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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
OBTENCIÓN DE AZÚCARES FERMENTABLES MEDIANTE
HIDRÓLISIS ÁCIDA DE
Beta vulgaris
L.
Donaji JIMÉNEZ ISLAS
1
, Arturo ABREU CORONA
1
, Víctor E. LÓPEZ Y LÓPEZ
2
,
Alejandro TELLEZ JURADO
1
y Jorge N. GRACIDA RODRÍGUEZ
1
*
1
Departamento de Biotecnología, Universidad Politécnica de Pachuca, Ex–Hacienda de Santa Bárbara, Carretera
Pachuca–Cd. Sahagún Km. 20, Zempoala Hidalgo, México
2
Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada, Ex-Hacienda San Juan Molino Carretera Estatal Tecuex-
comac-Tepetitla Km 1.5, Tlaxcala, México
*Autor responsable; gracidaj@netscape.net
(Recibido enero 2011, aceptado octubre 2011)
Palabras clave: azúcares simples, betabel, bioetanol, pretratamiento
RESUMEN
Con el propósito de incrementar la cantidad de azúcares que benefcie el rendimiento
de etanol en la Fermentación, se realizó la hidrólisis de
Beta vulgaris
L. con H
2
SO
4
. Se
evaluó el eFecto que tienen los parámetros: agitación, concentración de ácido, masa y
temperatura sobre el grado de hidrólisis del sustrato. La masa se probó en el intervalo
de 5 hasta 40 g y la agitación de 100 a 250 rpm. La temperatura y el tiempo de reacción
Fueron evaluados en el intervalo de 30 a 90 ºC y de 2 a 6 h, respectivamente. El tamaño
de partícula probado Fue de 0.5 mm y para todos los casos el volumen de reacción de
50 mL. A una velocidad de 150 rpm se tuvo mayor eFecto de hidrólisis. Mediante com-
paración de medias se determinó que las concentraciones superiores a 0.5 N de H
2
SO
4
no tienen eFecto signifcativo (p<0.05) sobre la liberación de azúcares totales. Con 10
g de sustrato en los medios de reacción se obtuvo el mayor rendimiento de hidrólisis.
La temperatura de 90 ºC proporcionó la mayor hidrólisis, y con 50 ºC la cantidad de
azúcares totales Fue 3 g/L menor a la generada en 90 ºC. Las mejores condiciones del
diseño del experimento Fueron; 40 ºC, 150 rpm y 10 g de sustrato. El incremento en el
tiempo de reacción indicó que se lleva a cabo la degradación de hemicelulosa dentro de
la matriz del sustrato y se generan regiones amorFas que promueven la disponibilidad
de la celulosa.
Key words: simple sugars, red beet (
Beta vulgaris
L), bioethanol, pretreatment
ABSTRACT
With the purpose oF increasing the amount oF sugars that beneft the yield oF ethanol
in Fermentation, it was perFormed hydrolysis oF
Beta vulgaris
L. with H
2
SO
4
. The Fol-
lowing parameters were used to evaluate the degree oF hydrolysis oF substrate: stirring,
acid concentration, mass, and temperature. The mass was tested in the range oF 5 to 40
g and stirring From 100 to 250 rpm. The temperature and reaction time were evaluated
in the range oF 30 to 90 ºC and 2 to 6 h, respectively. The tested particle size was 0.5
mm and a reaction volume oF 50 mL was used For all cases. The rate oF 150 rpm had a
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 (2) 151-158, 2012
D. Jiménez Islas
et al.
152
better effect over hydrolysis. By comparison of means it was determined that concentra-
tions higher than 0.5 N of H
2
SO
4
showed no signiFcant effect (p<0.05) on the release
of total sugars. The highest yield of hydrolysis was obtained with 10 g of substrate in
the reaction medium. The temperature of 90 ºC provided the highest hydrolysis and at
50 ºC the amount of total sugars was 3 g/L lower than that generated with 90 ºC. The
best pretreatment conditions were: 40 ºC, 150 rpm and 10 g of substrate. The increase
in the reaction time indicates that hemicellulose degradation occurs inside the matrix
of substrate and that amorphous regions are generated, promoting cellulose availability.
INTRODUCCIÓN
La creciente demanda de energía en el mundo ha
generado el consumo acelerado de los combustibles
petroquímicos, agotamiento de las reservas petroleras
y problemas de contaminación asociados a su com-
bustión. En este sentido, surgen formas de energía
alterna: eólica, solar, hidrógeno y biogás; los líquidos
como el biodiesel y el bioetanol (García 2008). El
etanol es producido por síntesis química a partir del
etileno y por vía biológica a partir de la fermenta-
ción de los azúcares; su principal aplicación es en
la industria de las bebidas alcohólicas y en últimas
décadas se plantearon tecnologías para usarlo como
aditivo o sustituto de las gasolinas. Dicha aplicación
permite reducir el volumen de los oxigenantes como
el metil-terbutil éter (MTBE) y el CO
2
, gas de efecto
invernadero (Sánchez y Cardona 2008).
Además de los azúcares contenidos en jugos de
frutos, en caña de azúcar y remolachas, se puede
utilizar la biomasa celulósica como otra fuente de
carbono; sin embargo, la principal limitante para
aprovechar la biomasa es la disponibilidad de los
compuestos fermentables en la etapa de obtención de
etanol, por esta razón es necesario incorporar pretra-
tamientos mecánicos y de hidrólisis que modiFquen
la estructura de la biomasa. La mayoría de la glucosa
en la lignocelulosa está localizada dentro de los po-
límeros cristalinos de la celulosa. La hemicelulosa
también los contiene pero en forma de copolímeros
conformados por glucosa, xilosa y otros. Sin embar-
go, la lignina que es el tercer componente mayoritario
en la lignocelulosa diFculta los procesos de hidrólisis
al estar integrado por un polímero aromático comple-
jo (Binder y Raines 2010). Por lo anterior es necesario
incorporar tratamientos de hidrólisis que disminuyan
la formación de compuestos inhibitorios que afecten
el proceso de fermentación. Otra posibilidad es in-
corporar materiales con menor contenido de lignina y
favorecer de esta manera la hidrólisis. Los materiales
que cumplen con este Fn son las remolachas, que
tienen un menor contenido de lignina (Chakiath
et
al
. 2009) y se puede aprovechar el jugo y el bagazo
celulósico. El uso de remolachas presenta ventajas
durante su cultivo como alta productividad, tolerancia
a variaciones climáticas, bajo consumo de agua y
fertilizantes. Comparado con caña de azúcar, requiere
de 30-45 % menos agua y fertilizante (Kumar
et al.
2006, Balat
et al.
2008). Entre los estudios realizados
con remolacha azucarera se puede mencionar los
realizados con remolacha forrajera (
Beta vulgaris
var. Monorosa), con un rendimiento de etanol de
9.13 % (v/v) empleando la cepa de
Sacharomyces
cerevisiae
NRRL Y-2034 (Gibbons y Westby 1986).
Otro trabajo reportado es con pulpa de
Beta vulgaris
,
tratada con amonio y posterior hidrólisis enzimática,
donde se mostró el efecto sobre la celulosa (±oster
et al
. 2001). Amin y Khalaf Allah (1992) reportaron
el uso de
Beta vulgaris,
la cual
fue
fermentada con
Zymomonas mobilis
ATCC 39670, con rendimiento
teórico de etanol de 95 %. Por otro lado, el betabel
(
Beta vulgaris
spp.) es una remolacha, empleada
como la principal fuente de betalainas y es uno de
los productos más utilizados a nivel industrial debido
a su alto contenido de betacianinas (Soriano-Santos
et al
. 2007). Sin embargo, no se ha empleado en la
obtención de etanol y es un material disponible en el
territorio mexicano. De igual modo, se podrían tener
beneFcios adicionales por ser una fuente diversa de
azúcares que podrían ser fermentados hasta etanol. En
este último paso, los organismos que tradicionalmen-
te se usan son: Z
ymomonas mobilis
,
Saccharomyces
cerevisiae
,
Pichia stipitis
y otros (Brethauer y Wyman
2010). Las condiciones de hidrólisis que favorecen
la disponibilidad de azúcares fermentables mediante
el cambio de propiedades de la lignocelulosa son
la temperatura, la agitación, la concentración del
sustrato y el pH. Cada uno de estos factores debe
ser evaluado debido a que determinan el porcentaje
de azúcar disponible en el proceso fermentativo y
beneFciarán el rendimiento neto de etanol. Algunos
parámetros estudiados en el proceso de hidrólisis han
sido la temperatura y el pH. Entre los ácidos estudia-
dos se encuentra el ácido clorhídrico, el acético y el
AZÚCARES FERMENTABLES POR HIDRÓLISIS ÁCIDA DE
Beta vulgari
s L.
153
sulfúrico, siendo este último el que presenta ventajas
en el proceso de hidrólisis (Pedersen
et al
. 2010).
En tanto, la combinación del tratamiento químico y
el hidrotérmico ha buscado favorecer la velocidad de
reacción de la hidrólisis de lignocelulosa (Taherzadeh
y Karimi 2008, Pedersen
et al
. 2010). Es por estos
antecedentes que en la hidrólisis del betabel se deben
valorar los factores (pH, temperatura, hidrólisis, agi-
tación y tiempo de reacción) asociados a la ruptura de
los enlaces de los polímeros de carbohidratos y evitar
la formación de subproductos que afecten la fermen-
tación mediante inhibición (furfural e hidroximetil-
furfural, principalmente). Por lo anterior, el presente
trabajo tiene como propósito generar azúcares a partir
de la evaluación de agitación, temperatura, tiempo de
reacción, concentración del ácido y del sustrato que
promueva la liberación de azúcares totales durante el
proceso de hidrólisis de
Beta vulgaris
L.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se utilizó betabel (
Beta vulgaris
L.) proveniente
de distintos sitios de cultivo (Pachuca, Puebla y
Tlaxcala, todos ubicados en México). El material
fue lavado con detergente comercial y agua direc-
tamente del grifo. De los especímenes usados las
hojas fueron desechadas, la raíz (cuerpo carnoso) fue
pelada y picada en cubos de tamaño menor a 5 mm.
Para cada lote de
Beta vulgaris
L., se cuanti±có el
peso seco de las muestras por triplicado mediante el
secado de 10 g de
Beta vulgaris
L. a 70 ºC durante
24 h (Fernandes
et al
. 2008).
La hidrólisis ácida se llevó a cabo en matraces
Erlenmeyer de 125 mL, los cuales contenían 10 g de
betabel picado y 50 mL de H
2
SO
4
en concentracio-
nes de 0, 0.05, 0.5, 1, 2 y 3 N. Los matraces fueron
incubados a 30 ºC a 150 rpm en un agitador orbital
(Excella E24, New Brunswick). Después de 24 y 48
h de reacción se cuanti±caron los azúcares totales
(Dubois
et al.
1956) además se realizaron algunas
pruebas para identi±cación de xilosa mediante el
analizador bioquímico YSI (2700 select).
Para la valoración del efecto de la cantidad de
sustrato sobre la hidrólisis se utilizaron matraces de
125 mL con 50 mL de H
2
SO
4
; la cantidad de masa de
la muestra picada adicionada a cada matraz fue de 5,
10, 20, 30 y 40 g. El volumen de reacción varió con
el incremento en la masa, sin embargo se consideró
en los cálculos de rendimiento. Dicho rendimiento
fue determinado mediante la cuanti±cación del peso
seco para cada experimento (Fernandes
et al
. 2008).
Al ±nal de cada experimento se determinó la cantidad
de azúcares totales mediante el método del fenol-
sulfúrico (Dubois
et al.
1956).
Para determinar el efecto de la agitación se usaron
matraces ba²eados de 250 mL con 50 mL de H
2
SO
4
,
la velocidad de agitación fue evaluada a 0, 100, 150,
200 y 250 rpm en un agitador orbital (Excella E24,
New Brunswick) a 30 ºC. Se establecieron testigos
para las diferentes velocidades de agitación. Para
este ±n, se empleó agua para veri±car el efecto de
agitación (sin interacción del ácido). En una segunda
serie de experimentos, se llevó a cabo la evaluación
del efecto combinado de agitación y concentración
del ácido. La temperatura fue de 30 ºC y 10 g de masa
del sustrato con la ±nalidad de establecer condiciones
con menor consumo de energía por concepto de agi-
tación. Se tomaron muestras a 0.5, 1 y 1.5 horas de
reacción y ±nalmente se cuanti±có la concentración
de azúcares totales.
El efecto de temperatura fue evaluado en matra-
ces de 250 mL con 50 mL de H
2
SO
4
y testigos con
50 mL de agua. Se usó un termobaño en el cual se
evaluó la temperatura de 50, 70 y 90 ºC. Los matraces
no fueron agitados para evitar la interferencia de la
agitación sobre la hidrólisis y valorar únicamente
el efecto de la temperatura. Se usaron10 g de masa
para cada matraz y se cuanti±có la concentración de
azúcares totales.
Finalmente, fue diseñado un experimento con los
siguientes factores y niveles: tiempo de 2, 4 y 6 h;
concentración del ácido sulfúrico de 0.1, 0.3 y 0.5
N; temperatura de 30, 40 y 50 ºC. La cantidad de
masa usada fue de 10 g de sustrato. El porcentaje de
hidrólisis fue determinado con la cuanti±cación de
azúcares totales. Se utilizó el programa SigmaPlot
10.0 para la generación de super±cies de respuesta
de los factores y sus niveles respectivos.
Los azúcares liberados durante el proceso de
hidrólisis fueron cuanti±cados como carbohidratos
totales mediante la técnica modi±cada de fenol-
sulfúrico, la cual consiste en adicionar en un tubo
de ensayo: 1 mL de muestra (libre de sólidos sus-
pendidos), seguido de 600 µL de solución de fenol
al 5 % (p/v) y 3.6 mL de H
2
SO
4
concentrado (>98 %),
homogeneizar y enfriar a temperatura ambiente du-
rante 30 minutos. Transcurrido el tiempo se leyeron
las muestras a 490 nm empleando celdas de cuarzo
en un espectrómetro UV (Termoscience, Biomate
3). Finalmente, la curva estándar se preparó con
glucosa en concentraciones de 10 a 100 µg/mL y se
trató con el mismo procedimiento que la solución
problema. Para la identi±cación de azúcares se usó
en algunas muestras un analizador bioquímico (YSI
2700 Select).
D. Jiménez Islas
et al.
154
Se usó el paquete estadístico SPSS statistics y se
estableció para todos los análisis la signifcancia p<
0.05. Se realizaron análisis de varianza (ANOVA),
comparaciones múltiples (Tukey HSD, Duncan) y
análisis multivariante (MANOVA).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Efecto de la concentración de ácido sulfúrico en la
hidrólisis
Los resultados del eFecto de la concentración de
ácido (incluido el testigo) se determinaron mediante
comparaciones entre grupos (Dunnett) y se determi-
nó que existe eFecto signifcativo (p<0.05) entre el
control (sin ácido en el medio de reacción) y todos
los tratamientos donde se incorpora el ácido como
catalizador de la hidrólisis. Además, la concentración
de 0.05 N tiene diFerencias signifcativas (Duncan,
p<0.05) con las concentraciones de 0.5, 1, 2 y 3 N. Por
este resultado, las mejores condiciones ácidas para la
hidrólisis son las inFeriores a 0.5 N, debido a que no se
incrementó la concentración de azúcares a concentra-
ciones superiores, lo que se muestra en la
fgura 1
. Se
ha reportado que hidrólisis con condiciones diluidas de
ácido, la Fracción de hemicelulosa es despolimerizada
a baja temperatura (Chandel
et al
. 2007). Esto podría
estar sucediendo en nuestro tratamiento debido a que
en los hidrolizados se encontró xilosa, componente
reportado en la despolimerización de la hemicelulosa
junto con xilano (Lu y Mosier 2008).
A las 48 horas de reacción, existe diFerencia
signifcativa (Dunnett, p<0.05) entre el testigo y el
resto de los tratamientos donde se valoró las con-
centraciones del ácido, además a concentraciones
de 0.5 y 1 N no se apreciaron eFectos y coincide
con la inFormación del análisis realizado a 24 h de
reacción. En concentraciones de 2 y 3 N sí se tiene
eFecto del tratamiento (
Fig. 2
); esto puede ser debido
a que la extensión en el tiempo de reacción Favorece
el ataque del ácido hacia la hemicelulosa dentro de
la matriz del sustrato y se generen regiones amorFas
que Facilitan el proceso de hidrólisis con el paso del
tiempo. Romero
et al
. (2010) encontraron durante
la hidrólisis de los residuos de árboles de olivo un
proceso secuencial que inicia con la solubilización de
la hemicelulosa seguida de la celulosa. Hosseini
et al
.
(2009) propusieron un modelo en el que consideran
las siguientes etapas durante el pretratamiento: i) la
diFusión del agua dentro de las partículas de la made-
ra, ii) la reacción de hidrólisis sobre la hemicelulosa,
iii) la diFusión de los azúcares solubles (productos de
la reacción) hacia Fuera de las partículas de madera
en medio acuoso. Los mecanismos citados pueden
estar relacionados en los tratamientos de este trabajo
al comparar los experimentos de los controles en las
fguras 1 y 2
, sin embargo la incorporación del ácido
en conjunto con la extensión del tiempo de reacción
Favorecieron el tratamiento de hidrólisis al permitir
la diFusión del ácido a través del sustrato y la transFe-
rencia de masa (azúcares) del producto de la hidrólisis
hacia el medio acuoso. En sustrato similar, Chamy
et
al
. (2004) reportaron en pulpa de remolacha azuca-
rera las condiciones de hidrólisis; la concentración
del ácido sulFúrico de 0.72 N, 2 horas de reacción y
agitación de 400 rpm. Cabe destacar que el tiempo
de reacción en dicho reporte es menor al obtenido
en nuestros experimentos, sin embargo se invierte
14
12
10
8
6
Azúcares (g/L)
4
2
0
0
0.05
0.5
1
2
3
H
2
SO
4
(N)
Fig. 1.
EFecto de la concentración del ácido sobre la hidrólisis
de
Beta vularis
L. en 24 h de reacción
14
16
12
10
8
6
Azúcares (g/L)
4
2
0
0
0.05
0.5
1
2
3
H
2
SO
4
(N)
Fig. 2.
EFecto de la concentración del ácido sobre la hidrólisis
de
Beta vulgaris
L. en 48 h de reacción
AZÚCARES FERMENTABLES POR HIDRÓLISIS ÁCIDA DE
Beta vulgari
s L.
155
más energía en temperatura (80 ºC) y agitación (400
rpm). Para la concentración del ácido, las mejores
condiciones de hidrólisis son a 0.5 N, Chamy
et al
.
(2004) reportan 0.72 N, condiciones más ácidas que
las usadas en este trabajo. Aparentemente el mejor
resultado es con H
2
SO
4
a 3 N y 48 h, sin embargo, la
ganancia de azúcares totales es solo de 2 g/L sobre la
misma condición ácida evaluada a 24 h.
Efecto del sustrato
Al evaluar la masa, el volumen de reacción varió
debido a la incorporación del sustrato, para lo anterior
se realizó el ajuste para los cálculos de rendimiento.
En la
fgura 3
se aprecia el efecto de la masa en
cada uno de los tratamientos. Se puede observar la
liberación de azúcares totales cuanti±cada en g/L y
el porcentaje de hidrólisis (%).
En todos los tratamientos el ANOVA mostró
diferencias signi±cativas (p<0.05) para los azúcares
liberados (g/L) y fue con±rmado mediante la prueba
de comparaciones múltiples (Tukey HSD). Aunque el
incremento en la masa de sustrato mostró favorecer
los azúcares liberados (hasta 27 g/L), este no es un
parámetro real para decidir el mejor rendimiento y es
necesario realizar el análisis en función del porcentaje
de hidrólisis.
Para el porcentaje de hidrólisis, el análisis esta-
dístico
mostró diferencias signi±cativas entre dos
grupos de medias; la de los tratamientos de 5 a 10 g
con respecto a los superiores. De estos resultados,
seleccionamos 10 g de masa de sustrato al consi-
derar el máximo porcentaje de hidrólisis (28 %), el
cual corresponde a una relación sólido líquido (S/L)
de 15. El incremento en el porcentaje de azúcares
totales por efecto de la adición de masa durante los
experimentos fue el resultado de la interacción del
ácido sobre el sustrato, sin embargo se encontró un
límite de concentración del ácido para incrementar el
porcentaje de hidrólisis, debido a que posiblemente
no logró acceder a una mayor área dentro de la matriz
del sustrato o el tamaño de los azúcares es mayor
para ser incorporados al medio de reacción. Herrera
et al
. (2003) reportaron que durante la difusión de los
productos de reacción, algunos oligómeros grandes
no pueden pasar la matriz del sustrato y se quedan
retenidos en ella.
Algunos reportes han mostrado que los tamaños
de partícula in²uyen en la hidrólisis; en ±bras de
las que se obtiene el aceite de palma, el tamaño
de partícula óptimo para la liberación de xilosa en
presencia de ácido sulfúrico fue > 0.4 mm (Abdul
Aziz
et al
. 2002). Con cascarilla de arroz, el proceso
de conversión de xilosa a xilitol involucró un trata-
miento de hidrólisis en el que las condiciones ácidas
y diámetro de partícula de 5 a 8 mm presentaron el
mayor contenido de azúcares reductores (Herazo
et al
. 2009). Nigam (1994) reportó con remolacha
azucarera la hidrólisis y la fermentación de pulpa de
remolacha en la cual se evaluó el tamaño de partícula
de 1-1.2 mm. En este trabajo, la disminución del
tamaño de partícula a 5 mm incrementó la velocidad
de hidrólisis, lo anterior debido al incremento en el
área super±cial y el progresivo ataque del ácido hacia
las partículas (matriz) del sustrato.
Efecto de la agitación sobre la hidrólisis de Beta
vulgaris L.
Al evaluar la agitación, el porcentaje de hidrólisis
indicó que existen diferencias signi±cativas (p<0.05)
entre los tratamientos. Se realizó la comparación de
medias en el que se encontró que entre 0, 100 y 150
rpm no existe efecto del tratamiento; posterior a 150
rpm, 200 y 250 rpm existen diferencias. Debido a que
se tienen dos per±les en la agitación se buscó el punto
de in²exión y se determinó que la agitación de 150
rpm o inferior tiene mejor resultado en la obtención
de azúcares totales (
Fig. 4
). Chamy
et al
. (2004) re-
portaron como la mejor velocidad de agitación para
la liberación de azúcares 400 rpm. En las pruebas
realizadas a velocidades de agitación entre 250 y 400
rpm (datos no incluidos) no se encontró dicho efecto
y la inversión de energía por el incremento de la
agitación no bene±ció el proceso global de hidrólisis.
En los tratamientos donde se evaluó el efecto de
la agitación se encontró efecto en la liberación de
azúcares sobre cada uno de los testigos. Sin embar-
go, durante la hidrólisis de los tratamientos en los
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Hidrólisis (%)
0
5
5
10
20
30
40
Sustrato (g)
10
15
20
25
30
35
Azúcares totales (g/L)
Hidrólisis (%)
g/L
Fig. 3.
Per±les de la hidrólisis del sustrato
D. Jiménez Islas
et al.
156
que se valoró la agitación en medio ácido a 0, 100
y 150 rpm no se observaron efectos, por tal motivo,
se planteó valorar sistemas con agitación y sin agi-
tación (
Fig. 5
). En los experimentos realizados con
tiempo de reacción de 0.5 h sí hubo diferencia entre
los sistemas agitados y no agitados. Pero con el in-
cremento del tiempo de reacción la diferencia entre
los tratamientos se reduce hasta casi ser nula. Con
base en este último experimento, se puede prescindir
de la agitación y ahorrar energía por este concepto.
En este experimento (con y sin agitación,
Fig. 5
),
se cuantiFcó mayor contenido de masa seca, lo que
incrementó la hidrólisis en todos los tratamientos
cerca de 2 veces más el contenido inicial encontrado
en los experimentos mostrados en la
fgura 4
, pero
sin afectar el comparativo debido a que se realizó
con un mismo lote para cada prueba.
Efecto de la temperatura
Con los experimentos realizados a diferentes
temperaturas (90 ºC y 50 ºC, en ausencia de ácido)
se obtuvieron rendimientos de 18.85 y 8.4 %, res-
pectivamente. Entre ambas temperaturas existió una
diferencia de 10.45 %, lo que evidencia el efecto
de la temperatura sobre la hidrólisis. Valorando el
efecto combinado de las mismas temperaturas y la
incorporación de ácido en la reacción, se observó
que existe efecto sobre la ganancia de hidrólisis. En
los experimentos realizados a 50 ºC, en los que se
incorporó ácido en el medio de reacción, se incre-
mentó el porcentaje de hidrólisis de 8.4 a 19.5 %, que
corresponde a 57 % con respecto al testigo (
Fig. 6
).
Este resultado se usó para determinar que 50 ºC se
usaría como la temperatura de hidrólisis adecuada
para este sustrato, aunque se reduce en el proceso 3
g/L de azúcares totales, justiFcándose en la inver-
sión de energía. Romero
et al
. (2010) encontraron
durante la valoración del efecto de la temperatura
que es a 90 ºC cuando se tiene una mejor hidrólisis
al comparar con lo obtenido a temperaturas inferiores
(60, 70 y 80 ºC). En este caso la tendencia es la mis-
ma, sin embargo manejar los tratamientos a menor
temperatura en combinación con los factores tiempo,
masa y concentración del ácido puede redituar en
mejor hidrólisis.
A partir del diseño de experimentos, se valoró el
efecto de la temperatura, el tiempo de reacción y la
15
12
Hidrólisis testigo
Hidrólisis en ácido
9
6
3
0
0
100
150
200
250
rpm
Hóidrlisis (%)
Fig. 4.
Efecto de agitación sobre la hidrólisis de
Beta vulgaris
L (
testigo,
con ácido)
27
24
21
18
15
Hidrólisis (%)
12
9
6
3
0
0
0.1
0.2
H
2
SO
4
(N)
Media hora 150 rpm
Hora y media 150 rpm
Hora y media 0 rpm
Media hora 0 rpm
Una hora 150 rpm
Una hora 0 rpm
0.3
0.4
0.5
Fig. 5.
Tratamientos con agitación y sin agitación durante la
hidrólisis de
Beta vulgaris
L.
0
0
5
10
15
Hidrólisis (%)
20
25
Hidrólisis a 50 ºC
Hidrólisis a 70 ºC
Hidrólisis a 90 ºC
0.05
H
2
SO
4
(N)
Fig. 6.
Efecto de la temperatura sobre el porcentaje de hidrólisis
AZÚCARES FERMENTABLES POR HIDRÓLISIS ÁCIDA DE
Beta vulgari
s L.
157
concentración del ácido sobre la cantidad de azúcares
liberados. Con el incremento de la temperatura de
30 a 40 ºC el porcentaje de hidrólisis pasó de 22 a
26.5 % (
Fig. 7
). Para los ensayos realizados a 30 ºC
se consideraron como las mejores condiciones para la
hidrólisis: concentración de 0.1 N de ácido y tiempo
de reacción de 4 y 6 h. Para los ensayos realizados a
40 ºC las mejores condiciones de hidrólisis se tuvie-
ron a 6 h y concentración de ácido sulfúrico de 0.5
N, condiciones ácidas superiores que a 30 ºC pero
con mayor rendimiento de hidrólisis.
El análisis estadístico mostró que a 30 ºC y tiempo
de reacción de 2 y 4 h se tiene efecto signi±cativo
del tratamiento; y con 6 h de reacción se tiene efec-
to similar al de 4 h. El análisis entre grupos arrojó
que las interacciones de ácido-tiempo-temperatura
tienen mayor efecto signi±cativo en los tratamientos
realizados a 30 ºC sobre los generados a 40 y 50 ºC
(
Figs. 7
y
8
). Es probable que lo anterior se deba al
poco tiempo de reacción y la escasa área super±cial
para el ataque del ácido. En los resultados mostrados
en la
fgura 8
, se puede apreciar la interacción de los
factores (curvatura) concentración del ácido y tiempo
de reacción, sin embargo la temperatura de 50 ºC
tuvo concentración similar de azúcar con respecto a
40 ºC. Se observa un mínimo de 16 (0.1-0.15 N) y
un máximo de 24 % (0.47-0.5 N).
En este tratamiento se puede observar que los
parámetros de agitación, tiempo, concentración del
ácido y concentración del sustrato tienen efecto
sobre el rendimiento neto de la hidrólisis y puede ser
comparado con los tratamientos individuales las expe-
riencias previas al establecimiento de las condiciones
de hidrólisis (Excepto a los de la
fgura 5
, donde la
concentración de la masa fue superior).
Las condiciones de hidrólisis propuestas buscan
reducir el consumo energético por agitación y tempe-
ratura, además de disminuir los compuestos inhibito-
rios generados a condiciones extremas de hidrólisis,
aunados a la cantidad de reactivo para neutralizar
antes de fermentar. Por otro lado,
Beta vulgaris
L.
es un candidato propicio para ser considerado como
sustrato alterno a los materiales lignocelulósicos
como pajas y bagazos, donde su complejidad estruc-
tural di±culta los procesos de hidrólisis y disminuye
el rendimiento de azúcares simples y por lo tanto el
rendimiento neto de etanol.
CONCLUSIONES
El pretratamiento con ácido sulfúrico a concen-
traciones superiores a 0.5 N no tiene efectos signi-
±cativos (p< 0.05) sobre el proceso de liberación
de azúcares. En la agitación, velocidades inferiores
a 150 rpm no tienen efecto sobre la hidrólisis. La
relación sólido:líquido de 1:15 y temperatura de
40 ºC generaron el mayor rendimiento de hidrólisis.
El tiempo de reacción es un parámetro ponderante
sobre la hidrólisis y se deben establecer experimentos
bajo condiciones ácidas diluidas y menor inversión
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
Hidrólisis (%
)
Tiempo (h
)
H
2
SO
4
(N
)
Fig. 7.
Hidrólisis de
Beta vulgaris
L
a 30 y 40 ºC (super±cie de
respuesta en negro y gris respectivamente), 150 rpm y
10 g de masa
Fig. 8.
Hidrólisis de
Beta vulgaris
L a 50 ºC, 150 rpm y 10 g
de masa. Los diferentes niveles de azúcares liberados se
muestran como curvatura de la grá±ca
19
19
19
18
18
18
17
17
1
6
20
20
20
21
21
Tiempo (h)
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
H
2
SO
4
(N)
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
D. Jiménez Islas
et al.
158
de energía por la incorporación de temperatura y
agitación en el proceso. Bajo estas condiciones no se
encontraron compuestos inhibitorios como los fenó-
licos, lo que beneFciará el proceso de fermentación.
AGRADECIMIENTOS
Al fondo ±omix-Hidalgo 2008-98068, a la beca
proporcionada al alumno Donaji Jiménez Islas
REFERENCIAS
Abdul Aziz A., Das K., Husin M. y Mokhtar A. (2002). Ef-
fect of physical and chemical pre-treatments on xylose
and glucose production from oil palm press Fbre. J.
Oil Palm. Res. 14, 10-17.
Amin G. y Khalaf Allah A. M. (1992). By-products formed
during direct conversion of sugar beets to ethanol by
Zymomonas mobilis
in conventional submerged and
solid-state fermentations. Biotechnol. Let. 14, 1187-
1192.
Balat M., Balat H. y Öz C. (2008). Progress in bioethanol
processing. Prog. Energy Combust. Sci. 34, 551-573.
Binder J. B. y Raines R. T. (2010). ±ermentable sugars by
chemical hydrolysis of biomass. PNAS 107, 4516-4521.
Brethauer S. y Wyman C. E. (2010). Review: Continuous
hydrolysis and fermentation for cellulosic ethanol pro-
duction. Bioresour. Technol. 101, 4862-4874.
Chakiath C., Lyons M. J., Kozak R. E. y Craig S. L. (2009).
Thermal stabilization of
Erwinia chrysanthemi
pectin
methylesterase A for application in a sugar beet pulp
bioreFenry. Appl. Environ. Microbiol. 75, 7343-7349.
Chamy R., Illanes A., Aroca G. y Nuñez L. (1994). Acid
hydrolysis of sugar beet pulp as pretreatment for fer-
mentation. Bioresour. Technol. 50, 149-152.
Chandel A. K., ES C., Rudravaram R., Narasu M. L., Rao
L. V. y Ravindra P. (2007). Economics and environ-
mental impact of bioethanol production technologies:
an appraisal. Biotechnol. Mol. Biol. Rev. 2, 14-32.
Dubois M., Gilles K. A., Hamilton J. K., Rebers P.A. y
Smith ±. (1956). Colorimetric method for determina-
tion of sugars and related substances. Anal. Chem.
28, 350-356.
±ernandes S., Murray P. G. y Touhy M. G. (2008). Enzyme
systems from the thermophilic fungus
Talaromyces
emersonii
for sugar beet bioconversion. Bioresources.
3, 898-909.
±oster B. L., Dale B. E. y Doran-Peterson B. (2001).
Enzymatic hydrolysis of ammonia-treated sugar beet
pulp. Appl. Biochem. Biotechnol. 91-93, 269-282.
Gibbons W. R. y Westby C. A. (1986). Effects of inocu-
lums size on solid-phase fermentation of fodder beets
for fuel ethanol production. Appl. Environ. Microbiol.
52, 960-962.
García M. C. (2008). Producción de biodiesel mediante
fermentación en estado sólido de compuestos lignoce-
lulósicos derivados del bagazo de remolacha. Corpoica
9, 66-72.
Herazo I. C., Ruiz D. y Arrazola G. S. (2009). Biocon-
versión de xilosa a xilitol por
Candida guilliermondii
empleando cascarilla de arroz (
Oriza sativa
). Temas
Agrarios 14, 1-18.
Herrera A., Téllez-Luis S. J., Ramírez J. A. y Vázquez
M. (2003). Production of xylose from sorghum straw
using hydrochloric acid. J. Cereal Sci. 37, 267-274.
Hosseini S. A. y Shah N. (2009).Multiscale modeling of
biomass pretreatment for biofuels production. Chem.
Eng. Res. Des. 87, 1251-1260.
Kumar L. N. V., Dhavala P., Goswami A., Maithel S.
(2006). Liquid biofuels in South Asia: resources and
technologies. ABDR 8, 31-49.
Lu Y. y Mosier N.S. (2008). Kinetic modeling analysis of
maleic acid-catalyzed hemicellulose hydrolysis in corn
stover. Biotechnol Bioeng. 101, 1170-1181.
Nigam P. (1994). Processing of sugar beet pulp in si-
multaneous sacchariFcation and fermentation for the
production. Process Biochem. 29, 331-336.
Pedersen M., Viksø-Nielsen A. y Meyer A. S. (2010).
Monosaccharide yields and lignin removal from
wheat straw in response to catalyst type and pH dur-
ing mild thermal pretreatment. Process Biochem. 45,
1181-1186.
Romero I., Ruiz E., Castro E. y Moya M. (2010). Acid
hydrolysis of olive tree biomass. Chem. Eng. Res.
Des. 88, 633-640.
Sánchez Ó. J. y Cardona C. A. (2008). Trends in biotech-
Trends in biotech-
nological production of fuel etanol from different feed-
stocks. Bioresour. Technol. 99, 5270-5295.
Soriano S. J., ±ranco Z. M. E., Pelayo Z. C., Armella V.
M. A., Yáñez L.M.L. y Guerrero L. I. (2007). Carac-
terización parcial del pigmento rojo del fruto de la
jiotilla”(
Escontriachiotilla
[Weber] Briton& Rose).
AMIDIQ. 6, 19-25.
Taherzadeh M. y Karimi K. (2008). Pretreatment of
lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas
production: A review. Int. J. Mol. Sci. 9, 1621-1651.
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