Baez Mendez

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  • 7/24/2019 Baez Mendez

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    UNIVERSIDAD VERACRUZANA

    FACULTAD DE CIENCIAS QUMICASZONA XALAPA

    PROGRAMA EDUCATIVO:INGENIERA AMBIENTAL

    EVALUACIN DE PRETRATAMIENTOS CIDO-TRMICOEN BIOMASA LIGNOCELULSICA DE AGAVE SALMIANA PARA LA LIBERACIN DE AZCARES FERMENTABLE

    TESIS

    Que para acreditar la experiencia educativa:

    Experiencia RecepcionalP r e s e n t a:

    CARLOS DE JESS BEZ MNDEZ

    Asesor:Dr. SERGIO MARTNEZ HERNNDEZ

    Xalapa, Ver., Noviembre 2014

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    AGRADECIMIENTOS

    Le agradezco a Dios por haberme acompaado y guiado a lo largo de mi carrera, por sermi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de aprendizajes,experiencias y sobre todo felicidad.

    Le doy gracias a mis padres, Carlos Bez Garca y Mara del Roco Mndez Olivaresporque ellos siempre estuvieron a mi lado brindndome su apoyo y sus consejos parahacer de m una mejor persona. Por haberme forjado como la persona que soy en laactualidad; muchos de mis logros se los debo a ustedes entre los que incluye este.

    A mis hermanas, Iris Denis Bez Mndez y Guadalupe Bez Mndez por no soloayudarme en gran manera a concluir el desarrollo de esta tesis, sino por todos los bonitosmomentos que pasamos en el proceso.

    A mi asesor de Tesis, Dr. Sergio Martnez Hernndez por su esfuerzo y dedicacin, quiencon sus conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivacin ha logrado en m quepueda terminar mis estudios con xito.

    A mi tutor acadmico, Dr. Epifanio Morales Zarate por haberme apoyado y orientado enlos momentos de dificultad.

    A mi profesora, Dr. Yolanda Cocotle Ronzn por el apoyo brindado y por sus enseanzas.

    A mis amigos, Eleazar Emmanuel Gmez, Esperanza Anai Huerta Martnez, EverardoLobato Cortez, Jess Alberto Hernndez romero Y Juan Mauro Esmediche Landa portodos los momentos que pasamos juntos. Por las tareas que juntos realizamos y por todaslas veces que a m me explicaron gracias. Por confiar y creer en m y haber hecho de metapa universitaria un trayecto de vivencias que nunca olvidare.

    A mis amigos y compaeros de INBIOTECA, Claudia Ivet Contreras Hernndez, David dela Torre Sarmientos, IBQ. Magdiel Linez Gonzlez, M.I.E. Ricardo Musule Lagunes y

    Zyanya Mariam Lpez Dvila por brindarme su ayuda y amistad en el transcurso de estaTesis.

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    El presente trabajo se llev a cabo en el Instituto de Biotecnologa y Ecologa Aplicada (INBIOTECA) de la Universidad Veracruzana - Campus Xalapa y contcon el apoyo financiero del FONDO SECTORIAL SAGARPA-CONACYT medianteel proyecto de investigacin 2011-15-174696 denominado Estrategiasbiotecnolgicas de rescate, conservacin y reactivacin del cultivo del agavepulquero en la regin Poblano-Veracruzana para su uso integral en la produccinindustrial de biocombustibles y otros coproductos.

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    NDICE

    1. INTRODUCCIN ................................................................................................ 8

    2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................. 92.1 Crisis energtica ............................................................................................ 92.2 El petrleo y sus problemas ambientales ..................................................... 11

    2.2.1 Contaminacin de agua ....................................................................... 112.2.2 Contaminacin de suelo....................................................................... 122.2.3 Contaminacin de aire ......................................................................... 12

    2.2.3.1 Cambio climtico .......................................................................... 133. JUSTIFICACIN ............................................................................................... 144. ANTECEDENTES ............................................................................................. 14

    4.1 Fuentes de energas renovables .................................................................. 144.2 Biocombustibles ........................................................................................... 164.3 Biocombustibles de segunda generacin ..................................................... 174.4 Bioetanol ...................................................................................................... 174.5 Biomasa lignocelulsica ............................................................................... 20

    4.5.1 Celulosa ............................................................................................... 21

    4.5.2 Hemicelulosa ....................................................................................... 234.5.3 Lignina ................................................................................................. 25

    4.6 Agave como fuente de energa .................................................................... 265. OBJETIVOS ...................................................................................................... 34

    5.1 Objetivo general ........................................................................................... 345.2 Objetivos especficos ................................................................................... 34

    6. HIPTESIS ....................................................................................................... 347. METODOLOGA ................................................................................................ 35

    7.1 Zona de estudio ........................................................................................... 357.2 Muestreo y colecta ....................................................................................... 367.3 Procesamiento fsico de la muestra ............................................................. 36

    7.3.1 Secado ................................................................................................. 367.3.2 Molido .................................................................................................. 37

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    7.3.3 Tamizado ............................................................................................. 377.4 Procesamiento previo .................................................................................. 37

    7.4.1 Lavado de muestra .............................................................................. 377.5 Evaluacin de pretratamientos cido-trmicos ............................................ 387.6 Anlisis de experimentos ............................................................................. 397.7 Mtodos analticos ....................................................................................... 39

    7.7.1 Determinacin de humedad ................................................................. 397.7.2 Contenido de cenizas .......................................................................... 407.7.3 Determinacin de azcares reductores................................................ 407.7.4 Determinacin de componentes lignocelulsicos ................................ 41

    8. RESULTADOS Y DISCUSIN .......................................................................... 42

    8.1 Humedad y Cenizas ..................................................................................... 428.2 Azcares reductores .................................................................................... 428.3 Caracterizacin lignocelulsica de Agave salmiana en dos etapasfisiolgicas (juvenil y adultas). ............................................................................ 458.4 Tratamientos cido-trmicos aplicados a biomasa lignocelulsica de A.salmiana. ............................................................................................................ 46

    9. CONCLUSIONES .............................................................................................. 4910. ANEXOS ......................................................................................................... 50

    10.1 Anexo I. Determinacin de azcares reductores........................................ 5011. BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 52

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    NDICE DE FIGURAS

    Figura 1. Consumo mundial de energa primaria por fuentes.................................. 9

    Figura 2. Precios del barril de petrleo .................................................................. 10Figura 3. Composicin lignocelulsica. ................................................................. 21Figura 4. Composicin de la Celulosa. .................................................................. 22Figura 5. Composicin de la hemicelulosa. ........................................................... 24Figura 6. Composicin de la lignina. ..................................................................... 26Figura 7. Ruta metablica de CAM. ...................................................................... 30Figura 8. Zona de estudio o muestreo de Agave Pulquero, A. salmiana. .............. 35Figura 9. Diagrama de los parmetros a evaluar en plantas juveniles y maduras. 38Figura 10. Contenido de azcares reductores de biomasa lignocelulsica de hojas

    A. salmiana de plantas juveniles y maduras despus de procesamiento fsico y delavados. ................................................................................................................. 43Figura 11. Contenido de azcares reductores de biomasa lignocelulsica de hojas

    A. salmiana de plantas juveniles (A) y maduras (B), no tratadas y tratadas adistintas condiciones de temperatura y diluciones de cido sulfrico. ................... 45Figura 12. Contenido de componentes lignocelulsicos en biomasa de hojas A.

    salmiana de plantas juveniles (A) y maduras (B).. ................................................ 46

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    NDICE DE TABLAS

    Tabla 1. Propiedades de la gasolina, etanol y E85. .............................................. 19

    Tabla 2. Precipitacin necesaria para la productividad de distintas plantas .......... 31Tabla 3. Comparacin de las propiedades lignocelulsicas de distintas plantas .. 32Tabla 4. Caracterizacin de biomasa de Agave salmiana ..................................... 42Tabla 5. Contenido de azcares reductores en biomasa lignocelulsica de Agavesalmiana de hojas de plantas juveniles y maduras, despus de ser sometidas apretratamientos cido-trmicos. ............................................................................ 48Tabla 6. Curva con una solucin de 4g/L .............................................................. 50

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    1. INTRODUCCIN

    Durante el desarrollo humano, las fuentes fundamentales de energa han sido los

    combustibles fsiles, bsicamente petrleo, gas natural y carbn, los cualestambin se emplean como materias primas para la industria qumica (Abril yNavarro, 2012). Sin embargo, las reservas de petrleo estn agotndose y lacontaminacin por esta fuente de energa va en aumento. Lo anterior ha llevado ala bsqueda de fuentes alternas renovables, como lo son la energa a partir debiomasa, energa solar, energa hidrulica, energa elica y energa nuclear, entreotras (Montaez et al., 2011).

    El presente trabajo tuvo como objetivo contribuir con el conocimiento del uso dematerial lignocelulsico como substrato bioenergtico. Para lo anterior seconsider el uso de la biomasa lignocelulsica de agave pulquero,especficamente la especie de A. salmiana como materia prima para evaluar elefecto de pretratamientos fisicoqumicos para la liberacin de azcares reductoressusceptibles de fermentacin. Tambin, se plane como objetivo determinar lacomposicin lignocelulsica de A. salmiana a dos edades o etapas fisiolgicas,

    juvenil (2-3 aos) y madura (8 o ms aos), esto con el fin de conocer detalles desu composicin con el propsito de optimizar tiempos de cosecha para su posibleuso como material bioenergtico.

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    2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

    2.1 Crisis energtica

    El aumento poblacional a nivel mundial ha generado un incremento en lasnecesidades energticas, provocando un mayor consumo de combustibles fsilesy en consecuencia un agotamiento gradual del stos (Bulln, 2005).

    El petrleo, por ser un producto fcil de extraer, transportar y utilizar para generarmiles de productos, lo cual lo convierte en una de las materias primas msexplotadas a nivel mundial (Hernndez, 2008).

    Actualmente, an con el implemento de otras fuentes de energa, este junto conlos otros combustibles fsiles (gas y el carbn) suponen casi el 90% del consumoenergtico primario mundial, como se puede observar en la figura 1, y ao conao aumenta su uso, proyectndose que para el ao 2030 un incremento de un35% con respecto al 2010 (Juri, 2011).

    Figura 1. Consumo mundial de energa primaria por fuentes. (Obtenido dehttp://menospetroleo.blogspot.mx/2012/10/recursos-energia-crecimiento-

    economico.html)

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    El consumo excesivo de los combustibles fsiles ha provocado que las reservasde petrleo estn disminuyendo, proyectando su agotamiento en unos 45 aos

    (Colonna, 2010); esto y otros factores, polticos y sociales, hacen que se estatravesando por una crisis energtica, provocando un aumento en los precios delos combustibles (Figura 2). Se puede observar que del 2003 al 2008 el precio delbarril aument de 33 a 142 dlares, y aunque a partir del tercer trimestre del 2008comenz una cada en los precios, hasta bajar a los 44 dlares, actualmente elprecio oscila en los 91 dlares (Hernndez, 2008).

    Figura 2. Precios del barril de petrleo (Modificacin de Hernndez, 2008)

    La demanda energtica, el agotamiento del petrleo y el incremento de losprecios, ha provocado que se explore nuevas fuente de energa.

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    2.2 El petrleo y sus problemas ambientales

    Aunado al incremento en los precios del petrleo y sus derivados, otra de lasrazones por la cual se propone reducir su uso es el relacionado con su

    contribucin en la contaminacin ambiental debido principalmente a su extraccin,transporte y manejo inadecuado. A continuacin, se mencionan algunos de susefectos en diversos ecosistemas.

    2.2.1 Contaminacin de agua

    El principal problema de contaminacin del agua se lleva a cabo por la extraccindel petrleo en campos petrolferos marinos, que se producen por fugas durante laperforacin o por surgencias eruptivas cuando se encuentra acumulado a altaspresiones, tambin se debe al derramamiento accidental. Un ejemplo, es el eventoque sucedi en las costas de Campeche en el Golfo de Mxico en 1979, cuando laplataforma petrolera Ixtoc estaba perforando un pozo a 3 km de profundidad ycolaps liberando aproximadamente 476,000 toneladas de crudo, parte delpetrleo ardi y otro alcanz las zonas costeras de Tabasco, Veracruz,

    Tamaulipas, y tambin zonas de Texas (Arcos, 2010).

    La contaminacin de las aguas marinas por petrleo provoca una pelculaimpermeable que flota por diferencia de densidades, impidiendo la entrada de luzy el intercambio de gases afectando a especies como: el plancton (sirve dealimento para otros organismos adems de producir grandes cantidades deoxgeno), macroinvertebrados (organismos que degradan la materia orgnica) yBentos (organismos que viven en el fondo de los ecosistemas acuticos), tambin

    genera un problema para las aves y animales marinos ya que cubre su piel ybranquias provocndoles la muerte por asfixia (Benavides et al., 2006).

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    2.2.2 Contaminacin de suelo

    La contaminacin del suelo por hidrocarburos se da principalmente por fugas enlos oleoductos, que algunas veces son fugas pequeas y no se toman en cuenta,

    y derramamiento ya sea accidental por el mal manejo o robo de combustible(Zamora et al., 2012).

    El derramamiento del petrleo y sus derivados en el suelo impiden el intercambiogaseoso a la atmsfera alterando la estructura y los bioprocesos que ocurren en elecosistema, afectando severamente a la biota, por los compuestos txicos queposee, daando a las plantas, animales y humanos, pero los ms afectados sonlos microorganismos, los cuales cumplen una funcin importante en el ecosistema

    (Zamora et al., 2012).

    La mayor parte de los hidrocarburos que se derraman en el suelo van a dar a losmantos acuferos y aguas superficiales, otra parte se volatiliza facilitando el riesgopor inhalacin de las personas ocasionando enfermedades severas (Riesco,2012).

    2.2.3 Contaminacin de aire

    La contaminacin del aire es uno de los problemas ms grandes a nivel mundialdebido a la quema de combustibles fsiles en vehculos automotores, plantas deenerga y humos industriales, ocasionando la muerte prematura de alrededor dedos millones de personas al ao en todo el mundo (OMS, 2011).

    El uso de los combustibles fsiles generan emisiones de contaminantes

    atmosfricos por su combustin como son: xidos de nitrgeno (NOx), monxidode carbono (CO), compuestos orgnicos voltiles (COV) y gases responsablesdel efecto invernadero (Snchez et al., 2011).

    Los gases emitidos por la quema de hidrocarburos ha dado lugar a la destruccinparcial de la capa de ozono (causando melanomas o cncer de piel), a la

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    generacin del smog fotoqumico generado por los xidos de nitrgeno (NOx) yalgunos hidrocarburos ligeros no quemados liberados por los automviles(provocando daos en los ojos y problemas respiratorios), la generacin de lluviascidas que se asocia a los productos de la combustin, como el SO 2 y los xidosde nitrgeno, las cuales caen sobre campos (dando muerte a las cosechas),ciudades (deteriorando las estructuras de edificios) y aguas (acidificndolas lascuales dan muerte a animales y propician enfermedades a la salud de quien lasconsume), (Manahan, 2007).

    2.2.3.1 Cambio climtico

    Adems la quema de combustibles fsiles ha contribuido a la alteracin de lacapa de ozono y sus efectos sobre el clima, dando como resultado el efectoinvernadero. De hecho la bsqueda de otras fuentes de energa para sustituir elpetrleo es principalmente para disminuir las emisiones de gases de efectoinvernadero, cuyo resultado es un cambio climtico de consecuencias tanpeligrosas como impredecibles (Sempere et al., 2007).

    El principal factor del aumento de los gases de efecto invernadero se debe al usomasivo de combustibles fsiles, la industrializacin, el aumento en el nmero y usode coches y el transporte areo; teniendo la necesidad de reducir cuanto antes yde forma importante dichas emisiones (Sephere et al., 2007).

    Es por estos problemas que se requiere buscar fuentes de energas renovablesque sean ms amigables con el ambiente e inagotables como lo son las fuentesde biomasa lignocelulsica.

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    3. JUSTIFICACIN

    La crisis energtica del petrleo, su agotamiento, y el aumento en los precios delos combustibles estn afectando la economa de la sociedad (Castillo at al.,

    2011). Adems de los problemas ambientales que enfrentamos hoy en da, ya quelos hidrocarburos son una fuente importante de contaminacin del agua, suelo yaire, debido al derramamiento accidental, emisin de contaminantes atmosfricospor su combustin como los xidos de nitrgeno (NOx), monxido de carbono(CO), compuestos orgnicos voltiles (COV) y gases responsables del efectoinvernadero.

    Debido a estos problemas se requiere buscar fuentes de energas renovables que

    sean sustentables, como lo son las fuentes de biomasa lignocelulsica, ademsde buscar los parmetros ms eficientes para la liberacin de azcares y serusados en la generacin de combustibles.

    4. ANTECEDENTES

    4.1 Fuentes de energa renovablesEl modo en que la sociedad utiliza la energa y los problemas derivados de tal usoponen de manifiesto la urgencia por encontrar nuevas fuentes de energa, quepuedan reponerse a un ritmo igual o superior al que son consumidas (Gonzlez,2009).

    A partir del siglo XIX, por la crisis energtica y el cambio climtico, se comienzan abuscar otras fuentes de energa que sean inagotables (Newth, 2007), adems deocasionar un mnimo dao al ambiente (Vargas y Valds, 2006).

    Entre las energas renovables se encuentran las siguientes:

    Hidroelctrica: se obtiene por el paso del agua a travs de generadores queproducen corrientes elctricas. El agua proviene, por lo general, de un lago

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    artificial que se logra bloqueando un rio con un dique. El lago se llenacontinuamente de nueva agua proveniente de los ros que forman la cuenca. A suvez los ros reciben el agua de las precipitaciones. Pero esta fuente de energapresenta un problema, al bloquear los ros con los diques, la naturaleza sufregraves daos (Newth, 2007).

    Energa elica: se obtiene por medio de aerogeneradores, molinos de viento detamao variable que transforman con sus aspas la energa cintica del viento enenerga mecnica. Esta tecnologa al depender del viento, la hace poco viable, yaque al no poder controlarlo, se necesita otra fuente de energa para los momentosdonde el viento es insuficiente, adems de poder ser usada solo en lugares dondeel viento es favorable (Arns, 2012).

    Energa solar : este tipo de energa se divide en solar trmica, solar fotovoltaica ysolar termoelctrica. La primera de ellas se encuentra solar trmico, que es latransformacin de la energa radiante solar en calor o energa trmica, solo seutiliza para calor o refrigeracin; la segunda es la captacin de energa solar y sutransformacin en energa elctrica por medio de mdulos fotovoltaicos; y latercera es una combinacin de las otras dos, donde se pretende obtener energaelctrica mediante el calentamiento de un fluido. Aunque es una fuente inagotabley no contamina presenta muchos inconvenientes, como sus altos precios y lavariacin de la cantidad de energa, que depende principalmente de latemperatura y la radiacin solar, siendo ideal solo para lugares desrticos, ademsdel impacto visual de los paneles y su amplio terreno para colocarlos (De Juana,2003; Nombela, 2010; Arns, 2012).

    Como estas hay otras fuentes de energas renovables, todas presentan ventajas y

    tambin inconvenientes econmicos o ambientales, que an no se resuelven porcompleto. Otra opcin de energa renovable, son los biocombustibles obtenidos apartir de biomasa lignocelulsica. A continuacin se describen sus caractersticas.

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    4.2 Biocombustibles

    Los biocombustible son aquellos que estn compuestos a partir de biomasa, quees toda la masa viviente que existe sobre la tierra (Gonzles, 2009). Estos, se

    proyecta como una de las mejores alternativas debido a que su uso ofrecediversos beneficios como son la reduccin de gases de efecto invernadero, eldesarrollo econmico de zonas agropecuarias-rurales y un incremento en lasustentabilidad energtica (Castillo et al., 2011).

    Los primeros biocombustibles en ser fabricados fueron los de primera generacin,que son obtenidos a partir de cultivos que tienen usos alimentarios, utilizandoazcar y almidn provenientes de caa de azcar, maz, trigo, cebada y sorgo,

    entre otros. Los mayores productores de bioetanol de primera generacin, a nivelcomercial, son Brasil con caa de azcar principalmente y EEUU que utiliza maz(Castillo et al., 2011).

    Existe un problema al obtener biocombustible por estas fuentes y es que suprincipal uso es para la alimentacin de la poblacin, provocando un descontentoen la sociedad ya que esto pueden generar problemas de alza de precios para lossectores ms pobres de la poblacin. As como problemas ambientales como el

    agotamiento y cambio de uso del suelo, deforestacin, entre otros.

    Debido a esto es necesario recurrir a otro tipo de materia prima dando lugar a losbiocombustibles de segunda generacin producidos a partir residuos de procesosagroindustriales o forestales, distinto de los cultivos bsicos alimenticios. Losbiocombustibles de segunda generacin se encuentran en fase precomercial(Estudio Fao, 2008).

    Hay una tercera generacin de biocombustibles, que es en base a los aceitesextrados a partir de microalgas y otras fuentes microbianas, an se encuentra endesarrollo y muy lejos de su produccin a gran escala y, por tanto, de sucomercializacin (Guerrero et al., 2010).

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    Actualmente se habla de una cuarta generacin de biocombustibles basada enprocesos termoqumicos y bioqumicos, en estos avances an no ha tenidorelevancia (Guerrero et al., 2010).

    4.3 Biocombustibles de segunda generacinLos biocombustibles de segunda generacin representan un cambio en latecnologa de conversin que permite reemplazar los azcares, el almidn y losaceites de la materia prima utilizada por la primera generacin por biomasalignocelulsica como puede ser residuos agrcolas y forestales, hierbas perennes,arboles de crecimiento rpido entre otras, aprovechando la hemicelulosa y lacelulosa de la planta (IICA & ARPEL, 2009; Estudio Fao, 2008).

    Los principales pases que estn invirtiendo por estos nuevos biocombustibles soncasi los mismos que en el caso de la primera generacin, destacando AlemaniaEEUU y Suecia que son los que ms estn investigando para su implementacin agran escala. Por ejemplo Suecia cuenta con un plan gubernamental para sustituircompletamente el petrleo en el transporte por combustibles de origen vegetalpara el 2020 y Alemania inaugur la primera planta comercial de biocombustiblesde segunda generacin ubicada en Freiberg en el 2008 (IICA y ARPEL, 2009).

    Actualmente esta tecnologa no ha alcanzado su punto de madurez para laproduccin a gran escala; sin embargo, la produccin de estos combustibles ya hacomenzado, por lo que el bioetanol es el combustible celulsico lquido msprximo a ser comercializado. Se prev que dentro de 10 a 15 aos la produccinde biocombustibles de segunda generacin sea comercial (Estudio Fao, 2008).

    4.4 Bioetanol

    El empleo del etanol como aditivo o combustible automotor se remonta desde losprimeros das del automvil, pero este fue rpidamente remplazado por elcombustible a base de petrleo ya que su fabricacin era ms econmica, la cualse mantuvo sin competencia hasta la crisis de los aos 1970s, donde secomenzaron a explorar nuevas alternativas de combustible ( Dufey,2006) .

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    El bioetanol se produce por la fermentacin de los azcares contenidos en lamateria orgnica de las plantas y puede obtenerse a partir de tres tipos dematerias primas como pueden ser por cultivos y materiales con alto contenido desacarosa, como la caa de azcar, la remolacha azucarera, el sorgo dulce y lasmelazas, entre otros; cultivos con altos contenidos de almidn, tales como loscereales (maz, sorgo granfero, trigo y cebada) o races y tubrculos (mandioca,papa batata, etc.) o de inulina (topinambur, agave, ame, etc.); y materias primasy cultivos con alto contenido de celulosa (lignocelulsicos), cuyos carbohidratos seencuentran en formas ms complejas (madera, residuos agrcolas y forestales,cultivos lignocelulsicos, material herbceo, etc.) (IICA y ARPEL, 2009).

    El etanol puede emplearse de forma pura, o en disoluciones con gasolina, sedenomina con la letra E al etanol seguido por un nmero que indica el porcentajede este en la mezcla, as, E100 se refiere al alcohol puro y E20 representa unamezcla de 20% etanol y 80% gasolina. Siendo la disolucin E85 (85% etanol y15% gasolina) la que ms se recomienda por los fabricantes de automviles yaque al utilizar E100 es necesario hacer unas ligeras modificaciones al motor, comoaumentar la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo, debido a quepresenta menor poder calorfico que la gasolina (Castillo et al, 2011; Gonzlez,

    2012).

    Las caractersticas fisicoqumicas del etanol representan una ventaja sobre lagasolina, tal como podemos ver en la tabla 1, debido a que cuenta con un octanajemucho mayor, lo que puede facilitar a la manipulacin del motor/carburante yoptimizar su funcionamiento; una densidad prxima a la de la gasolina; lapresencia de oxgeno en su composicin puede provocar una combustin mscompleta en el automotor, lo que reduce las emisiones de hidrocarburos sin

    quemar (HC), monxido de carbono (CO) y partculas (PM); y un calor latente deevaporizacin elevado, que tiene como consecuencia una eficiencia de rellenado,principalmente en los motores de inyeccin directa de gasolina (Colonna,2010;Castillo et al., 2010; Aguilar, 2005; Camarillo, 2011).

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    No obstante tambin presenta algunos inconvenientes, ya que al tener un podercalorfico volumtrico menor que el de la gasolina, los vehculos deben tenertanques de combustible aproximadamente un 50% mayores que los vehculosconvencionales para conservar la autonoma tpica de un automvil (500 a 650Km), esto quiere decir que para recorrer una misma distancia, se debe emplear unpoco ms de biocombustible que de gasolina; al ser miscible en agua puedeprovocar problemas de ruptura de la mezcla con los hidrocarburos; el calor latentede vaporizacin elevado puede provocar dificultades de funcionamiento en frio,especialmente en el arranque; el contenido elevado de oxgeno y la capacidad deformar cido actico por oxidacin (Colonna,2010; Castillo et al., 2010; Aguilar,2005).

    Tabla 1. Propiedades de la gasolina, etanol y E85. (Colonna, 2010; Castillo et al., 2010;Agular, 2005)

    Gasolina Etanol E85

    Composicin (%masa)

    Carbono 85-88 52.2 56-58

    Hidrgeno 12-15 13.1 13-14

    Oxgeno 0-4 34.7 29-30

    ndice de octano 95 118 110

    Densidad (kg/L) a 15C 0.96-0.79 0.794 0.78-0.79

    Solubilidad en agua (% en volumen) ~0 100 100

    Poder calorfico inferior (kJ/kg) 43,530 26,810 29,170

    Calor latente de vaporizacin (kJ/kg) 349 923 836

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    El bioetanol de segunda generacin es una mejor alternativa que el de primerageneracin, en cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero, como seexplica en la pgina de kit motor (www.biokitmotor.com), en la cual se realizaronestudios por la Agencia Internacional de Energa y Worldwatch Institute, donde sedemuestra que el bioetanol obtenido a partir de maz y trigo reducan entre el 13%y 47% de gases de efecto invernadero por kilmetro recorrido; mientras que elbioetanol generado a partir de biomasa celulsica reduca los gases de efectoinvernadero entre el 60% y 100% por kilmetro recorrido, adems de no competircon el sector alimentario.

    4.5 Biomasa lignocelulsicaUna de las mejores alternativas para generar combustibles es la que proviene dela biomasa lignocelulsica, la fuente ms abundante de carbono renovable delplaneta, producida por la fotosntesis, que se estima en una produccin anual de200,000 millones de toneladas en el mundo (Cuervo et al., 2009). Esta materia,tambin se puede obtener de residuos agrcolas, forestales, slidos urbanos, ascomo residuos agroindustriales, de la industria de alimentos y otras industrias(Domnguez et al., 2012). Usarla ofrece grandes ventajas, como un bajo costo por

    ser residuos innecesarios de los procesos, no afecta las fuentes de alimento y esun producto renovable (castillo et al., 2011).

    La biomasa lignocelulsica es el principal componente de la pared celular de lasplantas, est compuesto principalmente por tres polmeros como se ilustra en lafig. 3, la celulosa, que es el principal determinante de las propiedades mecnicasde la biomasa lignocelulsica, la hemicelulosa que son molculas estructurales yqumicamente heterogneas y la lignina, que son las que mantienen rgida la

    pared celular (Colonna, 2010).

    Los tres constituyentes (celulosa, hemicelulosa y lignina) encuentran aplicacionesprcticas apreciables: la celulosa y la hemicelulosa para obtener etanol y lalignina como fuente de combustible slido, adhesivos o inmunoadyuvantes (Vialset al., 2012).

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    Figura 3. Composicin lignocelulsica. (Modificacin de Cuervo et al., 2009)

    La composicin y los porcentajes de los polmeros varan entre las especies deplantas, incluso entre la edad y la etapa de crecimiento; sin embargo, de manerageneral los valores oscilan aproximadamente en 25% lignina, 25% hemicelulosa

    y 40-50% celulosa (Cuervo et al., 2009; Agbor, et al., 2010; Hernndez et al.,2009).

    A continuacin se describen cada uno de estos componentes:

    4.5.1 CelulosaLa celulosa es el componente mayoritario y constituye la base estructural de lasclulas vegetales. Se trata de un homopolmero de D-glucosa unida por enlacesglucosdicos -1,4 (fig. 2) y dependiendo de su origen vegetal, su grado depolimerizacin comprende entre 2,000 y 8,000 unidades glucosdicas, peropueden alcanzar hasta 15,000 unidades (Paz, 2008; Prinsen, 2010; Barroso,2010). Las cadenas de celulosa tienden a ordenarse en planos paralelos y formanuna estructura cristalina, esto por la formacin de enlaces de puentes de

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    hidrgeno y fuerzas de van der Waals intermoleculares y extramoleculares entrelos grupos OH de una misma cadena y cadenas adyacentes (fig. 4). De estaforma, conjuntos de cadenas lineales de celobiosa (D-glucopiranosil--1,4-D-glucopiranosa) en la direccin longitudinal, tienden a formar microfibrillas, queconstituyen a la estructura de la pared celular de las clulas vegetales (Paz, 2008;Prinsen, 2010; Barroso, 2010).

    Figura 4. Composicin de la Celulosa. (Modificacin de Cuervo et al., 2009) La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, y debido a la cristalinidad formadapor mltiples puentes de hidrgeno hace que sea insoluble en agua adems deser la razn fundamental de la resistencia de la celulosa a ataques qumicos yenzimticos. En general, la estructura de la celulosa en los materialeslignocelulsicos, consta de zonas cristalinas y zonas amorfas. (Cuervo et al.,2009).

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    4.5.2 Hemicelulosa

    La hemicelulosa es un heteropolisacrido y su principal funcin es la interaccincon la celulosa y lignina para proporcionar rigidez a la pared celular. Posee una

    estructura amorfa al azar con poca fuerza por lo que son fcilmente hidrolizadospor cido diluido o base, as como por innumerables enzimas hemicelulsicas(Prinsen, 2010; Barroso, 2010).

    Se encuentra sobre todo en las paredes celulares, sus puentes de hidrgenocubren la superficie de las microfibrillas de celulosa y se orientan de formaparalela a ellas formando cadenas ramificadas pero de menor grado depolimerizacin que la celulosa, entre 100 y 200 unidades, por lo que no tienen

    zonas cristalinas. Son insolubles en agua, pero se disuelvan en medio alcalino ycidos dbiles (Cuervo et al., 2009; Prinsen, 2010; Barroso, 2010).

    Los monmeros que constituyen a la hemicelulosa (Fig. 5) son principalmentehexosas (D-glucosa, D-manosa, D-galactosa) y pentosas (D-xilosa y L-arabinosa),que forman cadenas ramificadas, y cidos urnicos (cido -D-glucurnico, cido-4-O-metilglucurnico, cido-D-galacturnico) (Cuervo et al., 2009; Barroso,2010; Prinsen, 2010).

    La estructura que tiene la hemicelulosa vara dependiendo la especie de la planta,por ejemplo las gramneas, estn constituidos por una cadena principal de xilosaunidas por enlaces -1,4 que estn ramificadas por arabinosas y cido glucurnicoo por cido -D-4-O-metilglucurnico; o la madera de las conferas que estconstituido por manosa y glucosa (en una relacin de 4:1) unidos entre ellos porenlaces -1,4 que estn ramificados (en el C-2 o C-3 de la cadena principal) porgalactosa (Barroso, 2010; Prinsen, 2010).

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    Figura 5. Composicin de la hemicelulosa. (Modificacin de Cuervo et al., 2009)

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    4.5.3 Lignina

    La lignina es el componente no carbohidrato ms importante presente en la paredcelular de la planta. Es un heteropolmero amorfo, tridimensional y ramificado

    formado por alcoholes aromticos que da soporte estructural, rigidez,impermeabilidad y proteccin a los polisacridos estructurales (celulosa yhemicelulosa) e impide los ataques de los microbios, sus principales funciones sondar resistencia y servir de pegamento a la pared celular, adems de ser altamenteresistente a la degradacin qumica y biolgica, es insoluble en cidos y solublesen lcalis (cuervo et al., 2009).

    La lignina es un polmero muy complejo en relacin con su estructura y

    heterogeneidad por lo que no es posible describir una estructura definida. Estcompuesta principalmente por tres alcoholes fenilpropenoicos o alcoholes p-hidroxicinamlicos: alcohol sinaplico, alcohol cumrico y alcohol coniferlico (Fig.6). Estos alcoholes forman estructuras heterogneas amplias y amorfas (Paz,2008; Prinsen, 2010; Barroso, 2010).

    Los alcoholes fenilpropenoicos se distinguen por sus sustituyentes del anilloaromtico tal que: el alcohol cumrico no presenta sustituyentes y forma las

    unidades de hidroxifenilo o unidades H; el alcohol sinaplico con metoxilos en lasposiciones 3 y 5 forma las unidades de siringilo o unidades S; y el alcoholconiferlico con un metoxilo en la posicin 3 del anillo aromtico forma lasunidades guayacilo o unidades G (Paz, 2008; Prinsen, 2010; Barroso, 2010).

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    Figura 6. Composicin de la lignina. (Modificacin de Cuervo et al., 2009)

    4.6 Agave como fuente de energaEn Mxico existe mucha materia prima que puede ser utilizada para finesbioenergticos sin afectar la seguridad alimentaria (Victoria et al. 2007), como loes el Agave, que es una planta 100% mexicana. Mxico se considera centro deorigen de este gnero, constituido por casi 300 especies y muchas de estas se

    encuentran solo en nuestro pas (Martnez et al., 2007; Alfaro et al., 2007).

    Los agaves son plantas perennes, sus hojas, conocidas comnmente comopencas, estn distribuidas en forma de espiral y arregladas en rosetas en elapndice de un tallo. El tallo, tambin conocido como pia, puede ser corto yapenas sobrepasar unos centmetros del suelo, o bien, largos y erectos llegando a

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    medir hasta tres metros de altura. Las hojas son suculentas, fibrosas y carnosas,adems de poseer espinas en los bordes y terminan en una punta muy filosa, locual constituyen un mecanismo de defensa de la planta, las hojas pueden llegar apesar ms de treinta kilos y pueden vivir entre 10 y 15 aos (Flores et al., 2008;Garca 2007).

    El agave ha tenido un uso muy importante desde la poca prehispnica, lospueblos indgenas encontraban en esta planta una fuente de materia prima paraelaborar una gran cantidad de productos (Garca et al., 2010), como la obtencinde bebidas alcohlicas como mezcal y pulque, el empleo de la fibra de sus hojaspara fabricar cuerdas y la aplicacin tradicional en la medicina, por mencionaralgunos (vila et al., 2012). Actualmente la especie de agave de mayorimportancia econmica es el Agave tequilana para la elaboracin del tequila, peroalgunas aplicaciones de los diferentes tipos de Agave cayeron en desuso debido aque se presentaron otros productos que los sustituyen, como la cuerda fabricadapor Agave que fue sustituida por cuerda sinttica, el uso mdico por medicinaactual, etc. (Martnez et al., 2007; Davis et al., 2011).

    El Agave salmiana, se usa principalmente para producir pulque, y aunque es unabebida muy conocida, ya no es tan comerciable, todo empez en el ao 1928,cuando se estableci un reglamento sanitario para todas la bebidas alcohlicas,en las cuales los productores deban de mejorar higinicamente su proceso deelaboracin, utilizando bombas para la extraccin del aguamiel y barriles mshiginicos, pero al no hacerlo ocasion un sinfn de crticas sobre su elaboracinprimitiva y las enfermedades que generaba su consumo, haciendo que muchaspersonas dejaran de consumirla, pero todas estas crticas no eran ms que parapoder sustituir el pulque por la cerveza, y actualmente an se conserva el

    desprestigio sin fundamento otorgado a la bebida del pulque. Pero el declive finaldel pulque fue en 1960 con la llegada de fbricas, que hicieron que lostlachiqueros dejaran el agave para irse a trabajar en un lugar donde les dabanmejores condiciones para el trabajo, buenos alimentos, etc., por lo que la siembra

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    de agave pulquero se fue perdiendo dejndolo casi en peligro de extincin(Ramrez, 2004).

    Hoy en da se han hecho muchos programas para la conservacin del agave, uno

    de ellos es por medio de biocombustible, ya que varias especies y en especial el Agave salmiana pueden funcionar bien en zonas donde la lluvia es escasa paracultivos con metabolismo C3 y C4, gracias a que posee un metabolismo cido delas Crasulceas (por sus siglas en ingles CAM). Esto hace que los agaves puedancrecer con muy poca agua y/o insumos, y aun as generar una buena cantidad debiomasa, adems, para cultivarla se necesita tierra demasiada seca como paracultivar alimentos, reduciendo as la competencia con el suministro alimenticio, almismo tiempo se vuelven productivas las tierras semiridas en zonas ruralespobres, haciendo al agave una materia prima ideal (Escamilla, 2011).

    El metabolismo C3 (tambin conocido como el ciclo de Calvin) y metabolismo C4llamados as porque el primer compuesto que incorpora el CO2, tiene tres y cuatrocarbonos respectivamente. Estos metabolismos son un conjunto de reaccionesque propician la fijacin y asimilacin reductiva del CO2 hasta formar compuestosorgnicos (CH2O). La captacin de CO2 sucede durante el da, y requiere que losestomas se encuentren abiertos por lo que la planta ha de ceder agua para podercaptar CO2 (Cordero, 2003).

    La caracterstica clave del agave para poder sobrevivir con poca agua se debe aque es una planta CAM, que le permite absorber CO 2 durante la noche,permitiendo as una prdida muy baja de agua. Las plantas CAM necesitanaproximadamente el 33% de agua que requiere una planta C4 y aproximadamenteel 16% que requiere una planta C3 para producir la misma cantidad de biomasa.

    (Davis et al., 2011; Escamilla, 2011; Borland et al., 2009).Los estomas (poros microscpicos en las hojas) se abren para permitir que el CO 2 entre y as realizar la fotosntesis. Esta apertura conduce a la prdida de agua enforma de vapor (transpiracin). Las plantas C3 y C4 abren sus estomas durante elda, cuando el sol brilla mucho y la temperatura es mayor por lo que la prdida de

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    agua por transpiracin es muy alta. Las plantas CAM, como el agave, abren susestomas y absorben el CO 2 durante la noche, ocasionando una prdida menor deagua por transpiracin, y durante el da, las plantas CAM cierran sus estomasimpidiendo la entrada de CO2 y al mismo tiempo evitar la prdida de H2O portranspiracin, por lo que cualquier CO2 fijado proviene de la misma planta (Garcaet al., 2006; Escamilla, 2011; Borland et al., 2009).

    Este proceso en las plantas CAM, sucede en la clula del mesfilo, donde losestomas se abren permitiendo la fijacin del CO2 atmosfrico por lafosfoenolpiruvato carboxilasa (PEP carboxilasa) en el citosol; el fosfoenolpiruvato(PEP) sobre el que acta esta enzima procede de la degradacin del almidn,acumulado en los cloropastos durante el da. La enzima PEP carboxilasa generaun producto cido de cuatro carbonos (oxalacetato), que es reducido a malato enel citosol por la enzima malato deshidrogenasa, este despus es transformado acido mlico, el cual no se transporta a otras clulas sino que se acumula en lavacuola de la misma clula (fig. 7), durante el da este malato es exportado alcitosol, donde se descarboxila. La descarboxilacin se puede producir por variasvas y enzimas dependiendo de la planta CAM (Garca et al., 2006; Escamilla,2011; Borland et al., 2009).

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    Figura 7. Ruta metablica de CAM. (Garca et al., 2006)

    An no est claro cmo se produce la descarboxilacin del malato en el agave,pero los productos podran ser el piruvato o fosfoenolpiruvato (PEP) y el CO2, esteCO2 entra en los cloropastos para iniciar all el ciclo de Calvin. El piruvato estransformado en PEP y este por varios procesos da lugar a la sntesis yacumulacin de almidn (fig. 7) (Garca et al., 2006; Escamilla, 2011; Borland etal., 2009).

    Como se muestra en la tabla 2, el Agave salmiana como planta CAM puedesobrevivir con muy poca agua, pero adems tiene una mayor productividad conuna precipitacin escasa (Tabla 2), en donde cualquier otro cultivo bioenergticoen cantidades similares de lluvia estara muy lejos de alcanzar la productividad de

    A. salmiana (Escamilla, 2011).

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    Tabla 2. Precipitacin necesaria para la productividad de distintas plantas. (Escamilla, 2011)

    CultivosTolerancia

    a la sequia

    Productividad

    (Kgha-1ao -1)

    Precipitacin

    (mmao -1)Localizacin

    Agave Alto

    Agave salmiana 10,000 320San Luis potos,

    Mxico

    Agave deserti 7,000 430Desierto de

    Sonora, USA

    Agave fourcroydes 15,000 1000 Yucatn, Mxico

    Agave tequilana 25,000 1080 Jalisco, Mxico

    Panicum virgatum BuenoVar. Alamo 11,000 a 20,000 600 a 1300 Arkansas, Texas

    Otros cultivos

    energticos

    Zea mays Bajo

    Grano 7,000 500 a 800 ns

    Rastrojo 3,000 500 a 800 ns

    Populus spp. Moderado 5,000 a 11,000 700 a 1050 nsMiscanthus

    giganteusBajo 15,000 40,000 750 a 1200 ns

    Saccharum

    offcinarumModerado 50,000 67,000 ns

    Guyana; Hawi,

    USA

    Sorghum bicolor Bueno 47,000 ns California, USA

    ns, no especifico

    No solo esta ventaja tiene el agave, sino tambin en su composicinlignocelulsica, al presentar un contenido elevado de celulosa mientras que elcontenido de lignina es muy bajo, sta ltima dificulta la conversin de biomasa encombustible, al presentar una resistencia a la separacin de azcares. La

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    composicin de lignina, celulosa y hemicelulosa en agave son muy favorables encomparacin con otros cultivos como se puede apreciar en la tabla 3. (Escamilla,2011).

    Tabla 3. Comparacin de las propiedades lignocelulsicas de distintas plantas.(Escamilla, 2011)

    Fuente de fibraCelulosa

    %

    Hemicelulosa

    %

    Lignina

    %

    Solubles

    %

    Agaves

    A. tequilana 65 5.3 16 12.25

    A. fourcroydes 77.6 5-7 13.1 3.6

    A. lechuguilla 79.8 3-6 15.3 2-4

    A. sisalana 77.3-84.4 6.9-10.3 7.4-11.4 Nd

    Rastrojo de maz 44 30 26 Nd

    Panicum virgatum 44.9 31.4 12 Nd

    Miscanthus 41.9 26.6 13.3 15

    Otros cultivos

    Eucalipto 49.4 21.2 18.2 Nd

    Trigo 34.9 22.5 21.3 11.9

    Caa de azcar 48.6 31.1 19.1 Nd

    Nd, no determinado

    Otras reservas importantes del agave que pueden ser usadas en la produccin de

    etanol son los carbohidratos solubles en agua, tambin llamados carbohidratos noestructurales, que se liberan despus del tratamiento trmico (Escamilla, 2011).

    Aunque el agave tiene un gran potencial para ser desarrollado como cultivobioenergtico, se necesitan ms investigaciones de laboratorio y de campo.

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    De los escasos trabajos reportados en la literatura, relacionados con la evaluacinde pretratamientos sobre la biomasa lignocelulsica de agaves, se encuentran lospublicados por Hernndez-Salas (2009). Este autor hizo una comparacin entrecaa de azcar y agave, donde compararon la liberacin de los azcaresreductores. La hidrlisis cida en la caa de azcar produjo de un 37.2 a 35.37%de azcares reductores mientras que el agave produjo un 5.02 a 9.91%, siendomayor la liberacin en la caa de azcar. Los autores volvieron a comparar losresultados pero esta vez con una hidrlisis enzimtica donde la concentracin deazcares para la caa de azcar estuvo entre un 11 y 20% y para el agaveaument de 12 a 58%. Tambin se encuentra los resultados publicados porSaucedo-Luna (2010), quienes determinaron los efectos que presentaba la

    temperatura, la concentracin de cido sulfrico y del tiempo de reaccin sobre lahidrlisis de Agave tequilana Weber para la produccin de azcares fermentablesalcanzando un rendimiento de 48.5% y concluyendo que a altas temperaturas y atiempos largos de reaccin se obtiene un mayor rendimiento de azcares. Comoestos trabajos realizados para agaves hay muy pocos, por lo que son necesariasms investigaciones al respecto.

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    5. OBJETIVOS

    5.1 Objetivo general

    Evaluar tratamientos cido-trmicos sobre la fraccin lignocelulsica de Agave salmiana para la liberacin de azcares fermentables.

    5.2 Objetivos especficos

    Determinar la composicin lignocelulsica (celulosa, hemicelulosa y lignina)

    de dos etapas fisiolgicas (juvenil y maduro) de Agave salmiana cultivadoen la regin del Valle de Perote, Veracruz.

    Evaluar diluciones de cido sulfrico a concentraciones de 1 y 2% ydistintas temperaturas (100 y 120C) sobre la fraccin lignocelulsica de

    Agave salmiana para la liberacin de azcares fermentables.

    6. HIPTESIS

    Los agaves poseen un alto contenido de celulosa, hemicelulosa y poca lignina,comparados con otras plantas, lo que facilitar la liberacin de azcaresfermentables por la aplicacin de pretratamientos cido-trmicos.

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    7. METODOLOGA

    7.1 Zona de estudio

    Las muestras se colectaron en la regin Poblano-Veracruzana, en el Valle dePerote, Veracruz. La zona de estudio tiene una extensin aproximada de 16,527.6ha, que incluye territorio ejidal de las localidades de San Antonio Tenextepec en elestado de Veracruz y de San Jos Alchichica en Puebla (Fig. 8).

    Figura 8. Zona de estudio o muestreo de Agave Pulquero, A. salmiana .

    San Antonio Tenextepec se localiza en las coordenadas latitud 19 29 y longitud97 15; se encuentra a una altura de 2539 msnm. El clima que predomina en la

    zona se clasifica como semiseco templado, con una precipitacin media anual de400 mm y una temperatura media anual de 12 C (INEGI, 2013; nuestro-mexico.com, 2013a). San Jos Alchichica, se localiza en las coordenadas 97 23

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    longitud oeste y 19 25 latitud norte, se ubica a una altura de 2300 msnm, su

    precipitacin es similar a Tenextepec y su temperatura media anual es de 14 C(INEGI, 2013 ;nuestro-mexico.com, 2013b).

    7.2 Muestreo y colectaLa identificacin de la especie se realiz con apoyo de la literatura (Gentry, 2012)y con la asesora del Dr. Miguel de Jess Chzaro Basez, botnico experto enel gnero Agave, acadmico de la Facultad de Biologa-Xalapa, UV. Se estableciel sitio de muestreo en un suelo tipo regosol en el ejido de San Jos Alchichica. Seestablecieron transectos de 2 x 100m, cada uno separado del otro por al menos500m, de los cuales se tomaron al menos 2 plantas (completas o pencas) de cadaetapa de desarrollo o edad a evaluar, que fueron de 2 y de ms de 8 aos, lascuales se etiquetaron debidamente y se transportaron al laboratorio. Para saber laedad de la planta, se consider la altura de meristemo, meyolote de 0.4 0.15 y1.5 0.25 m, respectivamente. Lo anterior basado en el siguiente modelomatemtico que correlaciona la edad con la etapa de crecimiento: (Edad =e(altura cogoyo -27.225/37.484) (Sandoval Salas et al. Datos no publicados).

    7.3 Procesamiento fsico de la muestra

    7.3.1 SecadoUna vez recolectadas las muestras, se cortaron, a un tamao aproximado de 2 x1cm, los trozos se depositaron en charolas de aluminio y se colocaron en una

    cmara de secado BINDER de la serie FD, a 70C por 72 horas. Pasado estetiempo, las muestras se guardaron en bolsas con cierre hermtico bienetiquetadas.

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    7.3.2 MolidoLas muestras completamente secas, fueron molidas, empleando un molinoautomtico marca Mr. Coffee modelo BMH23.

    7.3.3 TamizadoDespus del molido, las muestras fueron tamizadas, utilizando tamices de malla40 y malla 60. Al tamizarlos solo se tomaron las partculas que pasaban la malla40 y se quedaban retenidas en la malla 60 (denominndose partculas -40/+60).

    7.4 Procesamiento de muestras previo a sometimiento de

    pretratamientos.

    7.4.1 Lavado de muestraPrevio al sometimiento de pretratamientos, las muestras fueron lavadas. Para loanterior, se colocaron 2g de muestra tamizada en matraces de 125mL y seaadieron 100mL de agua destilada, teniendo una relacin slido/lquido de 1:50.Los matraces fueron colocados en parrillas de agitacin y calentamiento (marca

    PRENDO modelo PC-1000X6) a 80C durante 3 horas con agitacin constante.Posteriormente, las muestras fueron filtradas empleando un filtro de porosidadmediana, un matraz Kitasato con embudo buchner y una bomba de vaco marcaCOLE PARMER modelo EW-79200-30. Despus se enjuagaron las muestras con200mL de agua destilada caliente. La fraccin slida se coloc en un recipiente dealuminio y se metieron en una cmara de secado BINDER de la serie FD a 105Cpor 4 horas, posteriormente se guardaron en bolsas hermticas para lostratamientos cidos trmicos. La fraccin liquida, se guard en congelacin paradeterminacin posterior de azcares reductores.

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    7.5 Evaluacin de pretratamientos cido-trmicosLa fraccin slida obtenida de los filtrados de hojas o pencas de agave de ambasedades, se someti a diferentes tratamientos cido-trmico (figuras 9).

    Figura 9. Diagrama de los parmetros a evaluar en plantas juveniles y maduras.

    Para el desarrollo de estos experimentos, se tomaron 2g de muestra de la fraccinslida obtenida de los filtrados y se coloc en un matraz Erlenmeyer de 125mL, seaadi una solucin de 40mL de cido sulfrico al 1 o 2% (v/v) por lo que se tuvouna relacin slido/lquido de 1:20. Posteriormente, los matraces se taparon y se

    sometieron a temperaturas de 100 y 120C (empleando una autoclave UL 6P38modelo 25X-1) y tiempos de reaccin de 1 y 2 horas tal como se ilustra en lasfiguras 9. Trascurrido el tiempo indicado, las muestras fueron filtradas de unamanera similar a lo descrito anteriormente. Las fracciones slidas obtenidas deestos experimentos fueron puestas en charolas de aluminio y sometidas a secadoa 105C durante 4 horas, posteriormente fueron almacenadas en bolsashermticas para la determinacin de componentes lignocelulsicos. Estos fueronobtenidos por diferencia, despus de obtener fibra detergente neutra (FDN), fibradetergente a cida (FDA) y lignina detergente cida (LDA) usando un ANKOM 200Fiber Analyzer (Macedon, NY USA) (ANKOM and technology, 2005; Garca-Reyesy Rangel Mndez, 2009). Este procedimiento est basado en los mtodos deextraccin secuencial propuestos inicialmente por Van Soest (Van Soest, 1961).

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    La fraccin liquida, fue almacenada en congelacin para posterior determinacinde azcares reductores por la tcnica DNS (Miller, 1959).

    7.6 Anlisis de experimentos

    Las determinaciones analticas se realizaron al menos por duplicado. Las variablesde respuesta fueron el contenido de azcares reductores y componenteslignocelulsicos, celulosa, hemicelulosa y lignina. Los datos se analizaron como unexperimento factorial con dos niveles, la edad: juvenil y madura. El anlisisestadstico se realiz mediante comparacin de medidas de tratamientos usandola prueba t de Student, con un factor de confianza del 95% (p

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    7.7.2 Contenido de cenizasDespus de determinar el contenido de humedad, las muestras fueron calcinadasdurante una hora a 525C mediante el uso de mufla (marca FELISA FE-340),posteriormente las muestras fueron colocadas en un desecador por un periodo de15 minutos y despus se registr su peso mediante el uso de una balanzaanaltica.

    El contenido de cenizas se determin mediante la siguiente formula:

    (2)

    7.7.3 Determinacin de azcares reductoresLa determinacin de azcares reductores se realiz por la tcnica de DNS (Miller,1959), antes y despus de los pretratamiento cido trmicos. Para lo anterior,se tom 1.5ml de muestra y se colocaron en tubos eppendorf de 2ml etiquetados.Los tubos fueron colocados en una centrifuga HERMLE modelo Z300K a 3000rpmpor 5min. Se tom 0.5ml de muestra centrifugada, y se colocaron en tubos de

    10ml con tapa, se adicionaron 0.5ml del reactivo de DNS. Los tubos se colocarona bao mara en agua a 100C por 5min, para esto primero se dej que el aguaalcanzara los 100C y despus se metieron los tubos por 5min. Inmediatamentealcanzado los 5 minutos se metieron los tubos en agua helada por 5 min paradetener la reaccin (choque trmico). Pasado el tiempo a cada una de las

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    muestras se diluyeron con 5ml de agua destilada. La lectura se realiz en unespectrofotmetro UV/Visible marca VELAB a 540nm.

    7.7.4 Determinacin de componentes lignocelulsicosLos parmetros de Fibra Detergente Neutro (FDN), Fibra Detergente cido (FDA)y Lignina Detergente cido (LDA) fueron determinados con un equipo Ankom 200fibre analyser. Se pesaron aproximadamente 0.5 g de biomasa de agave en baseseca (secada a 105 C por 2hrs) y fueron colocadas dentro de bolsas filtro Ankom,fueron selladas y sometidas consecutivamente a extraccin con soluciones deFibra Detergente Neutro (Sol. FDN utilizando -amilasa), solucin de FibraDetergente cido (Sol. FDA), aplicacin de hidrlisis cida con Solucin de cidosulfrico concentrado al 72% 1 N. Despus de cada extraccin las bolsas fueronlavadas con reactivo de acetona purificada y secadas a base seca para determinarlos porcentajes de cada componente siguiendo las instrucciones y mtodossuministrados por el fabricante. Por ltimo se incineraron las muestras en unamufla para determinar el porcentaje de cenizas de cada muestra. Los porcentajesde celulosa, hemicelulosa y Lignina insoluble fueron calculados de forma indirecta,de la siguiente manera:

    (3)

    (4)

    (5)

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    8. RESULTADOS Y DISCUSIN8.1 Humedad y CenizasEl contenido de humedad y de cenizas de las muestras de Agave salmiana

    analizadas correspondientes a las dos edades o etapas de desarrollo,denominadas juvenil (menores a 2 aos) y maduras (mayores que 8 aos) fuede 86.91% 1.74 y de 85.25% 1.51, respectivamente (Tabla 4). Se pudoobservar que los valores fueron prcticamente similares (=0.197), indicando queindependientemente del estado de desarrollo el contenido de humedad fue similar.En lo que respecta al contenido de cenizas los valores para plantas juvenilesfueron de 1.32% 0.05, mientras que para las plantas maduras fueron de 1.55% 0.09, encontrando tambin valores similares (=0.161) (Tabla 4). Estosresultados indicaron un contenido de materia inorgnica o mineral menor de 1.6para ambas edades de plantas, en consecuencia el contenido de materia orgnicaoscil alrededor del 98%.

    Tabla 4. Caracterizacin de biomasa de Agave salmiana

    HUMEDAD CENIZAS

    MADURA 85.25% 1.51 1.55% 0.09JUVENIL 86.91% 1.74 1.32% 0.05

    8.2 Azcares reductoresEl contenido de azcares reductores de la biomasa lignocelulsica, se calculantes (en aguas de lavado) y despus de evaluar los pretratamientos cido-

    trmicos. Los resultados se expresaron en rendimiento, reflejados comoporcentaje de azcares reductores en peso seco, esto basado en la propuesta deNeureiter et al., (2002) que indican que el rendimiento podra ser un parmetroms adecuado para la comparacin de tratamientos que la concentracin ya que

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    los experimentos con materia seca usualmente dan hidrolizados con ms altaconcentracin de azcares aunque los rendimientos podran ser bajos.

    En la Figura 10, se muestran los resultados del contenido de azcares

    reductores de la biomasa lignocelulosa para las plantas juveniles y maduras antesde someterlas a los distintos tratamientos cidos-trmicos, obtenido a partir de lasaguas de lavado. En los resultados se encontr que el contenido de azcares deplantas juveniles fue de 1.48% 0.32 mientras que para las muestras de plantasmaduras los valores oscilaron alrededor de 1.93% 0.22. Estos valores fueronsometidos a un anlisis estadstico, mediante la comparacin de medias detratamiento haciendo uso de la prueba de T student, donde los resultadosindicaron que no hubo diferencia significativa (=0.243). Estos resultados indicanpor un lado, que los lavados previos fueron eficientes para eliminar la posiblepresencia de azcares hidrosolubles presentes en la biomasa lignocelulsica. Porotro lado indican que independientemente de la edad o estado de desarrollo de laplanta, el contenido de azcares en la biomasa lavada es prcticamente similar.

    Figura 10. Contenido de azcares reductores de biomasa lignocelulsica de hojas A.salmiana de plantas juveniles y maduras despus de procesamiento fsico y de lavados.

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    Considerando lo anterior, se procedi a comparar el contenido de azcaresreductores en muestras de plantas juveniles y maduras no tratadas y tratadas, esdecir las sometidas a algn tratamiento cido-trmico (aqu se compar con elvalor promedio ms bajo obtenido), cuya representacin grfica se puede observaren la figura 11. Como ya se cit anteriormente, los valores para muestras deplantas juveniles no tratadas fueron de 1.48% 0.32, mientras que para lasmuestras tratadas los valores fueron de 7.95% 1.58. Al compararestadsticamente estos valores, mediante una prueba t, los resultados mostrarondiferencias significativas (=0.029), indicando que independientemente deltratamiento aplicado a la biomasa lignocelulsica el contenido de azucares fuemayor, es decir la aplicacin de pretratamientos con cidos y trmico, tuvieron un

    efecto en la liberacin de azcares.

    Un anlisis similar, se aplic para las muestras de plantas maduras (figura 11 B)encontrando que para muestras no tratadas, el contenido de azcares fue de1.93% 0.22 mientras que para las muestras de plantas sometidas a algn tipo detratamiento, los valores fueron de 7.84% 0.8. El anlisis estadstico, tambinrevel diferencias significativas entre estos valores (=0.009), lo que muestra uncomportamiento similar al obtenido en las muestras de plantas juveniles. Al

    comparar los valores entre muestras tratadas juveniles y maduras, se encontrque no hubo diferencia significativa (=0.938).

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    Figura 11. Contenido de azcares reductores de biomasa lignocelulsica de hojas A.salmiana de plantas juveniles (A) y maduras (B), no tratadas y tratadas a distintas

    condiciones de temperatura y diluciones de cido sulfrico.

    8.3 Caracterizacin lignocelulsica de Agave salmiana en dosetapas fisiolgicas (juvenil y adultas).

    Los anlisis se llevaron a cabo con la materia seca recuperada de los lavados yfue sometida a un anlisis de fibra detergente neutro y cido (Van Soest). Losresultados de la composicin lignocelulsica de los anlisis de fibra de plantas

    juveniles y maduras se muestran en la figura 12. Para el caso de plantas juveniles(figura 12 A) esta se observa que la porcin ms grande es la comprendida por lacelulosa con un resultado del 31.21% 5.12, para la hemicelulosa fue de 9.4% 1.74, mientras para para lignina fue de 14.95% 1.71.

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    Para el caso de la composicin lignocelulsica de plantas maduras (figura 12 B).Se encontr que el porcentaje para celulosa fue de 34% 2.99, parahemicelulosa fue de 8.87% 0.7 y de lignina de 12.57% 2.3.

    Los valores obtenidos sobre la composicin lignocelulsica tanto de plantas juveniles como de maduras se sometieron a un anlisis estadstico, aplicando laprueba t, donde los resultados indicaron que no hubo diferencia significativa entreestas ( HEM=0.686; CEL=0.460; LIG=0.224), indicando que independientemente dela edad o estado de desarrollo, la composicin lignocelulsica en la biomasa esprcticamente similar.

    Figura 12. Contenido de componentes lignocelulsicos en biomasa de hojas A. salmiana de plantas juveniles (A) y maduras (B). CEL: celulosa, HEM: hemicelulosa y LIG: lignina.

    8.4 Tratamientos cido-trmicos aplicados a biomasalignocelulsica de A. salmiana .

    La fraccin slida obtenida de los filtrados despus de los trabajos de lavados conagua, fue secada y posteriormente se tom una muestra homognea (2 g baseseca) para ser sometida a diferentes tratamientos cido trmicos. Para lo anterior,

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    se emple una proporcin slido/lquido 1/20, se evaluaron diluciones de cidosulfrico a 1 y 2% V/V, temperatura de 100 y 120 C y tiempo de contacto de 1 y 2horas. Despus de las evaluaciones, las muestras fueron filtradas, utilizando lafraccin lquida para la determinacin de azcares reductores. A continuacin semuestran los resultados:

    Los rendimientos de azcares para plantas juveniles y maduras se muestran en latabla 5.

    Se encontr que el contenido de azcares en plantas juveniles sometidas a 100C,tiempo de reaccin de 1 hora y concentraciones de cido de 1 y 2 % fueronsimilares, con valores que oscilaron alrededor de 7.9%. Para los ensayos con

    tiempos de reaccin de 2 horas, el contenido de azcares increment a valoresentre 10 y 11%, sin embargo las diferencias entre estos tratamientos no fueronsignificativas. Una conducta similar, se encontr cuando la biomasa lignocelulsicafue sometida a temperatura de 120 C, tiempo de reaccin de 1 hora yconcentraciones de cido de 1 y 2%, donde los rendimientos de azcaresincrementaron a 11.5%. Valores similares fueron observados en el tratamientocon temperatura de 120 C, tiempo de reaccin de 2 horas y 1% de cido. Sinembargo, cuando la biomasa fue sometida a 120C, tiempo de reaccin de 2 horasy 2% de cido, los rendimientos de azcares, incrementaron hasta 17%,mostrando mediante anlisis estadstico, diferencias significativas (=0.045) conrespecto a los valores de azcares ms cercanos a ste tratamiento.

    Con respecto a los rendimientos de azcares para las planta maduras, seencontr que para los ensayos sometidos a 100C con un tiempo de reaccin de 1hora y concentraciones de cido de 1 y 2%, tuvieron valores de 7% y 12%

    respectivamente, mientras que para los ensayos con las mismas condiciones perocon un tiempo de reaccin de 2 horas los resultados no aumentaronsignificativamente mostrando valores entre 9 y 12%. Para los ensayos contemperatura de 120C, tiempo de reaccin 1 hora y concentraciones de cido de 1y 2%, los rendimientos oscilaron alrededor de 14.8%. Sin embargo cuando labiomasa fue sometida a condiciones de 120C, tiempo de reaccin de 2 horas y

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    concentraciones de cido de 1 y 2% aumentaron a concentraciones de hasta20%, mostrando diferencias significativas (=0.025), respecto a los valores derendimiento de azcares ms cercanos a este tratamiento.

    Un anlisis estadstico indic que no hubo diferencia significativa (=0.386) entreuna planta madura y una planta juvenil sometidas a una temperatura de 120C,concentracin de cido de 2% y tiempo de contacto de 2 horas, lo que indica quela edad no tuvo efecto con relacin a la liberacin de azcares reductoressusceptibles de ser fermentados.

    Tabla 5. Contenido de azcares reductores en biomasa lignocelulsica de Agavesalmiana de hojas de plantas juveniles y maduras, despus de ser sometidas apretratamientos cido-trmicos.

    TRATAMIENTO AZCARES REDUCTORES (%)

    Temperatura C T. Reaccin(h ) [H2SO4] %, V/V Juvenil Maduro

    Control 0 0 0.54 0.06 0.76 0.09

    100C

    11 7.95 1.58 7.84 0.81

    2 7.95 1.28 12.45 0.81

    21 10.12 0.7 9.87 2.09

    2 11.72 0.24 12.20 1.83

    120 C

    11 9.52 1.02 13.78 0.93

    2 11.62 0.6 14.89 1.3

    21 12.8 1.52 20.47 0.06

    2 17.72 0.24 17.22 0.6

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    9. CONCLUSIONES

    Despus de realizar el trabajo de tesis de pretratamientos cido-trmicos en

    biomasa lignocelulsica de Agave salmiana para la liberacin de azcaresfermentables se pueden considerar las siguientes conclusiones:

    Los resultados indican que en Agave salmiana el porcentaje decomponentes lignocelulsicos, llmense celulosa, hemicelulosa y lignina fuesimilar entre plantas juveniles y plantas maduras.

    La edad de la planta no afect en la liberacin de azcares, siendo los

    resultados presentados de una planta madura similares a los de una planta juvenil.

    Los pretratamientos cido-trmicos aplicados a la biomasa lignocelulsicade A. salmiana, tuvieron un efecto en la liberacin de azcares reductores.

    El tratamiento con temperatura de 120C, concentracin de cido al 2% ytiempo de reaccin de 2 horas, fue el que present la mayor liberacin deazcares reductores comparado con el resto de los pretratamientosevaluados en el presente trabajo.

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    10. ANEXOS10.1 Anexo I. Determinacin de azcares reductores

    Preparacin del Reactivo cido 3,5 dinitrosaliclico (DNS)

    Se pesan las siguientes cantidades para hacer 500mL de reactivo DNS:

    5g de cido 3,5 dinitrosaliclico

    150g de tartrato de Na-K

    8g de NaOH

    Se disuelve el NaOH en 200mL de agua destilada y se aade en agitacin eltartrato de Na-K lentamente. Se completa a 400mL con agua destilada y secomienza a aadir lentamente el cido 3,5 dinitrosaliclico y se enrasa a 500mLcon agua destilada.

    Curva de calibracin DNS

    Se realiz una curva, con una solucin de glucosa de 4g/L, en cada tubo colocarlas siguientes cantidades (tabla 6):

    Tabla 6. Curva con una solucin de 4g/L

    CURVA CON UNA SOLUCIN DE GLUCOSA DE 4g/L

    TuboConcentracin de glucosa

    (g/L)

    Sol. De glucosa

    (L)

    Agua destilada

    (L)

    Blanco 0 0 500

    1 0.4 50 450

    2 0.8 100 400

    3 1.2 150 350

    4 1.6 200 300

    5 2.0 250 2506 2.4 300 200

    7 2.8 350 150

    8 3.2 400 100

    9 3.6 450 50

    10 4.0 500 0

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    Todas las soluciones se hicieron en tubos de 10ml con tapa, se adiciono 0.5ml delreactivo de DNS. Los tubos se colocaron a bao mara en agua a 100C por 5miny despus se metieron los tubos por 5min. Inmediatamente alcanzado los 5minutos se sometieron a los tubos se metieron en agua helada para detener lareaccin (choque trmico) por 5min. Pasado el tiempo a cada una de las muestrasse diluyo con 5ml de agua (d). La lectura se realiz en un espectrofotmetroUV/Visible marca VELAB a 540nm.

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