UNIVERSIDAD LIBRE SECCIONAL PEREIRA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDON DE YUCA (Manihot esculenta) MEDIANTE LA FERMETACIÓN ALCOHOLICA Production from ethanol for starch cassava (Manihot esculenta) by alcoholic fermentation Jiménez Salazar Marcela1 Septiembre 2016
RESUMEN El cambio climático y el aumento en los precios de productos derivados del petróleo han generado gran preocupación a nivel mundial, por lo cual se han buscado alternativas como lo es el bioetanol, este se produce por la fermentación de azucares contenidos en la materia orgánica de las plantas, en este caso en particular se produjo el etanol a partir de almidón de yuca mediante una serie de procesos donde se incluye la dilución, conversión, fermentación y destilación, en la cual se obtuvo una pequeña cantidad de etanol como producto final, siendo este 1% del contenido inicial fermentable. Lo anterior se atribuye a que a la hora de realizar el proceso se presentaron dificultades en los parámetros evaluados. La importancia de este estudio radica en buscar por medio de materiales agrícolas fuentes alternativas para el beneficio de la industria, como del medio ambiente, ya 1 Estudiante de sexto semestre de microbiología de la Universidad Libre Seccional Pereira.
que como objetivo principal se busca reducir el calentamiento global y mejorar la crisis energética mundial. Palabras clave: Etanol, almidón, yuca, fermentación alcohólica, destilación. ABSTRACT Climate change and the increase in prices of petroleum products have generated great concern worldwide, so have sought alternatives, such as the bioethanol, this is produced by the fermentation of sugars contained in the organic matter of plants, in this particular case occurred ethanol cassava starch by a series of processes that include dilution, conversion, fermentation and distillation, in which a small amount of ethanol as the final product was obtained, and being this fermentable 1% of the initial content. This is attributed to when performing the process some difficulties were presented in the evaluated parameters. The importance of this study is to search through alternative sources of agricultural materials for the benefit of industry and the environment, as it seeks to reduce global warming and improve the global energy crisis. Keywords:Ethanol, starch, cassava, alcoholic fermentation, distillation.
INTRODUCCION
procesos de fermentación para la
Las
preocupaciones
producción
a
gran
combustibles
combustibles de origen fósil, los
proceso en el cual la aplicación de la
cuales producen gases de efecto
biotecnología
invernadero
de
herramienta fundamental que permite
carbono, metano, óxidos de nitrógeno
plantear un paralelo en el que se
y
grandes
emplean los recursos naturales y los
al
desarrollos tecnológicos para plantear
ozono,
cantidades
los
el
que
dióxido en
perjudican
el
de
medioambientales como lo son los
como
como
escala
bioetanol,
constituye
calentamiento global; y el aumento de
alternativas
que
los precios de producción derivados
medida
deterioro
del petróleo han generado interés en
ambiente, que se ve reflejando en la
el
eviten
en
una
del
gran medio
elaboración de productos sintéticos a
que va a hacer utilizada más
nivel industrial. El etanol se produce
adelante
comercialmente
fermentación no muera por altos
fermentación
mediante de
los
la
productos
agrícolas
que
contienen
un
contenido
de
azúcar
almidón,
o
alto
en
el
proceso
de
contenidos de alcohol. 2) Conversión: Se trata de convertir el
generalmente la tendencia mundial
almidón
o
la
celulosa
en
azucares fermentables, para lo
en el manejo de combustibles, en
cual se realiza la hidrolisis acida.
especial los biocombustibles como el etanol ha llevado a explorar nuevas
3) Fermentación:
metodologías que permitan optimizar
alcohólica
los
ya
anaerobio realizado por levaduras.
existentes y que generen alternativas
4) Destilación: Es el último paso, en
de fuentes de energía renovables y
el cual por medio de calor se
más limpias.
separa los líquidos de la muestra,
El
procesos
bioetanol
fermentación
de
se de
producción
produce los
por
es
fermentación un
proceso
en este caso el etanol del agua.2
la
azucares
La
La
fermentación
consiste
en
un
contenidos en la materia orgánica de
proceso catabólico donde se lleva a
las plantas. En este proceso se
cabo la oxidación incompleta, en
obtiene el alcohol deshidrato, con un
condiciones anaerobias, obteniendo
contenido aproximadamente del 5%
como producto final un compuesto
de agua, que tras ser deshidratado se
orgánico,
puede utilizar como biocombustible.
1
dicha
fermentación
es
también conocida como respiración
La producción de etanol se produce
intramolecular.
siguiendo las siguientes fases:
regularmente hace referencia a la
1) Dilución: Consiste en adicionar agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o la cantidad de alcohol en el producto, es necesario para que la levadura
actividad
El de
término algunos
microorganismos, dentro de los que se
incluyen
ciertos
hongos
y
bacterias. Los productos obtenidos tras la fermentación son muy variados y
dependen
del
sustrato,
el
microorganismo
y
los
factores
azucares
generales que gobiernan el proceso.
que la glucosa (C6H12O6) por medio de la glucolisis genera
que se produce en ausencia de se
acido pirúvico (C3H4O3), este por
mencionó
la enzima carboxilasa se convierte
previamente; esto significa que el
en acetaldehído (C2H4O) y por
aceptor final de electrones del NADH
último la enzima deshidrogenasa
producido en la glucolisis no es el
forma lo que es el alcohol etílico
oxígeno, sino que es un compuesto
(CH3CH2OH).
orgánico, el cual se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El resultado
Láctica: Consiste en una ruta metabólica anaerobia, tras la cual
fermentación genera a partir de una
se oxida parcialmente la glucosa
molécula de glucosa, 2 moléculas de
con el fin de obtener energía y el
ATP, mientras que en la respiración
producto de desecho que se
se producen 36 ATP. Esto se asocia a
obtiene como resultado es el
la oxidación del NADH, el cual cede
ácido láctico.
electrones
a
de
-
la
sus
energético
la
etílico.4 Este proceso consiste en
ser un proceso anaeróbico, debido a como
en
muestra se transforman en alcohol
La fermentación se caracteriza por
oxigeno
contenidos
compuestos
orgánicos con poco poder oxidante. Existen
diversos
tipos
-
3
Acética:
Es
producida
de
una
por
fermentación bacterias
del
genero Acetobacter, las cuales
fermentaciones, como lo son:
son aerobias y transforman el
-
alcohol en ácido acético.
Alcohólica: se efectúa en ausencia de
oxigeno
molecular,
su
-
Butírica: Consiste en la conversión
aplicación es muy conocida en la
de glúcidos en acido butírico por
producción de vino, cerveza y una
la acción de bacterias del genero
serie de productos importantes en
Clostridium,
el
especie
comercio.
conjunto
de
Consiste
en
un
transformaciones
bioquímicas, por las cuales los
específicamente
Clostridium
la
butyricum,
esta se lleva a cabo en ausencia de oxígeno.3
Entre las fuentes
posibles para la
Por tal motivo se aborda en este
producción de etanol se encuentra la
estudio el proceso de fermentación
yuca (Manihot esculenta), la cual
para la obtención de etanol mediante
contiene alto contenido de ácido
la utilización del almidón de yuca, lo
cianhídrico
cual genera una alternativa para
libre
y
de
cianoglucosidos5. Tiene un contenido
disminuir
de humedad de 53% y aporte de
medioambientales
almidón de aproximadamente 30% el
grandes
cual
combustibles.
por
hidrolisis
enzimática
libera
química
o
azucares
fermentables que finalmente pueden ser transformados en etanol.6 En el caso de la producción de etanol a partir de almidón de yuca, dicho almidón (polisacárido de glucosa), se somete a hidrolisis química, proceso mediante
el
cual
se
producen
azucares fermentables, los cuales son sometidos a una fermentación anaerobia
por
la
acción
de
la
levadura (Saccharomyces cerevisiae) obteniéndose así como resultado final una solución etanólica.7
los
impactos que
traen
producciones
las de
METODOLOGÍA Extracción de almidón de yuca: Se pesó aproximadamente 1 Kg de yuca previamente pelada en una balanza analítica, se cortó en trozos pequeños, posteriormente se llevó a la licuadora con el fin de obtener el producto licuado, adicionando 2 L de agua a la hora de licuar, para facilitar el posterior filtrado. A continuación se separaron el almidón y el bagazo, para lo cual se utilizó un colador. Tras este proceso se obtuvo el almidón y el bagazo de manera separada. Por otra
parte
el
almidón
se
dejó
sedimentar durante 48 horas, pasado este tiempo se separó una cantidad de agua de la superficie del beaker que contenía el almidón, con lo cual se obtuvo este en el fondo del
recipiente
para
su
posterior
utilización.
muestra se aireo durante 30 minutos para realizar el proceso aerobio, una vez
Hidrolisis acida:
culminado
este
periodo
de
tiempo, la mezcla se vertió en un
Al almidón previamente obtenido, se
frasco plástico, con el fin de inducir
le adiciono pequeñas cantidades de
las condiciones anaerobias, con lo
HCl con el fin de disminuir el pH
cual se logra la salida de CO2 en una
hasta obtener un valor de 3, agitando
trampa de gases. Se esperó 7 días,
constantemente cada vez que se
tiempo en el que ocurrió el proceso
adiciono el reactivo para homogenizar
de fermentación anaerobia.
la mezcla, para lo cual se llevó a cabo mediciones contantes utilizando el pH-metro,
introduciendo
potenciómetro
en
vez
que
se
realizó
la
fermentación, se agito el producto
almidón, tras obtener el pH deseado
obtenido en el frasco. Posteriormente
se llevó el almidón al autoclave
se separaron 200 mL de la mezcla y
durante 45 minutos a 120°C – 15 psi.
se llevó a destilación. Tras este
Pasados los 45 minutos se retiró el
proceso se obtuvo etanol, al cual se
almidón de la autoclave, se agito y se
le realizo una prueba con un mechero
enfrío
para corroborar que el producto que
temperatura
mezcla
Una
de
a
la
el
Destilación:
ambiente,
posteriormente se midió este con ayuda del termómetro hasta llegar a 40°C. Fermentación:
se obtuvo si era etanol. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El gran interés que se presenta a nivel mundial para encontrar una
Se aumentó el pH del almidón hasta
fuente alternativa de combustibles,
obtener un valor de 4, para lo cual se
resulta
adicionaron pequeñas cantidades de
medioambiental, económica, social y
NaOH, posteriormente se agregó 10
ética; por este motivo es de gran
gr de levadura y se agito la mezcla, a
importancia el estudio de nuevos
continuación se agregaron 2 gr de
combustibles a partir de productos
NH4Cl y se agito constantemente. La
agrícolas (biocombustibles) ya que
ser
una
necesidad
cada día resulta más complicado la
gases
tóxicos
localización del petróleo y el daño
tradicionales
ambiental producido por la obtención
invernadero8.
de
y
los
vehículos
reduce
el
efecto
de este. Por eso en el trabajo realizado se utilizó una materia prima que no ha sido explotada en todo su potencial. La yuca tiene un alto rendimiento de etanol que resulta ser un
biocombustible
renovable,
el
de
fuente
cual
reduce
considerablemente las emisiones de dióxido
de
carbono,
lastimosamente
la
pero
producción
agrícola de la yuca es muy baja para el propósito industrial, sin embargo como materia prima se puede utilizar para la producción de bioetanol ya que
presenta
gran
cantidad
de
Este producto se obtuvo a partir de la yuca,
la
contenido
cual
presenta
de
almidón
un
alto
que
fue
previamente tratado por hidrolisis acida
con
el
fin
biopolímero
de
en
romper
el
azucares
fermentables, para realizar el proceso de
fermentación
alcohólica.
Esta
comprende una serie de reacciones bioquímicas a través de las cuales una serie de microorganismos (en el presente caso la levadura) realizan la transformación
de
azucares
para
convertirlos en etanol, dióxido de carbono y energía. Cabe resaltar que
material celulósico y lignocelulosico.
el proceso que deben seguir las El
etanol
puede
contribuir
la
levaduras requiere que la glucosa sea
producción de biocombustibles, mas
catabolizada mediante la glucolisis o
no sustituir a los combustibles fósiles
ruta
tradicionales.
obtener el ácido pirúvico, el cual
Puede
ser
a
utilizado
de
Embden-Meyerhof por
la
acción
para
mezclándolo con la gasolina para
posteriormente
de
poder reducir las cantidades que se
enzimas específicas, se convierte
deben utilizar de petróleo. Entre las
anaeróbicamente en etanol y dióxido
principales características del etanol
de carbono9.
se puede mencionar que es un compuesto combustión
biodegradable, produce
un
su efecto
oxigenante, reduce la emisión de
A pesar de que el producto usado en el
trabajo
presentaba
un
alto
contenido de almidón, a la hora de
realizar la destilación, el porcentaje de
alcohol
obtenido
para
la
concentración de 200 g/L fue de 1% (%v/v) siendo aproximadamente 2 mL de etanol puro (Figura 1). Lo anterior se puede atribuir a que a la hora de realizar el procedimiento el pH pudo haber quedado en condiciones muy acidas y la levadura utilizada pudo disminuir su activad mientras se realizaba el proceso de fermentación. Es importante resaltar que a pesar de lo descrito las levaduras presentan cierta
resistencia
a
las
concentraciones de alcohol que se producen durante el proceso de fermentación, ya que el etanol inhibe el transporte de D-xilosa, amonio, glicina y algunos aminoácidos, así como afectan la función y estabilidad de algunas enzimas citoplasmáticas como la hexoquinasa. Pero a grandes
Cabe mencionar que el éxito de una fermentación radica en el tratamiento previo que se le realiza a la muestra, donde se deben controlar diversos parámetros
como
lo
concentración
de
temperatura
óptimos.
presente
que
son:
azúcar,
al
la
pH
y
Teniendo
momento
de
adicionar la levadura se debe tener un control en la condición anaerobia de la misma y el sustrato.
y críticas cantidades de acidez se
La temperatura en la cual se realizó
pudo haber presentado la formación
el proceso de areación fue de 37°C
de un complejo hexoquinasa-etanol el
para en primera instancia generar las
cual
condiciones aerobias del proceso
puede
detener
la
reacción 10
glucosa a glucosa-6 fosfato .
donde se permite el crecimiento limitado de la levadura, para que esta superara su fase de latencia y entrara en
la
fermentación
ya
en
fase
exponencial. Luego como es debido
se utilizó un recipiente que le confería
poca
cantidad
etanol,
las condiciones anaerobias ya que
mantener esta temperatura suponía
permitía la ausencia total de oxígeno,
la reducción y el cambio de esta
y presentaba una salida de gas, para
constantemente,
el proceso de fermentación, esto con
afectar el desplazamiento continuo
el fin de que el microorganismo
del etanol por el refrigerante.
lo
ya
cual
que
podría
pudiera desarrollarse y hacer su proceso anaerobio en condiciones óptimas. El pH final de la fermentación fue de 2, lo cual genero un hábitat critico de acides para la levadura, por lo cual, como
se
nombró
anteriormente
podría ser el factor que desfavoreció a la hora de la fermentación y de la posterior obtención del etanol, ya que
El
las levaduras tienen un rango óptimo
presentarse a la hora de evaluar la
de pH que varía entre 3.5 y 5.5, el
poca cantidad de etanol obtenido es
cual tiene gran importancia en cuanto
que la levadura manejada en el
a la velocidad de crecimiento y
proceso es utilizada principalmente
rendimiento.
para la producción de pan y no de
En el proceso de destilación que se llevó a cabo en el procedimiento (Figura 2), fue de gran importancia controlar los puntos de ebullición, controlando que este no superara los 80°C ya que el punto de ebullición del etanol es de 78°C. Este pudo ser otro factor que se atribuye a la hora de estudiar el por qué se obtuvo tan
último
problema
que
pudo
alcohol. Esto quiere decir que puede presentar
poca
capacidad
fermentativa ya que su membrana no presenta alto contenido de ácidos grados insaturados y la longitud de las cadenas carbonadas no es la necesaria para minimizar los efectos de la fluidez que produce el etanol 10.
CONCLUSIONES
proceso de destilación y por último la a partir de
levadura utilizada en el proceso no es
residuos agrícolas puede ser utilizado
la que se utiliza convencionalmente
como una alternativa atractiva a la
para la producción de alcohol, sino
hora de reemplazar los combustibles
que se usa en la industria alimentaria,
convencionales que generan residuos
específicamente en panadería.
El
etanol producido
fósiles
por
biocombustibles
que
presenten una fuente de energía renovable y que contribuyan a la disminución del calentamiento global y
el
mejoramiento
de
la
crisis
energética mundial.
etanol,
aceptable
para
es el
una
proceso
2 mL, al cual se le realizo una prueba con un mechero para corroborar que
contenido
de
que
esta positivo.
de
realizar la hidrolisis acida, genera un fermentables
(%v/v) siendo aproximadamente este
fuente
fermentación ya que al momento de gran
concentración de 200 g/L fue de 1%
si fuera el producto deseado, dando
El uso de almidón de yuca para la obtención
El total de etanol obtenido para la
azucares
posteriormente
producen etanol.
REFERENCIAS 1) Universidad Nacional Agraria La molina. Anales científicos, 2007 (En
línea).
Disponible
en:
http://www.lamolina.edu.pe/investi
En el presente estudio se presentaron inconvenientes para la obtención del
gacion/web/anales/2007/3.pdf 2) Miliarium. Bioetanol (En línea).
etanol, como lo fueron: la acidez en el
Disponible
proceso de fermentación, el cual
http://www.miliarium.com/Bibliogra
presento un pH de 2, lo que pudo
fia/Monografias/Biocombustibles/B
generar
ioetanol.asp
una
rendimiento
de
disminución la
levadura
del al
momento de realizar el proceso de fermentación; otro factor importante fue el cambio de temperaturas en el
en:
3) EcuRed. Fermentación. 2005 (En línea).
Disponible
en:
http://www.ecured.cu/Fermentaci %C3%B3n
4) Ludwig E Muller.
Manual de
THAI 9 (En línea). Disponible en:
laboratorio de Fisiología Vegetal.
http://ingenieria.uao.edu.co/hombr
Instituto de Ciencias agrícolas.
eymaquina/revistas/36%202011-
Costa Rica (En línea). Disponible
1/Articulo%207%20-%20Luz
en:
%20M.%20Florez.pdf
https://books.google.com.co/books ? id=9I8gAQAAIAAJ&pg=PA92&dq= fermentaci %C3%B3n+alcoholica&hl=es&sa= X&ved=0ahUKEwjRzKfH5qDOAh VJJh4KHatKBEIQ6AEIGjAA#v=on epage&q=fermentaci%C3%B3n
Producción
de
etanol a partir de yuca mediante birreactor de tanque agitado con control de variables. Universidad autónoma de Bucaramanga (En Disponible
en:
http://www.cid.unal.edu.co/files/ne ws/051122_produccion_de_etanol _a_partir_de_yuca.pdf
Flores
Velasco; Pardo.
de
almidón
de
yuca
utilizando la estrategia de proceso sacarificación
-
fermentación
simultánea (SSF). Universidad de Antioquia.
2008
(En
línea). en:
id=169815391012 8) Koolman; Editorial (En
Rohm. medica
línea).
Bioquímica. Panamericana
Disponible
en:
https://books.google.com.co/books ?id=f61Mvdvl60C&pg=PA320&dq=etanol&hl= es&sa=X&ved=0ahUKEwjEguiy0zOAhVB2R4KHRzyAJIQ6wEIIzAC #v=onepage&q=etanol&f=false
6) Vanessa Zuñiga Ceron; José Luis López
partir
http://www.redalyc.org/articulo.oa?
5) Qco. Msc. Amleto Leon Téllez y
línea).
Carlos E. Producción de etanol a
Disponible
%20alcoholica&f=false
colaboradores.
7) Castaño P.; Hader I.; Mejía G.;
Luis
Menina
Evaluación
ambiental de la producción de etanol a partir de yuca (Manihot esculenta, Crantz), variedad M-
9) Voet. Bioquímica. Editorial medica Panamericana Disponible
(En
línea). en:
https://books.google.com.co/books ? id=r5bedH_aST0C&pg=PA601&dq
=fermentacion+alcoh
silvestre;
%C3%B3lica&hl=es&sa=X&ved=0
cerevisiae ATCC 9763 y Candida
ahUKEwiq_obc0-
utilis ATCC
zOAhXCpR4KHQ4WB9sQ6wEITj
Tecnológica de Pereira (En línea).
AJ#v=onepage&q=fermentacion
Disponible
%20alcoh%C3%B3lica&f=false
http://repositorio.utp.edu.co/dspac
10) Sandra Catalina Garzón Castaño; Catalina
Hernández
Estudio
comparativo
producción
de
Saccharomyces
Londoño. para
etanol
la
entre
cerevisiae
Saccharomyces 9950.
Universidad en:
e/bitstream/handle/11059/1689/66 182G245.pdf;jsessionid=738ACC C9A81F9F454E1E2B0395D34778 ?sequence=1
