv/l. Se incubó la mezcla a 100 °C durante 30 minutos y se agitó cada 10 minutos en Vortex Uzusio VTX-3000 (Japón). Las muestras se enfriaron en hielo, se neutralizaron con 0,5 ml de HCl 2N y se centrifugaron a 10000 min-1, 20 minutos, 4 ºC en centrífuga Eppendorf 5415D (Alemania). Se recuperó el sobrenadante celular y se filtró por filtros de nylon 0,45 μm (Millipore Corp., Irlanda) (9). La ecuación utilizada fue:

Producción de polihidroxialcanoatos Los siguientes medios fueron utilizados para promover la producción de polihidroxialcanoatos en cultivo líquido (para un litro). Medio A (7) Sacarosa 1% Extracto de levadura 1 g/l NaCl 2,5 g/l pH 7,0 ± 0,1

Medio B Miel final de CA* 1 % Hidrolizado de levadura 1 g/l Sal común 2,5 g/l (industrial) pH 7,0± 0,1

Medio C Miel final de CA 3 % Hidrolizado de levadura 1 g/l Sal común 2,5 g/l (industrial) pH 7,0± 0,1

2 ⋅ D .O − 0 ,015 0, 776 % PHB / p.s = ⋅ 100 Peso sec o Donde: D.O: Densidad óptica Se detectó por incremento en la absorbancia a una longitud de onda de 210 nm en espectrofotómetro UV-Visible modelo Ultrospec 2000 Pharmacia Biotech Int (Uppsala, Suecia) (10). La curva de calibración se realizó con patrón puro de PHB de Aldrich®. El procesamiento de los datos se llevó a cabo por el programa estadístico computari-

La miel final de caña de azúcar proviene de un mismo lote de producción de la empresa azucarera “Héctor Molina”, de Cuba (5 -10 marzo/2010). El hidrolizado de levadura se preparó con levadura de miel procedente de la Empresa Mielera “Ciro Redondo“ con 8,07 % de nitrógeno (8). 51

zado STATGRAPHICS PLUS para Windows 5.1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A partir del estudio histoquímico y de evaluación de 17 cepas bacterianas de diferentes géneros entre los que se encontraban: Azospirillum, Rhizobium, Bacillus y Pseudomonas, realizado previamente (7), se determinó el efecto de las variables cepa productora (X1) y medio de producción (X2) de acuerdo con el diseño utilizado. La variable resFigura 1a y 1b. Gráfico de cajas y bigotes estanpuesta fue la producción de PHB, darizado para la obtención de PHB. expresada como % PHB/p.s. Los valores promedios de dos mediciones para las diferentes variantes aparecen en la tabla 3. gráfico de Cajas y Bigotes (figuras 1a y 1b), El análisis de varianza que descompone determinó que el medio de cultivo entre las el efecto de cada variable, mostrado en el cepas y dentro de cada grupo no ofrece diferencia estadísticamente significativa para las medias de producción de PHB para ρ = Tabla 3. Resultados de la producción de 0,05. El análisis de varianza indica un error PHB según las corridas experimentales 2 estándar de 1,2539 y el estadígrafo Durbincorrespondientes al diseño experimental 3 . Watson evidenció que no existe correlación entre los residuos del modelo, por lo que se M e di o de C ep a puede considerar adecuada la descripción cu l t iv o Corrid as %PHB/p.s. (X 1) de la concentración de PHB. (X 2) La producción de PHB se favoreció con 1 -1 -1 27,03 la cepa Bacillus subtilis B/23-444 y se afectó cuando se utilizó Azospirillum brasilense 8i, 2 0 -1 19,39 según resultó de la prueba de rangos múlti3 1 -1 26,21 ples que indica diferencia significativa para la variable (tabla 4). 4 -1 0 24,84 En general, de este análisis se puede 5 0 0 18,41 considerar que las condiciones evaluadas para las variables cepa y medio de cultivo 6 1 0 25,20 permiten producciones de PHB promedio 7 -1 1 24,15 en los valores entre 16 y 31 % en base seca según se muestra en la figura 2. 8 0 1 16,30 9

22,87

-1

30,23

-1

20,04

-1

25,38

-1

25,43

17,63

22,61

-1

26,20

15,80

20,70

Figura 2. Influencia de la cepa y el medio de cultivo sobre la producción de PHB en zaranda a 37 °C y 150 min-1. 52

Al demostrar que el medio no tiene efecto significativo en las modalidades evaluadas para la obtención del PHB, se propone establecer la producción del PHB con el medio B que sustituye la sacarosa por miel al 1 %, el extracto de levadura por el hidrolizado de levadura según procedimiento empleado (8), y el NaCl por la sal común, lo cual incidirá en la reducción de casi 6 veces el costo de producción considerando solamente las materias primas. El uso de fuentes carbonadas y subproductos industriales ha sido estudiado (11). Existen modelos de integración del proceso biológico de producción de PHB a partir de suero de leche, glicerol, hidrolizados de la industria del cítrico y otros (12), se toma en consideración de que se trata de residuales agroindustriales altamente contaminantes como una solución medioambiental y obteniendo producciones entre 25 y 30 %PHB/p.s. Aunque la miel de caña no es un residual, sino un coproducto de la producción de azúcar, altamente competitivo como fuente de sustrato para otras fermentaciones y comprometido con la producción de alcohol, alimento animal y la exportación, no resulta ocioso considerar su uso potencial en la producción de PHB. La sustitución total del extracto de levadura por el hidrolizado es también positiva, por cuanto es una fuente de nitrógeno, de fácil elaboración y tecnología sencilla pues se produce a partir de levadura forrajera y de un costo significativamente inferior. Otros autores (13) encontraron en un estudio de fuentes de carbono y nitrógeno que incorporar fuentes complejas mejoraba la producción de PHB más de 10 veces en relación con el uso de reactivos puros. Estos autores indicaron que la peptona proteasa producía las máximas acumulaciones de PHB. Otro aspecto a considerar es que el PHB producido por una bacteria Gram + como lo es el Bacillus subtilis tiene mejores propiedades de biocompatibilidad para aplicaciones biomédicas que el producido por bacterias Gram - . Por tanto, la producción de PHB a partir de Bacillus subtilis B/23-444 utilizando un medio de cultivo con potencialidad industrial en 24 horas de tiempo de fermentación es un aporte para este campo ya que lo convierte en un candidato para estudios futuros de optimización y escalado del proceso.

CONCLUSIONES Se seleccionó la cepa Bacillus subtilis B/23-444, una bacteria Gram+ que favorece la biocompatibilidad del PHB para aplicaciones biomédicas. Se escogió el medio de cultivo industrial compuesto por miel final de caña al 1 % de azúcares reductores totales, hidrolizado de levadura y sal común, por su menor costo en comparación con un medio de componentes grado reactivo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Lee, S.Y. Plastic bacteria Progress and prospects for polyhydroxyalcanoate production in bacteria. Trends in Biotechnol 14: 431-438, 1996. 2. Sudesh, K., Abe, H., Doi, Y. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: Biological polyesters. Progress Polymers Sci. 25: 1503-1555, 2000. 3. Gómez, G. Algunos factores influyentes en el mejoramiento de la producción de PHB a escala de laboratorio. Tesis de diploma. Facultad de Biología, Universidad de La Habana, 2003. 4. Rozsa, C. Miscibilidad de mezclas poliméricas de polihidroxialcanoatos. Rev. Iberoamericana de Polímeros 5(2):.5566, 2004. 5. Holmes, P.A. Biologically produced (R)3-hydroxyalkanoate polymers and copolymers. Developments in crystalline polymers (London) 2: p.1-65, 1998. 6. Thoen, J. Industrial chemicals from biomass Industrial concepts. Biorefineries industrial processes and products: Status Quo and Future Directions (Germany) 2(13):p. 978-1027, 2006. 7. Bello, D. Producción microbiológica y caracterización de poli-ß-hidroxibutirato a partir de mieles finales de remolacha y caña de azúcar. Tesis presentada en opción al título de Master en Bioquímica, mención Bioquímica básica. Facultad de Biología, Universidad de La Habana, 2008. 8. Rodríguez, D. Formulación de un medio de cultivo para la producción industrial de un biopreparado de bacterias lácticas. Informe de investigación parcial. 53

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