Nuevo substrato fermentable de cañas ? Cuba (página 2)

Caracterización del substrato.

Los Jugos de Caña Energética por sí solos sin concentración no son un substrato viable económicamente para la fermentación alcohólica por su déficit de azúcares entre otros, sino que requieren de fuentes complementarias de enriquecimiento para hacerlos factibles. Eso por una parte, mas la irrentabilidad de producir azúcar y miel con ellos, crea un real peligro y riesgo de convertirse en un residual líquido agresivo al medio ambiente, sino se soluciona su utilización como substrato (Romero, 2005).

En las condiciones cubanas, el medio basal industrial mas barato lo constituye la Miel Final o melaza de caña azucarera, subproducto de la industria azucarera, y tradicionalmente empleadas en las destilerías productoras de alcohol etílico. Esta es la seleccionadas para enriquecer los jugos dada las ventajas que presentan de :

• Ser baratas y disponerse en suficientes cantidades.
• Contiene alrededor del 50 % de su peso de azúcares unos 500 g/ l .
• Rica en biotina, magnesio y potasio entre otros micronutrientes esenciales a las levaduras (ICIDCA, 1986).

Por su parte los jugos para uso inmediato sin concentración, sustituye totalmente el empleo de agua en los disolutores diluyendo melazas ( Sede Universitaria de Sancti Spíritus [SUSS], 2002), concentrados siempre habrá que suplementarlos de micronutrientes esenciales con melazas también; conservados a alto % Brix hasta 90 días, la elevación final de la concentración para el almacenamiento como antes se indicó, se ejecuta mezclándolos aún en condiciones microbiológicas pesimistas con Miel Final seleccionada (Obregón y Fardales, 2006)

Por todo lo antes expuesto, se precisa que el nuevo substrato siempre será una mezcla de los jugos en cualquiera de sus variantes con melazas (Obregón, 2006) , por lo que en lo adelante se denominarán Mezcla, y Miel sola cuando es melaza únicamente.

Caracterización del inóculo de levadura en condiciones industriales.

No es fiable una evaluación de la fermentación alcohólica a escala industrial si se limita a esta sola operación y proceso unitario en los reactores a batch, pues obviaría la variable modelo biológico vivo, máximo en condiciones reales de producción.

Se emplea la cepa NRRL s/n la mas utilizada por decenas de años, en la destilería Paraíso de la provincia de Sancti Spíritus .

Los cronogramas normales de operaciones de las Areas de Propagación y Fermentación están perfectamente organizadas y secuenciadas, por lo que se conoce que fermentador se siembra con cual inóculo contenido en un prefermentador facilitando todo, además, la prefermentación como tal es por el método Jacquemin variante II ( Ministerio del Azúcar [MINAZ], 1983, 1993), y por lo tanto proceso semicontinuo aerobio con aireado de 1 volumen de aire/volumen de medio por minuto.

En la evaluación a escala industrial se caracterizaron 11 prefermentadores empleados para inocular 11 fermentadores de 260 m3 cada uno con el substrato Mezcla, e iguales cantidades y tamaños de reactores para el substrato Miel sola, de la misma melaza empleada en la Mezcla.

Procesados estadísticamente se pudo inferir que ( Obregón, 2006):

– No existen diferencias significativas en el estado físico, químico y microbiológico del inóculo empleado en los 22 fermentadores con ambos tipos de substratos, pudiéndose descartar que la variable modelo biológico vivo con las características a que llega a la fermentación alcohólica industrial, pueda incidir significativamente en la misma.

Comportamiento industrial de los substratos Mezcla y Miel sola.

En explotación comercial se han evaluado el comportamiento de las principales variables de macrocomposición, cinéticas y de rendimientos en fermentación con ambos substratos, procesándose estadísticamente por pruebas no paramétricas de Mann-Whitney, y obteniéndose los modelos matemáticos ´por regresión lineal considerando la presencia de la heterocedasticidad, empleando el test de Prais-Winsten, siendo validados mediante análisis de autocorrelación de los residuos utilizando el estadígrafo d de Durbin-Watson (Gujarati, 2005); procesados en P.C. mediante el paquete de programas SPSS versión 11.5. Todo ello para 11 fermentadores con Mezcla y otros 11 con Miel sola.

Los gráficos 1, 2, 3 y 4 representan el comportamiento de las principales variables de ambos medios basales, por su parte el Gráfico 5 muestra los aportes de hexosas fermentables con el substrato Mezcla en los 11 fermentadores; realizado bajo condiciones microbiológicas pesimistas, toda vez que los jugos no se concentraron en evaporadores múltiple efecto, sino, que se realiza extracción en el tandem del central, tratamiento térmico sin ebullición calentándolos con vapor saturado en los calentadores de este propio lugar, retención en el clarificador del mismo por el tiempo indicado en la tecnología, eliminando no menos del 95% de los moc, bombeados para la destilería recepcionándose aún calientes en esta, y enfriados inmediatamente antes de alimentarse a los disolutores de mieles (SUSS, 2002).

Simbología:

μe % etanol v/v formado / hora

Y Rendimientos según Monod (Aiba, Humphrey & Millis, 1970)

s g / l azúcares fermentables total en el substrato

p g / l azúcares fermentables convertidos en etanol

x g / l azúcares fermentables convertidos en biomasa base seca de levadura

Los resultados del procesamiento estadístico permite inferir que ( Obregón, 2006):

• No hay diferencias significativas entre los substratos Mezcla y Miel sola en el pH, Acidez, temperatura y μe; pero son altamente significativas en el Yp/s siendo mejor los resultado con la Mezcla, y en g/l de hexosas fermentables que es mayor en la Miel sola que en la Mezcla, esto último dependiente de la operación en los disolutores de mieles, a su vez , directamente relacionada por la incertidumbre del % Brix con que llegan por la línea de agua los nuevos jugos enfriados.

Por su lado en el propio Gráfico 5 como antes se indicó, pueden observarse las variabilidades de lo señalado.

Los modelos matemáticos empíricos se basan en la ecuación:

Y Mezcla = b . X Miel sola

Para n = 11 y 0,95 de nivel de significación se tiene (Gujarati, 2005):

dL = 0,927 dU = 1,324 4 – dL = 3,073 4 – dU = 2,676

Procesados los datos de mediciones y cálculos de los 11 Fermentadores con la Mezcla y los 11 con Miel sola se obtienen los siguiente modelos:

Ind. : Pérdidas indeterminadas en fermentación.

Se encontró que no existe autocorrelación ni sin decisión alguna en los residuos, por lo que los seis modelos son validados correctos y fuertemente correlacionados. El modelo de μe es de naturaleza científica fundamentado fenomenológicamente , correspondiéndose con las leyes naturales de la fermentación alcohólica con levadura.

Analizando estas ecuaciones y los procesamientos estadísticos se observa:

– Se corrobora que las μe no difieren con uno y otro substrato.

– Con la Mezcla se obtienen mayores rendimientos en Yp/s y Yt/s que se manifiesta también en su menor Ind.

– Las Yx/s no difieren, por lo tanto las biomasas de levadura producidas son las mismas con ambos substratos.

– La Yp/s de la Mezcla supera a la de la Miel sola, lo que muestra que los inhibidores normales de estas últimas afectan la glucólisis por la ruta del etanol, pues las Yx/s son las mismas.

Por lo hasta ahora expuesto, no se puede afirmar que los Jugos de Caña Energética por su déficit de azúcares entre otros, es un substrato superior a la Miel sola, pues esta le aporta azúcares, biotina, Mg y K como los mas significativos; sino, que la Mezcla de ambos se comporta como mejor medio basal industrial con levadura que cada uno por separado, teniendo además en cuenta, que la relación Reductores Infermentables / Azúcares Totales [I/A.T.] de estos jugos, es mucho mayor al de cualquier melaza de caña azucarera como antes se expuso ( Obregón, 2006) . Esto corrobora acertadamente que el nuevo substrato para fermentación alcohólica, es una Mezcla de Jugos de Caña Energética mas melaza (Obregón).

Caracterización de la destilación y de las producciones.

Durante la destilación automatizada de los substratos fermentados, no hubo que hacer cambios operacionales alguno comportándose muy estable y en estado estacionario; por lo que la posible incidencia de esta operación y proceso unitario en los niveles de las producciones y sus calidades, son no significativos pues fueron las mismas con uno y otro substrato. A continuación se brindan las características en calidades de todas las producciones.

Producciones Alcohólicas

Otras

Los resultados anteriores y su procesamiento estadístico muestran varios aspectos que se analizan:

– Todas las producciones están dentro de las normas de calidades y riquezas con uno y otro substrato, y para el caso del alcohol Técnico B que supera al Técnico A en 0 G.L, se debe a que son mayormente cabezas de la columna Rectificadora .

– La Acidez en el Aguardiente Crudo se constata fácilmente que son más altas con la Mezcla que con la Miel sola, aspecto que reitera los resultados de la prueba hecha en el 2002, explicable por la naturaleza más ácida de los jugos; además, los Alcoholes Superiores son sustancialmente menores corroborando lo obtenido en la prueba citada (Romero, 2005).

– La concentración de biomasa de levadura fueron las mismas con ambos substratos.

– La calidad del gas carbónico no registra diferencia alguna, aunque se observó una discreta disminución de la producción con la Mezcla, que se asocia al menor contenido de azúcares en este substrato por razones antes precisadas y expuestas.

Caracterización de las vinazas.

El concepto de sostenibilidad tiene varias dimensiones básicas: el medio ambiente, la economía y lo social (Gil U., 2005), en esto último implícito el cultural. Si bien desde la década del 70 del siglo pasado es que se le presta mayor atención a esto teniendo incluso regulaciones legales ( González, Pedraza, Rosa, García, Rodríguez, Gallardo et al, 2005); el propósito de esta parte es determinar y demostrar si a las mismas pueden aplicárseles la metodología existente para ser empleadas en fertirriego de cañas, establecida para las vinazas normales de destilerías (MINAZ, 1999).

Diseño experimental.

Tamaño muestral mínimo de siete, muestras recolectadas en frascos estériles suministrados por el laboratorio especializado que mas adelante se indica, quien a su vez instruyó como hacerlo en el tomamuestra, dos horas después de iniciada la destilación del substrato fermentado objeto de caracterización, siempre y cuando su contenido en volumen en el Tanque Balance represente no menos del 85 % v/v. Las variables a medir son % Brix y % Reductores Residuales en los laboratorios de la destilería Paraíso con su Esquema de Control normal; pH, Conductividad Eléctrica y Demanda Química de Oxígeno (DQO), en los laboratorios del Grupo de Hidrología y Calidad de Aguas de Recursos Hidráulicos en Sancti Spíritus, especializados en estas determinaciones químicas e instrumentales. El procesamiento estadístico es el mismo no paramétrico.

Resultados y su análisis.

Las siguientes tablas recogen los resultados de ambos laboratorios, su procesamiento estadístico, así como, se realiza un análisis profundo objetivo.

Vinazas .

Mezclas de Jugos de Caña Energética pasterizados+ Miel Final

Miel sola

Se infiere que (Perdigón, 2005; Obregón, 2006):

– No hay diferencias significativas en los % Reductores Residuales, Conductividad Eléctrica y Demanda Química de Oxígeno en las vinazas, cuando se fermenta uno u otros substrato.

– Existe discreta diferencia significativa en los % Brix Final para un nivel de significación de 0,05, interpretándose a que están relacionados en parte con el % Brix Inicial en fermentación que depende de la operación manual en los disolutores, así como, que la relación I/A.T. en los jugos es siempre mayor en mas del doble, al de cualquier melaza.

– Registran diferencias significativas en los pH, aspecto esperado por ser los jugos mas ácidos y con menores poder buffer que las Mieles Finales.

– Pueden ser empleadas en fertirriego respetando rigurosamente el protocolo existente al efecto, con no mas de cinco días de haberse originado, dilución de 1:6 a 1:10 con agua de riego o residual de ingenios de crudo. Según evaluaciones realizadas el pH aumenta de 5,7 a 6,1 ( Perdigón, 2005), clasificando como calidad de regular a buena según la metodología ( MINAZ, 1999).

Evaluaciones en fertirriego de caña azucarera.

La existencia de un sistema de fertirriego aún en ejecución como inversión centralizada en la Empresa Azucarera Melanio Hernández donde se encuentra la destilería, brinda la oportunidad de evaluar las nuevas vinazas originadas diluidas 1:9 y aplicadas a lotes de caña azucarera, que una vez cosechadas al cabo de 12 a 14 meses; mostró notables superiores resultados con relación a lotes testigos regados con agua y aplicándoles fertilizantes químicos ( Perdigón de la Cruz, Obregón & Curbelo, 2005 a, 2005b, 2005c, 2005d). Esto contrasta la factibilidad real se sostenibilidad ambiental, social y económica del nuevo substrato para la fermentación alcohólica.

Caracterización del rendimiento litros de etanol a 1000 G.L./ t de Caña Energética.

A continuación se brinda una compilación desde 1996 a 2005 del rendimiento expresado en litros de alcohol a 100 O G.L./t de caña energética de acuerdo a las formas de cosecha y molida, obtenidos por balances de g/l de hexosas fermentables y fijando un Yp/s de 0,77. Las molidas en el tandem del central azucarero, tienen el agua que realmente se utilizó en la imbibición, señalándose que parte de las cañas que se indican como lugar de procedencia CNHCA procedieron de las provincias de Matanzas y Las Tunas entre 1996 y 2000, aunque el grueso son de Sancti Spíritus. El % de Materias Extrañas son las pesadas en el basculador del central, y comprende cogollos, hojas verdes y paja de caña energética entre otros.

Rendimientos en litros de bioetanol a 100 0G.L./t de caña energética. Base : 85% extracción en molinos de laboratorio y 65 % tandem.

CNHCA: Centro Nacional de Hibridación de la Caña de Azúcar, municipio

Cabaiguán

Varias evidencias pueden obtenerse del análisis de la tabla, siendo las mismas las siguientes:

– Las pruebas en banco con caña limpia de 12 meses o mas, muestran los límites de su incertidumbre entre de 32,1 a 36,0 l/t, desde 1996 a 2002.

– En las molidas industriales desciende notablemente por la incidencia de las materias extrañas que es biomasa combustible también, por lo que sobre esa base es que hay que hacer todas las extrapolaciones y extensionismo dentro del paquete tecnológico.

– Las molidas de inicio y terminación de la zafra de 2004 son las que registran los menores rendimientos pues se molieron parte de las cañas con 7 y 9 meses por causas de fuerza mayor.

– Las molidas mejores organizadas de todas de 2005 con cañas de 12 a 14 meses, reduce su incertidumbre entre 21,7 y 21,9 l/t denotando las incidencias de la edad de las caña y las operaciones en el tándem entre otras, favorecida sensiblemente por la vía de las adecuadas operaciones tandem del central azucarero-disolutores de miel de la destilería, resultando satisfactorios en la integración material central-destilería.

– Puede estimarse que como promedio la Caña Energética cosechada mecanizada integralmente fuera del período zafra ern Cuba, rinde tres veces menos etanol que la caña azucarera cosechada limpia en zafra, pero ofrece el doble de la biomasa combustible.

– La obtención de bioetanol con los jugos aumenta el valor agregado a la cogeneración eléctrica fuera del período zafra, empleando variedades de caña energética como biomasa combustible sostenible.

Consideraciones finales.

Diez años de trabajo no pueden resumirse en una monografía relativamente breve, sino brindar una compilación parcial de lo realizado, cuyo detonador en este caso particular, fue el descubrimiento, determinación y demostración de que los jugos de las actuales variedades de caña energética en Cuba; es un nuevo substrato para la fermentación alcohólica, que siempre habrá que mezclarlos con melazas de caña azucarera para hacerlos viable económicamente como medio basal industrial; lo cual está en explotación comercial desde 2003, por lo que es tecnología constituida por la vía del uso inmediato.

Todo ello forma parte de algo de mayor y mas alcance, la cogeneración eléctrica con biomasa en centrales azucareros cubanos fuera del período zafra, que no puede analizarse como una alternativa mas dentro de la diversificación azucarera; sino, entre otros como una de las grandes fortalezas para las islas del Caribe al menos como se precisará después, que como Cuba no son petroleras pero con tradición cañera-azucarera.

El combustible es bagazo de ciclo corto de uno a dos años, sostenible en el amplio sentido en que esta sola palabra se enmarca hoy día, desde las más altas esferas de decisión de cualquier país hasta el habitante común.

No solo el huracán Katrina ni la explosiva situación en el Oriente Medio donde se concentra uno de los grandes polos de combustibles fósiles; sino, las testarudas realidades de que se ha llegado al límite de la extracción, pues los pozos no rinden mas y los nuevos no son capaces de aumentar el techo productivo, no pudiéndose crecer aunque la demanda crezca y por ende los precios, haciendo insostenible su costo para los países no petroleros ni desarrollados. Eso por una parte, mas el incuestionable calentamiento global que tiene lugar en el planeta; hace que las cañas no solo sean una fortaleza energética y económica regional; sino, una de las mayores contribuciones que la especie humana pude hacerse a si misma, independientemente de cual país de la tierra se trate ni su grado de desarrollo; por lo que la potenciación al máximo de las mismas por las rutas azucarera, electroenergética y alcoquímica entre otras, no puede verse como un asunto de Cuba y las islas del Caribe solamente, sino, como una contribución global a la necesidad de la supervivencia de la propia especie, de allí su pertinencia.

El equipo multidisciplinario que ha trabajado, trabaja y trabajará con un enfoque sistémico con la caña energética; lo ha hecho bajo condiciones económicas excepcionalmente difíciles en Cuba en estos diez años, que lejos de desalentar, retaron y retan científica y tecnológicamente compulsando a la búsqueda de soluciones optimizadas y contextualizadas; lo cual ha permitido trazar una estrategia multidisciplinaria al respecto, parte de cuyos resultados son los que se han mostrado, como aporte en la extensión de la frontera del conocimiento , en su propia dialéctica evolutiva de utilización sostenible de un tipo de biomasa.

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