AUTORES: MARLO GARCÍA, PAMELA; SARAVIA RIVERA, EVELYN; SHIROMA TOLENTINO, SANDRA; TAYPE GONZALES, ALINA. ESTUDIO CINETICO DE LA FERMENTACIÓN ALCOHOLICA DEL JUGO DE CAÑA DE AZUCAR (Saccharum officinarum ) PARA LA OBTENCIÒN DE ETANOL Asesor: Mg. Terry Calderón, Víctor Manuel [email protected]UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE OCEANOGRAFIA, PESQUERIA, CIENCIAS ALIMENTARIAS Y ACUICULTURA. INSTITUTO DE INVESTIGACION FOPCA –UNFV. Roma 350 Miraflores Lima - Perú
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AUTORES:
MARLO GARCÍA, PAMELA; SARAVIA RIVERA, EVELYN;
SHIROMA TOLENTINO, SANDRA; TAYPE GONZALES, ALINA.
ESTUDIO CINETICO DE LA FERMENTACIÓN ALCOHOLICA DEL
JUGO DE CAÑA DE AZUCAR (Saccharum officinarum ) PARA LA
FACULTAD DE OCEANOGRAFIA, PESQUERIA, CIENCIAS ALIMENTARIAS Y
ACUICULTURA.
INSTITUTO DE INVESTIGACION FOPCA –UNFV.
Roma 350 Miraflores Lima - Perú
PRESENTACION DE LA EXPOSICION
Problema Objetivos Hipótesis Variables e
indicadores
Instrumento de
medición
Metodología
Problema general
¿Cuál será el valor de la
constante cinética de la
fermentación
alcohólica?
Problemas específicos
¿Cuál será la constante
cinética a una
temperatura programada
de 30ºC?
¿Cuál será el valor de la
constante promedio para
un límite de confianza a
un nivel de significancia
del 5%?
¿Cuál será la ecuación
que interpreta el proceso
de fermentación,
derivada de la curva
probabilística?
Objetivo general
Analizar el proceso de
fermentación alcohólica
de la caña de azúcar a
una temperatura de
30ºC.
Objetivos específicos
Determinar la constante
cinética de cada una de
las experiencias.
Determinar la constante
cinética promedio
estadísticamente
Determinar la ecuación
promedio evaluada
estadísticamente
La aplicación de la
tecnología anaeróbica, al
jugo de caña de azúcar
Bajo las condiciones de
tiempo, temperatura,
pH, concentración de
sustrato y
microorganismos se
determina la constante
de la velocidad de
consumo de sustrato y la
ecuación deducida por el
modelo matemático de
acuerdo a Gaden a un
nivel de significancia
del 5%
Variable dependiente
Indicadores
a. consumo de sustrato
b. generación de CO2
a. refractómetro. Tipo de investigación
aplicada
Nivel de Investigación
Experimental
Método
Analítico
Estadístico
Modelos matemáticos
Diseño
Experimental
Muestra
Jugo de caña
Técnicas
Experimentación
Instrumentos
Equipos de laboratorios
b. Volumen de biogás
generado
Variable independiente
Indicadores
A Tiempo de
Biodegración
a. Tiempo requerido
para el proceso de
biodegradación de
acuerdo a las variables
intervinientes.
Variables
intervinientes
Indicadores
a. Temperatura de
tratamiento
b. Concentración de
sustrato
c. pH
d. el inoculo
a. Termostato con
control de
temperatura
b. Métodos
cuantitativos
c. Potenciómetro
d. Cultivo
microbiano
MATRIZ DE CONSISTENCIA Estudio cinético de la fermentación alcohólica del jugo de caña de azúcar (Saccharum
officinarum) para la obtención de etanol
1. INTRODUCCION
Al etanol se considera un combustible ecológico debido a que sus emisiones de CO2 entra en el ciclo de carbono de la biomasa de origen vegetal.
Esto significa que las plantaciones de azúcar toman el carbono de la atmosfera, y por fotosíntesis lo convierten en azúcar.
Posteriormente el carbono del azúcar por fermentación y destilación se obtiene etanol y este al combustionar forma C02 y H2O
Luego el carbono del C02 va a la atmosfera para volver hipotéticamente a la plantación al proceso de fotosíntesis,
lo que no sucede con los combustible no renovables o también denominado fósiles, cuya emisiones si van a formar parte de la atmosfera causando los problemas conocido como efecto de invernadero.(Chaves, 2001)
1.1 ANTECEDENTES
Entre las especies más utilizadas para generar
etanol están: Saccharomyces cerevisiae,
S. ellipsoideus,
S. anamensisi,
Candida seudotropicalis,
S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxiamus,
Candida bytyrii, Pichia stipatis,
Schizosaccharomyces. (Echegaray 2000)
1.1 ANTECEDENTES MATERIALES
FERMENTABLES
Fermentables en forma directa como son:
•pulpas de fruta,
•caña de azúcar,
•remolacha,
•sorgo
Indirectamente fermentables
a los almidones obtenidos en la
•yuca,
maíz,
•camote,
•papa,
•plátano o
•la celulosa
.(Ochoa , 2010)
De todo lo observado la que mejor es el jugo de la caña de azúcar donde el promedio de la
composición química de los jugos de la caña de azúcar es: sacarosa a 75-90%, glucosa
7,0-9,8% y fructosa 2-4%. (Gonzales, 2002)
1.1 ANTECEDENTES
Dentro de la clasificación de Gaden, las fermentaciones alcohólicas por lotes se
clasifican dentro de los procesos tipo I, es decir, aquellos donde la formación del
producto está directamente relacionada con la utilización del sustrato.
Considerando que el consumo de sustrato según Gaden que consideran a la
fermentación alcohólica como una reacción de primer orden y donde el ratio de
consumo es directamente proporcional al consumo.
lag
exponencial
estacionaria
tiempo
Evolución
Del
Proceso
tkdt
dC.
tkdt
dC.
0dt
dC
Reaccion de primer orden
1.3 OBJETIVOS
Teniendo como objetivos la determinación de
las constantes cinéticas en el proceso de
fermentación alcohólica, así como la obtención
de un modelo matemático que nos permite
realizar simulaciones a diferentes
temperaturas para ingeniería a escala.
(Cardona, 2005)
1.3 DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Presentado en la matriz de consistencia
1.4 OBJETIVOS
Siendo los objetivos del presente trabajo fueron la determinación de las
constantes cinéticas en el proceso de fermentación alcohólica, así como la
obtención de un modelo matemático que nos permite realizar simulaciones a
diferentes temperaturas para ingeniería a escala. (Cardona, 2005)
2. METODOLOGIA
El trabajo fue realizado en el laboratorio de Tecnología de los Alimentos de la UNFV FOPCA, el estudio fue realizado por el presente año año.
Es de carácter empírico, y analizado de acuerdo a los parámetros de la Estadística y la estructura de los modelos matemáticos
Tamaño de la muestra:
La muestra de jugo de caña de azúcar fue procedente de Cooperativa Laredo (5 galones) enviada al laboratorio de Tecnología de Alimentos.
Para la determinación la cantidad de muestra a tomar se utilizo el método de muestreo aleatorio simple
2.1 MATERIALES Y METODOS
Jugo de caña
Y refractómetro
Preparando el reactor
Colocado en el calentador de agua
2.1.MATERIALES Y METODOS
El equipo en operación
Potenciómetro
LOS EQUIPOS EN TRABAJO DE FERMENTACIÓN
2.2PLANTEAMIENTO DEL MODELO MATEMATICO Planteando el modelo matemático
E = 0
S=0
Aplicando la ecuacion de Taylor
ENTRADA t t + st
0 0
SALIDA t t + st
0 0
ACUMULACION C
CONSUMO KC
Aplicando la ecuación general
E - S - C = A
- C = A
Sustituyendo valaores
La condición inicial
t = 0 C = Co
Determinando el valor de la constante
La ecuacion para el consumo de sustrato es:
donde:
C: concentracion de sustrato remanente para un tiempo (t)
Co: concentraación inicial %
k: constante de velocidad de consumo de sustrato dia-1
Tiempo (t) : dia
C-KCVSs
S: Sustrato
t=0; S=So
tdt
dCC
tdt
KCdKC
)(
)( EKdt
dC
ctetkC )(ln
cteCo ln
CotkC ln)(ln
)(ln
lntk
Co
C
)( tkeCo
C
)(tk
oeCC
Ctdt
dCCtt
dt
dKCKCKC
tkCLnCLn o ()(
La ecuación deducida para la presente
experiencia fue:
Donde :
C: concentración del sustrato remanente (% sólidos)
Co: Concentración inicial del sustrato (% sólidos)
k: constante de la velocidad de consumo del sustrato
(dia-1) t: tiempo de proceso (día)
)(. tkeCoC
Con esta ecuación se evaluó, los datos
obtenidos en las experiencias realizadas .
2.3.EL DISEÑO
EXPERIMENTAL CARACTERIZAR
FISICA Y QUIMICA
DE LA MUESTRA
ETANOL
LIMITE DE CONFIANZA
PARA LA CONSTANTE
DE VELOCIDAD DE CONSUMO
DE SUSTRATO
DETERMINAR
LA CURVA
PROBABILISTICA
DETERMINAR LA
ECUACION DE LA EXPERIENCIA
VINAZA
EL DISEÑO EXPERIMENTAL
RECEPCION DE LA MUESTRA
DETERMINACIONDEL NUMERO
ENSAYOS
ENSAYOS DE FERMENTACION
ANALISIS DE REGRESION
DE ACUERDO AL MODELO
DETERMINAR EL PROMEDIO DE LOS ENSAYOS
DESTILACION
FIN
INICIO
El diseño experimental.
•Caracterización de la muestra, física y química.
•Formulación de la muestra para realizar la fermentación
•Sobre la base de 6 experimentos de fermentación alcohólica
realizados a 30 ºC
•Determinar para cada experimento, el valor de la constante
velocidad de consumo del sustrato ( k), establecer su límite
de confianza, para pequeñas muestras, a un nivel de
significación de 5%.
•Determinar la curva probabilística en base a una ecuación
promedio de los seis experimentos. A un nivel de
significación del 95%
•Se definió la ecuación de los ensayos.
•Simular la producción de etanol y consumo de sustrato
3. RESULTADOS
Muestreo aleatorio simple
2
2
2
22 ...
1
E
QPZ
E
Zn
N
n
nn
o
o
o
n : Tamaño de la muestra
no: Tamaño de Muestra aproximado
N: Tamaño de población en estudio : 19 L
E: Error o tolerancia : 5%
Valor de acuerdo al nivel de significancia : 1,96
Varianza de la variable
P: 95%
Q: 5%
2
Z2
Reemplazando los valores se obtienen:
12
370
n
n
Litros
EL MODELO FISICO
Gasómetro
Termostato
BIOREACTOR
Formulación del sustrato, para las experiencias
a realizar
Jugo de caña de azúcar 2000 ml
Nutriente sulfato de amonio 2 g
Levadura 2 g
Sólidos totales 11 – 12 %
Temperatura de trabajo 30 ºC
Numero de muestra 6,0
pH 5,5
RESULTADOS DE LAS EXPERIENCIAS
Tiempo (t)hora Concentracion ( C ) %
0 11
1 10,3
2 10
3 9,9
4 9
5 8,7
6 8
7 4
8 3
S = 13,488e-0,144(t)
R² = 0,7269
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) %
tiempo(t) horas
Figura 1: Fermentacion alcoholica
muestra 1
Series1
Exponencial (Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
de l constante de la velocidad de consumo de sustrato:
k1= 0.144 dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.8525
RESULTADOS DE LAS EXPERIENCIAS
Tiempo (t)hora Concentracion ( C ) %
0 12,5
1 12
2 12
3 12
4 12
5 12
6 11,8
7 11,5
8 11
9 7,5
10 7
11 6,5
12 6,5
13 6
14 5
15 5
S = 14,887e-0,069(t)
R² = 0,862
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) %
Tiempo (t) dia
Figura 2: Fermentacion alcoholica
muestra 2
Series1
Exponencial
(Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
de l constante de la velocidad de consumo de sustrato: K2= 0.069 dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.9284
ENSAYO 2
Tiempo (t)hora Concentracion ( C ) %
0 12,5
1 12
2 12,3
3 12,3
4 12
5 10
6 9
7 5
8 4,5
S = 15,478e-0,126(t)
R² = 0,7344
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) %
TTiempo (t) dia
Figura 3: Fermentacion alcoholica,
muestra 3
Series1
Exponencial (Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
del constante de la velocidad de consumo de sustrato: K3= 0.126 dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.8562
ENSAYO 4
Tiempo (t)hora Concentracion ( C ) %
0 13
1 13
2 12,5
3 12
4 11
5 10
6 6
7 6
8 5,5
9 5
10 5
S = 15,119e-0,119(t)
R² = 0,9042
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) %
Tiempor (t) dia
Figura 4: Fermentacion alcholica,
muestra 4
Series1
Exponencial (Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
de la constante de velocidad de consumo de sustrato: k4= 0.199 dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.9509
ENSAYO 5
Tiempo (t)hora Concentracion ( C ) %
0 12
1 12
2 11,5
3 10
4 9
5 6
6 5,5
7 5
8 5
9 5
S = 13,187e-0,123(t)
R² = 0,9119
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) d
ia
Tiempo (t) dia
Figura 5: Fermentacion alcoholica,
muestra 5
Series1
Exponencial (Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
del constante de la velocidad de consumo de sustrato: K5= 0.123dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.9541
tiempo (t)
hora
Concentración
(C%)
0 11
1 10
2 9
3 8
4 7
5 6
6 5.5
7 4.8
8 4
9 3
S = 11,725e-0,137(t)
R² = 0,9792
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10
Co
nce
ntr
acio
n d
e s
ustr
ato
(S
) %
Tiempo (t) dia
Figura 6: fermentacion alcoholica,
muestra 6
Series1
Exponencial (Series1)
El análisis de regresión de acuerdo al modelo matemático da como resultado el valor
de la constante de la velocidad de consumo de sustrato: K6= 0.137dia-1
Donde el coeficiente de regresión: R = 0.985
ENSAYO 6
VALOR PROMEDIO DE CONCENTRACIÓN DEL
SUSTRATO EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
tiempo(t) h Promedio
C (%)
0 12,0
1 11,6
2 11,2
4 10,7
5 10,0
6 8,8
7 7,6
8 6,1
9 5,5 Ln( C) = -0,1089(t) + 2,6618
R² = 0,825
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2 4 6 8 10
Ln
(co
nce
ntr
ació
n C
)%
Tiempo (t) dia
Figura 7: Determinacion del Valor calculado
Cc
Series1
Lineal (Series1)
En base a los seis ensayos (repeticiones)realizadas
Ecuación deducida
CURVA PROBABILÍSTICA
0,00000
0,50000
1,00000
1,50000
2,00000
2,50000
3,00000
3,50000
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
Co
nce
ntr
acio
n ( C
) %
Tiempo (t) dia
Figura 8:Curva Intervalo de confianza probabilistica
VALORES PROMEDIO DE LA CONSTANTE DE LA
VELOCIDAD DE CONSUMO DE SUSTRATO EN LOS
SEIS ENSAYOS Muestras K(dia-1) Co
1 0.144 11
2 0.126 12.5
3 0,119 12.5
4 0.123 13
5 0.137 12
6 0.069 11
Promedio (X) 0,119
Desviación estándar
(s)
0,0265
Numero de
muestras (n)
6
Valore de t-student
t0,975 (95%)
2,26
LIMITE DE CONFIANZA PARA LA CONSTANTE DE
VELOCIDAD (K )
Resultado de la evaluación
El verdadero valor de la constante de velocidad de
consumo de sustrato (k) se encuentra ente 0,0922 y 0,1457
dia-1 a un nivel del 95% o 5% de nivel significancia
%51457,0),(,0922,0 1diakLC
SIMULACIÓN DE LA GENERACIÓN DE ETANOL
Tiempo(t)h %C C Remanente (g) C(consumido)g etanol (g)
0 12,00 120,00 - 0
1 10,76 107,61 12,39 6,23
2 9,65 96,50 23,50 11,82
3 8,65 86,53 33,47 16,83
4 7,76 77,60 42,40 21,33
5 6,96 69,58 50,42 25,36
6 6,24 62,40 57,60 28,97
7 5,60 55,96 64,04 32,22
8 5,02 50,18 69,82 35,12
9 4,50 45,00 75,00 37,73
10 4,04 40,35 79,65 40,06
11 3,62 36,18 83,82 42,16
De acuerdo a la ecuación promedio teC 10899,0.00,12
La curva probabilística de la figura 8 (Quezada 2000), comprueba que las experiencias realizadas y evaluadas, según el modelo matemático propuesto y considerando que es una reacción de primer orden según Gaden ( Quintero 1981), permitió la obtención de una curva promedio con la se procedió a realizar una simulación para el consumo de sustrato, producción de etanol en función del tiempo como se aprecia en la tabla 9 y figura 9. Y con lo cual se obtiene una productividad teórica 0,355 g/g
4. DISCUSIÓN
4.1. CONCLUSIÓN
Las unidades experimentales utilizadas fueron a través del
empleo del bioreactor operando a temperatura de 30ºC.De los
datos obtenidos se determino los valores cinéticos para los
tratamientos así como el modelo que va interpretar estos dos
tratamientos. Obteniéndose los resultados que el verdadero
valor de la constante de velocidad de consumo de sustrato
(k,dia-1) se encuentra ente 0,0922 y 0,1457 dia-1 , a un nivel
del 95% o 5% de nivel significancia
%51457,0),(,0922,0 1diakLC
4.1.CONCLUSION
Se comprobó que la ecuación que interpreta el
experimento, a través de un análisis de
probabilidades, y mostrando como varia la
concentración en función del tiempo es.
teC 10899,0.00,12
4.1.CONCLUSION
Con los cual se consiguió una simulación de proceso
de fermentación, donde se considera el sustrato (S),
El Producto (P), la generación de biomasa (X),
como valores teóricos, para las condiciones de la
experiencia. Obteniéndose una productividad de
355,0)(120
)tan(16,42
Sustratog
olEgY
S
P
RECOMENDACIONES
A partir de los valores obtenidos programar una serie de
ensayos a nivel de escala, que permita la obtención de valores
de la cinética de la fermentación a diferentes temperaturas y
otras formulaciones y una la operación de una columna de
destilación de platos.
Como residuo se obtuvo un efluente denominado vinaza,
con alto valor en DBO, que debe ser estudiado a fin de
