Biodegradación de dos biomasas residuales mediante microorganismos y modelamiento del proceso de hidrólisis como fase previa para la producción de bioetanol | Biodegradation of two residual biomasses by microorganisms and modeling of the hydrolysis process as a preliminary phase for the production of bioethanol

En esta propuesta se plantea el modelamiento del proceso de hidrólisis biológica para dos biomasas residuales, cáscaras de yuca y cáscaras de papa como fase previa para la producción de bioetanol. Se hizo la recolección y caracterización de las materias primas, pretratamientos como molienda y secado por radiación solar para la adaptación de los hongos filamentosos (Aspergillus niger y Trichoderma spp.) al sustrato. Durante la hidrólisis fúngica se realizaron pruebas de azúcares como celulosa, almidón y glucosa junto con pruebas de peso para determinar la variación másica del hongo y del sustrato. Para las cáscaras de yuca la hidrólisis inicial transcurre en los primeros ocho días, donde la cantidad máxima de glucosa obtenida es 6,6558 [g/l], mientras que en las cáscaras de papa la cantidad de datos obtenidos no sirven como soporte para el planteamiento de una cinética ni para la estimación del potencial para producción de bioetanol, debido a que se presentó contaminación por un tercer agente no identificado. Para la degradación de cáscaras de yuca con Aspergillus niger se ajustó un modelo cinético tipo Monod, con un porcentaje de error del 2,4908%. El modelo cinético del Trichoderma spp para la degradación del sustrato, se determinó por una ecuación tipo logarítmica dado que no presentó compatibilidad con ningún modelo establecido dentro de la literatura. Como punto final a partir del sustrato hidrolizado se puede obtener teóricamente 4,3038 ml de bioetanol, tomando el rendimiento teórico de fermentación como un 43%

INTRODUCCIÓN 3 1. MARCO CONCEPTUAL 4 1.1.1 BIOMASA LIGNOCELULÓSICA HIDROLIZABLE 4 1.1.2 POTENCIAL DE LAS BIOMASAS RESIDUALES 4 1.1.3 PRETRATAMIENTO DE LAS BIOMASAS RESIDUALES 5 1.1.4 HIDRÓLISIS 6 1.1.5 HIDRÓLISIS ÁCIDA 6 1.1.6 HIDRÓLISIS BIOLÓGICA Y ENZIMÁTICA 7 1.1.7 HIDRÓLISIS ALCALINA 7 1.1.8 REACTOR QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS 8 1.1.9 REACTOR BATCH 8 1.1.10 REACTOR CSTR 9 1.1.11 MODELOS BIO-CINÉTICOS 9 1.1.12 MODELOS DE CRECIMIENTO MICROBIANO 10 1.1.13 MODELO DE MONOD 11 1.1.14 MODELO DE MOSER 12 1.1.15 MODELO DE TEISSER 13 1.1.16 MODELO DE HALDANE 13 1.1.17 MODELO DE GOMPERTZ 14 1.1.18 MODELO DE POWELL 15 1.1.19 MÉTODOS DE VALIDACIÓN DE MODELOS 16 2 ESTADO DEL ARTE 17 3 OBJETIVOS 18 3.1.1 OBJETIVO GENERAL 18 3.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 18 4 METODOLOGÍA 19 4.1.1 RECOLECCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA (OBJETIVO 1) 19 4.1.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CRECIMIENTO DE LAS CEPAS DE HONGOS FILAMENTOSOS SELECCIONADAS (OBJETIVO 2) 19 4.1.3 DESARROLLO DE MODELO CONCEPTUAL DEL BIOREACTOR PARA EL ESTUDIO CINÉTICO 20 4.1.4 ESTUDIO CINÉTICO DEL PROCESO DE HIDRÓLISIS ENZIMATICA: AJUSTE DEL MODELO 21 4.1.5 DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL 21 5 DESARROLLO 22 5.1.1 RECOLECCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA 22 5.1.2 DETERMINACIÓN DE CELULOSA 23 5.1.3 DETERMINACIÓN DEL ALMIDÓN 25 5.1.4 DETERMINACIÓN DE LA GLUCOSA POR DNS 26 5.1.5 EXPERIMENTOS DE HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA 27 5.1.6 MODELO CONCEPTUAL DEL BIOREACTOR DE HIDRÓLISIS 29 5.1.7 EXPERIMENTO PARA DETERMINACIÓN DEL MODELO CINÉTICO 31 5.1.8 DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL PARA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL 32 6 RESULTADOS 33 6.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS SUSTRATOS 33 6.1.1 GLUCOSA 33 6.1.2 CELULOSA 35 6.1.3 ALMIDÓN 36 6.2 MODELO CINÉTICO 38 6.2.1 MODELO CINÉTICO PARA ASPERGILLUS NIGER 39 6.2.2 MODELO CINÉTICO PARA LA DEGRADACIÓN DEL SUSTRATO CON TRICHODERMA SPP 43 6.3 POTENCIAL PARA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL 45 7 CONCLUSIONES 47 8 RECOMENDACIONES Y OBSERVACIONES 48 REFERENCIAS 49 ANEXOS 52 ANEXO A. 52 ANEXO B. 53 ANEXO C. 54 ANEXO D. 55 ANEXO E. 56 ANEXO F. 58 ANEXO G. 61 ANEXO H. 62 ANEXO I. 64

Pregrado

This project presents the kinetic modeling of the hydrolysis process biological for two biomass waste, peels of cassava and potato peels as a preliminary stage to produce bioethanol. It made the collection and characterization of the raw materials, pretreatments such as milling and drying by solar radiation for the adaptation of the filamentous fungi (Aspergillus niger and Trichoderma spp.) to the substrate. In the biological hydrolysis, tests were conducted sugars such as cellulose, starch and glucose along with test weight to determine the variation in mass of the fungus and the substrate. For the peels of cassava hydrolysis initial passes in the first eight days, where the maximum amount of glucose obtained is 6,6558 [g/l], while in the potato peels the amount of data obtained do not serve as support for the approach of a kinetic or for the estimation of the potential for bioethanol production, because that would be submitted contamination by a third agent not identified. For the degradation of peels of cassava with Aspergillus niger was adjusted by a kinetic model of type Monod, with a percentage of error of the 2,4908%. The kinetic model of the Trichoderma spp. for the degradation of the substrate, is determined by an equation type logarithmic given that he presented no compatibility with any model established within the literature. As a final point from the substrate hydrolyzed can be obtained theoretically 4,3038 ml of bioethanol, taking the theoretical fermentation yield as 43%

Modalidad Presencial