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SACARIFICACION DEL ALMIDON

En la industria alimentaria, las enzimas se utilizan para recuperar subproductos, para facilitar la

fabricación, para mejorar el aroma y para estabilizar la calidad de los alimentos. El número total

de enzimas de interés para este tipo de industria es básicamente limitado si se compara con los

millares de enzimas que han sido estudiadas. Las enzimas mas utilizadas son las carbohidrasas,

las proteasas y las lipasas. Se emplean también unas pocas oxidorreductasas y una sola

isomerasa. La mayoría de estas enzimas son de origen microbiano, y solo unas pocas proceden

de animales o vegetales superiores.

 Normalmente, las enzimas solubles son desactivadas por el calor, una vez que el tratamiento del

alimento se da por el calor, una vez que el tratamiento del alimento se da por concluido. En

ocasiones se permite que continúe su actividad para que desarrollen el aroma y la textura

deseados, pero nunca se reutilizan. Los recientes avances en tecnología enzimática han

conducido ala preparación de enzimas, células microbianas u orgánulos celulares inmovilizados

que, en principio, pueden ser recuperados del medio de reacción para volver a ser utilizados.

1.  Hidrólisis del almidón

La obtención industrial de glucosa se produce fundamentalmente mediante hidrólisis enzimática

del almidón. El proceso enzimático es mas conveniente que la hidrólisis acida, ya que los

rendimientos son mayores, se producen menos productos secundarios y, por tanto, el coste

económico es menor. El almidón se distribuye en los vegetales como pequeños gránulos que

varían de tamaño y forma según sea su origen el almidón de maíz es el mas utilizado en todo el

mundo, aunque en los países se recurre a otras fuentes como el trigo, la tapioca o el arroz.

La mayoría de estos almidones están constituidos por una mezcla de amilosa y amilopectina. La

amilosa es un polímero lineal de unidades de glucosa (hasta 6.000) unidas por enlancesglicosidicos α-(1, 4). La amilopectina es un polímero muy ramificado con cadenas cortas de

amilosa(10-60 unidades de glucosa) unidas por enlace α-(1, 6).Aquellas enzimas capaces de

hidrolizar estos enlaces α-(1, 6) han despertado gran interés por su capacidad para hidrolizar 

totalmente el almidón en glucosa (figura 4.2).

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La hidrólisis del almidón se puede plantear principalmente:

1. En procesos en los que sea necesario eliminar el almidón; por ejemplo, en el procesado de la

caña de azúcar.

2. En procesos enlos que se obtenga un hidrolizado de utilidad para el hombre, como la

obtención de los jarabes ricos en glucosa.

En ambos tipos de procesos se emplean enzimas de diferentes clases. Esta hidrólisis enzimática

sucede en tres etapas (Figura 4.3):

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a.  Gelatinización: sucede a 60'C, temperatura a la cual las partículas de almidón se

hinchan hasta que finalmente se rompen. Como consecuencia se obtiene una suspensión

de carácter viscoso. A continuación se añade una o-amilasa (EC 3.2.1 .1) termoestable

de Bacillus  subtilis que hidroliza parcialmente el almidón, reduciendo la viscosidad. De

esta manera se obtiene un preparado gelatinoso (30-357o de sólidos) que se someterá a

una licuefacción posterior.

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b.  Licuefacción: cuyo objetivo es la obtención de dextrinas de menor tamaño y solubles.

En esta segunda etapa se emplean las α-amilasas termoestables de  Bacillus

 stearorhermophilus y  Bacillus licheniformes a 103-107 ºC durante 5-10 minutos.

Posteriormente se disminuye la temperatura a 95ºC y el tratamiento continúa durante

tres horas para permitir la obtención de oligosácáridos de 8- 12 unidades de glucosa,

que son los sustratos adecuados para la etapa posterior.

c.  Sacarificación: finalmente, se consigue la hidrólisis total del almidón en glucosa

durante la sacarificación. En esta última etapa se emplean glucoamilisas (EC 3.2.1.3),

enzimas extracelulares producidas por   Aspergillus niger o Aspergillus awamori,

capaces de hidrolizar enlaces α-(1, 6) del alrnidón y de los maltooligosacáridos. Estas

enzimas se suelen emplear en combinación con la pululanasa de  B. acidopulullulyticus 

(EC 3.2.1 .41) o enzima desramificante del almidón, que ataca específicamente los

enlaces glucosídicos α-(1,6).

Para conocer el grado de hidrólisis del almidón durante las diferentes etapas se recurre a la

expresión “equivalentes de dextrosa” (DE), que es igual a:

DE = 100 x [ nº de enlaces glicosidicos hidrolizados / nº de enlaces glicosidicos totales ]

La glucosa pura tiene una DE=100, mientras que la maltosa pura tiene un DE=50 y el almidón

tiene un valor de DE=0. Durante la hidrólisis del almidón el DE aumenta, y así el almidón

licuado con un DE=8-12 es apto para la sacarificación, donde se obtendrá un jarabe con un

DE=45-98

.

Los jarabes ricos en glucosa tienen un valor DE=97 aproximadamente y se emplean en la

 preparación de bebidas refrescantes y caramelos, en panadería y en destilerías. Las α-amilasas

de origen fúngico son menos estables al calor que las bacterianas, pero se emplean mucho en la

 producción de jarabes ricos en maltosa a partir del almidón. Estos jarabes (DE=40-50)

contienen un 45-60% de maltosa y un 2-7% de glucosa, no son higroscópicos y no cristalizan

tan fácilmente como los jarabes ricos en glucosa. Se emplean para la preparación de caramelos,

mermeladas y postres congelados por su resistencia a la aparición de color.

Los jarabes ricos en fructosa son empleados como edulcorantes en bebidas refrescantes,

conservas, salsas, yogures y frutas enlatadas. La fructosa posee un 120-180 % del poder 

edulcorantes de la glucosa, y es menos cara que la sacarosa. La glucosa isomerasa (EC 5.3.1.5),

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enzimas que cataliza la conversión de la glucosa en fructosa, es producida por diferentes

microorganismos como el  Bacillus coagulans, Actinoplanes missouriensis, Streptococcus

olivaceus, etc.

Enzimas inmovilizadas en la hidrólisis del almidón

En la obtención de los jarabes ricos en glucosa se han introducido las enzimas hidroliticas del

almidón en forma inmovilizada. La inmovilización covalente de la α-amilasas de Bacillus

licheniformis en soporte formados por polímeros de alcohol polivinilico ha originado derivados

enzimáticos de gran utilidad para la hidrólisis continua del almidón. En la inmovilizacion de las

α- amilasas se han empleado con éxito otros soportes como poliamidas, microesferas e

hidrogeles. Por otra parte, en la inmovilización de la amiloglucosidasa se han empleado

soportes como partículas de hueso, laminas de colágeno y en polímeros de poliuretano.

Los jarabes ricos en fructosa se obtienen industrialmente por isomerización de los jarabes de

glucosa mediante la utilización de una glucosa isomerasa inmovilizada. Esta enzima, tras su

 purificación, se puede inmovilizar en una resina celulósica, o bien cristalizar y reticular 

 posteriormente.

2. Hidrólisis de la sacarosa

La sacarosa se puede hidrolizar en glucosa y fructosa mediante ácidos o enzimáticamente por 

acción de invertasa (EC 3.2.1.26) de Saccharomyces cerevisae (figura 4.4).

El producto obtenido se denomina “azucares invertido” y es mas estable que los jarabes de

glucosa, ya que no suele cristalizar. Se utiliza en pastelería para mantener la humedad y también

evitar la aparición de paladar arenoso en las mermeladas.

La invertasa de la levadura ha sido inmovilizada mediante atrapamiento en alginato, en gelatina

y en fibras de triacetato de celulosa. Los biocatalizadores obtenidos tienen una actividad y

estabilidad satisfactoria en el proceso de obtención del azúcar invertido, especialmente a altas

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concentraciones de sacarosa (> 20% p/p), en las que esta enzima muestra una gran inhibición

 por sustrato.

3. Hidrolisis de la celulosa

La celulosa es le material orgánico más abundante en la Naturaleza y a diferencia de otras

fuentes potenciales de energía, es renovable. Actualmente se producen enormes cantidades de

desechos de celulosa en forma de paja, serrín, etc., que se podrían transformar en glucosa con la

tecnología enzimática adecuada. La glucosa así obtenida se podría utilizar como edulcorante,

fuente de energía o ser transformada en eta nol. La hidrolisis de la celulosa (Figura 4.5) puede

realizarse por acción de las celula sas (por ejemplo, de Aspergillus niger o Trichoderma reseei),

complejo enzimático que incluye varias enzimas: una endo-β-1,4-glucanasa (EC 3.2.1.4), una

glucan 1,4-β-glucosidasa (EC 3.2.1.74) y una celulosa 1,4-β -celobiosidasa (EC 3.2.1.91).

Actualmente las aplicaciones de las son variadas:

1. Facilita Ia clarificación de los zumos.

2. Mejora el rendimiento en la extracción de aceites esenciales y especias.

3. Mejora las propiedades de cocción y rehidratación de los vegetales deshidratados.

4. origina azucares fermentables en los residuos de maceración de la uva y la manzana.

Se ha conseguido inmovilizar celulasas de diversos microorganismos con el fin de obtener 

azucares fermentables a partir de materiales celulósicos.

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SACARIFICACIÓN DE LA MADERA

Madera

La madera es un material ortotrópico encontrado como principal contenido del tronco de unárbol. Los árboles se caracterizan por tener troncos que crecen cada año y que están compuestos

 por fibras de celulosa unidas con lignina. Las plantas que no producen madera son conocidas

como herbáceas. 

La composición de la madera

En composición media se compone de un 50% de carbono (C), un 42% de oxígeno (O), un 6%

de hidrógeno (H) y el 2% de resto de nitrógeno (N) y otros elementos.

Los componentes principales de la madera son la celulosa, un polisacárido que constituye

alrededor de la mitad del material total, la lignina (aproximadamente un 25%), que es un

 polímero resultante de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos y que proporciona

dureza y protección, y la hemicelulosa (alrededor de un 25%) cuya función es actuar como

unión de las fibras. Existen otros componentes minoritarios como resinas, ceras, grasas y otras

sustancias.

  Celulosa

Es un polisacárido estructural formado por glucosa que forma parte de la pared de las células

vegetales. Su fórmula empírica es (C6H10O5)n, con el valor mínimo de n = 200.Sus funciones

son las de servir de aguante a la planta y la de darle una protección vegetal. Es muy resistente

a los agentes químicos, insoluble en casi todos los disolventes y además inalterable al aire

seco, su temperatura de astillado a presión de un bar son aproximadamente unos 232,2 °C.

Función de la celulosa

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La celulosa es un polisacárido estructural en las plantas ya que forma parte de los tejidos de

sostén. La pared de una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa; la

madera un 50 %, mientras que el ejemplo más puro de celulosa es el algodón con un

 porcentaje mayor al 90%.

A pesar de que está formada por glucosas, los animales no pueden utilizar la celulosa como

fuente de energía, ya que no cuentan con la enzima necesaria para romper los enlaces β-1,4-

glucosídicos; sin embargo, es importante incluirla en la dieta humana (fibra dietética) porque

al mezclarse con las heces, facilita la digestión y defecación, así como previene los malos

gases.

En el intestino de los rumiantes, de otros herbívoros y de termitas, existen microorganismos, 

muchos metanógenos, que poseen una enzima llamada celulasa que rompe el enlace β-1,4-glucosídico y al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las glucosas como

fuente de energía.

Hay microorganismos (bacterias y hongos) que viven libres y también son capaces de

hidrolizar la celulosa. Tienen una gran importancia ecológica, pues reciclan materiales

celulósicos como papel, cartón y madera. De entre ellos, es de destacar el hongo  Trichoderma

reesei, capaz de producir cuatro tipos de celulasas: las 1,4-β-D-glucancelobiohirolasas CBH i

y CBH II y las endo-1,4-β-D-glucanasa EG I y EG II. Mediante técnicas biotecnológicas se producen esas enzimas que pueden usarse en el reciclado de papel, disminuyendo el coste

económico y la contaminación.

Sacarificación

(Del lat. saccharum, azúcar, y facere, hacer.)

 Proceso por el cual se transforman mediante hidratación las sustancias sacarígenas en azúcar.

En el caso de la cerveza, la sacarificación del almidón  presente en los granos de cereal en

maltosa se realiza durante el proceso de malteado del grano. Este es un paso previo

imprescindible para que se pueda dar la fermentación alcohólica. 

LA SACARIFICACIÓN DE LA MADERA

Memoria preparada a soli citud de la FAO en r elación con la labor del Cuadro Técnico sobre 

Química de la Madera  

Pocos procesos de química industrial cuentan con una historia que pueda compararse a la de la

sacarificación de la madera. Desde los albores de la química orgánica, los hombres de ciencia

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quedaron intrigados por el hecho de que la mayor parte de los residuos celulósicos está

compuesta en sus dos terceras partes por hidratos de carbono, que, sometidos a un adecuado

tratamiento, pueden convertirse en azúcares útiles como alimento o para la preparación de

 productos químicos.

 No obstante las esperanzas de un tiempo y la profusión de investigaciones y de trabajos de

 perfeccionamiento, la sacarificación de la madera no condujo a los resultados que se esperaban.

En realidad, su historia es más bien desalentadora, con una serie de fracasos económicos de

importancia, pero en nuestros días se abrigan esperanzas de éxito no menores que las de otros

tiempos, considerándose cancelados los errores pasados dada su escasa trascendencia para el

futuro. Tanto los hombres de ciencia como los industriales admiten que en los residuos

celulósicos se encuentra una vasta fuente potencial de alimentos y de productos químicos.

«La hidrólisis de la celulosa para obtener glucosa y oligosacáridos simples se convertirá en un

factor económico predominante... Los subproductos celulósicos tendrán cada vez un mayor 

campo de aplicación como materias primas para obtener productos alifáticos simples mediante

 procedimientos químicos y biológicos... Si se dirige una mirada al futuro podrá verse que la

celulosa, que es el más abundante de todos los productos fotosintéticos, llegará a ser una de las

materias primas más útiles para el hombre. La provisión de ésta va renovándose por medios

naturales, mientras que otros materiales almacenados a lo largo de siglos se agotan de

continuo».

 No parece descaminado suponer que, dados los medios tecnológicos con que hoy se cuenta y

gracias a una adecuada labor de investigación, podrá llegarse a procesos de elaboración que

 permitan un eficaz aprovechamiento de los residuos celulósicos. La importancia de hallar tales

 procesos de elaboración puede juzgarse considerando sus consecuencias posibles.

Probablemente, el efecto de mayor importancia y alcance de un proceso económico de

sacarificación sería su repercusión sobre la ordenación y aprovechamiento de los montes.Podrían entonces talarse los montes improductivos y repoblarlos con árboles de buen

rendimiento para la obtención de madera, pasta y residuos celulósicos para la conversión

química. Este aspecto por sí solo tiene consecuencias de gran alcance y justifica la dedicación al

mismo de una intensa labor de investigación.

Los residuos celulósicos, considerados como materia prima químico, son una fuente de azúcares

hexosos y pentosos. La porción principal, las hexosas, son equivalentes al azúcar obtenido de

las fuentes ordinarias. Las pentosas, en cambio, son únicas, ya que, a partir de ellas, puede

obtenerse el furfurol, producto químico que no se obtiene de otras fuentes. Los pentosanos

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contenidos en las mazorcas de maíz desgranadas (zuros) y en el bagazo constituyen ahora la

fuente principal de furfurol. No obstante, el contenido de pentosanos en la madera es demasiado

 bajo para justificar una inversión económica basada en este solo producto.

Las breves consideraciones que anteceden nos llevan a la conclusión de que, si bien pueden

conseguirse beneficios indirectos ideando un proceso de sacarificación técnicamente posible, el

factor decisivo será siempre de tipo económico. Para que pueda considerarse de valor, el

 proceso industrial debe permitir la producción de azúcar a un precio que compita con el del

azúcar o el de las melazas de cofia en el lugar en que se aplique.

Elementos constitutivos de la madera

El volumen y naturaleza de los azúcares que puedan obtenerse de la madera, así como los

 procesos que exige la necesaria hidrólisis, vienen determinados por los polisacáridos de la

madera.

El principal polisacárido en todos los materiales de plantas leñosas es la celulosa, análoga desde

el punto de vista químico y físico al algodón hidrófilo en el sentido de que es fibrosa, posee una

alta resistencia a los álcalis y es muy difícil de hidrolizar con producción de glucosa.

Las hemicelulosas se hallan presentes en la madera y en otros materiales celulósicos en una

 proporción aproximada de un tercio de los hidratos de carbono totales. La hemicelulosa es

amorfa y, por carecer de una organización cristalina, se hidroliza con mucha mayor facilidad

que la celulosa. Si el total de hidratos de carbono de la madera pudiera hidrolizarse con la

misma facilidad que la hemicelulosa, no habría lugar a dudas en cuanto a la inmediata y amplia

utilidad industrial de la sacarificación de la madera.

Los azúcares componentes del producto final de la degradación hidrolítica de 20 especies

diferentes de madera fueron determinados por Gustafsson y sus colaboradores (19), según los

cuales, todas las especies de madera investigadas contienen glucosano, galactano, manano,

arabano y xileno. La proporción de galactano, basada en el azúcar total producido por hidrólisis

de especies coníferas, varía entre un 6,0 y un 17,5 por ciento, y la de manano entre un 7,5 y un

16,0 por ciento. Los valores correspondientes para especies frondosas son de 1,0 a 4,0 por 

ciento y de 0,5 a 4,0 por ciento, respectivamente. El contenido de xileno de las especies

coníferas varía entre un 9,0 y un 13,0 por ciento, y el de las especies frondosas entre un 19,5 y

un 39,0 por ciento. El contenido de arabano es bajo en todos los casos, y solamente excede del 3

 por ciento para tres de las especies coníferas. La composición de los hidratos de carbono de una

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especie determinada no se mantiene estrictamente constante, pero las variaciones presentes no

 bastan a borrar las diferencias características observadas entre las coníferas y las frondosas.

La lignina es el principal elemento constitutivo de la madera y de otras plantas, distinto de los

hidratos de carbono. En esencia es un material aromático de alta polimería, y la mayor parte del

mismo se obtiene por procedimientos hidrolíticos como residuo insoluble, en la proporción del

20 al 30 por ciento de la madera tratada. La química de la lignina ha sido estudiada

recientemente con todo detalle por Brauns (5). A pesar de que la lignina no ha tenido mucha

aplicación hasta ahora, podría muy bien resultar la clave de algún futuro y satisfactorio proceso

de elaboración para el aprovechamiento combinado de residuos celulósicos.

PRETRATAMIENTOS DE LA CELULOSA Y BIOMASA PARA LA

SACARIFICACIÓN.

RESUMEN

La biomasa celulósica se ha vuelto un producto interesante para ser aprovechada como materia

 prima en la fabricación de biocombustibles, especialmente el etanol. El paso crítico en su

conversión a etanol, implica la degradación de los polisacáridos a azúcares fermentables, en un

 proceso denominado sacarificación. La celulosa, el componente principal de la biomasa, es un

 polisacárido de difícil degradación en condiciones de tratamiento moderadas. Las

investigaciones más recientes en el campo de los biorecursos, se han enfocado hacia el

desarrollo de ciertos pretratamientos de la biomasa o la celulosa bajo los cuales se logra que

estos materiales sean de más fácil degradación a azúcares fermentables. El presente artículo

resume los resultados más sobresalientes, sin ser exhaustivos, de los pretaratimentos de la

celulosa y la biomasa para su conversión a productos fermentables por la ruta etanólica.

1.- INTRODUCCIÓN

La celulosa es el compuesto orgánico de mayor abundancia en la naturaleza, de gran

importancia a nivel biológico y un polímero de interés industrial. Químicamente es un polímero

de la D- -1,4; disposición que la hace estable, además

de poseer enlaces de hidrógeno que une sus moléculas entre sí, confiriéndole sus conocidas

 propiedades como material estructural de la pared celular.

Su transformación y aprovechamiento como fuente de diversos productos ha sido analizada a

los largo de los años. Esta molécula y sus fuentes se han hecho muy atractivos desde el punto

de vista energético [7, 8], pues puede ser degradada para la obtención de glucosa y su posterior 

fermentación etanólica. Este proceso puede resultar sencillo, sin embargo, la acción de losagentes degradantes es limitada de acuerdo al grado de ordenamiento cristalino del polímero y

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la severidad del tratamiento extractivo desde alguna biomasa en particular. La degradación se

realiza mediante una hidrólisis ácida que suele ser de alto rendimiento, o por la acción de

agregados enzimáticos con rendimientos más discretos. En vista a que la cristalinidad juega un

 papel importante en la hidrólisis de este material, han sido varias las publicaciones referentes al

tema en las que se hacen tratamientos específicos con el objeto de incrementar las regiones

amorfas del material que son de más fáciles de convertir en glucosa o en otros azúcares

fermentables. Existen dos tipos principales de pretratamientos, el primero se inicia en el propio

material lignocelulósico, mientras que el segundo inicia en el tratamiento de la pulpa celulósica

o de la celulosa con alto grado de pureza. Los materiales lignocelulósicos están integrados

 principalmente de tres constituyentes poliméricos: la celulosa, hemicelulosas (que en conjunto

se les llama holocelulosa) y lignina los cuales están asociados los unos con los otros y son los

que finalmente sirven de soporte estructural a la pared celular.

La celulosa es un homopolímero polidisperso consistente en uniones glicosídicas α-1,4, regio y

enantioselectivas de unidades de D-glucopiranosa. Para efectos de representación estructural y

descripción de sus propiedades químicas, la celulosa puede resumirse en treinta unidades de

dehidroglucosa. Cada cadena de celulosa está ligada a otras mediante enlaces de hidrógeno que

le que aportan rigidez al material. Si los enlaces de hidrógenos son pocos la celulosa se

considera amorfa, mientras que una disposición especial de estos enlaces generan diferentes

formas cristalinas. Así, la celulosa puede presentarse en cuatro macroestructuras cristalinas

denominadas celulosa I, II, III, y IV. La celulosa I es la que normalmente se encuentra en la

 pared celular. La clase II, es la más termodinámicamente estable y resulta de la recristalización

de la I o de su mercerización en solución de hidróxido de sodio. Estás dos son las más

importantes al considerar los pretratamientos.

Las hemicelulosas son carbohidratos que forman una estructura polimérica compleja, ramificada

que consiste en la unión de diferentes unidades de azúcares: pentosas, hexosas y ácidos de estos

azúcares. La hemicelulosa suele ser un polímero de menor masa molar que la celulosa y más

fácilmente hidrolizable debido a su estructura predominantemente amorfa. Las hemicelulosas, al

igual que la celulosa, se han perfilado como fuente de azúcares.La lignina, es el segundo componente en abundancia, es un polímero ramificado, amorfo y

heterogéneo constituido por unidades de fenilpropano (p-coumaril, coniferil and alcohol

sinapílico) unidos por diferentes clases de enlaces, su función en el ámbito estructural, es el de

mantener unidos la celulosa y las hemicelulosas entre sí.

2.- PRETRATAMIENTOS

Se le denomina pretratamiento al conjunto de acciones para mejorar el rendimiento en la

obtención de azúcares fermentables desde la biomasa inicial. Cualquier mejora que se haga en

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los procesos mostrados debe reflejarse en un mayor rendimiento y economía en la obtención de

etanol.

En general, existen dos formas de manejo de la biomasa lignocelulósica para preparación de

azúcares fermentables. El primero de ellos, tiene como objeto la conversión de la biomasa

lignocelulósica indirectamente, obteniéndose holocelulosa y lignina por separado (aquí se

 pueden incluir los productos papeleros), material que luego se degrada a un sustrato

fermentable.

Cabe destacar, que los métodos empleados en la ruta b involucra, en la mayoría de los caso, la

digestión de productos no madereros mientras que los propuestos para la ruta a, son empleados

comúnmente para la digestión de maderas. La biomasa lignocelulósica suele ser un sistema

recalcitrante debido a la fuerte unión entre los constituyentes de la pared celular. Los

 pretratamientos están orientados hacia la modificación de la estructura supramolecular y de esta

manera separar la lignina y la holocelulosa y/o la hidrólisis de la holocelulosa en azúcares

fermentables. Adicionalmente, los pretratamientos pueden limitarse, simplemente, a generar un

aumento de las regiones amorfas de la celulosa lo que conlleva a la mejora de la hidrólisis, lo

que constituye los pretratamientos.

2.1. Pretratamiento de la celulosa

A la celulosa extraída de la biomasa de la cual se ha removido la mayoría de compuestos que la

acompaña se le aplica un pretratamiento para reducir su cristalinidad . Estos pretratamientos,

enmarca las metodologías tradicionales en la cual se busca la liberación y purificación de la

celulosa. Dentro de estas se encuentra los métodos clásicos: Kraft, método de la soda celulosa al

clorito, al hipoclorito y la clorinación. De estos, el primero tiene aplicaciones industriales para

la producción de pulpa papelera; y se ha evaluado su potencial como pretratamiento solo de

forma indirecta cuando en los experimentos se usa materiales como el papel. Los otros se han

empleado solamente en el laboratorio. En estos tratamientos se busca la eliminación de la

lignina y la hemicelulosa para dejar libre la celulosa y no la producción de azúcares por lo cualse ha buscado la integración de nuevos métodos que si lo permitan. Una vez se ha obtenido

celulosa, los pretratamientos siguientes, modifican de la estructura supramolecular de la

celulosa. Los pretratamientos de la celulosa resultarían útiles si se extiende su aplicación al

aprovechamiento del papel para reciclaje o desechos con alto contenido de celulosa.

Procesos de sacarificación

La conversión de materiales celulósicos en azúcar parece a primera vista constituir una simple

disociación hidrolítica de los enlaces de los glucósidos. Según esto debería esperarse una

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reacción simple, con reducido gasto para la fábrica que a ello se dedique. En la realidad, sin

embargo, la celulosa es un polisacárido único entre todos los conocidos y posee una extremada

resistencia a la hidrólisis. Los enlaces de los glucósidos se disocian fácilmente, pero la

estructura cristalina de la celulosa da por resultado una baja accesibilidad para el ácido diluido

que de ordinario se emplea como catalizador. En consecuencia, la temperatura y concentración

del ácido necesarias para conseguir la reacción en un tiempo razonable ocasiona una grave

descomposición de los azúcares resultantes. Enfrentados con esta realidad, solamente se

 presentan unas cuantas soluciones alternativas para una hidrólisis práctica.

Problemas generables del proceso de sacarificación

Los problemas que lleva consigo la adopción de un procedimiento económico de sacarificación

 para materiales celulósicos son abundantes y complejos, pero no parecen ser más difíciles queaquellos otros con que hubieron de enfrentarse muchas de las industrias químicas hoy en

existencia durante su primera fase. Los procedimientos de sacarificación elaborados hasta el

 presente han resuelto estos problemas de forma diversa, pero en ninguno de ellos se han tenido

en cuenta todas las dificultades, resultando así que ninguno ha alcanzado un éxito económico

que permitiera prescindir de subvenciones. En la discusión que sigue se tratarán los puntos más

sobresalientes que habrán de tenerse presentes al considerar el valor de los métodos propuestos,

y se indicará la dirección general en que deberán orientarse las investigaciones.

Las materias primas celulósicos pueden agruparse, en líneas generales, en dos grandes clases:

residuos agrícolas, que se recolectan cada año, y residuos de madera, que pueden irse

recolectando de continuo y según se precise. Ambos constituyen excelentes materias primas, ya

que su disponibilidad es ilimitada, continua y a bajo precio en los lugares en que se producen.

Sin embargo, las cosechas anuales de ordinario constituyen una materia prima cara, si se

considera el coste de su recogida y almacenamiento. En su mayoría, tienen además una densidad

volumétrica muy baja, lo que exige medios y aparatos muy grandes durante la fase hidrolítica.

Otro inconveniente de las cosechas anuales es que están sujetas a las variaciones estacionales, lo

que exige ciertas modificaciones del proceso de elaboración. La madera como materia prima

suele ser superior a las cosechas anuales, pero presenta, - también sus inconvenientes. Su

densidad volumétrica es baja y el coste de su manipulación y preparación para la sacarificación

es elevado, incluso cuando se utilizan los mejores métodos y equipos disponibles. Por ejemplo,

la manipulación de trozas y el desmenuzado de éstas en el proceso Scholler supone

aproximadamente medio centavo de dólar por cada libra de azúcar producida.

El proceso deberá adaptarse con todo cuidado a la naturaleza física y química de la maderadisponible. El procedimiento por ácido fuerte fija ciertas limitaciones a la materia prima; el

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serrín, disponible con frecuencia a bajo coste (incluido el de manipulación), no es adecuado.

Todo procedimiento que exija madera desmenuzada sin corteza hace aumentar grandemente el

costo de la materia prima.

La densidad volumétrica de la madera es un factor de importancia al considerar los gastos de la

fábrica. Quizás podría conseguirse una economía ideando una maquinaria continua.

La única forma práctica de convertir la celulosa en azúcar parece ser la hidrólisis ácida, lo que

exige que todos los procedimientos utilicen ácidos, al menos durante la fase hidrolítica. Este es

uno de los puntos principales que han de considerarse, ya que el tipo del ácido y su

concentración influyen de manera decisiva sobre el coste de funcionamiento de la fábrica. En

los procesos con ácido clorhídrico fuerte, la mayor parte de las instalaciones deben ser 

resistentes a los ácidos, y las estimaciones sobre el coste de las fábricas (8) muestran unadepreciación que asciende al menos a medio centavo por libra de azúcar producida, tomando

como base una fábrica de gran volumen. Esto asciende a más de 200 dólares de capital invertido

en la fábrica por cada tonelada anual de producto, situando así a la empresa en la categoría de

fábricas de productos químicos caros, comparable con una fábrica de pasta al sulfato que

elabore un producto a 200 dólares por tonelada. Las fábricas que se sirven del ácido diluido

exigen una instalación mucho menos resistente a la corrosión, y el capital invertido es algo

inferior a la mitad de la cifra citada.

Las necesidades térmicas de la fábrica dependen, sobre todo, de la aplicación definitiva de los

 productos resultantes de la hidrólisis. Cuando se trata de glucosa cristalina o de melazas, las

necesidades calóricos totales son enormes. En el método Bergius es preciso el calor para

recuperar los ácidos fuertes utilizados en la primera hidrólisis, mientras que en el proceso por 

ácido diluido el consumo principal radica en la evaporación de las soluciones diluidas para

obtener las melazas. Cederquist (52) se ha servido de métodos para aumentar la concentración

de azúcar en los productos obtenidos por el proceso de hidrólisis por ácido diluido, con lo que se

consigue una ventaja económica para este proceso. En el caso en que el azúcar haya de

utilizarse en solución para la producción de levadura, alcohol u otros productos fácilmente

separables de la solución diluida, las necesidades térmicas disminuyen notablemente,

confiriendo a los procesos por ácido diluido una ventaja decisiva sobre los por ácido fuerte.

El costo de los productos químicos para los procesos por ácido diluido es reducido, ascendiendo

a menos de--un cuarto de centavo por libra de azúcar. En el proceso por ácido fuerte tiene

mayor importancia, habiendo sido estimado por Schoenemann (8) en más de medio centavo por 

libra de azúcar producida, aun después de aprovechar al máximo todos los métodos modernosde recuperación. El costo de los productos químicos para el proceso con ácido sulfúrico fuerte

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hace a éste poco aconsejable, excepto en determinadas circunstancias en que el ácido pueda

utilizarse para otras aplicaciones sucesivas. Este caso se estudia más adelante en la presente

memoria.

Considerando el elevado coste de la manipulación de las materias primas, el costo de los

 productos químicos y las necesidades térmicas, resulta evidente que habrá de tratarse por todos

los medios de aprovechar plenamente todos los productos resultantes, y éstos deberán obtenerse

con la máxima calidad posible y compatible con el costo. Ninguna empresa comercial ha tenido

éxito en tal aprovechamiento. En ningún caso pudo encontrarse para la lignina, que forma del 30

al 40 por ciento de la sustancia leñosa seca, un uso más ventajoso que el de combustible. Se ha

visto que el algunos casos la fracción de hemicelulosa necesitaba un tratamiento mucho más

moderado que la celulosa resistente, pero no se ha aprovechado la circunstancia de que, al

menos un producto químico de naturaleza única, como es el fulfurol, podía obtenerse de esta

fracción de pentosano. En casi todos los casos el hexosano producido se ha utilizado en forma

de melazas crudas que contenían una gran proporción de impurezas desconocidas. Sin duda

alguna, parte de estas impurezas podrían separarse con gran provecho en forma de productos

químicos orgánicos de precio superior, lo que conduciría a una doble ganancia. Tratándose del

 proceso por ácido fuerte, se obtiene una fracción de azúcar de alta calidad. Recientemente (8) se

ha propuesto un plan para fabricar dextrosa cristalina, que permitiría vender aproximadamente

el 55 por ciento del azúcar producido como alimento, colocándose el resto como melazas. La

 producción de azúcares de alta calidad a partir de los productos de la hidrólisis de la madera por 

ácido diluido no ha llegado a conocerse debidamente, debiendo ser objeto de posteriores

investigaciones. Cederquist ha indicado un método para purificar el azúcar mediante la adición

de cloruro sódico, que forma un cristal binario con la glucosa. El rendimiento en azúcar de todos

los procesos es elevado. Sería provechoso orientar las nuevas investigaciones hacia un aumento

en el rendimiento de los productos totales.

 No es difícil quitar importancia al problema de colocación de residuos en un proceso eficaz de

sacarificación. Sirviéndose de las melazas para la alimentación del ganado, y concentrando o

quemando la mayor parte de los restantes productos orgánicos inservibles, se resolverían gran

 parte de los problemas con un coste moderado. Un extremo digno de mencionarse aquí es la

 producción de alcohol por el proceso Scholler ordinario. Las substancias orgánicas solubles y

los azúcares no fermentados en el fondo de los recipientes exigen enormes proporciones de

oxígeno biológico. Este es un caso en que el problema del empleo de residuos quedaría

virtualmente suprimido si la fracción pentosano se aprovechara debidamente.

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Investigaciones sobre los problemas de la sacarificación

 Investigaciones sobre la química del proceso de sacarificación 

Estudiando las obras publicadas sobre la sacarificación de la madera se aprecia que la mayor  parte de los esfuerzos desplegados lo han sido en estudios en fábricas experimentales, y en los

aspectos tecnológicos, más que en la química básica del proceso. Es preciso investigar con

mayor profundidad el aspecto químico, en especial sobre el fraccionamiento de los materiales

celulósicos, la cinética de la hidrólisis de la celulosa y la descomposición del azúcar, así como

en cuanto a la modificación de la celulosa antes de la hidrólisis.

 Fraccionamiento del material celulósico. - La hidrólisis previa del material celulósico, con la

separación de los azúcares distintos de la glucosa, se viene considerando desde largo tiempo

como un paso aconsejable en los procesos de sacarificación. La concentración de la glucosa en

una fracción y la separación de pentosas y de otros azúcares en otra fracción favorece un mejor 

aprovechamiento. Se sabe muy poco del comportamiento de las diversas especies en los

 procesos de hidrólisis previa, y no se cuenta con datos que permitan elegir una serie de

condiciones que armonicen en la mejor forma posible el rendimiento y la pureza de la glucosa

fracción principal.

Paralelamente a estos estudios, deberán investigarse los métodos de separación de la lignina en

forma más útil a partir del material celulósico original, del residuo de la hidrólisis previa, o

como producto último después de la hidrólisis total. Será preciso modificar la actitud actual,

concediendo a la lignina una atención primordial y considerando los hidratos de carbono como

 producto secundario del proceso.

Cinética de la hidrólisis de la celulosa y descomposición del azúcar . - La reacción hidrolítica de

la celulosa es una parte esencial de todo programa de investigaciones orientado hacia un

 perfeccionamiento de la sacarificación. Existen abundantes obras sobre la cinética de la

hidrólisis de la celulosa, tanto respecto de la estructura de la celulosa como de los procesos de

aprovechamiento. Las primeras investigaciones sobre este tema se analizan en las obras de

consulta sobre química de la madera .

Los trabajos primeros sobre cinética de la hidrólisis de la madera con ácidos diluidos se deben a

Thiersch y a Lüers , y se referían al perfeccionamiento del proceso Scholler. Resultó que el

 proceso de sacarificación por ácido diluido consistía en una reacción consecutiva de primer 

orden. Otros trabajos posteriores del Laboratorio de Productos Forestales confirmaron estas

conclusiones y mostraron que las dos velocidades de reacción quedan ifluídas en modo diferente

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 por los cambios en la concentración y en la temperatura del ácido. Una elevada temperatura

favorece los rendimientos altos, hecho que abre la posibilidad de que un proceso bifásico rápido

 pueda conducir a rendimientos comparables favorablemente con los obtenidos en otros procesos

más complicados. Contribuye a creerlo así un informe de Cederquist sobre un proceso bifásico

ideado en Suecia durante la segunda guerra mundial.

 Modificación de la celulosa anterior a la hidrólisis.- Los estudios cinéticos muestran que el

 proceso hidrolítico simple por ácido diluido, en la forma en que ordinariamente se aplica, tiene

una relación desfavorable entre la velocidad de producción y la de descomposición del azúcar.

En teoría, esta relación podría quedar ventajosamente afectada protegiendo el azúcar (lo que en

efecto se consigue en el proceso Scholler alejándose de la zona de reacción), o modificando la

celulosa de tal suerte que su velocidad de hidrólisis quede incrementada.

La razón primordial de la resistencia que presenta la celulosa a la hidrólisis es su estructura

cristalina, de lo que se deduce que reduciendo ésta se alcanzará un mayor rendimiento

azucarero. Los intentos de servirse de energía ultrasónica para este fin dieron resultados

negativos. Con una trituración extremada de la celulosa se consiguió introducir grandes cambios

en la velocidad de reacción y en el rendimiento. Si bien la trituración de la celulosa seca es una

operación costosa, podría resultar útil un nuevo procedimiento en que se combinara la fricción

llevada al límite con la hidrólisis.

La irradiación con rayos catódicos ocasiona cambios químicos en los materiales orgánicos. La

superficie de cristalita de la celulosa no constituye una barrera para los rayos, y se producen

cambios químicos en toda ella. El efecto de esto es un incremento de la accesibilidad de la

celulosa y por consiguiente de la velocidad hidrolítica. Esto último se consigue a expensas de la

conversión de parte de los hidratos de carbono en materiales distintos. El efecto último, sin

embargo, es muy favorable.

Pueden también introducirse considerables cambios en la arquitectura cristalina de la celulosa

tratándola con aminas. La utilidad potencial de tal procedimiento no se ha determinado respecto

de la sacarificación de la madera. Debe hacerse observar aquí que existe una urgente necesidad

de posteriores investigaciones que esclarezcan nuestro conocimiento del problema, con

independencia de su aplicación práctica inmediata.

 Perfeccionamiento de la tecnología de la hidrólisis de la celulosa 

Existe un cierto número de facetas comunes a todos los procesos de hidrólisis de la madera que

 presentan graves obstáculos de tipo económico. Se refieren a los costes de los productos

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químicos y a la adquisición, almacenamiento y manipulación de la madera. Dentro de la fábrica,

la corrosión y la energía térmica necesaria son problemas primordiales. Los residuos

hidrolizados presentan a su vez otros problemas de manipulación. Todas estas dificultades

 podrán paliarse aplicando técnicas nuevas y más perfeccionadas. Schoenemann, en una

 publicación reciente, demostró que gran parte de los problemas tecnológicos a que ha obedecido

el resultado antieconómico del proceso Bergius podrían rectificarse. Manifiesta asimismo que,

en Alemania, el producto último más práctico de la sacarificación de la madera es la glucosa.

Para obtener un máximo de glucosa cristalizada, la solución final debe ser de la máxima pureza

 posible, lo que se consigue con una hidrólisis previa de la madera en que se extraen los hidratos

de carbono extraños, y por la aplicación del procedimiento de recambio de iones para purificar 

la solución azucarada final.