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. Martínez-Valdivieso-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-2-nitrovinil)-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 3-hidroxibutirato 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

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Arnaldo Díaz-Molina, Idania Blanco-Carvajal, Mayra Capote-Arritola

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarVía 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 unafábrica de ron. Su configuración dinámica le permite adaptarse a cualquier tipo de fábri-ca, independientemente de su organización y/o productos almacenados. Posibilita el regis-tro de bodegas, tipos de depósitos, productos, clasificación de extracciones, toneles, y losmovimientos de agregación y extracción de bebidas sobre cada tonel; genera, en cadacaso, gran parte de la información necesaria. Registra los procesos de llenado y vaciadode 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 lasbajas producidas en cada bodega. Garantiza la obtención de reportes configurables quesirven para realizar análisis estadísticos y/o controlar eficientemente las actividades rea-lizadas 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. Itsdynamic configuration allows it to be adapted to any kind of factory, regardless of itsorganization and/or stored products. It facilitates the registration of cellars, types of depo-sits, products, classification of extractions, barrels, and the movements of aggregationand extraction of beverages in each barrel; it generates in each case much of the neededinformation. It registers the filling and emptying of several barrels automatically, as wellas its transfer if is necessary. It calculates automatically the aging of each barrel. It keepsa strict control of the casualties in each cellar. It guarantees the obtaining of severalreports that can be changed by the users and are useful for statistical analysis and/or exe-cute an efficiently control of the activities in each cellar. It is installed at the ReferenceCenter 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.

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

INTRODUCCIÓN

En una fábrica de ron, una de las áreasmás importante es la solera, donde se llevaa cabo el sistema de añejamiento o envejeci-miento de las bebidas. El proceso de añeja-miento repercute directamente en la calidaddel producto final, y se basa en la mejora delas propiedades organolépticas1 de las bebi-das, aportando aromas y sabores caracterís-ticos. Por esta razón, se debe tener un con-trol estricto de cada uno de los toneles obarriles que contienen las bases o caldosalmacenados.

El ron es una bebida alcohólica de altagraduación, cuya producción presenta unaserie de etapas, condicionadas por factoresque pueden influir decisivamente en sucalidad. Uno de los factores que cabe des-tacar es el sistema de añejamiento o enve-jecimiento de las bases almacenadas, loque condicionará la calidad final del pro-ducto (1).

Este factor ha sido durante mucho tiem-po uno de los fenómenos más misteriososdel mundo de la tecnología de las bebidasdestiladas. En el envejecimiento de lasbebidas alcohólicas, los toneles de maderade roble tienen un efecto beneficioso paraellas. Al conjunto o disposición de los tone-les que se emplean desde la antigüedadpara añejar, conservar, criar y trasladar lasbebidas, se les denomina solera y es dondela bebida sufre a lo largo del tiempo unaevolución dentro del tonel tras encontrarseen unas condiciones ambientales dadas, yque repercute fundamentalmente en unamejora de sus propiedades organolépticas,con la aparición de aromas y sabores carac-terísticos (2, 3).

En una fábrica de producción de ronesuna de las áreas más importantes es la sole-ra, por lo que se debe tener un controlestricto sobre cada uno de los toneles obarriles que contienen las bases o caldosque están almacenados en los mismos. ElCentro de Referencia de Alcoholes yBebidas (CERALBE) perteneciente alInstituto Cubano de Investigaciones de losDerivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA),cuenta con una solera en el área experi-mental de producción Bodegas Vigía. La

misma llevaba el control de su solera deforma manual al contar con una pequeñaproducción, pues sólo disponía de 60 tone-les. Al incrementarse los niveles producti-vos y con ello aumentar la cantidad detoneles, se hizo necesario contar con unaherramienta automatizada que llevara elcontrol de la misma (4). Por otro lado, sedeterminó que otras roneras del país tam-bién llevaban este control de forma manualy presentaban las mismas dificultades, porlo que se requería que el sistema desarro-llado fuera capaz de adaptarse al modelo decualquier fábrica de ron.

Para dar solución a este problema sediseñó e implementó el sistema Solera 1.0,que es un precedente del sistema Solera 2.0.El mismo permitía realizar un tratamientode la información fácil, rápido y seguro, ygarantizaba todos los requisitos funcionalesexpuestos por los especialistas. Sin embar-go, solo se podía instalar en aquellas entida-des con similares características al CERAL-BE, lo cual constituye una seria limitaciónconsiderando que cada ronera dispone desu propia organización. Otros problemasrelacionados con la tecnología fueron sur-giendo, lo cual dificultó en gran medida sugeneralización e indujo la necesidad deactualizar el software tecnológicamente.Surge así el sistema Solera 2.0, que basadoen las experiencias acumuladas aporta nue-vas herramientas para facilitar el trabajo delespecialista y elimina las limitaciones de laversión anterior.

Sistemas similares en Cuba y otros países

Durante un estudio del estado del arterealizado por investigadores del ICIDCA, sedeterminó que este tipo de sistemas noabunda en la industria cubana y tampocoen el extranjero. En Cuba, por ejemplo,algunas roneras han desarrollado sus pro-pios sistemas informáticos para dar solu-ción a sus requisitos. Estos sistemas, sinembargo, no han sido publicados y soloresuelven los problemas específicos de laronera en cuestión.

En la Feria Internacional de Informáticade La Habana, Informática 2011 (5), se pre-

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

sentó una aplicación SCADA2 (SupervisoryControl And Data Acquisition, Control deSupervisión y Adquisición de Datos) para laRonera Central "Agustín Rodríguez Mena"del municipio de Santo Domingo pertene-ciente a la Empresa Cubaron. Este sistemaelimina la baja interconectividad entre lasmáquinas instaladas y la necesidad de esta-blecer un control estricto en la materiaprima utilizada en la elaboración del pro-ducto final (6). Para su funcionamiento uti-liza un PLC3 (Programmable LogicController, Controladores LógicosProgramables) que permite reflejar en el sis-tema SCADA, las principales variables con-troladas por la instrumentación instalada enla ronera. Aunque es capaz de supervisartodo el proceso de fabricación de ron, suobjetivo no concibe la gestión y el controlde las actividades realizadas en las bodegasde añejamiento, por lo que no interfiere conel sistema Solera 2.0.

La compañía Siemens (7) ofrece libreríasde software para la automatización deindustrias relacionadas con la elaboraciónde bebidas y alimentos. Brindan solucionespara casi cualquier tipo de fábrica, comopor ejemplo fábricas de azúcar, de bebidas,de aceites comestibles, así como varios sec-tores del tabaco. Sus ofertas relacionadascon las bebidas (8, 9), si bien son abarcado-ras, se enfocan en la producción y no en elproceso de añejamiento de bebidas.Además, cualquier solución extranjera ten-dría que importarse, lo que implicaría ungasto económico mucho mayor y no existengarantías de que el mantenimiento post-venta se ofrezca con carácter gratuito.

Otro ejemplo de software foráneo loconstituye el sistema Easy WMS®. Fue rea-lizado para la gestión de bodegas de cual-quier envergadura, y dedicadas a los másdiversos sectores de actividad ya que encajaen cualquier compañía. Tiene como princi-pal objetivo controlar, coordinar y gestionartodos los procesos que se desarrollan en unabodega. Sus diferentes niveles de funciona-

lidad permiten adaptar el software a lasnecesidades concretas de cada instalaciónen función del grado de complejidad y auto-matización que presente. Puede adaptarsefácilmente al crecimiento de un negocio o anuevos procesos y volúmenes de informa-ción gracias a su gran flexibilidad (10). Apesar de la descripción anterior, los proce-sos realizados en una bodega de añejamien-to de bebidas difieren en gran medida de lasactividades ejecutadas en una bodega con-vencional. Debido a este último aspecto y alas dificultades que pueden surgir con laadquisición de un sistema extranjero, sedecidió no tomar en consideración estaalternativa.

Con la realización del sistema Solera 2.0se dispone de una solución nacional espe-cializada en el control de todo el proceso deañejamiento de bebidas. Gracias a su flexi-bilidad puede utilizarse en cualquier fábricade ron, independientemente de su enverga-dura o requisitos de producción y ventas.No existe actualmente en Cuba ningún otrosistema con estas características, excepto elSolera 1.0, con las limitaciones antesexpuestas.

NOVEDADES DEL SISTEMA SOLERA 2.0

En la tabla 1 se exponen de forma com-parativa las principales diferencias entre laversión actual del sistema y la versión ante-rior. Algunas características de la versiónactual son explicadas en detalle más ade-lante.

DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA

El sistema funciona bajo una arquitectu-ra cliente-servidor. Esto significa que losdatos están alojados en una base de datoscentral con toda la seguridad requerida, yen cada estación de trabajo (las computado-ras de los usuarios) se instala el software

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2. SCADA: Es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar variables de proceso adistancia, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y con-trolando 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 programary controlar procesos secuenciales en tiempo real. Algunos autores los identifican como AutómatasProgramables Industriales. http://es.wikipedia.org/.

Solera 2.0, que se encarga de establecer lacomunicación con el servidor central. Elestablecimiento de la comunicación softwa-re-datos es configurable, por lo que esta

aplicación es fácilmente adaptable a cual-quier distribución en red. En la figura 1 semuestra un esquema de este tipo de comu-nicación.

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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 estáti-ca. Está diseñado para el trabajo en soleras pequeñas, con características similares al CERALBE.

Herramientas totalmente configura-bles. Cada reporte puede personalizarse con la selección de los campos a mostrar. Su diseño está pen-sado para cualquier tipo de solera.

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.

Fue desarrollado en el lenguaje de programación C++ y la base de da-tos diseñada en el gestor de bases de datos Microsoft SQL Server. Presenta un asistente de instalación muy fácil de utilizar.

Distribución

Es un sistema alojado en la computa-dora del cliente. Aunque puede trabajar en red, la capacidad de con-currencia es limitada.

Es un sistema alojado en la compu-tadora del cliente pero funciona de manera distribuida con una base de datos central en un servidor. No existen límites en cuanto a la concu-rrencia de las solicitudes.

Generación automática de datos

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

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.

Operaciones sobre varios toneles simultá-neamente

Ninguna.

Permite registrar el llenado y vaciado de uno o varios toneles simultánea-mente. Facilita el traslado de los toneles marcados hacia otra ubica-ción de la solera.

Compatibilidad con otros siste-mas y formatos

No ofrece ninguna opción para expor-tar la información a otros formatos.

Presenta opciones que permiten exportar los listados a Microsoft Excel y Adobe PDF.

Seguridad del sistema

No presenta ninguna estrategia para la seguridad de los datos.

El acceso al sistema se realiza me-diante la solicitud de cuenta de usuario con contraseña. Toda la información relacionada con los usuarios se almacena de forma en-criptada en la base de datos. Se implementaron niveles de seguridad según la autoridad que posea cada usuario en el manejo de la información.

Copias de segu-ridad

Dependen del usuario.

Aunque el usuario puede ejecutar este proceso cuando lo estime con-veniente, las copias se realizan automáticamente cada cierto tiempo (definido por el administrador de la base de datos).

Las ventajas de la configuración cliente-servidor son muchas, pero las más notablesse enfocan en torno a la seguridad y dispo-nibilidad de la información. Por ejemplo, siuna estación de trabajo deja de funcionarpor cualquier motivo, las otras tendránacceso a la información, pues los datosestán almacenados en un servidor central.Por otro lado, un servidor es generalmenteuna máquina con una arquitectura de hard-ware robusta, que además de poseer unacapacidad mucho mayor de procesamiento,rara vez se daña.

Existen variantes más sofisticadas coninnumerables prestaciones, pero en princi-pio, el funcionamiento es este. En cualquiercaso, sin embargo, existen algunas caracte-rísticas poco positivas que deben tomarseen consideración. En primer lugar, la infor-mación no está en la máquina del usuario yla transferencia de datos se realiza median-te una red que el sistema no verifica, por loque pueden existir virus ocultos que dañenla información. Por otro lado, si el servidorcentral falla por algún motivo y no existe unrespaldo de seguridad, la información noestará disponible para ninguna estación detrabajo hasta que se restablezca el servicio.

No obstante a estas consideraciones, esconveniente aclarar que estos aspectos raravez afectan el funcionamiento de un siste-ma en particular. Es innegable que este tipode comunicación hace del sistema Solera2.0 un software mucho más robusto con unamplio alcance para los usuarios. Nóteseque un especialista podrá realizar consultasde información desde su estación de trabajo

con total independencia de las otras esta-ciones, algo que no sería posible con unaconfiguración local.

HERRAMIENTAS PRINCIPALES DEL SIS-TEMA

Como cualquier sistema para la gestióny control de procesos, las herramientas delsoftware Solera 2.0 garantizan la entradamínima de datos posible. Luego procesaesta información y la muestra de forma con-veniente para el usuario a través de reportespreviamente configurados. El principio defuncionamiento de este sistema es obtenerla mayor cantidad de información posible apartir del mínimo de datos almacenados,característica fundamental para aquellosespecialistas que deben llevar simultánea-mente el análisis, el control y la producción.Debido a la cantidad de opciones que ofreceesta aplicación no se ha considerado conve-niente explicarlas todas, en lugar de ello, sehan seleccionado aquellas que son impres-cindibles para la ejecución del programa.

Codificadores de datosAlmacenan la información primaria del

sistema. Su objetivo es personalizar el fun-cionamiento del software para que seaadaptable a cualquier tipo de solera, inde-pendientemente de su tamaño, distribución,cantidad de toneles y/o productos almace-nados. Se ofrecen un total de 7 codificado-res o nomencladores, como se les conoce enalgunas 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

Una muestra de estos se aprecia en lafigura 2.

Registro de tonelesAlmacena la información de cada tonel

de la entidad. Con esta herramienta el espe-cialista puede describir los datos de cadauno de sus toneles, para luego consultarlospor cualquiera de sus campos. Esta herra-

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Figura 1. Ejemplo de arquitectura cliente-servidor.

mienta genera automáticamente el añeja-miento de cada tonel tomando para ello lafecha actual del servidor central y los datosdel último movimiento realizado. Genera

además por cada tonel, a medidaque se le realizan los movimientos,la altura actual en centímetros y lacantidad de litros almacenados.

Cuando se selecciona un tonelaparecen dos opciones, una paradarle baja o reactivarlo, y otra paraejecutarle un movimiento.Además, se pueden llenar o vaciarvarios toneles simultáneamente, obien trasladarlos a otra ubicación.Como se muestra en la figura 3,con esta herramienta se puedengestionar los toneles de todas lasbodegas de la entidad.

Registro de movimientos:Almacena la información de cadamovimiento realizado. En este sen-tido registra la identificación deltonel, el tipo de movimiento y lainformación significativa del tonelantes y después del movimiento,por ejemplo: cantidad de litros yañejamiento. Presenta opcionespara filtrar los resultados, y permi-te seleccionar una bodega, un tipode depósito y un rango de fechas.Obsérvese la figura 4.

ReportesEl sistema ofrece un total de 14

reportes. Estos se agrupan en tresclasificaciones, las relacionadas

con los movimientos, las relacionadas conla información de los toneles y las relacio-nadas con los productos almacenados. Enalgunos casos se combinan estas clasifica-

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Figura 2. Algunos codificadores del sistema.

Figura 3. Herramienta para el registro de toneles.

Figura 4. Movimientos registrados.

ciones para dar solución a los requisitos delos usuarios. Algunos reportes son:• Bajas y movimientos por tonel y periodo• Valoración de las extracciones por perío-

do(gastos incurridos en el período eva-luado)

• Toneles llenos, vacíos, o por rango deedad

• Situación de los toneles para formular• Cantidad de litros por producto• Ubicación de los toneles por producto• Toneles por producto, litros y añejamiento

Como se mencionó anteriormente exis-ten otros reportes, pero en general, el fun-cionamiento es el mismo. Todas las herra-mientas para la obtención de informacióndisponen de una paleta de configuraciónque permite personalizar los parámetros de

búsqueda. Otras opciones son la de expor-tar el listado hacia Microsoft Excel y lageneración de una plantilla de impresión,desde la cual se puede imprimir el docu-mento generado o exportarlo hacia AdobePDF. Las figuras 5a y 5b constituyen ejem-plos de esto.

Transferencia y consulta de datos antiguos Es común que los especialistas evalú-

en solamente la información más actuali-zada, dejando los reportes anteriores paraanálisis estadísticos o partes relacionadoscon alguna inspección. El sistema Soleraofrece una alternativa para garantizar estapráctica. Cuando se desea marcar ungrupo de registros como "no actuales", seespecifican las fechas a partir de las cua-les se desean mantener los registros

(movimientos y bajas) en la basede datos central (véase figura 6).Luego aparecen una serie deconfirmaciones y cuando se ter-mina el proceso, se habrá gene-rado un fichero en la propiaestación de trabajo con la infor-mación no deseada. A partir deese momento los registros anti-guos desaparecen de la base dedatos central, pero no se pier-den. Para consultarlos basta conabrir el archivo mencionado y elsistema se adapta para estableceruna conexión local, y ofreceentonces todos los reportes men-cionados anteriormente.

Una vez concluida la consulta dedatos antiguos el usuario puede resta-blecer la conexión remota original, yobtiene entonces los registros másactualizados.

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Figura 5a. Reporte configurable.

Figura 5b. Hoja de impresión generada.

Figura 6. Transferencias de bajas y demovimientos.

SEGURIDAD DEL SISTEMA

Como se aprecia en la tabla 1, el sistemaSolera dispone de varios esquemas de segu-ridad. Desde el punto de vista del usuario,se exige para poder acceder a la informaciónla descripción de una cuenta de usuario concontraseña. Véase figura 7a. Una vez auten-ticado, el sistema determina cuáales herra-mientas puede activar en dependencia delnivel de autoridad del especialista autenti-cado. Estos niveles son en orden de mayor amenor autoridad: (administrador general,administrador, usuario avanzado y usuariorestringido). Mientras que un administradorgeneral puede ejecutar cualquier acción, unusuario restringido puede solo consultarinformación sin posibilidad alguna de edi-tarla o exportarla. Estos niveles se explicandetalladamente en la documentación deayuda del software.

Como se observa en la figura 7.b, cadaacción realizada por cada usuario es regis-

trada en un sistema de trazas que se ejecutaparalelamente a la aplicación. En cada trazase almacena la identificación del usuario,fecha y hora en que fue ejecutada, la acciónrealizada y la herramienta que se puso demanifiesto. Este proceso potencia la seguri-dad del sistema y permite llegar a conclu-siones sobre las actividades realizadas porcada especialista. El tiempo máximo que sealmacenan estos registros es de un año deantigüedad.

DOCUMENTACIÓN Y AYUDA DEL SIS-TEMA

Con la instalación del software se brindaun manual del usuario y un fichero deayuda que puede consultarse desde cual-quier herramienta. Se ofrecen los datosgenerales del ICIDCA y la información decontacto necesaria para localizar a los auto-res. Con estas opciones, el usuario puedeaclarar cualquier duda sin necesidad de quelos desarrolladores del software se dirijan asu entidad.

CONCLUSIONES

• A partir del análisis de lascondiciones actuales en lasroneras cubanas se pudie-ron identificar los proble-mas existentes para gestio-nar y controlar las activida-des en las soleras.

• Se realizó un estudio delestado del arte para analizarlas herramientas similaresexistentes en Cuba y elmundo. No se identificóningún sistema cubano concaracterísticas similares alSolera. Por los elevados pre-cios y poca adaptabilidad alas roneras cubanas de lossistemas extranjeros, sedeterminó la necesidad deimplementar una soluciónnacional.

• Constituye una necesidadpara las roneras de Cuba la instalación deun sistema como el Solera, lo cual ha

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Figura 7a. Autenticación de usuario.

Figura 7b. Registro de trazas de usuario.

sido avalado por especialistas del sector.Este sistema facilita el cálculo de losparámetros de cada tonel, incluido suañejamiento para realizar nuevas formu-laciones y planes de producción.

• Con la actualización del sistema hacia laversión 2.0 se eliminaron las dificultadesexistentes con la versión anterior.

• Se ha realizado, de conjunto con especia-listas del CERALBE una etapa de valida-ción del sistema que ha permitido refinarlas herramientas del software y hademostrado su utilidad.

• El software Solera para la gestión y con-trol de bodegas de añejamiento constitu-ye un resultado con un impacto econó-mico considerable. Permite valorar elgasto incurrido por concepto de extrac-ción de bebidas en divisa y su equivalen-te en moneda nacional.

• Es un producto comerciable, cuenta conun manual del usuario, ayuda en línea yplegable promocional. Por sus caracterís-ticas configurables puede ser implantadoen cualquier ronera independientementede su tamaño, organización y/o produc-tos almacenados.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Bravo Abad, F. y Pérez Rodríguez, L.Muestras comerciales de brandy y coñac.Alcoholes superiores y espectro de absor-ción ultravioleta. Alimentaria, 22 (6), 89-100. 1985

2. Casares, R., y Olmedo, R.G. Estudio ana-lítico de algunos coñacs españoles, Anal.Bromatol., I, 31-56. 1949

3. Giménez, R.; López, H.; Villalón, M.;López Martínez, M.C. Evolución de losparámetros físico-químicos en aguar-dientes macerados con madera de roble:Influencia del tiempo de maceración.Alimentaria, julio-agosto: 111-117. 1997

4. Capote M. Manual de utilización del sis-tema computacional Solera. Versión2.00, ICIDCA, pp. 1-18. 2008

5. Feria Internacional de Informática en LaHabana, http://www.informaticahaba-na.cu/. (Visitado: 01/03/2011).

6. Feria Internacional de Informática en LaHabana "Informática 2011",http://www.informaticahabana.cu/node/1667. (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/producti-vity-ae_food_beverage/. (Visitado:03/03/2011).

9. Siemens - Greater efficiency and produc-tivity for the food and beverage industry,http://www.automation.siemens.com/mcm s / f o o d -beverage/industry/Pages/Default.aspx.(Visitado: 03/03/2011).

10. Sistema Easy WMS®, http://www.meca-lux.cl/software-para-bodegas/32106521-p.html. (Visitado: 04/03/2011).

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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 AzúcarCP.33500, Quivicán, Mayabeque, Cuba

cuba10@enet.cu

RESUMEN

Se realizó una caracterización física de la zeolita proveniente de los yacimientos de SanJuan de la Yeras, con el objetivo de evaluar sus posibilidades para ser usada como sopor-te sólido en la formulación del biofertilizante Azospirillum. Se evaluaron fracciones de trestamaños de partícula, de las que la fracción Zoac (<0,8 mm) fue la más apropiada deacuerdo con sus características y disponibilidad. Se realizaron experimentos mediante undiseño factorial 22 para evaluar la estabilidad del inoculante formulado en soporte sóli-do, teniendo en cuenta dos niveles de relación de inoculación y concentración celular delproducto. De acuerdo con los resultados obtenidos, el producto líquido no puede ser alma-cenado a temperatura ambiente por un período superior a 14 días, mientras que la zeoli-ta provee al microorganismo de un ambiente adecuado para su mantenimiento por unperíodo de 90 días. La inoculación más efectiva resultó ser la realizada al 21 % con unatitulación del producto al salir del fermentador de 1 x 109 UFC/ml para una tasa de extin-ción celular de 1,4 x 106 cel/ml-1/día-1. La poca cantidad de inóculo líquido que es capazde admitir este material y su bajo contenido de materia orgánica constituyen desventajasque debe ser consideradas para el establecimiento de una formulación definitiva del bio-fertilizante.Palabras clave: zeolita, biofertilizante, Azospirillum.

ABSTRACT

A physical characterization of zeolite from San Juan de las Yeras was carried out to assessits possibilities as a solid support in the formulation of Azospirillum biofertilizer. Threefractions with different particle size were tested being the Zoac fraction (<0,8 mm) themost appropiated according to its characteristics and availability. Different experimentswere carried out through a 22 factorial design with two levels of inoculant ratio and cellconcentration 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 formore than 14 days, whereas zeolite provides a suitable environment to microorganismable to mantain for 90 days. The most effective inoculation turned out to be that carriedout at 21 % with a titer at the fermentor outlet of 1 x 109 CFU.ml-1 for a ratio of cell extinc-tion of 1,4 x 106cell.ml-1.day-1. The amount of inoculant admited by this material is verylow which, together with the minimal concentration of organic matter, are drawbacks tobe taken into account for biofertilizing formulation.Keywords: zeolite, biofertilizer, Azospirillum.

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

INTRODUCCIÓN

El desarrollo agrícola, que en nuestropaís se ha convertido en una tarea estratégi-ca para la satisfacción de las necesidadesalimenticias de la población y para el incre-mento productivo, en sectores tan importan-tes como la industria azucarera, ha significa-do un reto para los científicos cubanos quie-nes se encuentran enfrascados en la búsque-da de alternativas económicas y ambiental-mente sostenibles. El uso de biofertilizantesha sido desde hace algunos años una de lasarmas más acertadas con este fin.

Las bacterias del género Azospirillumhan sido ampliamente estudiadas y utiliza-das en la biofertilización. La capacidad delAzospirillum para estimular el crecimientode las plantas ha sido demostrada en dece-nas de experimentos, tanto de campo comode invernadero. Varios son los mecanismosque se han sugerido como responsables delefecto estimulatorio. Además de fijar nitró-geno, esta bacteria es capaz de producir hor-monas de crecimiento vegetal, y genera unincremento importante en la magnitud delsistema radicular, lo que permite mayorcapacidad de absorción de agua y nutrientesdisponibles en el suelo, incluyendo lamayor absorción de los nutrientes o fertili-zantes aplicados, por lo que significa unadisminución en la necesidad del empleo defertilizantes químicos (1-4)

El modo más sencillo para el empleo deestos inoculantes es su aplicación en formalíquida, directamente a los cultivos sinexperimentar procesamiento posterior a lasalida del fermentador. Sin embargo, seconoce que el licor de Azospirillum obteni-do en el fermentador pierde rápidamenteviabilidad, y en ocasiones, luego de 30 díasde almacenamiento, prácticamente ya noexisten células viables de esta bacteria en ellíquido (5). Al mismo tiempo, aparecen fre-cuentemente grandes contaminaciones deotros microorganismos.

La experiencia indica que para que unproducto comercial cumpla con los requeri-mientos se necesita una formulación fácilde aplicar, que disminuya las dificultadespara su transportación y con posibilidadesde ser almacenado sin que se pierdan suspropiedades (6,7).

Con el fin de satisfacer esta necesidad sehan empleado numerosos soportes sólidos

para los inoculantes microbianos. Estosdeben cumplir una serie de característicasque favorezcan el mantenimiento y conser-vación de los microorganismos con una vita-lidad adecuada para el momento de la apli-cación. Dentro de las mismas se encuentranuna elevada capacidad de absorción y reten-ción de agua, un contenido elevado dematerias orgánicas y nutrientes, baja tenden-cia a la formación de grumos, facilidad demolida y naturaleza biodegradable. El ele-vado cumplimiento de estos requerimientosha hecho que la turba se haya convertido enel soporte sólido mayoritariamente emplea-do en los estudios realizados conAzospirillum (8,9). No obstante, la necesidadde búsqueda de otras alternativas a la turbaes un imperativo debido a la escasez de yaci-mientos en nuestro país, además de resultarla extracción de estos un atentado contra laestabilidad ecológica de los ecosistemas.

Las zeolitas naturales son aluminosilica-tos cristalinos microporosos con estructurasbien definidas en la que prevalecen lostetraedros de [SiO4]4- y [AlO]5-, unidos a tra-vés de los átomos de oxígeno. La estructurapresenta canales y cavidades de dimensio-nes moleculares en las que se encuentran loscationes de compensación, moléculas deagua, sales y otros. Este tipo de estructuramicroscópica hace que las zeolitas presentenuna superficie interna extremadamentegrande, entre 500 y 1000 m2/g, con relacióna su superficie externa. Aunque esta superfi-cie es poco accesible para componentes detipo macromolecular, la microporosidad deestos sólidos es abierta y la estructura per-mite la transferencia de materia entre elespacio intracristalino y el medio que lorodea. Los tetraedros [AlO4]5- inducen car-gas negativas en la estructura, las que seneutralizan por cationes de compensaciónintercambiables. Estos cationes junto con lasmoléculas de agua, ocupan el espacio intra-cristalino de estos aluminosilicatos (10).

Esta estructura le confiere a la zeolitados propiedades muy importantes: capaci-dad de adsorción e intercambio iónico, lasque son ventajas a su favor, para el posibleuso como soporte de inmovilización ypodrían resultar muy atractivas para laobtención de un producto para la biofertili-zación, más aún si se trata de microorganis-mos que no son capaces de formar estructu-ras de resistencia (11).

13

En este trabajo se presentan los estudiosrealizados con el objetivo de aprovecharestas posibilidades de la zeolita para suempleo como soporte sólido del biofertilizan-te Azospirillum y el establecimiento de unaformulación que garantice el cumplimientode los requerimientos para este producto.

MATERIALES Y MÉTODOS

Microorganismo empleadoSe utilizó la cepa 8I de Azospirillum bra-

silense proveniente de la colección demicroorganismos del INICA. La misma fueaislada de la rizosfera de la caña de azúcar,variedad Jaronú 60-5 y seleccionada por sucapacidad de fijar el nitrógeno atmosférico.

Desarrollo del cultivoPara la obtención del inóculo en el labora-

torio se partió de una cepa crecida en medioBMS (12), y se utilizó para la propagación elmedio diseñado por el INICA con fructosa yextracto de levadura como fuentes de carbonoy nitrógeno, respectivamente (13).

La propagación se llevó a cabo en zaran-da giratoria, en erlenmeyers de 500 ml decapacidad total y volumen efectivo de 100ml, a una temperatura de 37 ºC y una velo-cidad de agitación de 180 rpm durante 16horas. El medio fue esterilizado en autocla-ve a 121 ºC durante 30 minutos.

El inóculo así obtenido fue utilizado parainocular el fermentador de 50 l, y posterior-mente el de 500 l utilizando un medio conmiel final y levadura hidrolizada como fuen-tes de carbono y nitrógeno, respectivamente.

Caracterización física de la zeolitaPara la preparación de los bioinoculan-

tes se evaluó como soporte sólido la zeolitaproveniente de los yacimientos de San Juande la Yeras, Las Villas, la que se encuentradisponible en tres tamaños de partículasdiferentes. La materia prima se caracterizóde acuerdo con la metodología propuestapreviamente (14). Se realizaron análisis de:humedad, pH, contaminación microbiana,capacidad de retención de agua y humedadrecomendada.

Determinación de humedadSe realizó en un analizador de humedad

Sartorius MA 150.

Determinación de pHEn un vaso de precipitado de 250 ml se

suspendieron 10 g de zeolita en 90 ml deagua. Se agitó la mezcla con agitador mag-nético, a la vez que se determinó el valor delpH utilizando un pHmetro HANNA pH213.

Contaminación microbianaSe pesó 1 g de zeolita y se resuspendió

en 100 ml de agua estéril agitando en zaran-da rotatoria por 1 h. La suspensión resul-tante se sembró por diseminación en placasde Agar Nutriente a partir de dilucionesseriadas de la misma y se incubó por 72horas a 35 °C.

Capacidad de retención de aguaSe pesaron 100 g de zeolita (base seca)

en un vaso de precipitado de 500 ml, seagregó agua agitando constantemente hastalograr la saturación, después se adicionóagua hasta conseguir una pasta suave. Setransfirió a un cilindro graduado previa-mente tarado, con un agujero en el fondocubierto con una malla y se dejó drenardurante 24 horas. Al cabo de este tiempo sepesó el cilindro con su contenido. Se expre-só la capacidad de retención de agua sobreel peso seco del soporte.

Determinación de humedad recomendadaLa cantidad de inóculo a agregarse al

soporte puede ser muy inferior a la capaci-dad de retención del mismo, ya que el ino-culante resultante debe ser de textura fria-ble, no pegajosa o grumosa, por lo que seprocedió a determinar la cantidad deseadade líquido a agregar por el método de prue-ba y error. Para ello se prepararon 6 bolsasde polipropileno de 10 x 10 cm con 50 g dezeolita en cada una. Se agregó a la primerabolsa 5 ml menos de agua que el volumencorrespondiente a su capacidad de reten-ción de humedad, y se continuó hasta quecada bolsa recibió 5 ml menos que la ante-rior. Se sellaron las bolsas y el contenido semanipuló hasta lograr una absorción com-pleta de la humedad. Se dejó reposar pordos horas. Al cabo de este tiempo, se com-probó manualmente la consistencia de cadauna y se escogió el tratamiento que absorbióla mayor cantidad de agua manteniendo latextura deseada. Se registró la relación zeo-lita/agua. El nivel de humedad recomenda-da se expresó en porcentaje y se calculó

14

sobre la base del peso húmedo de la prepa-ración final.

Preparación del biofertilizante soportado yestudios de estabilidad

Para la inoculación se utilizó la zeolita(Zoac), la que fue previamente esterilizadaen autoclave mediante dos tratamientos de1 h, 121 °C, 1 atm. Se utilizó para los expe-rimentos el producto obtenido en dos lotesexperimentales en el fermentador de 500 l.

Para el análisis de la estabilidad del bio-fertilizante Azospirillum soportado, se traba-jó con un diseño factorial 22 en el que seestudió el efecto de la relación de inocula-ción y la concentración inicial del inoculan-te sobre el comportamiento de la viabilidaddel producto en el tiempo. La tabla 1 mues-tra las variables del diseño aplicado.

El material inoculado se envasó en bol-sas de polipropileno de 10 x 10 cm y sealmacenó a temperatura ambiente 25-30 °C.

Se realizó un conteo de células viablessemanalmente durante 30 días y cada dossemanas por un período de 90 días. Las siem-bras fueron realizadas por diseminación en

placas a partir de diluciones seriadas de lamuestra original en el medio semi-selectivoAgar-Rojo Congo, el que permite el reconoci-miento de las colonias de Azospirillum a par-tir de la aparición de colonias típicas con uncolor rojo oscuro o escarlata.

Se estudió, además, la estabilidad delbiofertilizante no soportado, envasado enrecipientes plásticos estériles a temperaturaambiente (25-30 °C).

Con los datos obtenidos se determinó latasa de cambio de extinción (-) o multiplica-ción (+) a partir de la fórmula [T= X2-X1/t2-t1], donde X es el número medio de célu-las.ml-1 en tres repeticiones de la muestra enel tiempo (t). Los resultados fueron analiza-dos estadísticamente mediante análisis devarianzas (ANOVA).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización física dela zeolita

Los resultados de lacaracterización física rea-lizada a la zeolita semuestran en la tabla 2.

Los resultados obteni-dos, luego de la caracteri-zación de la zeolita,muestran que en todoslos casos los valores deretención de agua yhumedad recomendadason relativamente bajosen comparación con laturba. En un soporteestas característicasdeterminan la cantidadde inóculo líquido quepuede agregársele y porlo tanto, el número decélulas viables del micro-organismo por unidad depeso en el producto final.De la misma manera, la

humedad recomendada es la cantidad máxi-ma de inóculo líquido que puede retener unsoporte manteniendo una textura deseada,es decir, una consistencia friable y no pega-josa. Los valores bajos de estas propiedadessugieren que la cantidad de este soportenecesaria para preparar adecuadamente el

15

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

Variantes experimentales

Relación de inoculación

(% de inoculante)

Concentración celular del inoculante (UFCml-1)

I 21 1,2 x 109

II 21 1,0 x 1010 III 30 1,2 x 109 IV 30 1,0 x 1010

Tabla 2. Caracterización física de la zeolita

Análisis Zeolita micronizada

Zeolita (Zoac)

Zeolita granulada

Tamaño partícula Micronizada <0,8mm 1-3 mm Humedad (%) 2,9 3,6 5,3

pH 8,2 8,4 7,0 Contaminación

(UFC/g) 5,3 x 105 1,3X106 *

Retención de agua (%)

38 30 *

Humedad recomendada (%)

29 21 *

* El elevado tamaño de partícula no permite la formación de una mezcla homogénea para la realización de los análisis.

bioinoculante es alta, e igualmente lo será,la cantidad del mismo que se debe añadir alsuelo para cumplir con los requerimientosde fertilización, lo que evidentemente,constituye una desventaja.

Se aprecia en la tabla que la zeolitamicronizada presenta valores superiores deretención de agua y humedad recomendada.Sin embargo, la diferencia con respecto a laZoac no es significativa si tenemos en cuen-ta que este tipo de zeolita es de mucho másdifícil producción y adquisición, de acuer-do con sus elevados precios en el mercado.Otro factor a considerar es el hecho de quela Zoac es un subproducto en la industriaque no es utilizado con otros fines. Por estasrazones se decidió utilizar esta última paralos ensayos de estabilidad.

Los niveles de contaminación son ele-vados, lo que implica la necesidad de unproceso de esterilización previo a la inocu-lación.

Estudios de estabilidadEl hecho de que uno de los principales

propósitos de la utilización de soportes sóli-dos para los biofertilizantes sea garantizaruna vitalidad elevada de los microorganis-mos durante largos períodos de tiempo,facilitando su almacenamiento, determinaque el estudio de la estabilidad del bioferti-lizante soportado sea uno de los principalespuntos en los que debemos detenernos a lahora de evaluar la calidad de estos.

En la figura1 se puede apreciar el com-portamiento de la viabilidad en el tiempodel Azospirillum en medio líquido a tempe-ratura ambiente (25-30 °C). Como es fácil-mente apreciable, el número de células via-bles decrece considerablemente en el tiem-po, pues se observa una disminución de1x109 UFC.ml-1 a 1,85x107 UFC.ml-1 al cabode los 30 días con una pérdida completa dela viabilidad luego a los 60 días, para unatasa de extinción de 1,6 x 107 células. ml-

1.día-1. Por otra parte, los niveles de conta-minación con hongos y bacterias son eleva-dos bajo estas condiciones, afectando consi-derablemente su vitalidad.

En las figuras 2 y 3 se puede apreciarel comportamiento de la viabilidad delAzospirillum brasilense soportado en zeo-lita y en la tabla 3 los valores de la tasa deextinción para las variantes experimenta-les.

De acuerdo con los resultados obteni-dos, la utilización de la zeolita como sopor-te sólido para Azospirillum garantiza quedespués de 90 días de almacenamiento suviabilidad solo decrece en un orden, obser-

16

Figura 1. Comportamiento de la vibilidad en eltiempo del biofertilizante Azospirillum en mediolíquido a temperatura ambiente.

Figura 2. Comportamiento de la vibilidad en eltiempo del Azospirillum brasilience soportadoen zeolita para 21 % de inoculación.

Figura 3. Comportamiento de la vibilidad en eltiempo del Azospirillum brasilience soportadoen zeolita para 30 % de inoculación.

vándose para todos los casos una tasa deextinción mucho menor que la del bioferti-lizante no soportado. Los niveles de conta-minación resultaron igualmente bajos.

El análisis estadístico medianteANOVA y Prueba de Múltiples rangosreflejó la existencia de diferencias signifi-cativas asociadas a la concentración inicialdel inoculante, siendo la tasa de extincióncelular mayor para las variantes II y IV, lascuales comenzaron con mayor concentra-ción celular.

En el caso de la relación de inoculaciónno se apreciaron diferencias significativaspara los dos niveles analizados. Es necesa-rio aclarar que estos niveles no influyen enla concentración celular del producto unavez formulado, y se observó para ambos unadisminución semejante. Para el caso de lasmuestras inoculadas con 21 %, su consis-tencia es la más adecuada físicamente parala aplicación por su friabilidad.

COINCLUSIONES

1. El biofertilizante Azospirillum en mediolíquido no debe ser almacenado a tempe-ratura ambiente por un período mayor de14 días, pues ocurre una pérdida signifi-cativa de su vitalidad y se alcanzan ele-vados niveles de contaminación.

2. La zeolita provee al Azospirillum de unmedio adecuado para su conservaciónpor un período de 90 días, sin pérdidasconsiderables de su vitalidad y nivelesrelativamente bajos de contaminación,aunque la poca cantidad de inóculo líqui-do que es capaz de admitir y el bajo con-tenido de materia orgánica constituyendesventajas que deben ser consideradas

para el establecimiento de una formula-ción definitiva para el biofertilizante.

3. La zeolita tipo Zoac debe ser inoculada a21 % para lograr una consistencia adecua-da para la aplicación del biofertilizante.

4. La tasa de extinción celular para el bio-fertilizante soportado en zeolita es mayorpara una mayor concentración celulardel inoculante.

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Tabla 3. Tasa de extinción calculada para las diferentes variantes experimentales

Variante experimental

Tasa de extinción (cel.ml-1.día-1)

I 1,4 x 106 II 8,1 x 106 III 2,2 x 106 IV 9,0 x 106

Sin Soportar 1,6 x 107

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18

19

Ramón Consuegra-del Rey

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarCarretera 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 basede un modelo matemático. Se analizan variantes de control ideal de la sobresaturación ydel contenido de cristales que reflejan la necesidad de puntos de ajuste variables en lossistemas de control basados en mediciones de la conductividad eléctrica y del brix, res-pectivamente. Se sugiere una explicación sobre las posibilidades de un mayor agota-miento con el uso de tachos continuos.

Palabras clave: modelo, simulación, masa cocida.

ABSTRACT

"C" massecuite boiling process is simulated using mathematical model. Ideal controls ofsupersaturation and crystal content are evaluated. These control alternatives indicate thenecessity of variable set-points in such systems based on conductivity and brix control. Anexplanation about better exhaustion in continuous vacuum pans is also suggested.

Keywords: model, simulation, massecuite.

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

-INTRODUCCIÓN

En el caso de la cocción de masas coci-das en los tachos, el control de la sobresatu-ración y del contenido de cristales puedeconsiderarse como una alternativa de con-trol ideal (1). La sobresaturación constituyela fuerza directora de la transferencia demasa y su valor deberá estar en el intervalocomprendido entre las fronteras de satura-ción y de nucleación espontánea. Por otraparte, el contenido de cristales condiciona

en gran medida la superficie cristalina y ladistancia entre los cristales presentes en lasmasas cocidas. Este último aspecto incidenotablemente sobre la evitación de la nu-cleación espontánea en zonas localizadas delos tachos donde la circulación no es total-mente perfecta. Como elemento adicionalacerca de la importancia del control delcontenido de cristales, se encuentra suestrecha influencia sobre la consistencia, laque determina a su vez la necesaria fluidezde las masas cocidas en los tachos.

Hasta el presente no se han logrado medirla sobresaturación y el contenido de cristalesde forma directa y continua a los efectos delcontrol automático del proceso, por lo que seusan métodos indirectos sobre la base de lamedición de variables que de alguna formase relacionan con las de interés. Entre losmás extendidos se encuentran el conducti-métrico que usa a la conductividad eléctricacomo variable de referencia y la radiofre-cuencia que se relaciona con el Brix de lasmasas cocidas. En los últimos años ha logra-do buen espacio el uso de microondas paramedir el Brix de las masas (2).

En el presente trabajo se analizan relacio-nes entre las variables indirectas con la sobre-saturación y el contenido de cristales ante dife-rentes alternativas de control a lazo abierto.

MATERIALES Y MÉTODOS

La definición del modelo matemáticodel proceso de cocción de las masas cocidasC en los tachos, referida en la parte 1 delpresente trabajo (3), ofrece la posibilidad desimular las diferentes alternativas de con-trol que se analizan.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El control de la sobresaturación y del con-tenido de cristales

Por tratarse de 2 variables que se debencontrolar simultáneamente será necesarioigual número de variables de mando, por loque el contenido de cristales es reguladomediante el flujo de miel B, y la sobresatu-ración a través del flujo de agua que se con-densa en la calandria, que es equivalente alflujo de agua que se evapora en el tacho.Para lograr este objetivo mediante el uso delmodelo matemático, se derivan las expre-siones que calculan la sobresaturación y elcontenido de cristales, respectivamente ylas derivadas se igualan a cero, despejándo-se las expresiones del flujo de miel y devapor resultantes de estas condiciones. Eneste caso de control ideal se asume que eltacho es capaz de evaporar toda el agua quesea necesaria para que la sobresaturaciónmantenga su valor durante todo el proceso.

La figura 1 establece el comportamientode la conductividad eléctrica de la masacocida ante la alternativa de control sujeta aanálisis. Se le concede especial atención a

este resultado, debido a que un númeroconsiderable de sistemas de control, paratachos instalados en la industria, usan laconductividad eléctrica como variable fun-damental de control.

Por tratarse de un análisis asociado contendencias, se decidió relacionar el compor-tamiento de la conductividad respecto a suvalor inicial (Ωm/Ω0) con la fracción delincremento de la masa (ΔM/Mt = (M - M0)/Mt; donde Mt y M0 simbolizan los valoresinicial y final de la masa contenida en eltacho, respectivamente.

Se puede precisar que el valor de la con-ductividad eléctrica debe descender en lamedida en que se incrementa el contenidode la masa en el tacho. Esto significa que lossistemas de control deben contemplar unset-point de carácter variable en función delnivel de la masa cocida y que la variaciónno es lineal. Se ha podido apreciar que enreiteradas ocasiones los operadores mantie-nen el set-point fijo, al parecer porque estacondición se corresponde de manera relati-vamente aceptable en la etapa anterior a laproducción de la masa cocida C, consisten-te en la cocción de la masa de "cristaliza-ción" que es el pie de la masa sometida aeste estudio. Las figuras 2 y 3 muestran ladisminución de la sobresaturación y delcontenido de cristales al aumentar el conte-nido de masa cocida en el equipo, en el casoen que el set-point de la conductividad eléc-trica permanece constante. Se aclara que eneste caso, por tratarse de una simulación delproceso que no considera un control idealde la sobresaturación, el flujo de agua eva-porada responde a la ecuación (2 - 7) deri-vada de la Parte 1 (1) del presente trabajo:

20

Figura 1. Variación de la conductividad.Situación controlada de sobresaturación ycontenido de cristales.

E = 0,045. ΩM + 0,1176. MT + 0,001

Las variables E, ΩM y MT representan elflujo de agua evaporada, la conductividadeléctrica de la masa cocida y la masa conte-nida en el tacho, respectivamente.

El comportamiento de las variables fun-damentales implica la disminución de lavelocidad de cristalización por concepto dela disminución de la sobresaturación, y laalta probabilidad de nucleación espontáneaen zonas localizadas del tacho, al disminuirel contenido de cristales (en Cuba se conocecomo la presencia de "sobrante de miel").

El uso de transmisores de radiofrecuen-cia (RF) ha sido extendido desde hace variosaños por concepto de su relación con el Brixde las masas cocidas y es común que seanconceptualizados como transmisores deBrix. Por otra parte, en los últimos años sereportan (2) ventajas del uso de las micro-ondas a los efectos del control, ya que estamedición permite definir de forma directael contenido de agua en las masas cocidas ypor ende su brix.

La figura 4 indica que el Brix de la masacocida (Bxm) debe aumentar con el nivel de

la masa ante la alternativa en que se contro-lan la sobresaturación y el contenido decristales por lo que, en el caso de sistemasde control que se basen en RF y microon-das, respectivamente, también los set-pointsde Brix deberán ser variables.

Resulta interesante el reporte (2) acercade la medición continua del contenido decristales en un tacho industrial. El sistemase fundamenta en la medición del Brix dellicor madre con un refractómetro en línea yla del Brix de la masa cocida mediantemicroondas, junto a la consecuente deter-minación del contenido de cristales según:

Usando el modelo matemático, se simu-ló el proceso ante la alternativa de controldel contenido de cristales, regulando elflujo de miel B ante la condición de presiónde vapor constante en la calandria del tachodiscontinuo, sobre el que se basaron lascorridas experimentales que dieron lugar alos ajustes de los coeficientes de las ecua-ciones del modelo.

La figura 5 refleja el comportamiento dela sobresaturación, cuyo valor se incremen-ta hasta un nivel determinado de la masacocida en el tacho, para luego decrecerhasta un valor cercano al punto de satura-ción aún cuando el referido nivel no haalcanzado su valor máximo.

Por otra parte, la figura 6 establece elresultado del estado comparativo entre larelación flujo de agua evaporada / flujo decristalización (E/FC) ante esta alternativa decontrol y aquella en la que se controlan

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Figura 2. Variación de la sobresaturación aconductividad constante.

Figura 3. Variación del contenido de crista-les a conductividad constante.

Figura 4. Variación del brix de la masa,Situación controlada de la sobresaturacióny el contendio de cristales.

( )( )licor deBrix - 1,00

licor deBrix - masa deBrix CC =

simultáneamente la sobresaturación y elcontenido de cristales, la que permanececonstante acorde con la línea recta repre-sentada en la figura.

Se puede apreciar que el comportamien-to de la sobresaturación está vinculado conla desproporción entre ambos flujos por con-cepto del exceso de flujo de agua evaporadaen los inicios de la cocción y por defecto deeste a partir de un valor definido del nivel demasa cocida. La disminución de la sobresa-turación durante la etapa en que su valorresulta alto es simple mediante la reducciónde la presión en la calandria; sin embargo, elcaso opuesto se complica, ya que las posibi-lidades de incrementar la presión están limi-tadas por un valor máximo que depende dela fuente de suministro de vapor al tacho. Lamodificación del valor máximo es posible,pero apunta hacia el incremento del consu-mo de vapor en el proceso.

Lo analizado anteriormente permitereflexionar acerca de que, a las demostradasventajas de los tachos continuos (respecto alos discontinuos) desde los puntos de vistade los incrementos de la productividad y dela economía energética, se pudiera adicio-

nar el incremento de las posibilidades deagotamiento de los licores madre en el casode la cocción de la masa cocida final. Estasugerencia se fundamenta en que sus másaltos coeficientes de transferencia de calor,posibilitados por concepto de la baja y cons-tante carga hidrostática y por la alta y cons-tante relación superficie calórica/volumen,reducen la posibilidad de que la sobresatu-ración descienda a partir de una determina-da etapa del proceso.

CONCLUSIONES

Los resultados de la simulación del pro-ceso de cocción de las masas cocidas C enlos tachos indican el carácter variable y nolineal que deben tener los set-points en lossistemas de control basados en medicionesque se relacionan con la sobresaturación y elcontenido de cristales, entre las que seencuentran la conductividad eléctrica, laradiofrecuencia y las microondas. Se pun-tualiza que en el caso de la producción demasas cocidas finales en tachos disconti-nuos, el flujo de evaporación puede ser unpaso limitante que limite el potencial de ago-tamiento de los licores madre, lo que cons-tituye un elemento a favor de los tachos con-tinuos en los casos en que se decida valorarla aplicación de esta última tecnología.

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Figura 5. Variación de la sobresaturación apresión constante en la calandria.

Figura 6. Variación de la relación E/FC apresión constante en la calandria.

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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 AzúcarVía 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 losminerales presentes en su medio de crecimiento. Una buena proporción de los conteni-dos de cenizas (7,5-8,1 %) encontrados en la levadura panadera o en la recuperada dela fabricación de cerveza, está constituida por fosfato de potasio. Adicionalmente, lalevadura posee la habilidad de acumular, en elevadas concentraciones, otros iones pre-sentes en los sustratos en los que crecen, aun cuando no les sean necesarios. Las vina-zas de destilación de alcohol contienen cerca de 70 % del potasio, proveniente de los fer-tilizantes químicos empleados en los campos de caña; así, la fertilización y el riego conestas aguas residuales debe ser calculada cuidadosamente para evitar la salinizacióndel suelo. Cuando la levadura Candida utilis crece en un medio compuesto por vinazasde destilación, sales nutrientes (fosfato y sulfato de amonio) y un estimulador de creci-miento microbiano, muestra una gran resistencia a la concentración de potasio en lascondiciones de cultivo continuo. En los estudios experimentales realizados, las células delevadura fueron propagadas bajo las condiciones mencionadas en el párrafo anterior,en presencia de concentraciones crecientes de K2O en el medio de propagación, desde2,5 gl-1 ( correspondientes a vinazas procedentes de la fermentación de melazas decaña) 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 seencontró en el rango de 0,23 a 0,18. Estos resultados sugieren que la levadura propaga-da sobre vinazas de destilación pueden reducir significativamente el contenido de pota-sio de estos residuales, haciéndolos más adecuados para propósitos de irrigación. Deacuerdo con los informes de evaluación sobre la utilización de esta levadura en la ali-mentación 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 potassiumphosphate, also yeasts have the ability to accumulate other ions (but not necessarily nee-

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

INTRODUCCIÓN

Actualmente existen en el mundo 121países productores de azúcar y 57 que pro-ducen etanol a partir de la caña comercial-mente. Aproximadamente el 72 % del azú-car producida en el mundo proviene de lacaña. Con relación al etanol, 54 % se produ-ce de granos, en tanto que 46 % se basa enla caña de azúcar (1).

La producción de etanol se concentraprincipalmente en Estados Unidos y Brasil,que combinados acaparaban 91 % de la pro-ducción mundial en 2010 (2). Aunque pordécadas Brasil no tuvo rival como el mayorproductor de alcohol en el mundo, desde2005 los Estados Unidos lo superaron, sobrela base del empleo de granos (maíz funda-mentalmente) (3).

El etanol ha mostrado ser un excelentecombustible para motores, de hecho, lapatente alemana original del motor de com-bustión interna, en el siglo XIX, especificabaal etanol como su combustible. Posee unRON (Research Octane Number) de 108,6 yun MON (Motor Octane Number) de 89,7;muy semejantes a los de la gasolina estándar(4)1. El etanol tiene, además, una presión devapor inferior a la de la gasolina, lo que

resulta en una menor emisión de vapores atemperatura ambiente y, consecuentemente,una mayor seguridad en su manipulación yempleo. Adicionalmente, el etanol anhidromuestra valores mínimos y máximos decalentamiento de 21,2 mJ/l y 23,4 mJ/l res-pectivamente, también inferiores a los de lagasolina, que requiere 30,1 y 34,9 mJ/l.

El etanol, como combustible alternativoa las fracciones del petróleo fósil, exhibeactualmente, un crecimiento en su produc-ción muy rápido. Es previsible que se man-tenga este ritmo en el futuro, de manera quepueda ser mezclado con la gasolina deforma extensiva. Muchos ecologistas cifransus esperanzas en que este pueda ser desa-rrollado como una fuente más limpia decombustible que el petróleo o el gas natural.

Por otra parte, la agroindustria azucarerapresenta un impacto ambiental elevado entodos los países tropicales y subtropicalesque operan esta producción (5). Es conoci-do, sin embargo, que esta industria generacantidades importantes de empleo enLatinoamérica, en la medida que la caña esuno de los cultivos comerciales más exten-didos en el área, y al mismo tiempo, seencuentra entre las plantas más eficientesen secuestrar el dióxido de carbono del

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

ded) in high concentration. Distillery slops still contains about 70 % of potassium presentin the soil of cane fields as chemical fertilizer; thus ferti-irrigation with these waste has tobe carefully calculated since otherwise soil salinization can occur. When grown in amedium composed by distillery slops, nutrient salts (ammonium phosphate and sulpha-tes) and microbial growth enhancer Candida utilis yeast shows a great resistance topotassium concentration under continuous culture. In the reported experiments yeastcells were propagated under above conditions with increasing amounts of K2O in the pro-pagation mediums from 2,5 gl-1 concentration (corresponding to distillery slops fromblackstrap molasses fermentation) up to 25 gl-1. Specific growth rate (µmax) ranged from0,32 to 0,28 h-1 for the extreme values mentioned above, while biomass-substrate yieldcoefficient were 0,23 to 0,18 respectively. These results suggest that yeast propagated ondistillery slops could significantly reduces the potassium content of this wastes, makingthem suitable for irrigation purposes. According to the reported nutritional assessment thepotassium accumulated has no deleterious effect over the animal health.

Keywords: distillery slops decontamination, single cell protein, feed protein, potassiumremoval.

entorno y mediante la fotosíntesis convertirla energía solar en biomasa. Una medida deeste poder limpiador es que una hectárea decaña de azúcar secuestra -cada año- 19 tone-ladas métricas de dióxido de carbono de laatmósfera, algo que ningún otro cultivoalcanza. Esto la convierte en un cultivo real-mente eco-amigable, superando a la remola-cha azucarera.

El azúcar y el etanol son casi los únicosproductos que la industria azucarera generay ambos precisan grandes cantidades deagua, que el proceso retorna, pero en formade grandes volúmenes de residuales líqui-dos (6). Dentro de los residuales industria-les más contaminantes, se encuentran lasvinazas de destilación de alcohol, conse-cuencia de sus altos contenidos de sustan-cias orgánicas e inorgánicas.

Las vinazas se generan en proporcionesque oscilan entre 12 y 16 m3/m3 de etanoldestilado y su carga orgánica - en términosde demanda química de oxígeno (DQO) -fluctúa entre 30 y 65 mg/ml, en dependen-cia de las eficiencias de fermentación y des-tilación de la instalación fabril (6, 7).

Para reducir el impacto ambiental de ladisposición de estas vinazas en los cursosde agua, se han implementado varias estra-tegias de abatimiento de su potencial conta-minante, fundamentalmente a partir de sis-temas biotecnológicos, de manera de cum-plimentar los límites de contaminación per-mitidos por la mayoría de las disposicioneslegales vigentes. Entre estos procedimien-tos, destacan: la fertirrigación, la digestiónanaeróbica, la desalinización y concentra-ción, la combustión de vinazas en quema-dores especiales y el reciclado al proceso,para reducir, al mismo tiempo, las cantida-des de agua de dilución (6, 7). En nuestropaís se ha desarrollado una tecnologíacomercial que, además de reducir significa-tivamente el potencial de contaminación delas vinazas, permite obtener un rico con-centrado proteico de uso forrajero comoproducto adicional. Esto significa que, larevalorización de las vinazas a través de laproducción de proteína microbiana, con-vierte este residual en una materia primavaliosa y adicionalmente, al abatir unabuena parte de su carga contaminante, haceuna contribución importante al manejo sos-tenible de los ecosistemas en los que se

encuentra enclavada la destilería (7, 8)aportando humedad a los campos y comba-tiendo así otra de las amenazas al entorno:la desertificación.

Resulta que si bien se presta una aten-ción adecuada a la fracción orgánica de lasvinazas, no sucede lo mismo con sus com-ponentes minerales, en especial las sales depotasio que constituyen la abrumadoramayoría de las cenizas (9).

Las vinazas contienen cerca del 70 % delpotasio extraído de los campos por la caña.La devolución de este nutriente a los culti-vos es sin dudas un aporte de no pocaimportancia económica. Sin embargo, lairrigación con estas aguas residuales debeser calculada cuidadosamente puesto quede otra manera, la salinización de los sueloses un peligro real.

El potasio, por otra parte, es un elemen-to esencial en el metabolismo microbiano yeventualmente puede ser incorporado por labiomasa de levadura durante el proceso depropagación sobre vinazas. El objetivo deeste trabajo es precisamente, la evaluaciónde la remoción de potasio por la propaga-ción de células de levadura y el efecto delmismo sobre los parámetros cinéticos de sucrecimiento.

MATERIALES Y MÉTODOS

Microorganismo Se empleó la cepa de levadura Candida

utilis NRRL Y-660 en la propagación, entodos los experimentos realizados. Losinóculos fueron preparados a partir decuñas de agar-malta, incubadas por 24horas a 32 ºC y pH 4,5 en una zaranda orbi-tal termostatada, en un medio con melazasde caña y con un contenido de sustanciasreductoras totales de 20 mg/ml suplementa-das con sales de sulfato y fosfato de amonio,para cubrir los requerimientos nutricionalesde las células. Para la propagación de lalevadura en modo discontinuo, se utilizó unfermentador Marubishi MD5 con un mediocompuesto por vinazas provenientes de lafermentación alcohólica de las melazas decaña de un destilería local, con una concen-tración de DQO de 60 mg/ml suplementadascon sales nutrientes de sulfato y fosfato deamonio en concentraciones de suficiencia

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de manera que el sustrato limitante fuese laconcentración de DQO. Se añadió al mediode propagación un promotor de crecimientomicrobiano QZ-350 (Quimizuk, La Habana,Cuba) como fuente de micronutrientes enconcentración de 0,03 mg/ml. Se adiciona-ron al medio de cultivo diferentes concen-traciones de sulfato de potasio para deter-minar la resistencia de las células a este ele-mento y determinar su comportamientocinético bajo estas condiciones.

Análisis químicoEl contenido de nitrógeno fue determi-

nado según Kjeldahl (10) en un analizadorautomático de nitrógeno Kjeltec AutoSystem 1030 (Tecator AB, Haganas,Sweden). La materia seca gravimétrica fuellevada a cabo por desecación a 105 ºC por24 horas y los lípidos por extracción conéter etílico y desecación hasta peso constan-te en una estufa de vacío 60 ºC. La DQO fueestimada por reflujo en una mezcla de oxi-dación de la muestra en presencia de dicro-mato de potasio (11). Las cenizas se cuanti-ficaron por incineración a 600 ºC por 4horas, enrasando posteriormente a 100 mlcon agua destilada y el potasio detectadopor espectrofotometría de absorción atómi-ca referido a la materia seca igualmente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Producción de etanol de caña de azúcarLa figura 1 muestra el esquema de la

producción de bioetanol a partir de la caña.

Las vinazas de destilación procedentesde melazas muestran una concentración desólidos típica en el entorno de 6-7 bx. Siprovienen de la fermentación de jugos, laconcentración apenas alcanza 5 °Bx. Latabla 1 ofrece una comparación entre ambasvinazas.

El potasio es el componente mayorita-rio de las cenizas de las vinazas, indepen-dientemente de cual sea el sustrato de lafermentación. Esto es una consecuencia delos requerimientos de potasio por la cañade azúcar. Este es el nutriente de mayoraplicación al suelo y las demandas de laplanta pueden ascender hasta 800 kg/ha.

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Azúcares

FERMENTACIÓN

Reactivos químicos (sales nutrientes, etc)

Recirculación levadura

DESHIDRATACIÓN Etanol

Vinazas

DESTILACIÓN

Tabla 1. Composición promedio de las vinazas de destilación de etanol procedentes de la fermentación de melazas y jugos de caña

Componente Melazas Jugos Sólidos totales, mg/ml

70-80 25

DQO, mg/ml 60-65 30-35 pH 4,6 4,1-4,5 Cenizas, % 1,7-3,5 1,5-3,0 Nitrógeno Kjeldahl, mg/ml

0,70 0,43-0,50

Fósforo (P2O5), mg/ml

0,30 0,25

Potasio,mg/ml 3,74-7,83 1,20-2,10 Calcio, mg/ml 1,8 0,51 Magnesio, mg/ml 0,77 0,23

Una cosecha de 100 t de caña retira delsuelo una cantidad de K2O en el entornode 220 kg (12). Alrededor de 98 % de losiones metálicos en los jugos o las melazasson K, Ca y Mg, pero el primero es amplia-mente el más abundante de los tres. Lasmelazas típicas presentan un contenido depotasio en sus cenizas en el entorno de 70a 75 % (13).

El uso de las vinazas en la fertilizaciónde los suelos, ha evolucionado en los últi-mos años desde la disposición directa en loscursos de agua en los años de la década dellos 70 hasta la actualidad, en la que un usomás racional se ha impuesto tratando deprevenir la contaminación del manto freáti-co (12). No obstante, se ha documentadoque la mayor desventaja en el empleo de lasvinazas como fertirrigación, radica en eltransporte de las vinazas desde el sitio en elque se generan hasta los campos de caña.Cuando la distancia alcanza 50 km, los cos-tes reales de irrigación se incrementan porencima de los USD/ha. De esta manera, elárea real de disposición de las vinazas paraestos propósitos es significativamentemenor a aquella de que proviene la cañacosechada con la acumulación de potasioen el suelo, por encima de las necesidadesde la planta.

Los iones potasio representan la mayorfracción mineral intracelular en la mayoríade las células. Se ha informado su rol cru-cial en una amplia variedad de procesosmetabólicos, incluyendo la regulación delvolumen celular, el pH interno, biosíntesisde proteínas y la prevención del efecto per-judicial de los iones sodio (14, 15). La limi-tación de iones potasio hace posible inclusi-ve, que los iones amonio devengan tóxicospara la célula (16).

La propagación de las levaduras en lasvinazas de destilación de alcohol, dejando aun lado el hecho de que se produce proteí-

na, un nutriente en general escaso, es capazde eliminar potasio del medio de crecimien-to e incorporarlo a la biomasa celular. Paraevaluar los límites de inhibición de la con-centración del potasio en el crecimiento, sellevó a cabo un grupo de experimentos adiferentes concentraciones de este ion. Latabla 2 ofrece algunos parámetros cinéticosde la levadura en función de la concentra-ción de potasio.

La tabla muestra el comportamientocinético de las células de levadura en pre-sencia de concentraciones de potasio entre5 y 30 mg/ml en el medio de cultivo. Estaúltima concentración es aproximadamente6 veces superior al contenido típico en lasvinazas. En el entorno de 13 mg/ml no hayefecto significativo del potasio en la tasamáxima de crecimiento, el rendimiento bio-masa-sustrato o la productividad volumétri-ca para la levadura C. utilis. Los valoresobtenidos son muy similares a los informa-dos previamente por otros autores (6, 8)para una composición similar del medio sinadición de potasio.

El hecho de que la levadura sea capaz decrecer en altas concentraciones de potasio yposeen la habilidad de acumular la mayoríade los minerales presentes en el medio decultivo, aunque no sean necesarios para elmetabolismo, permite ajustar el contenidomineral de las células cosechadas de cual-quier medio en particular, para eliminarmetales indeseables en los residuales líqui-dos (17, 18). La última columna en la tabla2 muestra el contenido de potasio acumula-do en las células bajo las condiciones expe-rimentales impuestas.

En una vinaza típica estos valores per-miten retirar alrededor de 50 % del potasiopresente en el medio. En la medida que elcontenido de potasio se incrementa en elmedio, la cantidad retirada también aumen-ta, aunque en una proporción menor con

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Tabla 2. Parámetros de crecimiento de la levadura Candida utilis NRRL Y-660 bajo diferentes concentraciones de potasio

[[K+]], mg/ml µmax, h-1 P, mg/ml-h Yx/s K en levadura, mg/ml

0,00* 0,228 1,403 0,226 21,2 12,96 0,225 1,321 0,206 32,7 25,91 0,175 1,236 0,177 42,1

* contenido de K+ > 5 mg/ml.

relación a la cantidad presente. Sin embar-go, para la mayoría de los propósitos prácti-cos, la propagación de levadura no soloreduce la carga orgánica de las vinazas en60-70 % (19), sino también la mitad de sucontenido de potasio.

Los informes de trabajos de investiga-ción relacionados con el uso de la levadurade vinazas en la alimentación animal nomuestran efectos deletéreos en la salud deestos (20-22).

CONCLUSIONES

La propagación de levadura ofrece unmétodo sui géneris de descontaminación delas vinazas de destilación del etanol, redu-ciendo al mismo tiempo la carga orgánica deestas y su fracción mineral, en especial elcontenido de potasio. De acuerdo con losresultados obtenidos, la propagación delevaduras, en un medio de vinazas, es unexcelente pre-tratamiento para la posteriorirrigación. Así, estos residuales previamen-te tratados con una carga orgánica inferior a30 mg/ml de DQO y contenidos de potasioen el entorno de 2,5 mg/ml, presentan unimpacto ecológico muy inferior al de lasvinazas no tratadas al ser empleadas para lafertirrigación de los campos de caña, consti-tuyendo, además una fuente segura y valio-sa de humedad y materia orgánica.

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Marelys Medina-Estevez, Yelenys Hernández-Corvo, Tamara Susana León-Martínez

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarPlanta 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 deobtención de etanol a partir de residuos lignocelulósicos. Se obtienen parámetros tecno-lógicos que permitan garantizar las condiciones óptimas de trabajo y aumentar el rendi-miento de la etapa. Se cuenta con un modelo matemático que describe el comporta-miento del material en estudio bajo diferentes condiciones de operación. Estos resulta-dos, permiten disponer de toda la información requerida para acometer los estudios deinversión de plantas industriales, lo cual contribuirá a la solución de las necesidades cre-cientes de energía de la humanidad, de forma amigable con el medio ambiente.

Palabras clave: prehidrólisis, xilosa (xilano), furfural, bagazo de la caña de azúcar, pro-ducción de etanol.

ABSTRACT

The process of prehydrolisis stage of sugarcane bagasse for the obtainment of ethanolfrom lignocellulosic residues is studied. Thus technological parameters leading to theappropriate conditions to increase the yield of this stage were achieved. A mathematicalmodel that describes the behavior of the material under different operating conditions isavailable.These results, give the information required to carry out further investment stu-dies for industrial installations, which constitutes a contribution to the solution of theimpending of energy needs environmentally friendly.

Keywords: prehydrolisis, xylan, furfural, sugar cane bagasse, ethanol production.

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

INTRODUCCIÓN

Actualmente, en el mundo se lleva acabo gran cantidad de estudios y proyectospara desarrollar la producción a escalacomercial de etanol, a partir de biomasa lig-nocelulósica. Los materiales que más se haninvestigado son: la madera y los residuosforestales, el papel reciclado y losresiduosde la industria papelera, el bagazo de caña,los desechos agrícolas, así como los resi-duos sólidos urbanos (1-4).

En este trabajo se estudia la etapa de pre-hidrólisis en el proceso de obtención de eta-nol a partir del bagazo de la caña de azúcar.De esta forma, se obtienen los parámetrostecnológicos que permiten garantizar lascondiciones óptimas de trabajo y aumentar elrendimiento de la etapa. Además, se disponede un modelo matemático que describe elcomportamiento del material en estudio bajodiferentes condiciones de operación.

La conversión de materiales lignoceluló-sicos a etanol incluye dos etapas fundamen-tales: hidrólisis de la celulosa del materiallignocelulósico a azúcares reductores fer-mentables y la fermentación de los azúcaresa etanol (5, 6). Este proceso consta de lassiguientes etapas:1. Pretratamiento, cuya función es hacer

más susceptible y accesible el materialpara la etapa posterior.

2. Prehidrólisis, que permite liberar lashemicelulosas que contiene el material.

3. Hidrólisis, que libera la glucosa presenteen los materiales lignocelulósicos.

4. Fermentación de las hexosas y pentosaspara obtener etanol.

5. Separación y concentración del etanol.

Uno de los principales problemas vincu-lados a la producción de etanol, a partir debiomasas lignocelulósicas, es el pretrata-miento e hidrólisis de la materia prima. Desu efectividad dependerá que se obtenganaltos rendimientos durante la conversión delos azúcares a etanol. Es por eso que se pre-tende con este estudio:1. Realizar un diseño de experimentos que

permita estudiar el comportamiento de laetapa de prehidrólisis del bagazo conagua caliente.

2. Determinar las mejores condiciones deoperación en el intervalo de valores estu-diados.

Estos resultados pueden ser utilizadospara el escalado de esta etapa y acometer losestudios de inversión de plantas industria-les, lo cual constituirá una contribución a lasolución de las necesidades crecientes deenergía de la humanidad, de forma amiga-ble con el medio ambiente.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los licores de prehidrólisis se obtuvie-ron a partir de bagazo integral almacenado agranel por el sistema Cuba 9, cuyas caracte-rísticas se reflejan en la tabla 1. Esta carac-terización fue realizada mediante la aplica-ción de métodos de análisis químicos con-vencionales (7), obtenidos a partir de unmuestreo realizado a una pila de un metrode altura de bagazo integral, localizada en elpatio del centro. Se tomó un kilogramo adiferentes alturas de la pila, con el fin deobtener muestras lo más representativasposible.

Los experimentos se realizaron en undigestor rotatorio ubicado en las instalacio-nes piloto de pulpa de la planta de biopro-cesos. Las características técnicas del equi-po se describen en la tabla 2.

Diseño experimentalEl diseño del experimento ha aplicado

un plan factorial 23 en el estudio de la etapade prehidrólisis del bagazo para la obten-

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Tabla 1. Composición del bagazo integral Componentes Composición (%) Celulosa 46,4 Pentosanos (Hemicelulosas)

23,9

Lignina 23,6 Extractivos 2,4 Cenizas 3,7

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

ción de etanol (8). El plan experimentalconstó de 8 corridas. La matriz del plan fac-torial se presenta en la tabla 3.

Los niveles de los factores se selecciona-ron de acuerdo con el conocimiento previoacumulado en la materia y el estudio teóri-co de la operación de prehidrólisis.

Para los experimentos se tomó comobase de cálculo 1 kg de bagazo (base seca).El hidromódulo utilizado fue una de lasvariables independientes y expresó la rela-ción entre el líquido total alimentado a laetapa y el sólido total.

El bagazo alimentado al digestor presen-tó 68 % de humedad, por lo que el volumende agua adicionada al digestor fue una fun-ción del valor del hidromódulo fijado y delcontenido de agua del bagazo.

El diseño persigue la maximización delcontenido de celulosa en el sólido y altasconcentraciones de xilosa en el licor, asícomo la minimización de los contenidos delignina, furfural y de 5-hidroxi metil furfu-raldehido, que inhiben el crecimientomicrobiano y, por tanto, la fermentaciónalcohólica (9, 10).

Durante la prehidrólisis, ajustando losparámetros de operación prefijados en eldigestor rotatorio, tiene lugar la reacción deformación de azúcares. Estos parámetrosson: temperatura, hidromódulo y tiempo(tabla 3). La solución obtenida recibe elnombre de prehidrolizado, el cual es unlíquido amarillo verdoso, entre cuyos com-ponentes se encuentran: xilosa, glucosa,arabinosa y galactosa. Existen otros compo-nentes que se forman durante el procesocomo: ácido acético, compuestos fenólicos yfurfural; este último es un inhibidor de la

fermentación alcohólica de estos azúcares(10, 11). Posteriormente, las muestras obte-nidas de cada experimento se trasladan a loslaboratorios para determinar las concentra-ciones de azúcares, así como el porciento delignina soluble y concentración de furfural.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados experimentalesEn las tablas 4 y 5, que se muestran más

adelante, aparecen los resultados experi-mentales y sus réplicas, respectivamente.

A continuación se analiza el comporta-miento de cada compuesto obtenido a partirde la prehidrólisis del bagazo con aguacaliente.

Concentración de xilosaSe debe señalar que hay parte de la xilo-

sa que no puede ser recuperada, pues supérdida depende de varios factores (12, 13):• Filtración del prehidrolizado • Neutralización del prehidrolizado• Concentración del prehidrolizado• Conversión a furfural.

Los resultados obtenidos experimental-mente de concentración de xilosa (tabla 4)son similares a los reportados en la literatu-ra (5). La temperatura, parámetro de opera-ción prefijado (160-180 °C), tiene un efectonotable en los altos valores de concentra-ción obtenidos (77-80 %). Aunque en la lite-ratura aparecen informados valores superio-res de temperatura de trabajo (200-240 °C),lo que implica conversiones mayores (80-85%), no se pudo trabajar a temperaturas máselevadas por limitaciones en el equipamien-to disponible.

Contenido de hemicelulosasPara el análisis de los resultados del por-

centaje de hemicelulosa se tomó comopatrón de referencia los resultados descritospor Martín (10). Este plantea que de lahemicelulosa prehidrolizada, el mayor con-tenido en cuanto a concentración entre laspentosas, lo presenta la xilosa, aunque exis-ten otros monosacáridos como: arabinosa,galactosa, manosa, entre otros. Los resulta-dos finales demuestran que las pentosas noxilosas se encuentran en muy baja concen-tración, por lo que pueden despreciarse.

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Tabla 3. Diseño de experimento

Corridas Variables de origen

X1 T (oC) X2 T (min) X3

Hidromódulo 1 160 60 6 2 180 60 6 3 160 90 6 4 180 90 6 5 160 60 8 6 180 60 8 7 160 90 8 8 180 90 8

Un dato significativo en estos experi-mentos es que un porcentaje de hemicelulo-sa presente en la fibra no pudo ser hidroli-zado, aspecto que afecta los rendimientosde concentración de xilosa, pues la hemice-lulosa que no se solubilizó, es decir, quepermaneció en la fibra, contiene xilosa, ypor tanto el rendimiento de xilosa en elhidrolizado se afecta (14) (tabla 5).

La cantidad de hemicelulosa no hidroli-zada es una función de la temperatura. Estodemuestra la necesidad de operar a tempe-raturas más altas para alcanzar rendimien-tos mayores de xilosa. Esto está limitado porun factor práctico, la disponibilidad deequipamiento y uno energético, ya que lamayor temperatura incrementa el consumode energía para el calentamiento (15). En latabla 4 se reportan los porcentajes de hemi-celulosa no hidrolizada.

Contenido de celulosaLa celulosa es un polisacárido que por

hidrólisis puede producir glucosa, quepuede ser posteriormente transformada enetanol.

Los resultados obtenidos de la celulosatambién fueron comparados con la literatu-ra (5) y son considerados satisfactorios,pues cumplieron con el intervalo de por-centajes entre 95-100 % de recuperación dela celulosa en la fibra; se demostró la grandependencia que presenta la misma con latemperatura.

Contenido de ligninaLa lignina es otro de los agentes inhibi-

dores de la fermentación, pues afecta el ata-que microbiano (10). En cuanto a rendi-

miento de lignina, los resultados obtenidosfueron los esperados pues la lignina presen-te en la fibra mantuvo un porcentaje mayorde 95 % (16); en la corrida 2, que en estecaso es la óptima, se obtuvo un valor del 99% (tabla 4). Se demostró que la lignina solu-bilizada fue del 1 %, valor que no es signifi-cativo para etapas posteriores.

Furfural e hidroximetilfurfuralEl furfural y el hidroximetilfurfural son

dos de los subproductos obtenidos duranteel proceso de prehidrólisis del bagazo parala obtención de monosacáridos que poste-riormente se fermentarán a etanol. Las con-centraciones obtenidas de ellos están en unintervalo aceptable en comparación con lasobtenidas por otros investigadores (2-2,5g/l), (10). Partiendo de que las temperaturasde ebullición de estos compuestos no sobre-pasan los 170 ºC (7), y la temperatura deoperación óptima del digestor es 180 ºC,alrededor del 90 % de ellos se evaporan aldesgasificar el equipo; además, desde elpunto de vista medioambiental no provocanningún efecto negativo (10).

En las posteriores etapas del proceso deobtención de etanol: neutralización, decan-tación, intercambio iónico, entre otras, losvalores de concentración de furfural se eli-minan progresivamente (17).

Es necesario señalar que a partir de losparámetros prefijados para trabajar en estosexperimentos, fundamentalmente la tempe-ratura, se permite que el agua se comportecomo un ácido débil, por lo cual la conver-sión de xilosa a furfural o hidroximetilfur-fural (en el caso de la celulosa) es inevita-ble, puesto que los monosacáridos en

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Tabla 4. Resultados del diseño de experimento

Corridas Temp (oC)

Tiempo (min.)

Hidromódulo Concentración de xilosa (g/l)

Concentración de furfural

(g/l)

% de lignina en la fibra

% de celulosa

en la fibra

% de hemicelulosa

en la fibra

1 160 60 6 30,59 2,40 97 96 22 2 180 60 6 38,24 2,12 99 100 20 3 160 90 6 28,13 2,51 96,5 97 22.5 4 180 90 6 36,87 2,20 98 98 21 5 160 60 8 28,22 2,46 96,5 97 22 6 180 60 8 37,42 2,15 99 98 21 7 160 90 8 27,4 2,61 95 95 23 8 180 90 8 36,05 2,36 97 98 20,5

caliente y medio muy ácido, sufren una des-hidratación que conduce a la formación deun anillo pentagonal de furfural o hidroxi-metilfurfural, según parta de pentosas ohexosas (2, 18).

Análisis estadísticoLa dependencia de la concentración de

xilosa con las variables temperatura, tiempoe hidromódulo se ajustó con STATGRA-PHICS versión Centurión XV al modelosiguiente:

para temperatura en °C, tiempo en minutose hidromódulo en %.

Los parámetros que muestran la bondaddel ajuste realizado y presentado en la ecua-ción anterior se presentan en la tabla 6.

Las variables prefijadas: la temperatura,el tiempo y el hidromódulo presentan elvalor de P inferior a 0,05 e indican que sonsignificativamente diferentes de cero al 95% de nivel de confianza (tabla 7). Unaumento significativo del tiempo convierteel producto de interés en sustanciasindeseables para procesos posterio-res, y en particular, la fermentación.

El estadígrafo R-cuadrado ajusta-do para los grados de libertad, el cuales el más adecuado para la compara-ción de números diferentes de varia-bles independientes, es alto, lo queindica una buena correlación entre

las variables y la respuesta. Se reporta elerror estándar de la estimación, el cual plan-tea la desviación normal de los residuos.

El error absoluto de la media (MAE)indica el promedio del valor de los resi-duos. El estadístico Durbin-Watson (DW)examina los residuos para determinar siexiste alguna correlación significativabasada en el orden en el que se suceden enlos datos del diseño; puesto que el P-valores superior a 0,05 (tabla 6), significa que nohay indicios de correlación en la serie deresiduos (figura 1).

Por otra parte, se analizó cómo influyenlas variables de operación prefijadas (tempe-ratura, tiempo e hidromódulo) en la concen-

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Tabla 5. Réplicas de los resultados del diseño de experimento

Corridas Temp (oC)

Tiempo (min.)

Hidromódulo Concentración de xilosa (g/l)

Concentración de furfural

(g/l)

% de lignina en la fibra

% de celulosa

en la fibra

% de hemicelulosa

en la fibra

9 180 60 8 37,52 2,17 98 99 21

10 160 60 6 31,01 2,42 98 97 21

11 160 90 6 28,57 2,53 97 96 22

12 180 90 8 36,2 2,38 98 98 21

13 180 90 6 36,93 2,22 98 98 21

14 160 60 8 28,32 2,48 97 97 21

15 160 90 8 27,47 2,62 96 95 22

16 180 60 6 38,4 2,14 99 100 20

Conc (xilosa)=-30,9888-0,63375*Hidromódulo+ 0.4245*Temperatura-0,0504167*Tiempo

Tabla 6. Parámetros estadísticos del modelo de xilosa

Parámetros Valores R2 99,2081 % R2 (ajustado para g/l) 99,0101 % Error estándar 0,4496 Error absoluto medio 0,3156

Estadístico Durbin-Watson 2,21665

(P=0,7023)

Tabla 7. Valores de probabilidad Parámetro Estimación Error

Estándar Estadístico

T Valor-

P Constante -30,9888 2,14456 -14,4499 0,0000 Hidromódulo -0,63375 0,11240 -5,63806 0,0001 Temperatura 0,4245 0,01124 37,765 0,0000 Tiempo -0,0504167 0,007493 -6,72787 0,0000

tración de xilosa (ver figura 2). Se demuestraque la misma presenta una notable depen-dencia con dichos parámetros, y resalta congran significación la temperatura.

Optimización del diseñoLos resultados de las variables de opera-

ción descritas con anterioridad fueron opti-mizados utilizando el software STATGRA-PHICS versión Centurión XV y aparecen enla tabla 8. Para la optimización se emplearoncomo criterios los estadígrafos "t" de Studenty "F" de Fisher con un 95 % de confianza.

Como puede apreciarse en la tabla 4, lacorrida No. 2, coincide con los valores de lasvariables optimizadas presentadas en la tabla8, con la mayor concentración de xilosa, conla menor concentración de furfural y mayorproporción de lignina en la fibra. Los resulta-dos obtenidos en esta tabla fueron compara-dos con otros diseños de experimentos reali-zados con anterioridad (5) obteniéndose unagran similitud en cuanto a eficiencia de losresultados antes mencionados.

Evaluación económicaEl costo de producción de 1

kg de xilosa en Planta Piloto setomó como base de cálculo parael análisis. El resultado muestralos indicadores económicos demayor influencia en el costo deproducción y sobre los que esposible incidir en el escalado(19, 20, 21).

Para el análisis económicose han considerado 20 días detrabajo y una productividad de0,05 kg./d. El gasto de salarioasume un operador con califica-ción de obrero durante 24 díaslaborables. Se tuvo en cuentalos insumos necesarios para laproducción de 1 kg de xilosa enla Planta Piloto de pulpa: baga-zo integral y agua. Los preciosde estas materias primas fueronsuministrados por el Dpto. dePrecios del Grupo EmpresarialCubano (AZCUBA).

Dentro de los servicios queesta producción requiere seencuentran el agua tratada y laenergía eléctrica.

Los índices de consumo delos materiales empleados fue-ron calculados tomando comoreferencia el valor óptimo deconcentración de xilosa obteni-da (tabla 4).

Máxima concentración de xilosa: 38,24 g/lCantidad de bagazo integral alimentado al

digestor: 1 kg (base seca) Cantidad de agua tratada alimentada al

digestor: 3,87 lCantidad de licor de prehidrólisis obtenido: 5 lCantidad de xilosa extraída:

38,24 g/l x 5 l= 191,2 g

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Figura 1. Residuos para la concentración de xilosa.

Figura 2. Dependencia de los parámetros de operación.

Tabla 8. Valores puntuales referentes al diseño de experimento

Factores Bajo Alto Óptimo Temperatura 160 180 180

tiempo 60 90 60

Hidromódulo 6 8 6

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 dexilosa

Se calculó la ficha de costo unitariacorrespondiente a la obtención de 1 kg dexilosa en la Planta Piloto.

La tabla 9 muestra un resumen de la de-sagregación de los costos tomando en consi-deración la equivalencia de 1 USD=1CUC=24 pesos MN.

Como resultado, se ha obtenido uncosto total para la producción de 1 kg dexilosa de 182,044 en moneda convertible,donde se aprecia que el salario y la seguri-dad social, así como las materias primasson las partidas del costo que más incidenen el mismo.

CONCLUSIONES

• Mediante el diseño del experimento reali-zado se obtuvieron los parámetros óptimosde operación del digestor en la etapa deprehidrólisis, a partir del bagazo de cañade azúcar, mediante el uso de técnicas deoptimización apoyados en el softwareSTATGRAPHICS versión Centurión XV.

• Se estudió una tecnología a escala deplanta piloto, para el tratamiento delbagazo de caña, donde se lograron altosrendimientos de azúcares, así como valo-res mínimos de sustancias inhibidoras deposteriores procesos.

• Los elementos del costo de producciónque más inciden son el salario, la seguri-dad social y las materias primas.

RECOMENDACIONES

Optimizar etapas posteriores, con el finde obtener mayores rendimientos en la pro-ducción de etanol.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Tabla 9. Desagregación de los costos Elementos del costo Valor

(USD) Materias primas y materiales 93,069 Salario y seguridad social 19,057 Combustibles 0,008 Energía 65,660 Amortización 1,840 Otros gastos 2,410 Total 182,044

11. Palmqvist, E.; Hahn-Hägerdal, B.;Fermentation of lignocellulosic hydroly-sates. II: inhibitors and mechanisms ofinhibition. Bioresource Technol, 74: 25-33. 2000

12. Farone, W.A.; Cuzens, J.E. Method ofseparating acids and sugars resultingfrom strong acid hydrolysis. U.S. Patent5,580,389. December 3, 1996.

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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.cu2.Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química Farmacia.

Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní km 5 ½ Santa Clara. CP54830, Villa Clara, Cuba.

RESUMENSe procedió a analizar la estructura del consumo en el año 2010 por cada portador ener-gético: electricidad, gas licuado, alcohol A, alcohol D, grasas y lubricantes, diesel y gaso-lina para la obtención del producto intermedio 2-(2 nitrovinil) furano(G-0), el IngredienteFarmacéutico 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 esla electricidad, por lo que se procede a analizar los consumos de energía por equipos enlos 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 equi-pos más consumidores de energía eléctrica en cada uno de los talleres, destacándose elconsumo del baño de aceite y de los baños de agua. Se estratifica el diagrama de Paretoen el taller de G-0 y se encuentra que la causa particular más influyente es el baño deaceite que sirve como medio de calentamiento y soporte para realizar la síntesis delbioactivo G-0. El gráfico de consumo eléctrico y producción en el tiempo (E-P vs. T) mues-tra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada en elaño 2010. Palabras clave: administración energética, ingredientes farmacéuticos activos, diagra-ma 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 toobtain the intermediate 2-(2 nitrovinyl) furan (G -0), the active pharmaceutical ingredient2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl)-furan (G-1) and vitrofural. Using the Pareto diagram itwas demonstrated that most widely used energy carrier is electricity, thus it was analy-zed the energy consumption of equipment in the production of premises for 2- (2 nitro-vinyl) furan, 2 bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinyl)-furan and vitrofural. When performingPareto 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 theworkshop of G-0 and find that the particular cause most influential is the oil bath thatserves as the heating medium and support for the synthesis of bioactive G-0. The graphof power consumption and production over time (E-P vs. T) shows the simultaneousvariation of energy consumption with production carried out in 2010. Keywords: Energy management, active pharmaceutical ingredients, Pareto diagram.

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

INTRODUCCIÓN

Las nuevas estrategias para reducir elimpacto ambiental derivado de la actividadindustrial se basan en un enfoque integralpreventivo, que privilegia una mayor efi-ciencia de utilización de los recursos mate-riales y energéticos, e incrementan simultá-neamente la productividad y la competitivi-dad. Ello involucra la introducción de medi-das tecnológicas y de gestión que permitenreducir los consumos de materiales y ener-gía, prevenir la generación de residuos ensu fuente misma, y reducir los riesgos ope-racionales y otros posibles aspectos ambien-tales adversos, a través de todo el ciclo deproducción (1).

El objetivo principal de la gestión de laenergía es maximizar los beneficios o mini-mizar los costos. El ahorro de energía es, sinduda, el medio más rápido, el más eficaz yel más rentable para reducir las emisionesde gases de efecto invernadero y mejorar lacalidad del aire (2).

En los sistemas energéticos de lasempresas no saltan a la vista los puntos vita-les que determinan los altos consumos, sudetección requiere de la aplicación deherramientas estadísticas en diferentes regí-menes de trabajo y de herramientas especia-les para establecer prioridades en políticasde ahorro y control de la energía. Dentro delos métodos más usados están: diagramas dePareto, histogramas, estratificaciones, análi-sis energéticos, análisis entrópicos, balan-ces termoeconómicos.

En la actualidad, los energéticos hanpasado de ser un factor marginal en suestructura de costos a constituir un rubroimportante en los mismos y la necesidad delograr un mayor equilibrio entre economía ymedio ambiente, han convertido al ahorro yuso eficiente de la energía en una herra-mienta fundamental para lograr este objeti-vo (3).

El incremento de la demanda, el aumen-to de los precios de la energía, las restric-ciones financieras para ampliar la ofertaenergética, la necesidad de lograr mayorcompetitividad internacional, así como laimperiosa necesidad de protección delmedio ambiente, son factores que impulsanactualmente el aumento de la eficienciaenergética en la región, pues existe un granpotencial para ello (4).

Teniendo en cuenta estos aspectos laindustria farmacéutica exige que el perso-nal a cargo de la administración de las ope-raciones farmacéuticas se encuentre prepa-rado ante este mercado tan competitivo y enconstante evolución. Para ello, es indispen-sable su actualización al más alto nivel (5).

La industria farmacéutica comprende lafabricación de materias primas de uso far-macéutico y de especialidades farmacéuti-cas (medicamentos, preparados para usoterapéutico o profiláctico, etc.).Dentro delas materias primas de uso farmacéutico seencuentran los principios activos terapéuti-cos, los productos intermedios y los exci-pientes o sustancias auxiliares (6).

En la Planta de Producción del Centro deBioactivos Químicos se produce a ciclocompleto el ingrediente farmacéutico activo5-bromo-2(2-bromo-2-nitrovinil)-furano,denominado comúnmente G-1, por vía quí-mico sintética partiendo del 2-(2 nitrovinil)furano (G-0) obtenido a partir del furfural.También se produce en esta planta el vitro-fural que se usa como aditivo para losmedios de cultivo en la producción de vitro-plantas.

La eficiencia en la producción y el mejo-ramiento en la calidad del producto inhe-rente a las buenas prácticas de fabricaciónimplantadas en la producción de bioactivosy vitrofural conducen, inevitablemente, aun mejor uso de la energía. El consumo deenergía eléctrica está comprendido dentrode los aspectos ambientales significativos atener en cuenta en la Planta de Produccióndel Centro de Bioactivos Químicos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizan diagramas de Pareto parapresentar la información en orden descen-dente, desde la categoría mayor a la máspequeña en unidades y en porciento. Losporcentajes agregados de cada barra seconectan por una línea para mostrar lasuma incremental de cada categoría respec-to al total.

Se estratifica el diagrama de Pareto paraencontrar las causas particulares más influ-yentes en el efecto estudiado. En el primerdiagrama de Pareto se registran los consu-mos equivalentes de energía por portadorenergético en el año 2010. Luego de deter-

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minar que el portador energético más utili-zado es la electricidad se procedió a realizarel Pareto para el taller de producción de G-0,G-1 y vitrofural, se pusieron los equipos uti-lizados en las diferentes operaciones de lostalleres. De esta manera, se identifican cuá-les son los equipos más consumidores deenergía eléctrica en cada uno de los talleres.

Después, se realiza el gráfico de consu-mo y producción en el tiempo (E - P vs. T),para mostrar la variación simultánea delconsumo de electricidad con la producciónrealizada en el año 2010 en la Planta deProducción del Centro de BioactivosQuímicos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Planta de Producción la energíatérmica se utiliza para el calentamiento delos baños de aceite, calentamiento de losbaños de agua, termostato, etc.

La energía eléctrica que se consume en laPlanta de Producción proviene de la red dedistribución del Sistema Eléctrico Nacionaly se utiliza en las diferentes operacionesunitarias para impulsar motores eléctricosde los equipos y producir movimiento mecá-nico. En el emplazamiento físico donde seencuentra la Planta de Producción existe unmetro contador eléctrico.

Se procedió a analizar la estructura delconsumo en el año 2010 por cada portadorenergético, luego de realizar el análisis seconcluye que el portador energético másutilizado es la electricidad como se muestraen el gráfico de Pareto en la figura1, por loque se procede a analizar los consumos encada taller de producción.

En las figuras 2, 3 y 4 (diagramas dePareto) se puede observar la información enorden descendente del consumo de energíapor equipos en los diferentes talleres deproducción.

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Figura 1. Diagrama de Pareto para el consu-mo anual en toneladas equivalentes depetróleo por portadores energéticos.

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

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

Figura 4. Diagrama de Pareto para el tallerde vitrofural.

Al realizar el análisis de los paretos seidentifican cuáles son los equipos más con-sumidores de energía eléctrica en cada unode los talleres, se destaca el consumo delbaño de aceite y de los baños de agua.Estratificando el diagrama de Pareto en eltaller de G-0 se encuentra la causa particu-lar más influyente y se cambia el baño deaceite de cinco plazas por el baño de aceitede 3 plazas, que consume menos energíaeléctrica y cumple la misma función al ser-vir como medio de calentamiento y soporte,para realizar la síntesis del bioactivo G-0.

El gráfico de consumo y producción enel tiempo (E - P vs. T) muestra la variaciónsimultánea del consumo energético con laproducción realizada, en este caso se anali-za el año 2010. El gráfico se realiza para elportador energético energía eléctrica de laPlanta de Producción para la produccióntotal, como se muestra en la figura 5.

Generalmente, debe ocurrir que un incre-mento de la producción genere un incremen-to del consumo de energía asociado al proce-so y viceversa. En el mes de marzo se obser-va un aumento de la producción y no hay unaumento en el consumo de electricidad; en elmes de mayo decrece la producción y seincrementa el consumo de electricidad. En elmes de julio hay un incremento en la pro-ducción total y el consumo de electricidaddecrece. En los restantes meses no hay com-portamientos anómalos, no hay producciónen la Planta y el consumo de electricidaddecrece y se mantiene estable.

CONCLUSIONES

1. La gestión energética de los procesosproductivos nos permite identificar losequipos mayores consumidores de ener-

gía eléctrica en cada uno de los procesosproductivos: baño de aceite y baño deagua en el taller de G-0 y baño de aguaen el taller de G-1.

2. Se realiza el cambio del baño de aceitede 5 plazas que tiene 12 resistencias de1,25 kW por el baño de aceite de 3 pla-zas que tiene 8 resistencias de 1,25 kW .

3. El gráfico de consumo y producción enel tiempo (E - P vs. T) se realiza para elportador energético energía eléctrica dela Planta de Producción y muestra lavariación simultánea del consumo ener-gético con la producción realizada, eneste caso se analiza el año 2010. Sedetermina que no siempre un incremen-to de la producción produce un incre-mento del consumo de energía asociadoal proceso y viceversa, esto se atribuye aque se realizan otras actividades en esaárea como las de mantenimiento y exis-te un solo contador eléctrico.

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41

Figura 5. Gráfico de Consumo de electrici-dad vs. Producción en el año 2010.

42

Juan Fernández-Rodríguez, José Alberto Pérez-Hernández, Fernando González-Águila

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de AzúcarVía 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 obten-ción de biocombustible piroleñoso en un reactor de lecho fluidizado atmosférico, queopera 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 par-cial del combustible fósil, a pesar de que presenta mayor densidad y viscosidad que elcombustible diesel, en tanto que su valor calórico es menor.

Palabras clave: Pirólisis, bagazo, lecho fluidizado, biocombustible piroleñoso, plantaexperimental.

ABSTRACT

The results from the preparation and characterization of sugarcane bagasse, aiming tothe obtainment of a pyroligneous biofuel in a fluidized bed reactor, are presented. The fastpyrolisis was carried out at atmospheric pressure and at 450 to 500 ºC. The yielded bio-fuel is an ecological alternative for the partial substitution of fossil fuels despite its higherviscosity and density in comparison with diesel oil. The caloric value is also lower thanthat one related to diesel.

Keywords: Pyrolysis, bagasse, fluidized bed, biooil, experimental pilot plant.

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

INTRODUCCIÓN

Cada día cobra mayor importancia, ennuestro país y en el mundo, la investigaciónen el campo del uso de vías alternativaspara la generación de energía a partir de

fuentes renovables. En tal sentido, la bio-masa y los combustibles obtenidos a partirde ella tienen un futuro promisorio (1).

Los biocombustibles, también denomi-nados combustibles biológicos o agrocom-bustibles, debido a que se obtienen a partir

de diferentes materias primas de origenvegetal, están teniendo un repunte impor-tante en los últimos tiempos en cuanto aactividades de investigación e inversiones, apesar de las fuertes críticas que algunos deellos han recibido a causa de las afectacio-nes que provocan en la disponibilidad dealimentos y otras limitaciones que se lesatribuyen (2).

La imperiosa necesidad de encontrarmaterias primas que no compitan con las dela cadena alimentaria, es otra de las princi-pales fortalezas que tiene el uso del bagazocomo biomasa para la obtención de biocom-bustible piroleñoso (3).

Este biocombustible es un producto quese obtiene por pirólisis de la biomasa. Setrata de un combustible de circulación libre,de color marrón oscuro y un olor acre. Pormedio de la pirólisis, el material vegetal seexpone a una temperatura entre 400 y 500 °Cen un entorno libre de oxígeno. El biocom-bustible piroleñoso es un sustituto de loscombustibles fósiles. Se puede bombearbien, se inflama y se quema correctamentecuando se le atomiza (4).

En Cuba existe una cultura del uso de labiomasa como combustible directo, funda-mentalmente la biomasa cañera (bagazo)que todavía se quema en las calderas de losingenios azucareros pero de una forma pocoeficiente, por lo que otro tipo de portadorenergético de mayor valor agregado, como elbiocombustible piroleñoso, constituye unaalternativa interesante (5).

El ICIDCA cuenta con una planta experi-mental de investigaciones -en la conversióntermoquímica de la biomasa vegetal- basadaen la tecnología de la pirólisis rápida, a tra-vés de un reactor de lecho fluidizado, para laobtención de biocombustible usando comomateria prima el bagazo. La oportunidad quetiene Cuba de disponer de miles de tonela-das de residuos agrícolas e industriales de lacaña, así como otros tipos de biomasa, resul-ta una razón atractiva para aceptar el retotecnológico y trabajar en esta línea, a partirde la comprensión de que la obtención deenergía limpia es un aspecto estratégico.

El objetivo de este trabajo es mostrar lapotencialidad del bagazo para su conversióna biocombustible piroleñoso, mediante laimplementación de tecnología de pirólisisrápida en una planta experimental cubana.

MATERIALES Y MÉTODOS

El bagazo procedente del central ManuelFajardo, después de haber sido desmedula-do en hidropulpeador y zaranda vibratoriapiloto hasta alcanzar 78 % de fibra, fueesparcido sobre una manta negra de polieti-leno tendida en el piso y fue impregnadocon una solución diluida de ácido clorhídri-co y secado al sol hasta la humedad de equi-librio. Posteriormente, el bagazo tratado fuemolido en un molino de discos con muybajos consumos energéticos e introducidoen la tolva de alimentación del reactor piro-lítico.

Como se aprecia en la figura 1, el bagazomolido procedente de la tolva de almacena-miento se alimenta al reactor mediante unmecanismo de tornillo sin fin, que es accio-nado por un moto-reductor acoplado a unmotor de velocidad variable, el cual permi-te alcanzar capacidades de entrega entre 1 y10 kg/h de biomasa en base seca. El lechofluidizado utiliza como material inertearena sílice de 1,15 mm de tamaño de partí-cula y se alimenta con nitrógeno y airecomo fluidos gaseosos, que además degarantizar la velocidad de fluidizacióncalientan el lecho hasta la temperatura detrabajo. La energía para calentar se obtiene,simultáneamente, de un caldeador acopladoa un quemador de balón de gas butano y unhorno tubular eléctrico que facilita la regu-lación de la temperatura a través de un lazode control digitalizado, el cual permite lalectura escalonada de cinco termopares ubi-cados en distintas posiciones a lo largo delreactor. La descomposición térmica de labiomasa, de acuerdo con los requerimientostecnológicos, ocurre en menos de un segun-do y los gases condensables, los gases nocondensables y los sólidos productos de lareacción ingresan a un ciclón donde seseparan. Posteriormente los vapores soncondensados en un sistema de enfriamientode dos condensadores tubulares en seriepara evitar el craqueo de los gases conden-sables y convertir, con el mayor grado deefectividad, la fracción condensable enlíquido biocombustible piroleñoso. Losgases no condensables, aprovechando suvalor calórico en esta etapa, se utilizan parasecar la biomasa o para calentar el reactor ode lo contrario, se envían a la atmósfera por

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medio de un sistema de extracción al vacíoacoplado a una torre, para evitar la conta-minación del ambiente de trabajo.

El reactor de lecho fluidizado está con-formado por una columna de 32 cm2 de áreatransversal y tiene una capacidad de 2,7litros. Por debajo de la columna se encuen-tra unido a una cazoleta de mayor diámetroque soporta al distribuidor y que sirve comoreceptor de gases. El distribuidor presentaorificios de 0,72 mm de diámetro. Cuandolos gases de calentamiento alcanzan la velo-cidad de mínima fluidización y la tempera-tura de trabajo, la biomasa se descompone,y se forma el carbón vegetal que es enviadohacia la salida del reactor junto con losgases permanentes y los condensables, losque después de condensarse forman el bio-combustible que se colecta en un contene-dor de vidrio mediante conexiones de man-gueras.

El principal gas fluidizante utilizadodurante los experimentos es el nitrógeno, elcual se mezcla con un 10 % del aire este-quiométrico de la reacción de combustión,de manera que se obtenga la energía necesa-ria para mantener la pirólisis de la biomasa.

En la figura 2 se puede apreciar el siste-ma de alimentación del bagazo al reactor,así como los sistemas de separación de sóli-dos y de enfriamiento de gases.

Ensayos y normas aplicadasEn la determinación de las propiedades

químicas y físicas de la biomasa se aplica-ron las normas TAPPI e ISO. En un equipode análisis químico elemental (Eager 200),

por el método ESTRUCTU, se determinaronlos contenidos de C, H, O, N y S, mientrasque en la determinación del pH se utilizó elmétodo potenciométrico. Se realizaron lasmediciones del pH al extracto filtrado des-pués de dispersar 2 gramos de la muestra en100 ml de agua destilada. Los análisis ter-mogravimétricos se realizaron en una ter-mobalanza METTLER TG50 que mide deforma continua el peso del material carbo-nizado, en presencia de nitrógeno (5 l/h),dentro de un horno. Estas mediciones sehicieron en el rango de temperatura com-prendido entre 27 y 500 ºC, con una veloci-dad de calentamiento de 10 ºC/min.

En la determinación del poder calóricode la biomasa se empleó el método analíticoy para los combustibles líquidos se empleóun calorímetro. Para el caso del bagazo, secalculó el valor calórico bajo (VCB) pormedio de la expresión siguiente:

VCB= 4250 - 4850 (H) en kcal/kg

donde:H representa la fracción de humedad delmaterial.

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Figura 1. Esquema de la planta de biocom-bustible.

Figura 2. Reactor de lecho fluidizado utili-zado en las corridas experimentales.

Para determinar el poder calórico delbiocombustible se empleó un calorímetromediante la norma DIN 51900-3.

En la determinación de la viscosidad,densidad y contenido de agua de los com-bustibles se aplicaron las normas ASTM.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La caracterización granulométrica delbagazo hidrolizado y molido presenta losresultados que se muestran en la tabla 1.

La granulometría de la biomasa utilizadaen esta planta experimental para la obten-ción de biocombustible y combustible sinté-tico debe tener una estructura de formagranular o de polvo, con el fin de garantizaruna adecuada fluidez del material en elinterior de la tolva y del sistema de alimen-tación de biomasa; sin embargo, no serequiere una finura extrema del material.Por otra parte, desde el punto de vista de suconversión a biocombustible, la biomasa demenor tamaño de partícula tiene una piróli-sis más rápida y homogénea.

Como se muestra en la tabla 2, los mate-riales de origen vegetal, como el bagazo,

están constituidos mayoritariamente portres polímeros naturales: lignina, celulosa yhemicelulosas, y en grado mucho menorpor materias extrañas orgánicas como:ceras, gomas, mucílagos, etc., representadaspor los extractivos en alcohol benceno, asícomo por materias inorgánicas representa-das por las cenizas.

Debe enfatizarse que en el bagazo hidro-lizado, debido al tratamiento con ácido, seproduce una reducción del contenido ini-cial de pentosanos, lo que trae como conse-cuencia un incremento relativo del conteni-do de lignina del material y también de losextractivos y la solubilidad en sosa delmismo.

En la tabla 3, el análisis elemental de lasmuestras revela que los materiales de origenleñoso, como el aserrín, presentan menorcontenido de carbono que el bagazo hidroli-zado, pero ocurre lo contrario con relación alos contenidos de oxígeno. Igualmente, seevidencia que la relación entre el carbono yel hidrógeno es ligeramente menor en elaserrín de madera.

En la tabla 4 se reportan las propiedadesfísicas de la materia prima. La humedadestá en el rango de la humedad de equilibrio

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Tabla 1. Granulometría de la materia prima retenidos en los tamices (%)

Tamices

Materia prima

0,160 mm (%)

0,100 mm (%)

0,080 mm (%)

0,063 mm (%)

0,040 mm (%)

Fondo (%)

Bagazo hidrolizado 73,9 12,2 3,5 0,63 2,52 7,14

Tabla 2. Análisis químico de la materia prima

Materia prima Lignina

(%) Celulosa

(%) Pentosanos

(%) Extractivos

(%) NaOH 1 %

(%) Cenizas

(%) Bagazo

hidrolizado 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 hidrolizado

47,4 7,2 40,69 0 0 6,58

Aserrín 38,6 7,3 53,9 0,1 0 5,28

de los materiales lignocelulósicos. Por otraparte, el pH del extracto acuoso del bagazohidrolizado es moderadamente ácido pro-ducto del tratamiento químico en la prepa-ración de la materia prima; en este sentido,deberán tenerse en cuenta estas característi-cas de la biomasa para evitar posibles pro-blemas de corrosión durante su manipula-ción. Otra característica de este material esque presenta baja densidad de bulto, por loque resulta muy voluminoso, lo cual debeser considerado en el diseño de los equiposde manipulación.

Pirólisis del bagazo de cañaLa pirólisis es un proceso de descompo-

sición térmica de las moléculas más grandesen productos de reacción más pequeños,conocido también como termólisis. En estasreacciones no participa ningún agente oxi-dante. En ocasiones, con un suministrolimitado de un agente oxidante y controlan-do la reacción, se llega a un proceso de gasi-ficación parcial.

Los productos de pirólisis, de los que sehan detectado más de un centenar, general-mente son: gases, líquidos como el etanol, elaceite piroleñoso, acetona, ácido acético,entre otros y sólidos como el carbón. La pro-porción de estos compuestos depende de lascondiciones del proceso, las característicasde la biomasa, la temperatura óptima y eltiempo.

En la figura 3 se presenta el termograma,en atmósfera de nitrógeno, del bagazo hidro-lizado y de los residuos agrícolas de la caña(RAC) en función de la temperatura. Desdeel principio del proceso y hasta aproximada-mente 110 ºC, ocurre el secado de la bioma-sa, evidenciado por la primera inflexión dela curva, con desprendimiento de vapor deagua. A partir de los 200 ºC, se produce unadisminución brusca del peso de la muestra yocurre una importante conversión del baga-zo, que continúa hasta aproximadamente los350 ºC. Resultados similares se obtuvieron

por Varhegyi, en la curva termogravimétricadel bagazo puro (6). En esta etapa se des-prenden los volátiles ligeros, de relativa-mente bajo peso molecular, pertenecientesmayoritariamente a las hemicelulosas.

A partir de 350 y hasta 500 ºC aparecennuevos productos volátiles más pesados,debido a reacciones de craqueo que rom-pen las cadenas de compuestos formados apartir de la celulosa y de la lignina.

Este estudio constituye la base para elestablecimiento del régimen térmico deoperación del lecho fluidizado en una plan-ta de biocombustible piroleñoso, se aplica-ron elevadas temperaturas en poco tiempo,en ausencia de oxígeno, a las pequeñas par-tículas de la biomasa, para romper suestructura instantáneamente y así producirlíquidos orgánicos condensados con rendi-mientos por encima del 60 %.

La tecnología de pirólisis en lecho fluidi-zado es muy compleja, por lo que es necesa-rio ejercer un control preciso del flujo delmaterial que se fluidiza, del flujo de gas y latemperatura del lecho. Por otra parte, la flui-dización puede provocar la atrición extensiva

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Tabla 4. Análisis físico de la materia prima

Propiedades Materia prima

Densidad aparente (kg/m3)

Cenizas (%) pH Humedad

(%) VCB

kcal/kg

Bagazo hidrolizado 204 4,71 4,82 9,08 3810

Figura 3. Termogramas de distintos mate-riales empleados en la obtención de bio-combustibles.

de las partículas sólidas y, por lo tanto, pro-ducir pérdidas por arrastre. Los problemasmás críticos están asociados con la formaaerodinámica de las partículas de la biomasay con el enfriamiento brusco y condensaciónde los volátiles, lo que conduce a ineficienciaen la conversión a biocombustible.

Las principales ventajas de esta tecnolo-gía 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 labiomasa.

• El contenido de cenizas en el biocom-bustible es muy bajo con respecto al de labiomasa.

• Los minerales como: el potasio, el cromoy el cobre permanecen en el sólido que seobtiene.

La principal desventaja es que todavíano se logran costos competitivos con rela-ción a los combustibles tradicionales.

En la tabla 5 se comparan algunas pro-piedades físicas del biocombustible produ-cido por la firma Dynamotive, de Canadá,con una muestra de biocombustible obteni-do en la planta experimental del ICIDCA,tomando como referencia al combustiblecomercial diesel.

La muestra biocombustible ICIDCA seobtuvo con un rendimiento del 60 %, bajoun régimen de operación de 450- 470 °C enel reactor de pirólisis, un flujo de biomasade 50 g/min, un flujo de nitrógeno de 132l/min y un flujo de aire de 26 L/min.

La densidad y la viscosidad del biocom-bustible son más altas que las del diesel.

El alto contenido de oxígeno y agua delbiocombustible piroleñoso, reduce su valor

calórico, que resulta ser menor que el delpetróleo.

La acidez del producto obtenido pre-senta valores superiores de pH que la delbiocombustible de referencia, lo quepuede ser una consecuencia de una bajaformación de ácidos orgánicos característi-cos de estos productos o que la formaciónde ácido fórmico y acético en el proceso depirólisis rápida sea menor que la informa-da convencionalmente en la literaturaentre 0,4-7,2 % y 2,1-6,1 %, respectiva-mente, en dependencia de la materiaprima (7).

CONCLUSIONES

• El rango de temperatura entre 450 y 500 °Cresulta adecuado para la obtención delbiocombustible a partir de bagazo.

• Las muestras de biocombustible obteni-das se caracterizan por un relativo altocontenido de agua que disminuye lacapacidad calórica del combustible.

• La densidad y la viscosidad del biocom-bustible obtenido son más altas que lasdel diesel.

• El valor calórico del biocombustible piro-leñoso es menos de la mitad del corres-pondiente al diesel.

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Tabla 5. Propiedades del biocombustible piroleñoso producido

Propiedades Unidades Biocombustible Dinamotive

Biocombustible Icidca Diesel

Valor calórico mJ/kg 15-20 14 42,0 Viscosidad a (80 °C)

cSt 3-9 4,1 2-4 (a 20 °C)

Acidez pH 2,3-3,3 3,5 5

Agua % en peso 20-25 30 0,05 % V combinado

Densidad kg/l 1,2 1,12 0,980

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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 AzúcarVía 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 elobjetivo de seleccionar una cepa y un medio de cultivo para la obtención de Poli 3- hidro-xibutirato (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 delevadura 1 g/l y sal común 2,5 g/l para la producción de poli-β−hidroxibutirato, con elque se logra la reducción de los costos de producción casi 6 veces por concepto de mate-rias primas, a través de la sustitución de las fuentes de carbono y nitrógeno que hastaahora se habían empleado.

Palabras clave: plásticos biodegradables, poli-β-hidroxibutirato, Bacillus subtilis, mielfinal de caña.

ABSTRACT

A statistical experimental design of 32 with a replica at each point was assayed in orderto 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%, yeasthydrolysate 1 g/L and sodium chloride 2,5 g/L were selected; with the objective of redu-cing the production costs almost 6 times by a raw materials through the substitution ofcarbon and nitrogen sources that up to now had been used.

Keywords: biodegradable plastics, poly-β-hydroxybutyrate, Bacillus subtilis, cane molas-ses.

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

INTRODUCCIÓN

La industria química es un sector de pro-ducción y desarrollo importante; sin embar-go es una fuente de generación de desechosque ocasiona un impacto negativo en elmedio ambiente. Para disminuir este efecto,es necesario desarrollar procesos químicossustentables que minimicen los residualescon menor consumo de energía, por lo quecada día son mayores los esfuerzos legislati-vos a nivel mundial con el objetivo depotenciar la producción de nuevos materia-les no contaminantes al medio ambiente apartir de fuentes renovables.

En la sociedad actual se ha hechoimprescindible el uso de los plásticos endistintas aplicaciones que incluyen laindustria de la construcción, la alimenticia,la farmacéutica y la del transporte, que pre-sentan múltiples ventajas en relación con-materiales tradicionales como los metales,el vidrio y el papel. Sin embargo, la mayoríade los polímeros utilizados en la actualidadpermanecen en la naturaleza por largosperíodos de tiempo y por tanto se acumu-lan, lo cual genera grandes cantidades deresiduos sólidos. Esta situación ha impulsa-do la necesidad de desarrollar biomateria-les como los plásticos biodegradables, quebrindan la posibilidad de reducir los dañosmedioambientales que causan la continuaproducción y acumulación de plásticospetroquímicos en los ecosistemas.

Los polihidroxialcanoatos (PHAs) sonpolímeros biodegradables de origen micro-biano. Son sintetizados por diversos micro-organismos, como polímeros de reserva decarbono y energía, pudiendo después de suextracción y ulterior procesamiento, alcan-zar propiedades semejantes a las de los plás-ticos convencionales. Dentro de los PHAsmás estudiados se destaca el polihidroxibu-tirato (PHB) (1, 2), que posee gran aplicabi-lidad en varias esferas por ser no tóxico ybiocompatible en múltiples usos (3).

El PHB tiene propiedades similares alpolipropileno, aunque es más duro y que-bradizo porque el 100 % de sus carbonosasimétricos están en configuración D (-). Esun termoplástico que puede ser procesadopor técnicas de extrusión e inyección, alta-mente cristalino y muy frágil, mientras queel copolímero de PHB con PHV es menoscristalino, más flexible y más fácil de proce-

sar (4). Algunas propiedades de los polihi-droxibutiratos de mucha utilidad son suresistencia a la humedad y su poca solubili-dad en agua, además muestran una acepta-ble impermeabilidad al oxígeno (5). El PHB,en condiciones aeróbicas se degrada a dió-xido de carbono y agua y, en ausencia deoxígeno, se degrada a metano (6).

A pesar de esta posibilidad de aplica-ción, la sustitución de los plásticos quími-cos por los biopolímeros aún no es viablepor razones de competitividad económica.La producción de PHAs presenta actual-mente un costo que varía alrededor de US$ 4-10/kg, en contraste con los polímerossintéticos, cuyo precio está en el entorno deUS $ 1/kg.

Para esto, la comunidad científica inter-nacional ha enfocado sus investigaciones entres líneas fundamentales: la búsqueda denuevas cepas salvajes capaces de acumularmayores niveles de PHB, el desarrollo deprocesos fermentativos más eficientes utili-zando materias primas más baratas, y laimplementación de procesos de recobradodel polímero más sencillos y económicos.

El presente trabajo tiene como objetivoestudiar la producción de PHB en tres cepasque fueron previamente seleccionadascomo productoras por Bello (7), evaluar sucomportamiento en un medio de cultivoindustrial y, por consiguiente, realizar unaselección de la mejor variante para futurostrabajos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Microorganismos utilizados en el estudioEste estudio parte de resultados previa-

mente obtenidos por el grupo de trabajo (7)que permitieron una selección de microor-ganismos productores de PHB. De las cepasprocedentes de la Colección de CultivosMicrobianos del Instituto Cubano deInvestigaciones de los Derivados de la Cañade Azúcar (ICIDCA), se evaluaron tres bac-terias (tabla 1), con el objetivo de seleccio-nar una para los posteriores estudios.

Conservación de microorganismosEl medio de cultivo empleado para la

conservación de los microorganismos eneste estudio tuvo la siguiente composición:Medio Caldo Nutriente (CN) (en g/l): pepto-

50

na 5, extracto de levadura 2, NaCl 5, extrac-to de carne, agar 15, pH 7,0 ± 0,1.

Las cepas fueron cultivadas en placas a 30°C por 24 h y conservadas a 4 °C durante 6meses. Para la preparación de los inóculos setomaron dos asadas de cultivo de los micro-organismos y se inocularon en caldo nutrien-te. Los inóculos se crecieron a 37 ºC, 150 min-1 durante 18 horas en erlenmeyers de 150 mlcon un volumen de trabajo de 15 ml.

Producción de polihidroxialcanoatosLos siguientes medios fueron utilizados

para promover la producción de polihidro-xialcanoatos en cultivo líquido (para unlitro).

La miel final de caña de azúcar provienede un mismo lote de producción de laempresa azucarera “Héctor Molina”, deCuba (5 -10 marzo/2010).

El hidrolizado de levadura se preparócon levadura de miel procedente de laEmpresa Mielera “Ciro Redondo“ con 8,07% de nitrógeno (8).

Procedimiento experimental para la selec-ción de la cepa y el medio de cultivo

Se realizó a nivel de zaranda un diseñode experimentos 32 con réplica en cadapunto con el objetivo de seleccionar unacepa y un medio de cultivo para los poste-riores estudios en microplanta. Las varia-bles que se evaluaron fueron la cepa y elmedio de cultivo y como variable respuestase consideró la producción de PHB (%PHB/p.s.). En la tabla 2 se muestran losniveles para cada variable.

Cuantificación de la producción de poli-ββ-hidroxibutirato

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

Donde:D.O: Densidad óptica

Se detectó por incremento en la absor-bancia a una longitud de onda de 210 nm enespectrofotómetro UV-Visible modeloUltrospec 2000 Pharmacia Biotech Int(Uppsala, Suecia) (10). La curva de calibra-ción se realizó con patrón puro de PHB deAldrich®.

El procesamiento de los datos se llevó acabo por el programa estadístico computari-

51

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

Glicerol 20 % en caldo nutriente

Azospirillum brasilense 8i

Glicerol 20 % en caldo nutriente

Medio A (7) Medio B Medio C Sacarosa

1 % Miel final de

CA* 1 % Miel final de

CA 3 % Extracto de

levadura 1 g/l

Hidrolizado de levadura

1 g/l

Hidrolizado de levadura

1 g/l

NaCl 2,5 g/l

Sal común 2,5 g/l

(industrial)

Sal común 2,5 g/l

(industrial) pH

7,0 ± 0,1 pH

7,0± 0,1 pH

7,0± 0,1

Tabla 2. Niveles para cada variable estudiada

Variables Nivel (-1) Nivel (0) Nivel (1)

Cepa (X1)

Bacillus subtilis

B/ 23-44-4

Azospirillum brasilense 8i

Bacillus licheniformis B/ 23-26-4

Medio (X2)

A B C

100sec

776,0015,0.2

./% ⋅

−⋅

=oPeso

OD

spPHB

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A partir del estudio histoquímico yde evaluación de 17 cepas bacterianasde diferentes géneros entre los que seencontraban: Azospirillum, Rhizobium,Bacillus y Pseudomonas, realizado pre-viamente (7), se determinó el efecto delas variables cepa productora (X1) ymedio de producción (X2) de acuerdocon el diseño utilizado. La variable res-puesta fue la producción de PHB,expresada como % PHB/p.s. Los valorespromedios de dos mediciones para lasdiferentes variantes aparecen en la tabla 3.

El análisis de varianza que descomponeel efecto de cada variable, mostrado en el

gráfico de Cajas y Bigotes (figuras 1a y 1b),determinó que el medio de cultivo entre lascepas y dentro de cada grupo no ofrece dife-rencia estadísticamente significativa paralas medias de producción de PHB para ρ =0,05. El análisis de varianza indica un errorestándar de 1,2539 y el estadígrafo Durbin-Watson evidenció que no existe correlaciónentre los residuos del modelo, por lo que sepuede considerar adecuada la descripciónde la concentración de PHB.

La producción de PHB se favoreció conla cepa Bacillus subtilis B/23-444 y se afectócuando se utilizó Azospirillum brasilense 8i,según resultó de la prueba de rangos múlti-ples que indica diferencia significativa parala variable (tabla 4).

En general, de este análisis se puedeconsiderar que las condiciones evaluadaspara las variables cepa y medio de cultivopermiten producciones de PHB promedioen los valores entre 16 y 31 % en base secasegún se muestra en la figura 2.

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Tabla 3. Resultados de la producción de PHB según las corridas experimentales correspondientes al diseño experimental 32.

Corrid as C ep a

(X 1)

M e dio de cu lt iv o

(X 2) %PHB/p.s.

1 -1 -1 27,03

2 0 -1 19,39

3 1 -1 26,21

4 -1 0 24,84

5 0 0 18,41

6 1 0 25,20

7 -1 1 24,15

8 0 1 16,30

9 1 1 22,87

10 -1 -1 30,23

11 0 -1 20,04

12 1 -1 25,38

13 -1 0 25,43

14 0 0 17,63

15 1 0 22,61

16 -1 1 26,20

17 0 1 15,80

18 1 1 20,70

Figura 1a y 1b. Gráfico de cajas y bigotes estan-darizado para la obtención de PHB.

Figura 2. Influencia de la cepa y el mediode cultivo sobre la producción de PHB enzaranda a 37 °C y 150 min-1.

Al demostrar que el medio no tiene efec-to significativo en las modalidades evalua-das para la obtención del PHB, se proponeestablecer la producción del PHB con elmedio B que sustituye la sacarosa por mielal 1 %, el extracto de levadura por el hidro-lizado de levadura según procedimientoempleado (8), y el NaCl por la sal común, locual incidirá en la reducción de casi 6 vecesel costo de producción considerando sola-mente las materias primas.

El uso de fuentes carbonadas y subpro-ductos industriales ha sido estudiado (11).Existen modelos de integración del procesobiológico de producción de PHB a partir desuero de leche, glicerol, hidrolizados de laindustria del cítrico y otros (12), se toma enconsideración de que se trata de residualesagroindustriales altamente contaminantescomo una solución medioambiental y obte-niendo producciones entre 25 y 30%PHB/p.s. Aunque la miel de caña no es unresidual, sino un coproducto de la produc-ción de azúcar, altamente competitivo comofuente de sustrato para otras fermentacionesy comprometido con la producción de alco-hol, alimento animal y la exportación, noresulta ocioso considerar su uso potencialen la producción de PHB.

La sustitución total del extracto de leva-dura por el hidrolizado es también positiva,por cuanto es una fuente de nitrógeno, defácil elaboración y tecnología sencilla puesse produce a partir de levadura forrajera y deun costo significativamente inferior. Otrosautores (13) encontraron en un estudio defuentes de carbono y nitrógeno que incorpo-rar fuentes complejas mejoraba la produc-ción de PHB más de 10 veces en relación conel uso de reactivos puros. Estos autores indi-caron que la peptona proteasa producía lasmáximas acumulaciones de PHB.

Otro aspecto a considerar es que el PHBproducido por una bacteria Gram + como loes el Bacillus subtilis tiene mejores propie-dades de biocompatibilidad para aplicacio-nes biomédicas que el producido por bacte-rias Gram - .

Por tanto, la producción de PHB a partirde Bacillus subtilis B/23-444 utilizando unmedio de cultivo con potencialidad indus-trial en 24 horas de tiempo de fermentaciónes un aporte para este campo ya que lo con-vierte en un candidato para estudios futurosde optimización y escalado del proceso.

CONCLUSIONES

Se seleccionó la cepa Bacillus subtilisB/23-444, una bacteria Gram+ que favorecela biocompatibilidad del PHB para aplica-ciones biomédicas.

Se escogió el medio de cultivo industrialcompuesto por miel final de caña al 1 % deazúcares reductores totales, hidrolizado delevadura y sal común, por su menor costoen comparación con un medio de compo-nentes grado reactivo.

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