SACARIFICACION DEL ALMIDON En la industria alimentaria, las enzimas se utilizan para recuperar subproductos, para facilitar la fabricación, para mejorar mejorar el aroma y para estabilizar la calidad de los alimentos. El número total de enzimas de interés para este tipo de industria es básicamente limitado si se compara con los millares de enzimas que han sido estudiadas. Las enzimas enzimas mas utilizadas ut ilizadas son las carbohidrasas, las proteasas y las lipasas. Se emplean también unas pocas oxidorreductasas y una sola isomerasa. La mayoría de estas enzimas son de origen microbiano, y solo unas pocas proceden de animales o vegetales superiores.
Normalmente, Normalmente, las enzimas solubles solubles son desactivadas desactivadas por el calor, una vez que el el tratamiento del alimento se da por el calor, una vez que el tratamiento del alimento se da por concluido. En ocasiones se permite que continúe su actividad para que desarrollen el aroma y la textura deseados, pero nunca se reutilizan. Los recientes avances en tecnología enzimática han conducido ala preparación de enzimas, células microbianas u orgánulos celulares inmovilizados que, en principio, pueden ser recuperados del medio de reacción para volver a ser utili zados.
1. Hidrólisis del almidón La obtención industrial de glucosa se produce fundamentalmente fundamentalmente mediante hidrólisis enzimática del almidón. El proceso enzimático es mas conveniente que la hidrólisis acida, ya que los rendimientos son mayores, se producen menos productos secundarios y, por tanto, el coste económico es menor. El almidón se distribuye en los vegetales como pequeños gránulos que varían de tamaño y forma según sea su origen el almidón de maíz es el mas utilizado en todo el mundo, aunque en los países se recurre a otras fuentes como el trigo, la tapioca o el arroz.
La mayoría de estos almidones están constituidos por una mezcla de amilosa y amilopectina. La amilosa es un polímero lineal de unidades de glucosa (hasta 6.000) unidas por enlances glicosidicos α-(1, α-(1, 4). La amilopectina es un polímero muy ramificado con cadenas cortas de amilosa(10-60 amilosa(10-60 unidades de glucosa) unidas por enlace α-(1, α -(1, 6).Aquellas enzimas capaces de hidrolizar estos enlaces α-(1, α -(1, 6) han despertado gran interés por su capacidad para hidrolizar totalmente el almidón en glucosa (figura 4.2).
La hidrólisis del almidón se puede plantear principalmente:
1. En procesos en los que sea necesario eliminar el almidón; por ejemplo, en el procesado de la caña de azúcar. 2. En procesos enlos que se obtenga un hidrolizado de utilidad para el hombre, como la obtención de los jarabes ricos en glucosa.
En ambos tipos de procesos se emplean enzimas de diferentes clases. Esta hidrólisis enzimática sucede en tres etapas (Figura 4.3):
a. Gelatinización: sucede a 60'C, temperatura a la cual las partículas de almidón se hinchan hasta que finalmente se rompen. Como consecuencia se obtiene una suspensión de carácter viscoso. A continuación se añade una o-amilasa (EC 3.2.1 .1) termoestable de Bacillus subtilis que hidroliza parcialmente el almidón, reduciendo la viscosidad. De esta manera se obtiene un preparado gelatinoso (30-357o de sólidos) que se someterá a una licuefacción posterior.
b. Licuefacción: cuyo objetivo es la obtención de dextrinas de menor tamaño y solubles. En esta segunda etapa se emplean las α-amilasas termoestables de Bacillus stearorhermophilus y Bacillus licheniformes a 103-107 ºC durante 5-10 minutos. Posteriormente se disminuye la temperatura a 95ºC y el tratamiento continúa durante tres horas para permitir la obtención de oligosácáridos de 8- 12 unidades de glucosa, que son los sustratos adecuados para la etapa posterior.
c. Sacarificación: finalmente, se consigue la hidrólisis total del almidón en glucosa durante la sacarificación. En esta última etapa se emplean glucoamilisas (EC 3.2.1.3), enzimas extracelulares producidas por Aspergillus niger o Aspergillus awamori, capaces de hidrolizar enlaces α-(1, 6) del alrnidón y de los maltooligosacáridos. Estas enzimas se suelen emplear en combinación con la pululanasa de B. acidopulullulyticus (EC 3.2.1 .41) o enzima desramificante del almidón, que ataca específicamente los enlaces glucosídicos α-(1,6).
Para conocer el grado de hidrólisis del almidón durante las diferentes etapas se recurre a la expresión “equivalentes de dextrosa” (DE), que es igual a:
DE = 100 x [ nº de enlaces glicosidicos hidrolizados / nº de enlaces glicosidicos totales ] La glucosa pura tiene una DE=100, mientras que la maltosa pura tiene un DE=50 y el almidón tiene un valor de DE=0. Durante la hidrólisis del almidón el DE aumenta, y así el almidón licuado con un DE=8-12 es apto para la sacarificación, donde se obtendrá un jarabe con un DE=45-98 . Los jarabes ricos en glucosa tienen un valor DE=97 aproximadamente y se emplean en la preparación de bebidas refrescantes y caramelos, en panadería y en destilerías. Las α-amilasas de origen fúngico son menos estables al calor que las bacterianas, pero se emplean mucho en la producción de jarabes ricos en maltosa a partir del almidón. Estos jarabes (DE=40-50) contienen un 45-60% de maltosa y un 2-7% de glucosa, no son higroscópicos y no cristalizan tan fácilmente como los jarabes ricos en glucosa. Se emplean para la preparación de caramelos, mermeladas y postres congelados por su resistencia a la aparición de color.
Los jarabes ricos en fructosa son empleados como edulcorantes en bebidas refrescantes, conservas, salsas, yogures y frutas enlatadas. La fructosa posee un 120-180 % del poder edulcorantes de la glucosa, y es menos cara que la sacarosa. La glucosa isomerasa (EC 5.3.1.5),
enzimas que cataliza la conversión de la glucosa en fructosa, es producida por diferentes microorganismos como el Bacillus coagulans, Actinoplanes missouriensis, Streptococcus olivaceus, etc.
Enzimas inmovilizadas en la hidrólisis del almidón
En la obtención de los jarabes ricos en glucosa se han introducido las enzimas hidroliticas del almidón en forma inmovilizada. La inmovilización covalente de la α-amilasas de Bacillus licheniformis en soporte formados por polímeros de alcohol polivinilico ha originado derivados enzimáticos de gran utilidad para la hidrólisis continua del almidón. En la inmovilizacion de las α- amilasas se han empleado con éxito otros soportes como poliamidas, microesferas e hidrogeles. Por otra parte, en la inmovilización de la amiloglucosidasa
se han empleado
soportes como partículas de hueso, laminas de colágeno y en polímeros de poliuretano.
Los jarabes ricos en fructosa se obtienen industrialmente por isomerización de los jarabes de glucosa mediante la utilización de una glucosa isomerasa inmovilizada. Esta enzima, tras su purificación, se puede inmovilizar en una resina celulósica, o bien cristalizar y reticular posteriormente.
2. Hidrólisis de la sacarosa La sacarosa se puede hidrolizar en glucosa y fructosa mediante ácidos o enzimáticamente por acción de invertasa (EC 3.2.1.26) de Saccharomyces cerevisae (figura 4.4). El producto obtenido se denomina “azucares invertido” y es mas estable que los jarabes de glucosa, ya que no suele cristalizar. Se utiliza en pastelería para mantener la humedad y también evitar la aparición de paladar arenoso en las mermeladas.
La invertasa de la levadura ha sido inmovilizada mediante atrapamiento en alginato, en gelatina y en fibras de triacetato de celulosa. Los biocatalizadores obtenidos tienen una actividad y estabilidad satisfactoria en el proceso de obtención del azúcar invertido, especialmente a altas
concentraciones de sacarosa (> 20% p/p), en las que esta enzima muestra una gran inhibición por sustrato.
3. Hidrolisis de la celulosa La celulosa es le material orgánico más abundante en la Naturaleza y a diferencia de otras fuentes potenciales de energía, es renovable. Actualmente se producen enormes cantidades de desechos de celulosa en forma de paja, serrín, etc., que se podrían transformar en glucosa con la tecnología enzimática adecuada. La glucosa así obtenida se podría utilizar como edulcorante, fuente de energía o ser transformada en eta nol. La hidrolisis de la celulosa (Figura 4.5) puede realizarse por acción de las celula sas (por ejemplo, de Aspergillus niger o Trichoderma reseei), complejo enzimático que incluye varias enzimas: una endo-β-1,4-glucanasa (EC 3.2.1.4), una glucan 1,4-β-glucosidasa (EC 3.2.1.74) y una celulosa 1,4-β -celobiosidasa (EC 3.2.1.91). Actualmente las aplicaciones de las son variadas:
1. Facilita Ia clarificación de los zumos. 2. Mejora el rendimiento en la extracción de aceites esenciales y especias. 3. Mejora las propiedades de cocción y rehidratación de los vegetales deshidratados. 4. origina azucares fermentables en los residuos de maceración de la uva y la manzana.
Se ha conseguido inmovilizar celulasas de diversos microorganismos con el fin de obtener azucares fermentables a partir de materiales celulósicos.
SACARIFICACIÓN DE LA MADERA Madera La madera es un material ortotrópico encontrado como principal contenido del tronco de un árbol. Los árboles se caracterizan por tener troncos que crecen cada año y que están compuestos por fibras de celulosa unidas con lignina. Las plantas que no producen madera son conocidas como herbáceas.
La composición de la madera En composición media se compone de un 50% de carbono (C), un 42% de oxígeno (O), un 6% de hidrógeno (H) y el 2% de resto de nitrógeno (N) y otros elementos. Los componentes principales de la madera son la celulosa, un polisacárido que constituye alrededor de la mitad del material total, la lignina (aproximadamente un 25%), que es un polímero resultante de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos y que proporciona dureza y protección, y la hemicelulosa (alrededor de un 25%) cuya función es actuar como unión de las fibras. Existen otros componentes minoritarios como resinas, ceras, grasas y otras sustancias.
Celulosa
Es un polisacárido estructural formado por glucosa que forma parte de la pared de las células vegetales. Su fórmula empírica es (C 6H10O5)n, con el valor mínimo de n = 200.Sus funciones son las de servir de aguante a la planta y la de darle una protección vegetal. Es muy resistente a los agentes químicos, insoluble en casi todos los disolventes y además inalterable al aire seco, su temperatura de astillado a presión de un bar son aproximadamente unos 232,2 °C.
Función de la celulosa
La celulosa es un polisacárido estructural en las plantas ya que forma parte de los tejidos de sostén. La pared de una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa; la madera un 50 %, mientras que el ejemplo más puro de celulosa es el algodón con un porcentaje mayor al 90%. A pesar de que está formada por glucosas, los animales no pueden utilizar la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con la enzima necesaria para romper los enlaces β-1,4glucosídicos; sin embargo, es importante incluirla en la dieta humana (fibra dietética) porque al mezclarse con las heces, facilita la digestión y defecación, así como previene los malos gases. En el intestino de los rumiantes, de otros herbívoros y de termitas, existen microorganismos, muchos metanógenos, que poseen una enzima llamada celulasa que rompe el enlace β-1,4glucosídico y al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las glucosas como fuente de energía. Hay microorganismos (bacterias y hongos) que viven libres y también son capaces de hidrolizar la celulosa. Tienen una gran importancia ecológica, pues reciclan materiales celulósicos como papel, cartón y madera. De entre ellos, es de destacar el hongo Trichoderma reesei, capaz de producir cuatro tipos de celulasas: las 1,4-β-D-glucancelobiohirolasas CBH i y CBH II y las endo-1,4-β-D-glucanasa EG I y EG II. Mediante técnicas biotecnológicas se producen esas enzimas que pueden usarse en el reciclado de papel, disminuyendo el coste económico y la contaminación.
Sacarificación (Del lat. saccharum, azúcar, y facere, hacer.) Proceso por el cual se transforman mediante hidratación las sustancias sacarígenas en azúcar. En el caso de la cerveza, la sacarificación del almidón presente en los granos de cereal en maltosa se realiza durante el proceso de malteado del grano. Este es un paso previo imprescindible para que se pueda dar la fermentación alcohólica.
LA SACARIFICACIÓN DE LA MADERA M emoria preparada a soli citu d de la F AO en r elaci ón con la labor del Cuadr o Té cni co sobre Quími ca de la M adera Pocos procesos de química industrial cuentan con una historia que pueda compararse a la de la sacarificación de la madera. Desde los albores de la química orgánica, los hombres de ciencia
quedaron intrigados por el hecho de que la mayor parte de los residuos celulósicos está compuesta en sus dos terceras partes por hidratos de carbono, que, sometidos a un adecuado tratamiento, pueden convertirse en azúcares útiles como alimento o para la preparación de productos químicos. No obstante las esperanzas de un tiempo y la profusión de investigaciones y de trabajos de perfeccionamiento, la sacarificación de la madera no condujo a los resultados que se esperaban. En realidad, su historia es más bien desalentadora, con una serie de fracasos económicos de importancia, pero en nuestros días se abrigan esperanzas de éxito no menores que las de otros tiempos, considerándose cancelados los errores pasados dada su escasa trascendencia para el futuro. Tanto los hombres de ciencia como los industriales admiten que en los residuos celulósicos se encuentra una vasta fuente potencial de alimentos y de productos químicos. «La hidrólisis de la celulosa para obtener glucosa y oligosacáridos simples se convertirá en un factor económico predominante... Los subproductos celulósicos tendrán cada vez un mayor campo de aplicación como materias primas para obtener productos alifáticos simples mediante procedimientos químicos y biológicos... Si se dirige una mirada al futuro podrá verse que la celulosa, que es el más abundante de todos los productos fotosintéticos, llegará a ser una de las materias primas más útiles para el hombre. La provisión de ésta va renovándose por medios naturales, mientras que otros materiales almacenados a lo largo de siglos se agotan de continuo». No parece descaminado suponer que, dados los medios tecnológicos con que hoy se cuenta y gracias a una adecuada labor de investigación, podrá llegarse a procesos de elaboración que permitan un eficaz aprovechamiento de los residuos celulósicos. La importancia de hallar tales procesos de elaboración puede juzgarse considerando sus consecuencias posibles. Probablemente, el efecto de mayor importancia y alcance de un proceso económico de sacarificación sería su repercusión sobre la ordenación y aprovechamiento de los montes. Podrían entonces talarse los montes improductivos y repoblarlos con árboles de buen rendimiento para la obtención de madera, pasta y residuos celulósicos para la conversión química. Este aspecto por sí solo tiene consecuencias de gran alcance y justifica la dedicación al mismo de una intensa labor de investigación. Los residuos celulósicos, considerados como materia prima químico, son una fuente de azúcares hexosos y pentosos. La porción principal, las hexosas, son equivalentes al azúcar obtenido de las fuentes ordinarias. Las pentosas, en cambio, son únicas, ya que, a partir de ellas, puede obtenerse el furfurol, producto químico que no se obtiene de otras fuentes. Los pentosanos
contenidos en las mazorcas de maíz desgranadas (zuros) y en el bagazo constituyen ahora la fuente principal de furfurol. No obstante, el contenido de pentosanos en la madera es demasiado bajo para justificar una inversión económica basada en este solo producto. Las breves consideraciones que anteceden nos llevan a la conclusión de que, si bien pueden conseguirse beneficios indirectos ideando un proceso de sacarificación técnicamente posible, el factor decisivo será siempre de tipo económico. Para que pueda considerarse de valor, el proceso industrial debe permitir la producción de azúcar a un precio que compita con el del azúcar o el de las melazas de cofia en el lugar en que se aplique.
Elementos constitutivos de la madera El volumen y naturaleza de los azúcares que puedan obtenerse de la madera, así como los procesos que exige la necesaria hidrólisis, vienen determinados por los polisacáridos de la madera. El principal polisacárido en todos los materiales de plantas leñosas es la celulosa, análoga desde el punto de vista químico y físico al algodón hidrófilo en el sentido de que es fibrosa, posee una alta resistencia a los álcalis y es muy difícil de hidrolizar con producción de glucosa. Las hemicelulosas se hallan presentes en la madera y en otros materiales celulósicos en una proporción aproximada de un tercio de los hidratos de carbono totales. La hemicelulosa es amorfa y, por carecer de una organización cristalina, se hidroliza con mucha mayor facilidad que la celulosa. Si el total de hidratos de carbono de la madera pudiera hidrolizarse con la misma facilidad que la hemicelulosa, no habría lugar a dudas en cuanto a la inmediata y amplia utilidad industrial de la sacarificación de la madera. Los azúcares componentes del producto final de la degradación hidrolítica de 20 especies diferentes de madera fueron determinados por Gustafsson y sus colaboradores (19), según los cuales, todas las especies de madera investigadas contienen glucosano, galactano, manano, arabano y xileno. La proporción de galactano, basada en el azúcar total producido por hidrólisis de especies coníferas, varía entre un 6,0 y un 17,5 por ciento, y la de manano entre un 7,5 y un 16,0 por ciento. Los valores correspondientes para especies frondosas son de 1,0 a 4,0 por ciento y de 0,5 a 4,0 por ciento, respectivamente. El contenido de xileno de las especies coníferas varía entre un 9,0 y un 13,0 por ciento, y el de las especies frondosas entre un 19,5 y un 39,0 por ciento. El contenido de arabano es bajo en todos los casos, y solamente excede del 3 por ciento para tres de las especies coníferas. La composición de los hidratos de carbono de una
especie determinada no se mantiene estrictamente constante, pero las variaciones presentes no bastan a borrar las diferencias características observadas entre las coníferas y las frondosas. La lignina es el principal elemento constitutivo de la madera y de otras plantas, distinto de los hidratos de carbono. En esencia es un material aromático de alta polimería, y la mayor parte del mismo se obtiene por procedimientos hidrolíticos como residuo insoluble, en la proporción del 20 al 30 por ciento de la madera tratada. La química de la lignina ha sido estudiada recientemente con todo detalle por Brauns (5). A pesar de que la lignina no ha tenido mucha aplicación hasta ahora, podría muy bien resultar la clave de algún futuro y satisfactorio proceso de elaboración para el aprovechamiento combinado de residuos celulósicos.
PRETRATAMIENTOS
DE
LA
CELULOSA
Y
BIOMASA
PARA
LA
SACARIFICACIÓN . RESUMEN La biomasa celulósica se ha vuelto un producto interesante para ser aprovechada como materia prima en la fabricación de biocombustibles, especialmente el etanol. El paso crítico en su conversión a etanol, implica la degradación de los polisacáridos a azúcares fermentables, en un proceso denominado sacarificación. La celulosa, el componente principal de la biomasa, es un polisacárido de difícil degradación en condiciones de tratamiento moderadas. Las investigaciones más recientes en el campo de los biorecursos, se han enfocado hacia el desarrollo de ciertos pretratamientos de la biomasa o la celulosa bajo los cuales se logra que estos materiales sean de más fácil degradación a azúcares fermentables. El presente artículo resume los resultados más sobresalientes, sin ser exhaustivos, de los pretaratimentos de la celulosa y la biomasa para su conversión a productos fermentables por la ruta etanólica.
1.- INTRODUCCIÓN La celulosa es el compuesto orgánico de mayor abundancia en la naturaleza, de gran importancia a nivel biológico y un polímero de interés industrial. Químicamente es un polímero de la D-
-1,4; disposición que la hace estable, además
de poseer enlaces de hidrógeno que une sus moléculas entre sí, confiriéndole sus conocidas propiedades como material estructural de la pared celular. Su transformación y aprovechamiento como fuente de diversos productos ha sido analizada a los largo de los años. Esta molécula y sus fuentes se han hecho muy atractivos desde el punto de vista energético [7, 8], pues puede ser degradada para la obtención de glucosa y su posterior fermentación etanólica. Este proceso puede resultar sencillo, sin embargo, la acción de los agentes degradantes es limitada de acuerdo al grado de ordenamiento cristalino del polímero y
la severidad del tratamiento extractivo desde alguna biomasa en particular. La degradación se realiza mediante una hidrólisis ácida que suele ser de alto rendimiento, o por la acción de agregados enzimáticos con rendimientos más discretos. En vista a que la cristalinidad juega un papel importante en la hidrólisis de este material, han sido varias las publicaciones referentes al tema en las que se hacen tratamientos específicos con el objeto de incrementar las regiones amorfas del material que son de más fáciles de convertir en glucosa o en otros azúcares fermentables. Existen dos tipos principales de pretratamientos, el primero se inicia en el propio material lignocelulósico, mientras que el segundo inicia en el tratamiento de la pulpa celulósica o de la celulosa con alto grado de pureza. Los materiales lignocelulósicos están integrados principalmente de tres constituyentes poliméricos: la celulosa, hemicelulosas (que en conjunto se les llama holocelulosa) y lignina los cuales están asociados los unos con los otros y son los que finalmente sirven de soporte estructural a la pared celular. La celulosa es un homopolímero polidisperso consistente en uniones glicosídicas α-1,4, regio y enantioselectivas de unidades de D-glucopiranosa. Para efectos de representación estructural y descripción de sus propiedades químicas, la celulosa puede resumirse en treinta unidades de dehidroglucosa. Cada cadena de celulosa está ligada a otras mediante enlaces de hidrógeno que le que aportan rigidez al material. Si los enlaces de hidrógenos son pocos la celulosa se considera amorfa, mientras que una disposición especial de estos enlaces generan diferentes formas cristalinas. Así, la celulosa puede presentarse en cuatro macroestructuras cristalinas denominadas celulosa I, II, III, y IV. La celulosa I es la que normalmente se encuentra en la pared celular. La clase II, es la más termodinámicamente estable y resulta de la recristalización de la I o de su mercerización en solución de hidróxido de sodio. Estás dos son las más importantes al considerar los pretratamientos. Las hemicelulosas son carbohidratos que forman una estructura polimérica compleja, ramificada que consiste en la unión de diferentes unidades de azúcares: pentosas, hexosas y ácidos de estos azúcares. La hemicelulosa suele ser un polímero de menor masa molar que la celulosa y más fácilmente hidrolizable debido a su estructura predominantemente amorfa. Las hemicelulosas, al igual que la celulosa, se han perfilado como fuente de azúcares. La lignina, es el segundo componente en abundancia, es un polímero ramificado, amorfo y heterogéneo constituido por unidades de fenilpropano (p-coumaril, coniferil and alcohol sinapílico) unidos por diferentes clases de enlaces, su función en el ámbito estructural, es el de mantener unidos la celulosa y las hemicelulosas entre sí.
2.- PRETRATAMIENTOS Se le denomina pretratamiento al conjunto de acciones para mejorar el rendimiento en la obtención de azúcares fermentables desde la biomasa inicial. Cualquier mejora que se haga en
los procesos mostrados debe reflejarse en un mayor rendimiento y economía en la obtención de etanol. En general, existen dos formas de manejo de la biomasa lignocelulósica para preparación de azúcares fermentables. El primero de ellos, tiene como objeto la conversión de la biomasa lignocelulósica indirectamente, obteniéndose holocelulosa y lignina por separado (aquí se pueden incluir los productos papeleros), material que luego se degrada a un sustrato fermentable. Cabe destacar, que los métodos empleados en la ruta b involucra, en la mayoría de los caso, la digestión de productos no madereros mientras que los propuestos para la ruta a, son empleados comúnmente para la digestión de maderas. La biomasa lignocelulósica suele ser un sistema recalcitrante debido a la fuerte unión entre los constituyentes de la pared celular. Los pretratamientos están orientados hacia la modificación de la estructura supramolecular y de esta manera separar la lignina y la holocelulosa y/o la hidrólisis de la holocelulosa en azúcares fermentables. Adicionalmente, los pretratamientos pueden limitarse, simplemente, a generar un aumento de las regiones amorfas de la celulosa lo que conlleva a la mejora de la hidrólisis, lo que constituye los pretratamientos.
2.1. Pretratamiento de la celulosa A la celulosa extraída de la biomasa de la cual se ha removido la mayoría de compuestos que la acompaña se le aplica un pretratamiento para reducir su cristalinidad . Estos pretratamientos, enmarca las metodologías tradicionales en la cual se busca la liberación y purificación de la celulosa. Dentro de estas se encuentra los métodos clásicos: Kraft, método de la soda celulosa al clorito, al hipoclorito y la clorinación. De estos, el primero tiene aplicaciones industriales para la producción de pulpa papelera; y se ha evaluado su potencial como pretratamiento solo de forma indirecta cuando en los experimentos se usa materiales como el papel. Los otros se han empleado solamente en el laboratorio. En estos tratamientos se busca la eliminación de la lignina y la hemicelulosa para dejar libre la celulosa y no la producción de azúcares por lo cual se ha buscado la integración de nuevos métodos que si lo permitan. Una vez se ha obtenido celulosa, los pretratamientos siguientes, modifican de la estructura supramolecular de la celulosa. Los pretratamientos de la celulosa resultarían útiles si se extiende su aplicación al aprovechamiento del papel para reciclaje o desechos con alto contenido de celulosa.
Procesos de sacarificación La conversión de materiales celulósicos en azúcar parece a primera vista constituir una simple disociación hidrolítica de los enlaces de los glucósidos. Según esto debería esperarse una
reacción simple, con reducido gasto para la fábrica que a ello se dedique. En la realidad, sin embargo, la celulosa es un polisacárido único entre todos los conocidos y posee una extremada resistencia a la hidrólisis. Los enlaces de los glucósidos se disocian fácilmente, pero la estructura cristalina de la celulosa da por resultado una baja accesibilidad para el ácido diluido que de ordinario se emplea como catalizador. En consecuencia, la temperatura y concentración del ácido necesarias para conseguir la reacción en un tiempo razonable ocasiona una grave descomposición de los azúcares resultantes. Enfrentados con esta realidad, solamente se presentan unas cuantas soluciones alternativas para una hidrólisis práctica.
Problemas generables del proceso de sacarificación Los problemas que lleva consigo la adopción de un procedimiento económico de sacarificación para materiales celulósicos son abundantes y complejos, pero no parecen ser más difíciles que aquellos otros con que hubieron de enfrentarse muchas de las industrias químicas hoy en existencia durante su primera fase. Los procedimientos de sacarificación elaborados hasta el presente han resuelto estos problemas de forma di versa, pero en ninguno de ellos se han tenido en cuenta todas las dificultades, resultando así que ninguno ha alcanzado un éxito económico que permitiera prescindir de subvenciones. En la discusión que sigue se tratarán los puntos más sobresalientes que habrán de tenerse presentes al considerar el valor de los métodos propuestos, y se indicará la dirección general en que deberán orientarse las investigaciones. Las materias primas celulósicos pueden agruparse, en líneas generales, en dos grandes clases: residuos agrícolas, que se recolectan cada año, y residuos de madera, que pueden irse recolectando de continuo y según se precise. Ambos constituyen excelentes materias primas, ya que su disponibilidad es ilimitada, continua y a bajo precio en los lugares en que se producen. Sin embargo, las cosechas anuales de ordinario constituyen una materia prima cara, si se considera el coste de su recogida y almacenamiento. En su mayoría, tienen además una densidad volumétrica muy baja, lo que exige medios y aparatos muy grandes durante la fase hidrolítica. Otro inconveniente de las cosechas anuales es que están sujetas a las variaciones estacionales, lo que exige ciertas modificaciones del proceso de elaboración. La madera como materia prima suele ser superior a las cosechas anuales, pero presenta, - también sus inconvenientes. Su densidad volumétrica es baja y el coste de su manipulación y preparación para la sacarificación es elevado, incluso cuando se utilizan los mejores métodos y equipos disponibles. Por ejemplo, la manipulación de trozas y el desmenuzado de éstas en el proceso Scholler supone aproximadamente medio centavo de dólar por cada libra de azúcar producida. El proceso deberá adaptarse con todo cuidado a la naturaleza física y química de la madera disponible. El procedimiento por ácido fuerte fija ciertas limitaciones a la materia prima; el
serrín, disponible con frecuencia a bajo coste (incluido el de manipulación), no es adecuado. Todo procedimiento que exija madera desmenuzada sin corteza hace aumentar grandemente el costo de la materia prima. La densidad volumétrica de la madera es un factor de importancia al considerar los gastos de la fábrica. Quizás podría conseguirse una economía ideando una maquinaria continua. La única forma práctica de convertir la celulosa en azúcar parece ser la hidrólisis ácida, lo que exige que todos los procedimientos utilicen ácidos, al menos durante la fase hidrolítica. Este es uno de los puntos principales que han de considerarse, ya que el tipo del ácido y su concentración influyen de manera decisiva sobre el coste de funcionamiento de la fábrica. En los procesos con ácido clorhídrico fuerte, la mayor parte de las instalaciones deben ser resistentes a los ácidos, y las estimaciones sobre el coste de las fábricas (8) muestran una depreciación que asciende al menos a medio centavo por libra de azúcar producida, tomando como base una fábrica de gran volumen. Esto asciende a más de 200 dólares de capital invertido en la fábrica por cada tonelada anual de producto, situando así a la empresa en la categoría de fábricas de productos químicos caros, comparable con una fábrica de pasta al sulfato que elabore un producto a 200 dólares por tonelada. Las fábricas que se sirven del ácido diluido exigen una instalación mucho menos resistente a la corrosión, y el capital invertido es algo inferior a la mitad de la cifra citada. Las necesidades térmicas de la fábrica dependen, sobre todo, de la aplicación definitiva de los productos resultantes de la hidrólisis. Cuando se trata de glucosa cristalina o de melazas, las necesidades calóricos totales son enormes. En el método Bergius es preciso el calor para recuperar los ácidos fuertes utilizados en la primera hidrólisis, mientras que en el proceso por ácido diluido el consumo principal radica en la evaporación de las soluciones diluidas para obtener las melazas. Cederquist (52) se ha servido de métodos para aumentar la concentración de azúcar en los productos obtenidos por el proceso de hidrólisis por ácido diluido, con lo que se consigue una ventaja económica para este proceso. En el caso en que el azúcar haya de utilizarse en solución para la producción de levadura, alcohol u otros productos fácilmente separables de la solución diluida, las necesidades térmicas disminuyen notablemente, confiriendo a los procesos por ácido diluido una ventaja decisiva sobre los por ácido fuerte. El costo de los productos químicos para los procesos por ácido diluido es reducido, ascendiendo a menos de--un cuarto de centavo por libra de azúcar. En el proceso por ácido fuerte tiene mayor importancia, habiendo sido estimado por Schoenemann (8) en más de medio centavo por libra de azúcar producida, aun después de aprovechar al máximo todos los métodos modernos de recuperación. El costo de los productos químicos para el proceso con ácido sulfúrico fuerte
hace a éste poco aconsejable, excepto en determinadas circunstancias en que el ácido pueda utilizarse para otras aplicaciones sucesivas. Este caso se estudia más adelante en la presente memoria. Considerando el elevado coste de la manipulación de las materias primas, el costo de los productos químicos y las necesidades térmicas, resulta evidente que habrá de tratarse por todos los medios de aprovechar plenamente todos los productos resultantes, y éstos deberán obtenerse con la máxima calidad posible y compatible con el costo. Ninguna empresa comercial ha tenido éxito en tal aprovechamiento. En ningún caso pudo encontrarse para la lignina, que forma del 30 al 40 por ciento de la sustancia leñosa seca, un uso más ventajoso que el de combustible. Se ha visto que el algunos casos la fracción de hemicelulosa necesitaba un tratamiento mucho más moderado que la celulosa resistente, pero no se ha aprovechado la circunstancia de que, al menos un producto químico de naturaleza única, como es el fulfurol, podía obtenerse de esta fracción de pentosano. En casi todos los casos el hexosano producido se ha utilizado en forma de melazas crudas que contenían una gran proporción de impurezas desconocidas. Sin duda alguna, parte de estas impurezas podrían separarse con gran provecho en forma de productos químicos orgánicos de precio superior, lo que conduciría a una doble ganancia. Tratándose del proceso por ácido fuerte, se obtiene una fracción de azúcar de alta calidad. Recientemente (8) se ha propuesto un plan para fabricar dextrosa cristalina, que permitiría vender aproximadamente el 55 por ciento del azúcar producido como alimento, colocándose el resto como melazas. La producción de azúcares de alta calidad a partir de los productos de la hidrólisis de la madera por ácido diluido no ha llegado a conocerse debidamente, debiendo ser objeto de posteriores investigaciones. Cederquist ha indicado un método para purificar el azúcar mediante la adición de cloruro sódico, que forma un cristal binario con la glucosa. El rendimiento en azúcar de todos los procesos es elevado. Sería provechoso orientar las nuevas investigaciones hacia un aumento en el rendimiento de los productos totales. No es difícil quitar importancia al problema de colocación de residuos en un proceso eficaz de sacarificación. Sirviéndose de las melazas para la alimentación del ganado, y concentrando o quemando la mayor parte de los restantes productos orgánicos inservibles, se resolverían gran parte de los problemas con un coste moderado. Un extremo digno de mencionarse aquí es la producción de alcohol por el proceso Scholler ordinario. Las substancias orgánicas solubles y los azúcares no fermentados en el fondo de los recipientes exigen enormes proporciones de oxígeno biológico. Este es un caso en que el problema del empleo de residuos quedaría virtualmente suprimido si la fracción pentosano se aprovechara debidamente.
Investigaciones sobre los problemas de la sacarificación Investigaciones sobre la química del proceso de sacarificación Estudiando las obras publicadas sobre la sacarificación de la madera se aprecia que la mayor parte de los esfuerzos desplegados lo han sido en estudios en fábricas experimentales, y en los aspectos tecnológicos, más que en la química básica del proceso. Es preciso investigar con mayor profundidad el aspecto químico, en especial sobre el fraccionamiento de los materiales celulósicos, la cinética de la hidrólisis de la celulosa y la descomposición del azúcar, así como en cuanto a la modificación de la celulosa antes de la hidrólisis. Fraccionamiento del material celulósico. - La hidrólisis previa del material celulósico, con la separación de los azúcares distintos de la glucosa, se viene considerando desde largo tiempo como un paso aconsejable en los procesos de sacarificación. La concentración de la glucosa en una fracción y la separación de pentosas y de otros azúcares en otra fracción favorece un mejor aprovechamiento. Se sabe muy poco del comportamiento de las diversas especies en los procesos de hidrólisis previa, y no se cuenta con datos que permitan elegir una serie de condiciones que armonicen en la mejor forma posible el rendimiento y la pureza de la glucosa fracción principal. Paralelamente a estos estudios, deberán investigarse los métodos de separación de la lignina en forma más útil a partir del material celulósico original, del residuo de la hidrólisis previa, o como producto último después de la hidrólisis total. Será preciso modificar la actitud actual, concediendo a la lignina una atención primordial y considerando los hidratos de carbono como producto secundario del proceso. Cinética de la hidrólisis de la celulosa y descomposición del azúcar . - La reacción hidrolítica de la celulosa es una parte esencial de todo programa de investigaciones orientado hacia un perfeccionamiento de la sacarificación. Existen abundantes obras sobre la cinética de la hidrólisis de la celulosa, tanto respecto de la estructura de la celulosa como de los procesos de aprovechamiento. Las primeras investigaciones sobre este tema se analizan en las obras de consulta sobre química de la madera . Los trabajos primeros sobre cinética de la hidrólisis de la madera con ácidos diluidos se deben a Thiersch y a Lüers , y se referían al perfeccionamiento del proceso Scholler. Resultó que el proceso de sacarificación por ácido diluido consistía en una reacción consecutiva de primer orden. Otros trabajos posteriores del Laboratorio de Productos Forestales confirmaron estas conclusiones y mostraron que las dos velocidades de reacción quedan ifluídas en modo diferente
por los cambios en la concentración y en la temperatura del ácido. Una elevada temperatura favorece los rendimientos altos, hecho que abre la posibilidad de que un proceso bifásico rápido pueda conducir a rendimientos comparables favorablemente con los obtenidos en otros procesos más complicados. Contribuye a creerlo así un informe de Cederquist sobre un proceso bifásico ideado en Suecia durante la segunda guerra mundial. Modificación de la celulosa anterior a la hidrólisis.- Los estudios cinéticos muestran que el proceso hidrolítico simple por ácido diluido, en la forma en que ordinariamente se aplica, tiene una relación desfavorable entre la velocidad de producción y la de descomposición del azúcar. En teoría, esta relación podría quedar ventajosamente afectada protegiendo el azúcar (lo que en efecto se consigue en el proceso Scholler alejándose de la zona de reacción), o modificando la celulosa de tal suerte que su velocidad de hidrólisis quede incrementada. La razón primordial de la resistencia que presenta la celulosa a la hidrólisis es su estructura cristalina, de lo que se deduce que reduciendo ésta se alcanzará un mayor rendimiento azucarero. Los intentos de servirse de energía ultrasónica para este fin dieron resultados negativos. Con una trituración extremada de la celulosa se consiguió introducir grandes cambios en la velocidad de reacción y en el rendimiento. Si bien la trituración de la celulosa seca es una operación costosa, podría resultar útil un nuevo procedimiento en que se combinara la fricción llevada al límite con la hidrólisis. La irradiación con rayos catódicos ocasiona cambios químicos en los materiales orgánicos. La superficie de cristalita de la celulosa no constituye una barrera para los rayos, y se producen cambios químicos en toda ella. El efecto de esto es un incremento de la accesibilidad de la celulosa y por consiguiente de la velocidad hidrolítica. Esto último se consigue a expensas de la conversión de parte de los hidratos de carbono en materiales distintos. El efecto último, sin embargo, es muy favorable. Pueden también introducirse considerables cambios en la arquitectura cristalina de la celulosa tratándola con aminas. La utilidad potencial de tal procedimiento no se ha determinado respecto de la sacarificación de la madera. Debe hacerse observar aquí que existe una urgente necesidad de posteriores investigaciones que esclarezcan nuestro conocimiento del problema, con independencia de su aplicación práctica inmediata. Perfeccionamiento de la tecnología de la hidrólisis de la celulosa Existe un cierto número de facetas comunes a todos los procesos de hidrólisis de la madera que presentan graves obstáculos de tipo económico. Se refieren a los costes de los productos
químicos y a la adquisición, almacenamiento y manipulación de la madera. Dentro de la fábrica, la corrosión y la energía térmica necesaria son problemas primordiales. Los residuos hidrolizados presentan a su vez otros problemas de manipulación. Todas estas dificultades podrán paliarse aplicando técnicas nuevas y más perfeccionadas. Schoenemann, en una publicación reciente, demostró que gran parte de los problemas tecnológicos a que ha obedecido el resultado antieconómico del proceso Bergius podrían rectificarse. Manifiesta asimismo que, en Alemania, el producto último más práctico de la sacarificación de la madera es la glucosa. Para obtener un máximo de glucosa cristalizada, la solución final debe ser de la máxima pureza posible, lo que se consigue con una hidrólisis previa de la madera en que se extraen los hidratos de carbono extraños, y por la aplicación del procedimiento de recambio de iones para purificar la solución azucarada final.
