OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS DE LAS VAINAS DE ARVEJA...

UNIVERSIDAD UTE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y MANEJO

DE RIESGOS NATURALES

OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS DE

LAS VAINAS DE ARVEJA (Pisum sativum) Y HABAS (Vicia

faba) MEDIANTE ENZIMAS CELULOLÍTICAS

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERA AMBIENTAL Y MANEJO DE RIESGOS NATURALES

TAÑA LUCIA ORTIZ RUIZ

DIRECTORA: ROSA VICTORIA MORALES CARRERA

Quito, Julio 2020

© Universidad UTE. 2019

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

TRABAJO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 172749093-8

APELLIDO Y NOMBRES: ORTIZ RUIZ TAÑA LUCIA

DIRECCIÓN: Edén del Valle

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 022302294

TELÉFONO MÓVIL: 0983873817

DATOS DE LA OBRA

TÍTULO: OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS DE

LAS VAINAS DE ARVEJA (Pisum sativum) Y HABAS

(Vicia faba) MEDIANTE ENZIMAS CELULOLÍTICAS

AUTOR O AUTORES: ORTIZ RUIZ TAÑA LUCIA

FECHA DE ENTREGA DEL

PROYECTO DE

TITULACIÓN:

01//07//2020

DIRECTOR DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

MSc. Rosa Morales

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TÍTULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AMBIENTAL Y MANEJO DE RIESGOS

NATURALES RESUMEN: El trabajo de investigación, pretende analizar

una alternativa para reducir el excesivo

consumo de los derivados del petróleo como

la gasolina, ya que el proceso de extracción

tiene un sin número de aspectos negativos

para el medio ambiente, uno de ellos es la

disminución de la calidad del aire además de

varios factores que ligan a este consumo al

calentamiento global. Como una de las

alternativas se presenta la producción de

X

bioetanol, a partir de las vainas de haba (H) y

arveja (A) como materia prima, ya que una vez

extraído el fruto las vainas no poseen otra

utilidad; de aprovechar dichos residuos que se

disponen finalmente a la basura en los

hogares y que poseen una cantidad

significativa de materia orgánica cuyo

compuesto principal es celulosa,

indispensable para la producción de bioetanol

mediante tratamientos como hidrólisis térmica

(HT) e hidrólisis enzimática (HE), al utilizar la

enzima celulasa que hace factible la

degradación de celulosa para producir una

mayor cantidad de azúcares reductores (AR)

los cuales se fermentaron mediante la acción

de la levadura Saccharomyces cerevisieae y

se obtuvo etanol, para analizar el rendimiento

de la HT e HE se realizaron dos tipos de

experimentos en el primero se sometieron las

muestras únicamente al proceso de HT y se

obtuvieron concentraciones de etanol de H:

0.3 g/L, A: 0.15 g/L, rendimientos que resultan

ser bajos a comparación de las que fueron

sometidas a los tratamientos de HT e HE con

concentraciones de H: 3.55 g/L y A: 1.45 g/L,

en este último proceso en conjunto existiría el

aprovechamiento de las levaduras por la gran

cantidad de azúcares reductores producidos

al finalizar la HT e HE. Es así que de

realizarse una industrialización para la

producción de bioetanol a partir de estos

residuos se tendría un impacto positivo hacia

el medio ambiente y una disminución y mejora

a la contaminación atmosférica y calidad

ambiental.

PALABRAS CLAVES: Haba; arveja; celulosa; bioetanol; celulasa.

ABSTRACT:

The research work aims to analyze an alternative to reduce the excessive consumption of petroleum derivatives such as gasoline, since the extraction process has a number of negative aspects for the environment, one of them is the decrease in quality air in addition to several factors that link this consumption to global warming. As one of the

alternatives, the production of bioethanol is presented, from the bean (H) and pea (A) pods as raw material, since once the fruit is extracted the pods have no other use; to take advantage of said residues that are finally disposed of in the household and that have a significant amount of organic matter, which is an essential compound that is made up of cellulose and is essential for the production of bioethanol through treatments such as thermal hydrolysis (HT) and enzymatic hydrolysis (HE), when using the cellulase enzyme that makes cellulose degradation feasible to produce a greater amount of reducing sugars (AR) which were fermented by the action of the yeast Saccharomyces cerevisieae and ethanol was obtained, to analyze the performance of HT and HE two types of experiments were carried out, in the first the samples were submitted only to the HT process and ethanol concentrations of H: 0.3 g/L, A: 0.15 g/L were obtained, yields that turn out to be low compared to those who underwent HT and HE treatments with concentrations of H: 3.55 g/L and A: 1.45 g/L, in the latter proc All in all, there would be the use of yeasts due to the large amount of reducing sugars produced at the end of HT and HE. Thus, if an industrialization is carried out for the production of bioethanol from these residues, it would have a positive impact on the environment and a decrease and improvement in air pollution and environmental quality.

KEYWORDS Bean; vetch; cellulose; bioethanol; cellulase.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de

la Institución.

__________________________________________


172749093-8

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, ORTIZ RUIZ TAÑA LUCIA, CI 172749093-8 autor del trabajo de titulación:

OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS DE LAS VAINAS

DE ARVEJA (Pisum sativum) Y HABAS (Vicia faba) MEDIANTE ENZIMAS

CELULOLÍTICAS previo a la obtención del título de INGENIERO

AMBIENTAL Y MANEJO DE RIESGOS NATURALES en la Universidad

UTE.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las

Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo

144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la

SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de

titulación de grado para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión

pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia del

referido trabajo de titulación de grado con el propósito de generar un

Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de

propiedad intelectual vigentes.

Quito, 1 de Julio 2020

__________________________________________


172749093-8

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR

En mi calidad de tutor, certifico que el presente trabajo de titulación que lleva

por título OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS DE LAS

VAINAS DE ARVEJA (Pisum sativum) Y HABAS (Vicia faba) MEDIANTE

ENZIMAS CELULOLÍTICAS para aspirar al título de INGENIERA

AMBIENTAL Y MANEJO DE RIESGOS NATURALES fue desarrollado por

ORTIZ RUIZ TAÑA LUCIA, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad

de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y que dicho trabajo cumple con las

condiciones requeridas para ser sometido a las evaluación respectiva de

acuerdo a la normativa interna de la Universidad UTE.

___________________

(MSc. Rosa Morales)

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I.1708665367

DECLARACIÓN JURAMENTADA DEL AUTOR

Yo, TAÑA LUCIA ORTIZ RUIZ, portador de la cédula de identidad Nª

172749093-8,

Declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría, que no ha sido

previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que

he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este

documento.

La Universidad UTE puede hacer uso de los derechos correspondientes a este

trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, Por su

Reglamento y por la normativa institucional vigente.

__________________________________________


172749093-8

DEDICATORIA

Dedico este proyecto de investigación a Hannah Sofía mi adorada hija y a su

padre Richard David, ustedes son la fuente de mi inspiración y el motivo

esencial para superarme diariamente. Gracias a su apoyo he culminado esta

gran etapa de mi vida.

Richard sin tu empuje diario, exigencia, apoyo, cariño y amor el cual me

dedicas día a día para culminar mis metas ninguna de ellas sería posible, te

agradezco todas las malas noches que me has dedicado para que cumpla un

gran sueño el titularme de ingeniera. ¡Gracias por siempre ayudarme a ser

mejor persona!

A mis padres Ernesto y Norma ya que sin ellos esta meta no sería posible

gracias a su duro trabajo diario y a su esfuerzo por darme Educación ya que

es la mejor herencia que me pudieron brindar.

A mis segundos padres Carlos e Isabel por acogerme en su hogar y por el

amor que me supieron brindar través de los años, gracias a su apoyo

incondicional y las palabras de aliento que toda una vida estaré agradecida

por habérmelas dado a escuchar.

Para finalizar a mis hermanos Dayana y Steven y mis queridos primos André,

Gabriel e Isabela por siempre estar a mi lado.

AGRADECIMIENTOS

A mi tutora MSc. Rosa Morales por su paciencia y orientación, la cual que me

supo brindar a lo largo del presente proyecto de investigación.

A mis lectores MSc. Gloria Roldan y PhD. Fausto Viteri por bridarme sus

conocimientos y por su paciencia en innumerables ocasiones.

Al Ing. Daniel Arboleda por ser un gran profesor y amigo, quien supo

ayudarme en todo lo que necesite para lograr realizar este proyecto de

investigación.

A mis familiares Miguel, Carlos Ortiz y a Isabel Sanpedro quienes depositaron

su confianza en mí, la cual agradeceré siempre.

A la familia Padilla Altamirano por el apoyo brindado hacia Hannah Sofía, para

que yo pudiera terminar mis estudios universitarios, en especial a S. Santiago

Padilla ya que desde el primer momento que llegue a su familia me supo

apoyar incondicionalmente.

A mi querida amiga Joselyn Vargas quien fue un apoyo fundamental en mis

últimos semestres universitarios, gracias por todo.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN 1

ABSTRACT 2

1. INTRODUCCIÓN 3 2. METODOLOGIA 8 2.1. CARACTERIZACIÓN DE LA MUESTRA 8

2.2. SECADO Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD 8

2.3. TRITURACIÓN DE RESIDUOS Y TAMIZADO 9

2.4. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CENIZAS 9

2.5. HIDRÓLISIS TÉRMICA 10

2.6. HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA 10

2.7. FERMENTACIÓN 11 3. RESULTADOS Y DISCUSION 13

3.1. CARACTERIZACIÓN DE LA MUESTRA 13

3.1.1. HUMEDAD 13

3.2. HIDRÓLISIS TÉRMICA 13

3.3. HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA 15

3.4. FERMENTACIÓN 15

3.5. CUANTIFICACIÓN Y COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO DE BIOETANOL A PARTIR DE CASCARAS DE HABA (VICIA FABA) Y ARVEJA (PISUM SATIVUM) 17 4. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES 19

BIBLIOGRAFIA 20

ANEXOS 23

ii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Condiciones previas a la inoculación de la enzima 10

Tabla 2. Concentracion de Celulosa en los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum sativum) en 100 g de muestra. 11

Tabla 3. Caracterización de la harina de los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum sativum) en 100 g de muestra 13

Tabla 4. Porcentaje de humedad de las muestras. 13

Tabla 5. Concentración de AR antes y después del hidrólisis térmica. 14

Tabla 6. Concentración de AR en la Hidrólisis Enzimática 15

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Emisiones de CO2 por sector en la República del Ecuador (1990-2017) (Agencia Internacional de Energía, 2020).

4

Figura 2. Arveja (Pisum sativum). 8

Figura 3. Haba (Pisum sativum). 8

Figura 4. Peso de la bandeja vacía. 9

Figura 5. Peso de la bandeja con muestra 9

Figura 6. Proceso de inoculación de la enzima celulosa. 11

Figura 7. Cantidad de AR antes y después de la Hidrólisis Térmica. 14

Figura 8. AR en el proceso de obtención de Etanol. 16

Figura 9. Concentración de AR en los Testigos de los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum sativum).

16

Figura 10. Producción de Etanol (g/L) en las diferentes muestras. 17

Figura 11. Auto clavado de la muestra 23

iv

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1. Autoclavado de la muestras 23

ANEXO 2. Análisis Preliminar a las muestras de harina de haba y arveja

24

ANEXO 3. Analisis de azucares reductores en los diferentes procesos para la obtencion de Bioetanol

25

ANEXO 4. Analisis de Concentracion de Bioetanol en las diferentes muestras

30

ANEXO 5. Link Urkund

36

1

RESUMEN

El trabajo de investigación, pretende analizar una alternativa para reducir el

excesivo consumo de los derivados del petróleo como la gasolina, ya que el

proceso de extracción tiene un sin número de aspectos negativos para el

medio ambiente, uno de ellos es la disminución de la calidad del aire además

de varios factores que ligan a este consumo al calentamiento global. Como

una de las alternativas se presenta la producción de bioetanol, a partir de las

vainas de haba (H) y arveja (A) como materia prima, ya que una vez extraído

el fruto las vainas no poseen otra utilidad; de aprovechar dichos residuos que

se disponen finalmente a la basura en los hogares y que poseen una cantidad

significativa de materia orgánica cuyo compuesto principal es celulosa y es

indispensable para la producción de bioetanol mediante tratamientos como

hidrólisis térmica (HT) e hidrólisis enzimática (HE), al utilizar la enzima

celulasa que hace factible la degradación de celulosa para producir una mayor

cantidad de azúcares reductores (AR) los cuales se fermentaron mediante la

acción de la levadura Saccharomyces cerevisieae y se obtuvo etanol, para

analizar el rendimiento de la HT e HE se realizaron dos tipos de experimentos

en el primero se sometieron las muestras únicamente al proceso de HT y se

obtuvieron concentraciones de etanol de H: 0.3 g/L, A: 0.15 g/L, rendimientos

que resultan ser bajos a comparación de las que fueron sometidas a los

tratamientos de HT e HE con concentraciones de H: 3.55 g/L y A: 1.45 g/L, en

este último proceso en conjunto existiría el aprovechamiento de las levaduras

por la gran cantidad de azúcares reductores producidos al finalizar la HT e

HE. Es así que de realizarse una industrialización para la producción de

bioetanol a partir de estos residuos se tendría un impacto positivo hacia el

medio ambiente y una disminución y mejora a la contaminación atmosférica y

calidad ambiental.

Palabras Clave: Haba; arveja; celulosa; bioetanol; celulasa.

2

ABSTRACT

The research work aims to analyze an alternative to reduce the excessive

consumption of petroleum derivatives such as gasoline, since the extraction

process has a number of negative aspects for the environment, one of them

is the decrease in quality air in addition to several factors that link this

consumption to global warming. As one of the alternatives, the production of

bioethanol is presented, from the bean (H) and pea (A) pods as raw material,

since once the fruit is extracted the pods have no other use; to take advantage

of said residues that are finally disposed of in the household and that have a

significant amount of organic matter, which is an essential compound that is

made up of cellulose and is essential for the production of bioethanol through

treatments such as thermal hydrolysis (HT) and enzymatic hydrolysis (HE),

when using the cellulase enzyme that makes cellulose degradation feasible to

produce a greater amount of reducing sugars (AR) which were fermented by

the action of the yeast Saccharomyces cerevisieae and ethanol was obtained,

to analyze the performance of HT and HE two types of experiments were

carried out, in the first the samples were submitted only to the HT process and

ethanol concentrations of H: 0.3 g/L, A: 0.15 g/L were obtained, yields that turn

out to be low compared to those who underwent HT and HE treatments with

concentrations of H: 3.55 g/L and A: 1.45 g/L, in the latter proc All in all, there

would be the use of yeasts due to the large amount of reducing sugars

produced at the end of HT and HE. Thus, if an industrialization is carried out

for the production of bioethanol from these residues, it would have a positive

impact on the environment and a decrease and improvement in air pollution

and environmental quality.

Keywords: Bean; vetch; cellulose; bioethanol; cellulase.

1. INTRODUCCIÓN

3

1. INTRODUCCIÓN

Día a día los servicios de transporte terrestre utilizados cotidianamente en el

planeta para el traslado, comercio, recreación y otros, generan efectos en el

medio ambiente por la producción de gases de efecto invernadero que

diariamente son emitidos por motores de fuentes móviles, uno de los

compuestos más perjudiciales para el medio ambiente es el CO2 que se

produce por la combustión de diésel o gasolina, la última Cumbre sobre el

Cambio Climático [COP 23] sugiere que hay que disminuir a la mitad del total

de las emisiones actuales para el 2030, de no ser así la temperatura global

incrementaría a 2°C (Ojea, 2018).

Dichos compuestos son el resultado de un proceso en el cual se utilizan

combustibles fósiles de fuentes no renovables como el petróleo, las

extracciones del mismo junto con malas prácticas ambientales desencadenan

la muerte de especies propias del sitio, poniendo en peligro la conservación del

territorio y el desarrollo de la flora, fauna y de las comunidades aledañas, la

biodiversidad se ve afectada por el denominado cambio climático, según la

Oficina de Cambio Climático & Ministerio del Medio Ambiente, (2014) la rapidez

a la que se está dando el incremento de la temperatura mundial y la resiliencia

en cuanto a la adaptación de las diferentes especies de flora y fauna como de

las civilizaciones no son simultáneas entre ellas incrementando la necesidad

de disminuir o mitigar este daño colateral inminente.

En la actualidad el protocolo de Kioto, limita las emisiones de ciertos gases de

efecto invernadero como el metano, óxido nitroso, dióxido de carbono,

hidrofluorocarbono, hexafluoruro de azufre e hidrocarburo perfluorado. De

estas las emisiones de dióxido de carbono y metano son las más influyentes

para elevar la temperatura global (González et al., 2006).

Mahapatro (2017), indica que la gran cantidad de contaminantes gaseosos en

las grandes localidades, se generan de fuentes de combustión fijas y móviles

en su mayoría utilizados para procesos industriales.

En la República del Ecuador el ACUERDO MINISTERIAL No 097-A, TEXTO

UNIFICADO DE LEGISLACION SECUNDARIA DEL MINISTERIO DEL

AMBIENTE, (Ministerio del Ambiente, 2015) establece los límites permisibles

de emisiones de gases por tipos de fuentes de combustión, año de fabricación

y tipo de combustible empleado, de esta manera se controlan las emisiones de

los diferentes gases liberados por las diferentes industrias que empleen

cotidianamente este tipo de tecnologías con la finalidad de llevar un control de

la tasa anual de emisión de gases para cada caldero, chimenea entre otros.

4

Las actividades contaminantes provienen principalmente procesos e industrias

de carácter extractivista como los sectores petroleros y minero entre otros

siendo importantes el sector automotriz y hospitalario. Aunque parezca

contradictorio las actividades agropecuarias han generado una gran afectación

en los ecosistemas por la extinción de bosques nativos o endémicos ya que

han sido reemplazados por monocultivos súper productivos como ejemplo la

palma africana, caña de azúcar (IGM & SENPLADES, 2013).

El portal de la Agencia Internacional de Energía [IEA], (2020) en su base

histórica de datos (1990-2017) de emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) por

sectores para la República del Ecuador, denota (figura 1) que el sector del

transporte es el mayor productor de emisiones de CO2 con 19 MT liberadas a

la atmósfera en el año 2017.

Figura 1. Emisiones de CO2 por sector en la República del Ecuador (1990-2017) (Agencia

Internacional de Energía, 2020).

Según el estudio de Barbero & Tornquist (2012), el transporte por ser una

necesidad global tiene un crecimiento acelerado, el porcentaje de emisión de

gases de efecto invernadero de la industria del transporte a nivel global es de

14.2% de la totalidad, es de esperar que esta cifra incremente en los siguientes

años, de este porcentaje el 73%, 9%, 11% y 2% correspondería al transporte

terrestre, marítimo, aéreo y ferrocarril respectivamente.

El calentamiento global como consecuencia del incremento de los gases de

efecto invernadero tiene efectos notables alrededor del mundo, como el

derretimiento de los glaciares, cambios de temperatura superficial, además han

provocado fuertes tormentas, tornados y ciclones que han afectado a grandes

ciudades en especial a los denominados países bajos; como ejemplo de ello,

Bangladesh tuvo un incremento en sus mares de alrededor de 45 cm en cuanto

5

a atura, de seguir incrementando este valor, alrededor de 50 millones de

personas deberían evacuar dicha ciudad (Dalkmann & Brannigan, 2010).

La Agencia Internacional de Energía [IEA], (2019) impulsa el desarrollo de la

matriz energética ya que las cifras del aumento de CO2 son alarmantes, 38.000

millones de toneladas de CO2 fueron liberadas a la atmósfera a nivel global en

el 2018 de las cuales Asia Suroriental y el Medio Oriente emitieron 20 millones

de toneladas de CO2 por lo que la salud de todos sus habitantes es

verdaderamente preocupante ya que la calidad del aire se ve disminuida.

Ballenilla (2004) deduce que la escasez del petróleo actualmente es evidente

ya que la sobre explotación de este recurso (no renovable) se ve agotado con

el paso de los años, la humanidad se encuentra entonces en la obligación de

buscar recursos alternativos (renovables). Países como el Ecuador sustentan

su economía en torno a la exportación del mismo y la disminución de este

recurso por su explotación progresiva afectaría fuertemente la estabilidad

económica del país y es por ello que se debe migrar hacia nuevas fuentes de

energía.

En la Amazonía Ecuatoriana la industria del petróleo dirige su economía ya que

a través de los acuerdos con los representantes de las comunidades

autóctonas donde se halle el campamento de explotación petrolera, se

proporcionan escuelas, parques, mejoras de tipo civil, bienestar social entre

otros beneficios a cambio de la libre explotación de petróleo, pero por otra parte

las malas prácticas ambientales dejaron graves secuelas tanto en la naturaleza

como en las comunidades generando impactos ambientales y sociales. Es por

ello que para mantener el consumo y nivel de vida actual es necesario,

desarrollar tecnologías que reemplacen, mitiguen o ayuden a mantener el

suministro mundial de gasolina y al mismo tiempo generen un menor impacto

en cuanto a su producción.

Santos & Gil (2009), proponen que las nuevas energías renovables (ER) deben

integrarse progresivamente junto al desarrollo tecnológico de las sociedades,

puede optarse por diversos tipos de energía provenientes del fruto de los

procesos originados del astro Sol como la energía eólica, maremotérmica,

biomasa, fotovoltaica como las endógenas (térmica), las cuales podrían ser el

camino a la nueva era de generación y consumo de energías. En este contexto

Peña (2016) describe que este tipo de ER han tenido un crecimiento del 389%

en los últimos 25 años.

La biomasa en especial la leña es utilizada actualmente en países en vías de

desarrollo, Peña (2016) explica que es la principal fuente de energía para 2.000

millones de habitantes en regiones como África, Asia y Latinoamérica siendo

6

utilizada generalmente para la cocción de alimentos y representan el 73.2 %

de las ER.

La biomasa puede ser utilizada como materia prima para obtener otro tipo de

combustibles, mismos que pueden poseer un elevado contenido energético,

pudiendo de esta manera disminuir o suplir a los combustibles fósiles (Castro,

2012), dicho de otra manera los combustibles obtenidos a partir de material

biológico tendrían la capacidad de sustituir una porción del consumo de los

tradicionalmente usados a nivel global (Serna, Barrera, & Montiel, 2011).

El desperdicio de materia orgánica en los hogares es considerable, en Europa

corresponde a un tercio del total del producto, aquello genera un problema

tanto en la recolección como en el transporte, además al estar mezclada con

otros residuos, hace que la separación sea un proceso difícil (Oviedo, 2017).

Por lo tanto, la separación de la materia orgánica desde la fuente de generación

de estos residuos es muy importante ya que esta al mezclarse se destina a los

vertederos o rellenos sanitarios municipales, incrementando la contaminación

y disminuyendo la capacidad, que tienen estos residuos de ser útiles para

algunos procesos, como por ejemplo la producción de biocombustibles. En

Quito la generación de residuos sólidos per cápita es de 0,82 kg/habitante/día,

según el Instituto Ecuatoriano de Estadística y Censos [INEC], (2017); al

realizar una relación de los residuos per cápita producidos por el total de

habitantes (2 781 641) la urbe genera 2 280 945.62 kg de residuos diariamente,

siendo una cifra alarmante ya que estaríamos diariamente disminuyendo

nuestra calidad ambiental y limitando la capacidad de los lugares donde se

disponen la basura día a día (Zulia, Urdaneta, Joheni, & Zulia, 2006).

En la actualidad la realidad de los biocombustibles se limita al decreto 2332

donde se describe el uso de biocombustibles como parte de los componentes

empleados en las diferentes gasolinas a nivel nacional.

Yépez (2012) realizo un estudio en cuanto a la eficiencia del bioetanol

comparándola con la gasolina extra, este estudio fue realizado en la ciudad de

Quito donde se obtuvo resultados peculiarmente favorables para el primero en

cuestión, concluye que la combinación gasolina: etanol debe ser en una

proporción 95:5, es decir del total de la mezcla incluir un 5% como máximo de

etanol de origen vegetal ya que demostró ser menos contaminante y mejorar

el torque y la combustión interna a comparación de la gasolina de 85 octanos.

Por esta razón el presente trabajo de investigación se enfoca en la utilización

de los residuos como las cáscaras de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum

sativum) que están incluidas diariamente en la dieta de las familias

ecuatorianas.

7

El objetivo general fue la obtención de bioetanol a partir de residuos de las

vainas de arveja (Pisum sativum) y habas (Vicia faba) mediante enzimas

celulolíticas, el mismo que se alcanzó a través de los siguientes objetivos

específicos:

Caracterizar la composición química de la materia prima (vainas de

arvejas y habas).

Obtener etanol, mediante fermentación con la levadura (Saccharomyces

cerevisiae) del extracto hidrolizado mediante tratamiento térmico

enzimático de la harina, obtenido de las vainas de arvejas y habas.

Cuantificar y comparar el rendimiento de bioetanol a partir de los

residuos de vainas de arvejas y habas.

2. METODOLOGÍA

8

2. METODOLOGIA

2.1. CARACTERIZACIÓN DE LA MUESTRA

Para la investigación se utilizó como materia prima las cáscaras de arveja

(Pisum sativum) y de haba (Vicia Faba) como se muestran en las figuras 1 y 2.

Figura 2. Haba (Pisum sativum) Figura 3. Haba (Vicia faba)

Una vez seleccionadas y revisadas las vainas, para asegurar que no contenían

frutos, fueron lavadas y se dejó reposar con la finalidad que se escurra el

exceso de agua, este proceso fue realizado para cada residuo por separado.

2.2. SECADO Y DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

La determinación del contenido de humedad se realizó en el laboratorio de

química analítica de la universidad “UTE” según el método AOAC (Association

of Official Analytical Chemists) 23.003:2003.

Previo al proceso de secado de las muestras, se pesaron las bandejas vacías

(Figuras 3 y 4) donde se ubicaron los residuos para deshidratarlos y determinar

la cantidad de humedad. El proceso se realizó en estufa durante dos horas a

104 °C, luego se llevó cada muestra al desecador, donde se estabilizaron las

condiciones de temperatura y se procedió a pesar cada bandeja y se calculó el

porcentaje de humedad mediante la ecuación N°1 para la determinación del

porcentaje de humedad:

% Humedad=(P1)-(P2)

(P1)-P3x100 [1]

Donde:

P1= Peso de la bandeja + muestra, P2= Peso de la bandeja + muestra seca,

P3= Peso de la bandeja

9

Figura 4. Peso de la bandeja vacía Figura 5. peso de la bandeja con muestra

2.3. TRITURACIÓN DE RESIDUOS Y TAMIZADO

Una vez obtenidos los residuos deshidratados, fueron triturados en un molinillo

de café y pasados por tamiz de malla #10 para obtener una harina fina con

partículas menores o iguales a 2 mm, para finalizar se homogenizó cada

muestra como lo recomiendan Maurya, Singla, & Negi (2015) y Worfa, Mensah,

Afotey, & Salifu (2017) en sus estudios para obtener harina de haba y arveja.

2.4. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CENIZAS

La determinación del contenido de cenizas se realizó en el Laboratorio de

Química Analítica de la Universidad “UTE” según el método AOAC (Association

of Official Analytical Chemists) 923.03:2005.

Para la determinación de cenizas se taró un crisol de porcelana, se agregó 1

gramo de muestra y se llevó a la mufla en condiciones de temperatura de 600

°C, durante 4 horas y se llevaron al desecador hasta alcanzar condiciones de

temperatura ambiente.

Se determinó la cantidad de cenizas mediante la ecuación N°2 descrita a

continuación:

% Ceniza=(C2)-C3

(C1)-C3x100 [2]

Donde:

C1= Peso del crisol +muestra

C2= Peso del crisol +cenizas

C3= Peso del crisol

Previo a los tratamientos de hidrólisis térmica e hidrólisis enzimática se realizó

la caracterización de la harina de haba y arveja en el INSTITUTO NACIONAL

AUTÓNOMO DE INVESTIGACIONES AGROPECUARIAS [INSPI], donde se

10

analizaron los parámetros comprendidos de humedad, celulosa, azúcares

reductores, proteína y grasa (Anexo II).

2.5. HIDRÓLISIS TÉRMICA

Se pesaron 50 gramos de harina homogenizada y se mezclaron con 950 ml de

agua destilada para crear una solución al 5% m/v como lo describe Padilla

(2019), en su estudio.

La muestra fue llevada al autoclave como lo describe Khawla et al., (2014) en

condiciones de temperatura de 121 °C y a 1 atmosfera de presión durante 1

hora, con la finalidad de liberar la mayor cantidad de azúcares para ser

aprovechados posteriormente por la enzima en el proceso de HE (Meenakshi

& Kumaresan, 2014).

Al finalizar los tratamientos de HT e HE se realizaron los análisis de los

azúcares reductores en el laboratorio de Ofertas De Servicios Públicos [OSP]

de la Universidad Central del Ecuador.

2.6. HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA

Para llevar a cabo la hidrólisis enzimática, utilizando un soporte universal, una

pinza doble nuez, una plancha de calentamiento y un potenciómetro se

procedió a armar el equipo se observa en la Figura 5.

Las muestras provenientes de la hidrolisis térmica fueron inoculadas con la

enzima celulasa, en la tabla 1 se describen las condiciones en las cuales fue

inoculada dicha enzima, la muestra se ubicó sobre la plancha de

calentamiento, se introdujeron buzos de agitación a una velocidad de 300 rpm

para mantener una muestra homogénea en durante todo este proceso.

Tabla 1. Condiciones previas a la inoculación de la enzima

Enzima Cantidad Temperatura pH Tiempo (horas)

Celulasa 0.8 ml 50 °C 8 2

11

Figura 6. Proceso de inoculación de la enzima celulosa.

Previo a la inoculación de la enzima celulasa se realizó el cálculo de la cantidad

requerida para las concentraciones de celulosa descritas en la Tabla 2 para

cada uno de los residuos, como lo establece Castellanos & Torres (2017) y

Adina, Fetea, Abdelmoumen, & Socaciu, (2010) en sus estudios.

Tabla 2. Concentración de Celulosa en los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum

sativum) en 100 g de muestra.

TIPO DE RESIDUO [CELULOSA (g)]/100 MUESTRA (g)

HABA 16,35

ARVEJA 27,46

La cantidad de celulasa a adicionar sugerida por Adina et al., (2010), es por

cada 0.45 g de celulosa 1 mL de Celulasa. Por lo tanto, para los residuos de

haba y arveja se adicionaron 18.15 mL y 30.5 mL de celulasa

correspondientemente.

Al finalizar la hidrólisis enzimática fue necesario la inactivación de la enzima,

para lo cual la muestra se sometió a una temperatura de 95 °C durante 15

minutos a baño maría siguiendo la metodología empleada por Padilla (2019),

en su estudio.

2.7. FERMENTACIÓN

El análisis de la concentración de etanol obtenida se realizó en el laboratorio

LABOLAB de la ciudad de Quito.

Una vez finalizados cada uno de los tratamientos, se fermentaron las muestras

que fueron sometidas a los tratamientos de HT e HE como a las que

únicamente se las sometió a HT (blanco).

12

Se utilizó la levadura Saccharomyces cerevisiae tipo II, la cual fue activada en

agar Sabourdaud por 7 días en condiciones de temperatura de 25°C

constantes en la incubadora (Brooks, 2008).

La cantidad de levadura inoculada en cada muestra se determinó en base a

las directrices de Mantilla (2012) y Padilla (2019), donde se utilizó 0.06 g de

levadura en una solución de agar Sabouraud de 6 mL, la fermentación se llevó

a cabo durante 7 días en condiciones de potencial de hidrógeno de 7,

temperatura de 25 °C sobre una plancha de agitación a 300 rpm.

Una vez finalizada la fermentación se llevaron las muestras al laboratorio

LABOLAB para la determinación de la cantidad de Etanol.

Caridad et al., (2014) describe la producción de etanol se lleva a cabo mediante

la siguiente formula:

Hexosas + Levadura Etanol + CO2 + Levadura + Δ

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

13

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. CARACTERIZACIÓN DE LA MUESTRA

El presente estudio partió de la caracterización de los residuos, a cada muestra

de harina se le realizó los análisis descritos en la tabla 3, los cuales se

sustentan en el anexo 1.

Tabla 3. Caracterización de la harina de los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum

sativum) en 100 g de muestra

ANALISIS ARVEJA HABA METODO

HUMEDAD (%) 2,59 3,58 MO-LSAIA-01.01

LIGNINA (%) 10,90 8,70 MO-LSAIA-02.03

CELULOSA (%) 27,46 16,35 MO-LSAIA-02.03

GRASA (%) 2,46 2,51 MO-LSAIA-01.03

PROTEINA (%) 10,42 12,26 MO-LSAIA-01.04

AZÚCARES REDUCTORES (%) 3,02 7,09 MO-LSAIA-22

3.1.1. HUMEDAD

La tabla 4 describe la concentración de humedad en los residuos (cáscaras) y

la harina de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum sativum).

Tabla 4. Porcentaje de humedad de las muestras.

MUESTRA CÁSCARA HARINA

ARVEJA 79,40 2,59

HABA 85,97 3,58

El residuo de la vaina (fresca) de arveja, presentó 79,40% de humedad y su

sustrato seco o harina contenía 2,59% es decir que perdió el 97,41 % de su

humedad.

En cuanto a los residuos (vainas) de haba tuvieron una concentración de

humedad de 85,97% después de su deshidratación se perdió el 96,93% de la

misma. El sustrato seco de este residuo obtuvo una concentración de humedad

de 3,58%.

3.2. HIDRÓLISIS TÉRMICA

A continuación, en la tabla 5 se presenta la concentración de los AR antes y

después de la hidrolisis térmica.

14

Tabla 5. Concentración de AR antes y después de la hidrólisis térmica

AZÚCARES REDUCTORES [AR] (g/L)

MUESTRA (ANTES DE LA

HIDRÓLISIS TÉRMICA) (DESPUÉS DE LA

HIDRÓLISIS TÉRMICA)

ARVEJA 0,151 1,1

HABA 0,354 2,05

Domine (2013) describe a la lignina como un biopolímero el que junto con la

celulosa conformaría la pared celular de las células vegetales, por lo tanto, la

finalidad de llevar a cabo el proceso de Hidrólisis Térmica es convertir la lignina

y celulosa en azúcares reductores los cuales serán aprovechados

posteriormente por la levadura para convertir azúcares fermentables en etanol.

Podemos observar en la figura 7 que las concentraciones iniciales de los

residuos de arveja (0.151 g/L) y haba (0.354 g/L) se ven incrementados tras la

finalización de la hidrólisis térmica en aproximadamente 7 1/3 (1.1 g/L) y 3 1/2

(2.05 g/L) veces respectivamente.

Figura 7. Cantidad de AR antes y después de la Hidrólisis Térmica

Los incrementos pueden haber sido por la acción de la hidrólisis térmica, ya

que habría roto las fibras (celulosa), y ocurriría un proceso de

despolimerización, donde se destruyeron en gran parte los enlaces lignina-

carbohidrato, como resultado de esto, se obtiene un producto fibroso cuya

celulosa es más accesible a la hidrólisis enzimática (Guerrero, Iván, & Ramos,

2016), Los azúcares reductores posteriormente fueron indispensables para el

proceso de fermentación (Sanz, 2016).

15

3.3. HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA

Para el análisis de la eficiencia del tratamiento de HE se realizó un blanco al

cual solo se lo sometió a la HT, no se le añadió la enzima celulasa,

posteriormente fue fermentado.

Para el proceso de hidrólisis enzimática se utilizó la enzima celulasa, la cual

rompe los enlaces β 1-4 del polímero glucosa para liberar por completo los

azúcares reductores, cabe recalcar que esta enzima libera también la

hemicelulosa y pectina existentes en cada una de las muestras (Ovando-

Chacón & Waliszewski, 2005).

A continuación, en la tabla 6 se presentan las concentraciones de los AR en la

harina y al finalizar los tratamientos de hidrólisis térmica y enzimática.

Tabla 6. Concentración de AR en la Hidrólisis Enzimática

AZÚCARES REDUCTORES (g/L)

MUESTRA HARINA SOLUCIÓN AL 5% m/V (HIDRÓLISIS TERMICA)

SOLUCIÓN AL 5% m/V (HIDRÓLISIS ENZIMATICA)

ARVEJA 0,151 1.10 3.80

HABA 0,354 2.05 7.15

Como se observa en la figura 8 los tratamientos previos a la hidrólisis

enzimática incrementaron la concentración de los azúcares reductores como

se describió anteriormente.

El proceso enzimático incrementó la concentración de los azúcares reductores

a parir de la finalización de la hidrólisis térmica en 3 veces en ambas muestras.

En la figura 6, se evidencia el incremento de los azúcares reductores, desde el

sustrato seco utilizado como materia prima hasta la finalización de la hidrólisis

enzimática donde claramente se evidencia que los enlaces de la celulosa

presentes en cada muestra fueron rotos (Anexo 3).

3.4. Fermentación

En este último proceso se llevó a cabo la fermentación de las muestras

sometidas a la HT e HE, como al blanco al cual únicamente se lo trató con HT

para comparar cuan eficiente es someter las muestras a este tratamiento con

la enzima celulasa.

16

Se utilizó Saccharomyces cerevisiae la cual a través de la glucólisis fermentaría

las muestras que contienen AR como glucosa, fructosa, manosa, galactosa,

sacarosa y maltotrio (Olguin, 2015).

Figura 8. AR en el proceso de obtención de Etanol

Figura 9. Concentración de AR en los Testigos de los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja

(Pisum sativum)

En las figuras 7 y 8 se observa que las muestras sometidas a la hidrólisis

térmica y enzimática presentan una tendencia de crecimiento en las

concentraciones de los AR como se mencionó anteriormente, los testigos los

cuales únicamente fueron sometidos al proceso térmico presentan la misma

tendencia, pero al finalizar la fermentación en los residuos de arveja presentan

17

concentraciones finales de 0.65 g/L al compararlos con los sometidos al

proceso enzimático presentan las mismas concentraciones, para los residuos

de haba hay una diferencia poco significativa en los testigos (0.75 g/L) y las

muestras tratadas con los dos tratamientos (0.90 g/L).

Las concentraciones finales de AR denotan que la levadura Saccharomyces

cerevisiae consumió una gran cantidad de estos elementos para su nutrición a

través de un proceso osmótico, en este proceso la agitación continua de las

muestras a través de las planchas de agitación evitó el estrés osmótico, el cual

causa una disminución en el volumen celular que toma contacto con los

azúcares fermentables, de haber ocurrido esto la velocidad de la fermentación

se vería afectada. Dicha producción de etanol, será evaluada posteriormente

(Caridad et al., 2014).

3.5. Cuantificación y Comparación del Rendimiento de Bioetanol a partir de Cascaras de Haba (Vicia Faba) y Arveja

(Pisum Sativum)

En la figura 8 se observa que los AR se elevan notablemente después de la

hidrólisis térmica y enzimática, lo óptimo sería que al finalizar la fermentación

ya no se encuentren estos compuestos ya que se requiere que todos los AR´s

sean consumidos por la levadura y se fermenten para obtener un rendimiento

alto de etanol.

Según Olguin (2015) el rendimiento de etanol (teórico) es de 0.51 gramos por

cada gramo de glucosa consumida, en condiciones ideales se obtiene un

rendimiento máximo del 95%.

A continuación, en la figura 9 se presentan las concentraciones de etanol

obtenidas en los residuos de Haba (Vicia faba) y arveja (Pisum sativum).

Figura 10. Producción de Etanol (g/L) en las diferentes muestras

18

La mayor producción de etanol se halla en los residuos de haba precedidos de

los de arveja los cuales fueron sometidos al tratamiento de hidrolisis térmica y

enzimática se denota la misma tendencia con los que fueron sometidos

únicamente al tratamiento térmico.

Al comparar los residuos de haba con su testigo se denota la favorable acción

de la enzima en la producción de azúcares reductores para la formación de

etanol que es consumida eficientemente por la levadura, se puede decir lo

mismo de la arveja.

Al realizar una relación en cuanto a las muestras de harina de arveja tratadas

con HT y HE en cuanto a la producción de etanol por cada g/L de AR de harina

se producen 0.38 g/L de etanol. En cuanto al haba cada g/L de AR de harina

de haba se producen 0.50 g/L de etanol.

En cuanto a los blancos de las muestras de arveja y haba los cuales fueron

sometidas únicamente a la HT, presentan concentraciones inferiores de 0.14 y

0.15 g/L de etanol por cada g/L de harina respectivamente, a comparación de

las que fueron sometidas a HT e HE.

Al comparar los valores de etanol producidos en el presente estudio (1.45 g/L

a partir de 50 g de harina de arveja), estos superan a los resultados obtenidos

por Malagón (2009), el cual empleo un tratamiento de hidrólisis acida,

obteniendo concentraciones de 0.54 g/L.

Otro estudio de la producción de etanol a partir de vainas de algarrobo obtuvo

3,75 g/L de etanol, concentración proximal a la obtenida por los residuos del

haba (Sánchez et al., 2010).

4. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

19

4. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

Las muestras que fueron sometidas únicamente a la HT muestran una

producción de etanol de H: 0.3 g/L, A: 0.15 g/L, al compararlas con las

muestras sometidas a los tratamientos de HT y HE son superiores H: 3.55 g/L

y A: 1.45 g/L ya que existiría el aprovechamiento de las levaduras por la gran

cantidad de azúcares reductores producidos en estos dos tratamientos.

Se puede observar que las muestras sometidas a los tratamientos de HT e HE

incrementaron su concentración de AR al finalizar cada tratamiento, las harinas

de Arveja y Haba inicialmente tuvieron una concentración de AR de 0,151 g/L

y 0.354 g/L, al finalizar la HT 1,10 g/L y 2.05 g/L y luego de someterlas a la HE

presentaron la misma tendencia 3.80 g/L y 7.15 g/L por lo que concluye que la

hidrólisis enzimática favorece la liberación de AR.

El Haba presento la mayor cantidad AR a lo largo del proceso de obtención de

etanol y produjo la mayor cantidad de Etanol (3.55 g/L), al compáralo con la

arveja la cual produjo 1.45 g/L, menos.

Las vainas de arveja a pesar de contener una mayor cantidad de celulosa que

el haba, obtuvo una menor cantidad de AR a medida que fue realizado el

experimento, esto puede ser porque no todos los compuestos de la celulosa

eran AR fermentables; en ambos casos se obtuvo un aumento de AR muy

elevado.

Las muestras sometidas al HT obtuvieron rendimientos inferiores que las

sometidas al tratamiento de HT y HE ya que las enzimas favorecerían la

liberación de azucares reductores los cuales serían aprovechados en la

fermentación, por lo que se concluye que para obtener un mayor rendimiento

de etanol es importante realizar la hidrólisis enzimática.

Se recomienda realizar otro estudio cambiando condiciones de pH 4 y la

cantidad de sustrato seco con la finalidad de analizar el comportamiento de las

levaduras en el proceso de fermentación.

-

BIBLIOGRAFIA

20

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ANEXOS

23

ANEXOS

ANEXO I. AUTOCLAVADO DE LAS MUESTRAS

Figura 10. Auto clavado de la muestra

24

ANEXO II. ANALISIS PRELIMINAR A LAS MUESTRAS DE HARINA DE HABA Y ARVEJA

25

ANEXO III. ANALISIS DE AZÚCARES REDUCTORES EN LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DE

BIOETANOL

30

ANEXO IV. ANALISIS DE CONCENTRACIÓN DE BIOETANOL EN LAS DIFERENTES MUESTRAS

36

ANEXO IV.

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