Producción de Etanol a partir de Banano Maduro: Estudio Comparativo, Papers of Arabic

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ESTUDIO COMPARATIVO DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL

VÍA FERMENTATIVA UTILIZANDO CUATRO SUSTRATOS

PREPARADOS A PARTIR DE BANANO MADURO

Alfredo López Calvo Manuel Molina Córdoba Alberto Huguet Soliva

1. INTRODUCCIÓN

En Costa Rica, la actividad bananera constituye

una de las principales fuentes de divisas de

nuestra economía, al ocupar el segundo lugar

dentro de los productos de exportación. Sin

embargo, las altas exigencias de calidad de

los mercados, así como las restricciones en

ellos, provocan un excedente no exportable,

el cual llega a alcanzar hasta un 12 % de la

producción total.

Actualmente de un 50 % a un 60 % de este excedente se utiliza en industrias nacionales para la producción de puré congelado y jugo de banano, entre otros, mientras que del 40 % al 50 % restante se desecha, generando graves problemas de contaminación. Se estiman disponibilidades de banano de rechazo de hasta 80 000 toneladas por año (Vong,1996).

El aprovechamiento de desechos agrícolas ha sido objeto de estudio (Boruff, 1961; Duckworth,

Resumen Se estudió y se comparó la producción de etanol por fermentación a partir de cuatro sustratos diferentes preparados por hidrólisis de banano maduro. Dichos sustratos fueron la pulpa, la fruta completa, el jugo de la pulpa y el jugo de la fruta. Para la hidrólisis de la pulpa y de la fruta se probaron dos grupos de enzimas: a) -amilasas, -amiloglucosidasas y b) pectinasas. Se encontró que la hidrólisis con pectinasas es la que genera mayores rendimientos de jugo, con el menor consumo energético. En la fermentación se estudió la producción de etanol para ser utilizado como combustible, considerando como variables de diseño el tipo de sustrato, el tiempo de fermentación, la concentración inicial de S.cerevisiae y la tasa de dilución del sustrato. Además, se dio seguimiento cinético a la fermentación en un volumen de 5 L durante 35 h. Los rendimientos de etanol más altos se obtuvieron mediante la fermentación de los sustratos de pulpa y fruta. El rendimiento máximo fue de 0,0742 L de etanol/kg de banano de la fruta completa.

Palabras clave: Etanol, fermentación de banano maduro, pulpa de banano como sustrato, S.cereviceae.

Abstract

The ethanol production by fermentation of four differents substrates prepared by hydrolysis of ripe bananas was studied. Pulp, whole fruit, pulp juice and fruit juice were the substrates studied. Two groups of enzymes were used in the hydrolysis of the pulp and the fruit: a) -amylases, -amiloglucosidases and b) pectinases. It was found that pectinolitic hydrolysis produced higher juice yields with lower energy costs. Ethanol production through fermentation was studied considering as design variables the type of substrate, the fermentation time, the initial concentration of S. cereviceae yeast and the dilution ratio. Fermentation kinetics was also monitored during 35 h in a 5 L batch reactor. The higher ethanol yields were obtained by fermenting pulp and fruit substrates. The maximum ethanol yield obtained was 0,0742 L/ kg of whole fruit.

Keywords : Ethanol, ripe banana fermentation, substrate pulp banana, S. cereviceae.

Ingeniería 14 (1,2): 67-77, ISSN:1409-2441; 2004. San José, Costa Rica

Recibido 04-III-04 • Aceptado 14-X-

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2.5 Preparación de los sustratos

Seleccionado el tipo de enzima para el proceso de hidrólisis, se procedió a la preparación de los diferentes sustratos. Para el caso de los sustratos semisólidos ( pulpa y fruta) se procedió a hidrolizar el puré obtenido del pretratamiento térmico mediante la aplicación de la enzima pectinolítica, utilizando las condiciones indicadas en el Cuadro 1. La diferencia entre estos dos sustratos es la presencia de las cáscaras molidas en el sustrato denominado “fruta”.

Al finalizar el tiempo de hidrólisis se empacó aproximadamente 1 kg del hidrolizado en bolsas de polietileno de alta densidad y se pasteurizó a 90 °C por 10 min. La preparación y determinación de los rendimientos de los jugos requirió de la extracción de los hidrolizados de la fruta y pulpa, lo cual se realizó con ayuda de una prensa hidráulica operando a una presión de 65 kPa. La preservación de estos sustratos se realizó de la misma manera que con los sustratos semisólidos.

2.6 Estudio de la fermentación

El objetivo de esta segunda etapa fue determinar aquella combinación de tipo de sustrato, razón de dilución, concentración inicial de levaduras y tiempo de fermentación, que proporcionara el rendimiento más alto de etanol, expresado éste como volumen de etanol producido por masa de banano empleado.

La cepa de S.cerevisiae fue facilitada por la Fábrica Nacional de Licores ( FANAL ) y se cultivó en una incubadora de cama oscilante a una temperatura de 31 °C y utilizando el pH natural de la fruta, el cual se encuentra alrededor de 4,5.

Para llevar a cabo las fermentaciones, se seleccionó como diseño experimental un cuadrado grecolatino de cuatro variables y un número de réplicas de dos. En el Cuadro 2 se muestra el diseño experimental utilizado.

2.7 Seguimiento cinético de la fermentación

El objetivo para esta tercer etapa fue determinar la variación con respecto al tiempo de algunas variables de importancia en procesos fermentativos, tales como: concentración de azúcares, biomasa, concentración de etanol, pH y oxígeno disuelto. Con esta información se determinaron algunos parámetros cinéticos de la fermentación alcohólica del sustrato de banano. Se utilizaron los siguientes parámetros para la fermentación a una escala de 5 L:

• Fuente de carbono: se utilizó la pulpa con la cáscara previamente hidrolizada (PC) como fuente de azúcares para la fermentación, debido a que proporciona los mejores rendimientos en la producción de etanol.
• Condiciones ambientales : se trabajó a una temperatura de (30 a 32) °C y al pH natural de la fruta que se encuentra entre 4,5 y 4,8.

Cuadro 1. Condiciones recomendadas para la aplicación de las enzimas en la hidrólisis del banano maduro

Enzima amilasa glucoamilasa Pectinasa Concentración (g/kg sustrato) 1,0 1,0 0, Tiempo de acción (min) 60 60 60 Temperatura (°C) 93 60 38- pH 6,5 4,5 4,

Fuente: (Hammond,1996; Víquez,1995)

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• Concentración inicial de levaduras: se utilizó una concentración de 10^8 de células/ mL de medio de cultivo.
• Tiempo de fermentación : se fijó en 35 h.
• Medio anaerobio : de experimentos previos (Cysewsky, 1976; Vong, 1996) se encontró una mejor respuesta a la producción de alcohol cuando se evacuó inicialmente el oxígeno del medio mediante burbujeo con nitrógeno, razón por lo que se utilizó esta forma de trabajo.
• Agitación: se utilizó una agitación de 250 rpm; una razón diámetro de propela a diámetro de recipiente de 0,35.
• Dilución: se utilizó una tasa de dilución de 0,4 kg de agua/kg de sustrato, según recomienda Hammond, (1996).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 1 se muestra el comportamiento del consumo de potencia en la agitación durante la hidrólisis del puré de banano, para los dos tipos de enzimas estudiados: amilasas y pectinasas. Al comparar las curvas de potencia consumida

de ambas enzimas se observa que las pectinasas originan en general un consumo menor que las amilasas. Además, las pectinasas necesitan una temperatura de trabajo (45 °C) inferior que las amilasas (90 °C y 60 °C), lo cual disminuye la cantidad de energía requerida para el calentamiento, en forma considerable; además, su acción es mucho más rápida, lo que provoca una disminución sustancial de la viscosidad lo que se manifiesta en un menor requerimiento de potencia..

En el Cuadro 3 se muestran los resultados para el contenido de azúcares y rendimiento de jugo que proporcionaron las diferentes enzimas a los hidrolizados de pulpa y fruta. Todos los valores representan promedios de determinaciones obtenidas por triplicado.

El rendimiento de jugo es claramente superior cuando se utiliza la enzima pectinolítica y la concentración de azúcares totales es ligeramente superior para las amilasas. Debido a que la enzima pectinasa proporciona un menor consumo de potencia durante la hidrólisis, tanto de agitación como de calentamiento, presenta poca diferencia en el contenido de azúcares totales en relación con las amilasas, se obtiene un mayor rendimiento de jugo, y tiene

Cuadro 2. Diseño experimental para la fermentación alcohólica

Variables estudiadas en el cuadrado grecolatino Tiempo de fermentación Tipo de sustrato Concentración inicial de levaduras Dilución ( h ) (millones células/mL) (kg agua/kg sustrato) 24 ( I ) Fruta, PC (1) 25 (A) 0,2 () 30 (II) Pulpa, P (2) 50 (B) 0,4 () 48 (III) Jugo fruta, JPC (3) 75 (C) 0,6 () 54 (IV) Jugo pulpa, JP (4) 100 (D) 0,8 ()

La variable de respuesta de los experimentos se expresa como L de etanol (medidos a 20 °C ) por kg de fruta empleada (L/kg).

Sustrato 1 Sustrato 2 Sustrato 3 Sustrato 4 Tiempo I A B C D Tiempo II B A D C Tiempo III C D A B Tiempo IV D C B A

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Cuadro 4. Sustratos de banano maduro empleados para la fermentación alcohólica.

SUSTRATO PULPA FRUTA JUGO PULPA JUGO FRUTA* Banano utilizado (kg) 45,0 35,0 74,0 66, Sustrato producido (kg) 29,0 25,0 21,0 31, Densidad aparente a 20 °C, (kg/m3) 1 086,0 1 064,0 1 078,0 1054, Viscosidad a 20 °C, (cP) 850,0 5 500,0 2,9 2, pH 4,63 4,79 4,70 4, Sacarosa (% m/m) 7,1 6,6 10,3 7, Glucosa (% m/m) 5,2 3,4 3,9 3, Fructosa (% m/m) 3,1 2,3 3,6 2, Azúcares totales (% m/m) 15,4 12,3 17,8 13, Sólidos totales (% m/m) 23,8 20,5 — — Cenizas (% m/m) 0,64 0,79 — —

• Incluye la cáscara

Cuadro 5. Resultados de rendimientos utilizando el diseño experimental grecolatino duplicado.

Tiempo Sustrato 1 Sustrato 2 Sustrato 3 Sustrato 4

I A B C
D

0,051 8 0,049 5 0,024 2 0,041 2 0,040 8 0,046 6 0,035 6 ,036 8

II B A
D C

0,022 5 0,040 5 0,031 7 0,026 4 0,037 4 0,030 4 0,039 6 0,023 8

III C
D
A B

0,062 0 0,044 7 0,027 1 0,030 5 0,057 9 0,059 8 0,024 2 0,028 2

IV D
C
B
A

0,063 8 0,047 7 0,028 0 0,026 1 0,061 7 0,054 2 0,033 3 0,032 5

Cuadro 6. Análisis estadístico del cuadrado grecolatino

Fuente devariación Suma decuadrados Grados libertad Cuadrado promedio Valor F ( SS ) ( ) Tiempo 685,4 3 228,5 7, Sustrato 2 524,6 3 841,5 25, Concentración inicial de levaduras 958,5 3 319,5 9, Dilución 195,8 3 65,3 2, Interacción 17,7 3 5,9 1, Error 523,1 16 32,7 — Total 5 065 31 — —

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Para el tiempo de fermentación, no se encontró diferencia significativa entre los niveles estudiados, por lo que se recomienda tomar un tiempo de fermentación corto, generalmente de 30 h a 35 h.

Al incrementarse la concentración inicial de levaduras en el medio se incrementó el rendimiento de etanol, por lo que se seleccionó la concentración de levaduras mayor, es decir, 100 millones de células por mililitro. Respecto a la razón de dilución, como no se encontró tampoco diferencia significativa entre sus niveles, se seleccionó el valor de 0,4 kg agua/kg sustrato, el cual es un valor recomendado para este tipo de sustratos (Hammond, 1996).

Para las fermentaciones a mayor escala (5 L) estas se realizaron por duplicado para dar seguimiento cinético a las diferentes variables de interés. Para tal propósito, se utilizó la fruta completa. En la Figura 3 se muestra el comportamiento de la concentración ponderada de etanol, azúcares reductores y glucosa con respecto al tiempo. Durante las primeras horas de la fermentación se presenta una producción creciente de etanol, hasta que se alcanza una etapa de poca producción que corresponde al agotamiento de las reservas alimenticias de las levaduras.

La concentración máxima obtenida fue de 4, % m/m de etanol; el metabolismo de la S. cerevisiae se favorece en un medio de mayor carácter anaeróbico (Cysewsky,1976; Sitton,

1982; Amato,1992; Hammond, 1996; Bu’lock, J.y Kristiansen. B., 1987).

Para el consumo de azúcares reductores y glucosa durante la fermentación, se observa cómo el agotamiento de las reservas de azúcares coincide con la etapa de poca producción alcohólica. El efecto del agotamiento de los azúcares disponibles para la fermentación también se aprecia en el comportamiento de la concentración de biomasa. Debido a la ausencia de suficiente alimento, las levaduras detienen su proceso reproductivo de carácter exponencial, tal como se muestra en la Figura 4. Es claro que a partir de las 20 h a las 25 hs de fermentación, cuando queda una concentración residual de azúcares, las levaduras dejan de reproducirse.

Figura 2. Distribución de referencia móvil para la variable sustrato.

Figura 3. Consumo de azúcares y producción de etanol respecto al tiempo a una escala de 5 L.

Figura 4. Variación de la concentración de biomasa durante la fermentación a escala de 5 L.

Concentración de azucares

C (%m/m) Concentración de etanol

Cet (%m/m)

Concentración de levaduras, x(x6 células/ ml)

Ordenada t

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4. CONCLUSIONES

El escaldado con vapor a 96 ºC durante 15 min proporciona una desactivación satisfactoria de las enzimas causantes del pardeamiento enzimático del banano maduro. Aunque la desactivación no es total, es aceptable para el proceso propuesto.

El consumo energético por calentamiento y agitación es menor cuando se utilizan enzimas pectinolíticas en el proceso de hidrólisis.

Además, la hidrólisis pectinolítica proporciona mayores rendimientos de jugo, expresado éste como volumen de jugo por masa de banano empleado en su producción.

El rendimiento de etanol obtenido por fermentación, expresado como L de etanol por kg de banano utilizado, es significativamente mayor para los sustratos semisólidos preparados a partir de la hidrólisis de la pulpa y de la fruta completa.

Cuadro 7. Parámetros cinéticos para las fermentación alcohólica a escala de 5L utilizando el sustrato preparado por hidrólisis de la fruta completa.

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Por lo que no es recomendable la extracción del jugo y posterior fermentación.

Bajo las condiciones experimentales estudiadas, el rendimiento de etanol aumenta con la concentración inicial de levaduras en el medio y no se ve afectado por la tasa de dilución.
Del estudio de la cinética de la fermentación a mayor escala, se concluye que la concentración de etanol alcanza su máximo cerca de las 24 h, lo cual coincide con el agotamiento de la reserva de azúcares.

El rendimiento de etanol más alto que se obtuvo fue de 0,074 L/kg de banano para 35 h de fermentación, el cual se aproxima al valor reportado por Hammond (1996) que es de 0,09 L/kg de banano con 72 h de fermentación.

AGRADECIMIENTOS

• Al Centro Nacional de Ciencia y Tecnología de Alimentos (CITA), por las facilidades para la preparación de los sustratos de banano y en los análisis químicos.
• Al Dr. Franklin Jiménez y a la señora Dagmar Utzinger, del Laboratorio de Bacteriología Médica de la Facultad de Microbiología, por el préstamo del equipo y el asesoramiento brindado en el manejo del microorganismo.
• A la Fábrica Nacional de Licores (FANAL), por cedernos una muestra de la cepa de S. cerevisae. A la compañía Trisán SA, por facilitar la enzima pectinolítica.

BIBLIOGRAFÍA

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