Jugo de henequén, producto para el desengrase de superficies metálicas (página 2)

Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, entendiéndose como tal la cantidad de producto formado por unidad de tiempo. Tal variación se debe a la disminución de la energía de activación Ea; en una reacción química, la Ea es la energía necesaria para convertir los reactivos en formas moleculares inestables denominadas especies en estado de transición, que poseen mayor energía libre que los reactivos y los productos.

Fig. 2 Cinética de reacción modificada por una enzima En la Fig. 2, están representados los niveles de energía, durante el curso de la reacción, de moléculas que intervienen en una reacción tipo:

La curva azul muestra el curso de la reacción en ausencia de una enzima que facilite la reacción, mientras que la curva roja la muestra en presencia de la enzima específica de la reacción.

La diferencia en el nivel de energía entre el estado inicial y la necesaria para iniciar la reacción (picos de las curvas) es la energía de activación. Tal como se observa la presencia de enzima baja la energía de activación.

El complejo Enzima- sustrato posee menor energía de activación que las especies en estado de transición que la correspondiente reacción no catalizada.

· Cómo realiza la acción una enzima?. – Orienta a los sustratos: parte de la energía de activación se utiliza para que los sustratos roten y se enfrenten con los átomos correctos para formar los enlaces.

– Agregan cargas a los sustratos: las cadenas laterales (R) de los aminoácidos de las enzimas pueden participar directamente haciendo a los sustratos químicamente más reactivos.

– Inducen la deformación en el sustrato: cuando una sustancia se une al sitio activo, la enzima puede causar que los enlaces se estiren, poniéndolo en un estado de transición inestable.

– Cambio de forma de la enzima al unirse al sustrato: el modelo de llave- cerradura de Fisher fue actualizado cuando se descubrió que las enzimas son flexibles y sus sitios activos pueden cambiar (expandirse) para acomodarse a sus sustratos. Este cambio de forma causado por la unión al sustrato se denomina ajuste inducido.

1.6.3. Mecanismos de control de la actividad enzimática Temperatura: Si se suministra a una reacción enzimática energía en forma de calor, al ser captada por las moléculas es transformada en energía cinética. Ello favorece la movilidad de estas moléculas y por tanto el número de encuentros se incrementa.

Si la temperatura es excesiva, la enzima, cuya estructura es proteínica, se desnaturaliza perdiendo totalmente sus propiedades, de forma que la actividad enzimática cesa.

pH: Todas las enzimas tienen dos valores límite de pH entre los cuales son efectivas. Traspasados estos valores, la enzima se desnaturaliza y deja de actuar. Entre estos dos valores extremos se sitúa un pH en el cual la enzima alcanza una efectividad máxima: Es el llamado pH óptimo. Este es independiente del punto isoeléctrico de la molécula enzimática, es decir, cuando ésta no tiene carga global, ya que hay tantos radicales ácidos como básicos.

El pH óptimo está condicionado por el tipo de enzima y de sustrato, debido a que el pH influye en el grado de ionización de los radicales del sustrato.

Concentración salina: al igual que en los casos anteriormente mencionados, la concentración de sales del medio es crucial para una óptima actividad enzimática. Una elevada concentración o una ausencia de sales en el medio pueden impedir la actividad enzimática, ya que las enzimas precisan de una adecuada concentración de iones para mantener su carga y su estructura.

Concentración del sustrato: En toda reacción enzimática, si se incrementa la concentración del sustrato se produce un aumento de la velocidad de formación del producto, tendente a restablecer el equilibrio químico entre la concentración del sustrato y la del producto.

En este proceso la enzima no varía. Se puede explicar considerando que, al abundar más las moléculas del sustrato, son más probables los encuentros o choques entre estas moléculas y la enzima. Si la concentración del sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que todas las enzimas están en forma de complejo (E-S).

En ciertos casos se producirá un tipo se inhibición enzimática en la que dos sustratos se unen a la vez a la enzima, inutilizándola.

Activadores: Algunos iones favorecen la unión de la enzima con el sustrato; por ejemplo, la enzima fosforilasa, que regula la formación de ATP a partir de ADP y un grupo fosfato (H3PO4) y que se suele representar como Pi (Fosfato orgánico), se ve activada por la presencia de iones magnesio Mg+2.

Inhibidores: Los inhibidores son moléculas que regulan la actividad enzimática, inhibiendo su actividad.

A grandes rasgos, pueden clasificarse en reversibles e irreversibles. Las irreversibles se unen covalentemente a la enzima sin posibilidad de revertir la modificación, siendo útiles en farmacología. Las reversibles se unen de forma reversible a la enzima, pudiendo clasificarse a su vez, según la forma en que intervienen en la reacción, en competitivas, acompetitivas y mixtas.

Habitualmente, por su amplia presencia en multitud de procesos, se habla también de inhibición no competitiva, que en realidad no es más que una variante de la ya mencionada inhibición mixta. Sin embargo, por sus características se suele presentar como opuesta a la competitiva, con la que es comparada frecuentemente.

· Inhibición competitiva: el sustrato y el inhibidor no se pueden unir a la misma enzima al mismo tiempo. Esto generalmente ocurre cuando el inhibidor tiene afinidad por el sitio activo de una enzima en el cual también se une el sustrato; el sustrato y el inhibidor compiten para el acceso al sitio activo de la enzima. Este tipo de inhibición se puede superar con concentraciones suficientemente altas del sustrato, es decir, dejando fuera de competición al inhibidor.

En la inhibición competitiva la velocidad máxima de la reacción no varía, pero se necesitan concentraciones más elevadas de sustrato para alcanzar una determinada velocidad, incrementándose así la Km aparente.

· Inhibición acompetitiva: el inhibidor no puede unirse a la enzima libre, sino únicamente al complejo enzima-sustrato (ES). Una vez formado el complejo con el inhibidor (EIS) la enzima queda inactiva. Este tipo de inhibición es poco común, pero puede darse en enzimas multiméricas.

· Inhibición no competitiva: es una forma de inhibición mixta donde la unión del inhibidor con la enzima reduce su actividad pero no afecta la unión con el sustrato. Como resultado, el grado de inhibición depende solamente de la concentración de inhibidor, independientemente de la concentración de sustrato, con lo que varía el valor de la Vmax aparente. Sin embargo, como el sustrato aún puede unirse a la enzima, el valor de Km no varía.

· Inhibición mixta: el inhibidor se puede unir a la enzima al mismo tiempo que el sustrato. Sin embargo, la unión del inhibidor afecta la unión del sustrato, y viceversa.

Este tipo de inhibición se puede reducir, pero no superar al aumentar las concentraciones del sustrato. Aunque es posible que los inhibidores de tipo mixto se unan en el sitio activo, este tipo de inhibición resulta generalmente de un efecto alostérico donde el inhibidor se une a otro sitio que no es el sitio activo de la enzima. La unión del inhibidor con el sitio alostérico (zonas de la enzima con capacidad de reconocer y unir determinadas moléculas en la célula; las uniones a las que dan lugar son débiles y no covalentes, y generan un cambio en la conformación estructural de la enzima que repercute en el sitio activo, afectando así a la velocidad de reacción de la enzima; y estas interacciones pueden tanto inhibir como activar enzimas) cambia la conformación (es decir, la estructura terciaria) de la enzima de modo que la afinidad del sustrato por el sitio activo se reduce.

En muchos organismos, los inhibidores pueden actuar como parte de un mecanismo de realimentación. Si una enzima produce una sustancia en demasiada cantidad en el organismo, esta misma sustancia podría actuar como un inhibidor de la enzima al inicio de la ruta que lo produce, deteniendo así dicha producción cuando haya una cantidad suficiente de la sustancia en cuestión. Este sería una forma de realimentación negativa.

Las enzimas que se encuentran sujetas a este tipo de regulación suelen ser multiméricas y poseer sitios alostéricos donde se unen sustancias reguladoras. Hay inhibición cuando disminuye la actividad y la eficacia de una enzima. Las sustancias distintas del sustrato que tienen este efecto se denominan inhibidores (I). La inhibición irreversible o envenenamiento de la enzima tiene lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo inutilizándolo al alterar su estructura. La inhibición reversible tiene lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que solo se impide su normal funcionamiento.

1.6.4. Estructuras y mecanismos Las enzimas son generalmente proteínas globulares que pueden presentar tamaños muy variables, desde 62 aminoácidos como en el caso del monómero de la 4-oxalocrotonato tautomerasa [5], hasta los 2.500 presentes en la sintasa de ácidos grasos [6].

Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional, la cual viene a su vez determinada por la secuencia de aminoácidos [7]. Sin embargo, aunque la estructura determina la función, predecir una nueva actividad enzimática basándose únicamente en la estructura de una proteína es muy difícil, y un problema aún no resuelto [8].

Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos sobre los que actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) está directamente involucrada en la catálisis [9]. La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es denominada centro activo.

Las enzimas también pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios a veces en el proceso de catálisis, o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones de la enzima con sus propios sustratos o productos pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, dando lugar así a una regulación por retroalimentación positiva o negativa, según el caso.

La mayoría de las enzimas, al igual que el resto de las proteínas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pH extremos o ciertos compuestos. Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima y de la condición.

– Especificidad Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un elevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad [10].

· Modelo de la "llave-cerradura" Las enzimas son muy específicas, como sugirió Emil Fisher en 1894. Con base a sus resultados dedujo que ambas moléculas, enzima y sustrato, poseen complementariedad geométrica, es decir, sus estructuras encajan exactamente una en la otra [11], por lo que ha sido denominado como modelo de la "llave- cerradura", refiriéndose a la enzima como a una especie de cerradura y al sustrato como a una llave que encaja de forma perfecta en dicha cerradura. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al intentar explicar la estabilización del estado de transición que logran adquirir las enzimas.

· Modelo del encaje inducido En 1958 Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave- cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y así el sitio activo podría cambiar su conformación estructural por la interacción con el sustrato.[12] Como resultado de ello, la cadena aminoacídica que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su función catalítica.

En algunos casos el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo [13]. El sitio activo continua dicho cambio hasta que el sustrato está completamente unido, momento en el cual queda determinada la forma y la carga final [14].

– Mecanismos Las enzimas pueden actuar de diversas formas, aunque, como se verá a continuación, siempre dando lugar a una disminución del valor de ?G+ [15]: · Reducción de la energía de activación mediante la creación de un ambiente en el cual el estado de transición es estabilizado (por ejemplo, forzando la forma de un sustrato: la enzima produce un cambio de conformación del sustrato unido el cual pasa a un estado de transición, de modo que ve reducida la cantidad de energía que precisa para completar la transición).

· Reduciendo la energía del estado de transición, sin afectar la forma del sustrato, mediante la creación de un ambiente con una distribución de carga óptima para que se genere dicho estado de transición.

· Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio enzima/sustrato (ES), que no sería factible en ausencia de enzima.

· Reduciendo la variación de entropía necesaria para alcanzar el estado de transición (energía de activación) de la reacción mediante la acción de orientar correctamente los sustratos, favoreciendo así que se produzca dicha reacción.

· Incrementando la velocidad de la enzima mediante un aumento de temperatura. El incremento de temperatura facilita la acción de la enzima y permite que se incremente su velocidad de reacción. Sin embargo, si la temperatura se eleva demasiado, la conformación estructural de la enzima puede verse afectada, reduciendo así su velocidad de reacción, y sólo recuperando su actividad óptima cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolábiles y trabajan mejor a bajas temperaturas.

1.6.5. Dinámica y función. La dinámica interna de las enzimas está relacionada con sus mecanismos de catálisis [16] [17] [18]. La dinámica interna se define como el movimiento de diferentes partes de la estructura de la enzima, desde residuos individuales de aminoácidos, hasta grupos de aminoácidos o incluso un dominio proteico entero. Estos movimientos se producen a diferentes escalas de tiempo que van desde femtosegundos hasta segundos. Casi cualquier residuo de la estructura de la enzima puede contribuir en el proceso de catálisis por medio de movimientos dinámicos [19] [20] [21] [22].

Los movimientos de las proteínas son vitales en muchas enzimas. Dichos movimientos podrán ser más o menos importantes según si los cambios conformacionales se producen por vibraciones pequeñas y rápidas o grandes y lentas, y dicha importancia dependerá del tipo de reacción que lleve a cabo la enzima. Sin embargo, aunque estos movimientos son importantes en el proceso de unión y liberación de sustratos y productos, aún no está claro si estos movimientos ayudan a acelerar los pasos químicos de las reacciones enzimáticas [23].

1.6.6. Cofactores y coenzimas · Cofactores Algunas enzimas no precisan ningún componente adicional para mostrar una total actividad. Sin embargo, otras enzimas requieren la unión de moléculas no proteicas denominadas cofactores para poder ejercer su actividad [24]. Los cofactores pueden ser compuestos inorgánicos, como los iones metálicos y los complejos ferrosulfurosos, o compuestos orgánicos, como la flavina o el grupo hemo. Los cofactores orgánicos pueden ser a su vez grupos prostéticos, que se unen fuertemente a la enzima, o coenzimas, que son liberados del sitio activo de la enzima durante la reacción [25].

La mayoría de los cofactores no se unen covalentemente a sus enzimas, pero sí lo hacen fuertemente. Sin embargo, los grupos prostéticos pueden estar covalentemente unidos. El término "holoenzima" (unión cofactor-enzima) también puede ser aplicado a aquellas enzimas que contienen múltiples subunidades, donde la holoenzima es el complejo con todas las subunidades necesarias para llevar a cabo la actividad enzimática.

· Coenzimas Las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas que transportan grupos químicos de una enzima a otra [26]. Debido a que las coenzimas sufren una modificación química como consecuencia de la actividad enzimática, es útil considerar a las coenzimas como una clase especial de sustratos, o como segundos sustratos, que son comunes a muchas enzimas diferentes.

Las coenzimas suelen estar continuamente regenerándose y sus concentraciones suelen mantenerse a unos niveles fijos en el interior de la célula. Esta regeneración continua significa que incluso pequeñas cantidades de coenzimas son utilizadas intensivamente.

1.6.7. Termodinámica Los sustratos precisan mucha energía para alcanzar el estado de transición, pero una vez alcanzado, se transforman en productos. La enzima estabiliza el estado de transición, reduciendo la energía necesaria para formar los productos.

Al igual que sucede con todos los catalizadores, las enzimas no alteran el equilibrio químico de la reacción. Generalmente, en presencia de una enzima, la reacción avanza en la misma dirección en la que lo haría en ausencia de enzima, sólo que más rápido. Sin embargo, en ausencia de enzima, podría producirse una reacción espontánea que generase un producto diferente debido a que en esas condiciones, dicho producto diferente se forma más rápidamente.

Además, las enzimas pueden acoplar dos o más reacciones, por lo que una reacción termodinámicamente favorable puede ser utilizada para favorecer otra reacción termodinámicamente desfavorable. Las enzimas catalizan reacciones químicas tanto en un sentido como en el contrario. Nunca alteran el equilibrio, sino únicamente la velocidad a la que es alcanzado.

Si el equilibrio se ve muy desplazado en un sentido de la reacción, es decir, se convierte en una reacción muy exergónica, la reacción se hace efectivamente irreversible. Bajo estas condiciones, la enzima únicamente catalizará la reacción en la dirección permitida desde un punto de vista termodinámico.

1.6.8. Cinética La cinética enzimática es el estudio de cómo las enzimas se unen a sus sustratos y los transforman en productos. Los datos de equilibrios utilizados en los estudios cinéticos son obtenidos mediante ensayos enzimáticos.

En 1902, Victor Henri[27] propuso una teoría cuantitativa sobre la cinética enzimática, pero sus datos experimentales no fueron muy útiles debido a que la importancia de la concentración del ión de hidrógeno aún no era considerada.

Después de que Peter Lauritz Sorensen definiera la escala logarítmica del pH e introdujera el concepto de "tampón" (buffer) en 1909[28], el químico alemán Leonor Michaelis y su postdoctoral canadiense Maud Leonora Menten repitieron los experimentos de Henri confirmando su ecuación, que actualmente es conocida como cinética de Henri-Michaelis-Menten (o simplemente cinética de Michaelis- Menten)[29](Fig. 3). Su trabajo fue desarrollado más en profundidad por George Edward Briggs y J. B. S. Haldane, quienes obtuvieron las ecuaciones cinéticas que se encuentran tan ampliamente extendidas en la actualidad [30].

Fig. 3 Ecuación de Michaelis-Menten.

La mayor contribución de Henri fue la idea de dividir las reacciones enzimáticas en dos etapas: En la primera, el sustrato se une reversiblemente a la enzima, formando el complejo enzima-sustrato (también denominado complejo Michaelis). En la segunda, la enzima cataliza la reacción y libera el producto.

Las enzimas pueden catalizar hasta varios millones de reacciones por segundo. Sus velocidades dependen de las condiciones de la solución y de la concentración de sustrato. Aquellas condiciones que desnaturalizan una proteína, como temperaturas elevadas, pH extremo o altas concentraciones de sal, dificultan o impiden la actividad enzimática, mientras que elevadas concentraciones de sustrato tienden a incrementar la actividad.

Para encontrar la máxima velocidad de una reacción enzimática, la concentración de sustrato se incrementa hasta que se obtiene una tasa constante de formación de producto.

La saturación ocurre porque, cuando la concentración de sustrato aumenta, disminuye la concentración de enzima libre, que se convierte en la forma con sustrato unido (ES). A la máxima velocidad (Vmax) de la enzima, todos los sitios activos de dicha enzima tienen sustrato unido, y la cantidad de complejos "ES" es igual a la cantidad total de enzima. Sin embargo, Vmax es sólo una de las constantes cinéticas de la enzima. La cantidad de sustrato necesario para obtener una determinada velocidad de reacción también es importante. Este parámetro viene dado por la constante de Michaelis-Menten (Km), que viene a ser la concentración de sustrato necesaria para que una enzima alcance la mitad de su velocidad máxima.

Cada enzima tiene un valor de Km característico para un determinado sustrato, el cual puede decirnos cómo de afín es la unión entre el sustrato y la enzima. Otra constante útil es kcat, que es el número de moléculas de sustrato procesadas por cada sitio activo por segundo.

La eficiencia de una enzima puede ser expresada en términos de kcat/Km, en lo que se denomina constante de especificidad, que incorpora la constante de velocidad de todas las fases de la reacción.

Debido a que la constante de especificidad contempla tanto la afinidad como la capacidad catalítica, es un parámetro muy útil para comparar diferentes enzimas o la misma enzima con diferentes sustratos. El valor máximo teórico de la constante de especificidad es denominado límite de difusión tiene un valor de 108-109 (M-1s-1). Llegados a este punto, cada colisión de la enzima con su sustrato da lugar a la catálisis, con lo que la velocidad de formación de producto no se ve limitada por la velocidad de reacción, sino por la velocidad de difusión.

Las enzimas que poseen esta propiedad son llamadas enzimas catalíticamente perfectas o cinéticamente perfectas.

La cinética de Michaelis-Menten depende de la ley de acción de masas, que se deriva partiendo de los supuestos de difusión libre y colisión al azar. Sin embargo, muchos procesos bioquímicos o celulares se desvían significativamente de estas condiciones, a causa de fenómenos como el crowding macromolecular (sobrepoblación macromolecular), la separación de etapas entre enzima-sustrato- producto, o los movimientos moleculares uni- o bidimensionales [31]. No obstante, en estas situaciones se puede aplicar una cinética de Michaelis-Menten fractal [32] [33] [34] [35].

1.7. Glicéridos y la hidrólisis enzimática Las reacciones químicas en que participan los glicéridos han sido ampliamente estudiadas debido a que presentan un gran valor para la industria y la civilización humana.

1.7.1. Reacciones de los glicéridos La hidrólisis de los triglicéridos se produce mediante la escisión del enlace éster, y la formación de ácidos y glicerina.

ü Hidrólisis ácida de un triglicérido

Fig. 4 Ecuación general de hidrólisis ácida de un triglicérido.

La hidrólisis enzimática se produce en presencia de catalizadores biológicos (enzimas lipasas). En los animales se producen en el estómago y el intestino. En los vegetales y plantes superiores lignificadas, las enzimas lipasas tienen su máxima actividad en el proceso de germinación de las semillas oleaginosas.

Hidrólisis enzimática de un triglicérido

Fig. 5 Ecuación general de la hidrólisis enzimática de un triglicérido.

1.7.2. Reacciones químicas de los glicéridos no saturados. Los aceites experimentan los mismos tipos de reacción que las grasas, excepto la hidrogenación catalítica al doble enlace carbono-carbono para producir grasas. Esta reacción presenta gran importancia desde el punto industrial debido a la conversión de aceites en grasas, proceso conocido como endurecimiento de los aceites, lo que permite el mejor almacenaje y transportación.

Fig. 6 Ecuación general de la hidrólisis ácida de un glicérido no saturado.

La hidrólisis de un triglicérido no saturado origina la formación de glicerol y ácidos grasos no saturados, cuando se produce la reacción en medio básico en presencia de NaOH o KOH, entonces se produce la formación de sales de ácidos grasos no saturados o jabones.

Fig. 7 Ecuación general de la hidrólisis básica de un glicérido no saturado.

2. Aplicación del Jugo de henequén como agente desengrasante natural.

2.1. Jugo de henequén como agente desengrasante de superficies sólidas. Cuando se inició el estudio de las propiedades detergentes del jugo de henequén, en un informe emitido por especialistas del Laboratorio de Investigación de Cosmética de la Unión de Empresas de Jabonería y Perfumería SUCHEL, actual JAYPER, en La Habana, Cuba, se planteó que en las pruebas y ensayos de lavados de platos realizados, no hay reposición de grasas sobre los platos después de un tiempo de fregado, es decir, la grasa se desprende pero ocurre que el agua de enjuague se impregna de grasas, por lo que fue necesario cambiarla, tal cualidad llevó a la conclusión de que el producto tiene propiedades detersivas y desengrasantes recomendables para el lavado de vajillas.

En estudio preliminar realizado en la CUJAE para evaluar desengrase de superficies metálicas se comprobó que cuando el contenido de sólidos disueltos ( expresado como 0Bx) es menor de 7% el desengrase es cuestionable, ya que no hay desengrase porque se dificulta eliminar la grasa aún aplicando acción mecánica, esto indica que para estas condiciones la efectividad del jugo estabilizado no cumple las expectativas que se esperan del producto debido a que es insuficiente la materia presente capaz de actuar frente a las grasas acumuladas en la superficie metálica y por demás el alto contenido de agua en el producto resulta otro inconveniente potencial.

Para las concentraciones con sólidos disueltos 0Bx = 7% el arrastre de la grasa se logra inmediatamente, sin la necesidad de frotaciones en la superficie, esto demuestra que la condición de 7% 0Bx constituye el límite inferior para la acción en el desengrase de superficies metálicas, además de acentuar la estabilidad del producto en el tiempo.

2.1.1. Residuos agroindustriales del Henequén. El desfibrado del henequén genera residuos sólidos y líquidos.

Residuos sólidos: se genera en el proceso de desfibrado donde se produce la pulpa húmeda y la fibrilla.

Residuos líquidos: se generan en el proceso de desfibrado más la incorporación del agua de enfriamiento de las cuchillas raspadoras.

2.1.2. Caracterización de Agaves. El henequén pertenece al género Agave, este comprende 274 especies en su mayoría originarias de la altiplanicie mexicana. El Agave Fourcroydes Lem., así nombrado científicamente, es originario de Yucatán donde se cultiva a gran escala.

Fig. 9 Planta de henequén Las plantas de este género son monocotiledóneas del orden de las liliflorales y de la familia de las Agaváceas. Estas plantas florecen solo una vez durante su período de vida, algo que las hace muy peculiares, después mueren; su raíz es fibrosa y el tallo es grueso, de este salen las hojas o pencas que presentan espinas en los bordes y una púa terminal. La epidermis es apergaminada y muy resistente lo que le permite subsistir en climas con escasez de agua. Es una planta que se desarrolla en suelos calcáreos o derivados de rocas calizas, de hojas rígidas, planas y grisáceas que miden de 8 -12cm de ancho y de 1,25 – 2,50m de largo.

Las hojas se hallan dispuestas alrededor de un tronco que mide de 20 – 30cm de diámetro y hasta 2m de altura. El ciclo de vida en condiciones adecuadas de cultivo de explotación, del henequén puede durar entre 14 – 17 años, la planta solo es aprovechable después de los 7 primeros años de cultivada, etapa a partir de la cual brinda sus mayores pencas para que de ellas se extraiga la fibra blanca.

Los hijos o vástagos nacen a un lado de la mata, estos aseguran la preservación del Agave. Las plantas se reproducen por semillas o bulbillos que germinan en el escapo o por los chupones que es el método más rápido. Una planta puede producir entre 25 – 30 hojas anuales.

En Cuba se cultiva el Agave fourcroydes (henequén), en la Provincia Artemisa: Henequenera "René Arcay", del Municipio de Mariel; en la Provincia de Matanzas: Empresa Henequenera "Eladio Hernández", la mayor en la provincia, una Granja en Limonar, cuya producción industrial es la mejor en todas las plantas de su tipo; en la Provincia de Cienfuegos: Empresa Henequenera "Francisco del Sol", con una Planta Desfibradora y Plantaciones en el Municipio Juraguá; en la provincia Holguín: en el Municipio Gibara existen 3 Plantas Desfibradoras Portátiles. El henequén en esta última región presenta mejores características morfológicas en cuanto a tamaño con respecto al resto de las regiones del país.

Fig. 10 Plantaciones de henequén en áreas cercanas a la Henequenera de Mariel, Provincia Artemisa.

La Empresa Matancera utiliza gran parte de la pulpa residual fresca como alimento animal, aunque sin ningún tratamiento previo, a su vez los tallos resultantes de las plantas al concluir el ciclo de vida no tienen una aplicación concreta para su aprovechamiento.

2.1.3. Propiedades de los Agaves. Características del jugo de henequén v TENSIOACTIVIDAD En la CUJAE y el Centro de Investigaciones Textiles, CITEX, varios investigadores se han dedicado a estudiar diversas cuestiones relacionadas con las propiedades tensioactivas del jugo de henequén, como resultado han demostrado que este jugo residual presenta estas propiedades en medio ácido, neutro y alcalino (2).

Se plantea que las propiedades tensioactivas son suministradas por las saponinas presentes en él, ya que ellas son sustancias de acción tensioactiva muy marcada, formadas por una porción hidrófoba y otra hidrófila, aunque también el aporte a esta propiedad de los ácidos grasos, proteínas, ceras o combinaciones de todos puede influir positivamente en este sentido; por ello continúan realizándose estudios para delimitar la acción de cada componente (2).

v HUMECTABILIDAD La Humectabilidad de un agente tensioactivo se evalúa a partir de las condiciones que determinan los distintos sistemas que interactúan, en el caso del jugo de henequén durante la humectación de tejidos el tiempo establecido para las fibras textiles en cuanto a la mojabilidad de las disoluciones tensioactivas y a diferentes concentraciones del producto no ofreció resultados que evidenciaran una alta Humectabilidad, bajo estas condiciones, aunque en la práctica se sabe que para períodos extremadamente altos con respecto a los que indica la Norma Cubana NC: 27-18 las disoluciones de jugo en virtud de una acción sinérgica garantizan la humectación de la superficie y la eliminación de suciedades. (2) Los tensioactivos, agregados al agua, reducen la tensión superficial de esta y promueven la humectación haciendo que el agua penetre más fácilmente en otro material o se extienda más fácilmente sobre su superficie, como ej. Se conocen los jabones y alcoholes como principales agentes humectantes.

En el procesamiento de películas, los agentes humectantes se usan después de lavarla para acelerar el escurrimiento de agua en su superficie, acelerando así el proceso de secado.

v DETERGENCIA Y DESENGRASE En el año 1991, cuando se inició el estudio de las propiedades detergentes del jugo de henequén, se demostró que el producto posee propiedades recomendables para el lavado de vajillas.

El método de lavado de platos consiste en preparar una grasa especial con la cual son ensuciados los mismos, después se lavan con disolución del agente tensioactivo y se realiza el conteo del número de platos lavados en un volumen dado de la disolución, observando visualmente y al tacto que no quedan residuos de grasa sobre la superficie de los platos ni en las manos del operador, de modo que dicha grasa quede sobrenadando en el baño.

Desde que comienza el uso del jugo de henequén como detergente, se han realizado pruebas para evaluar su poder detergente y desengrasante a partir de lavados de platos; observándose que no hay reposición de grasas sobre los platos pasado un tiempo de fregados, o sea, que la grasa se desprende, pero el agua de enjuague se impregna de grasas, por la que es necesario cambiarla, esta cualidad demuestra que el producto tiene buenas propiedades detersivas y desengrasantes para el lavado de vajillas.

v ACCION EMULSIONANTE Desde hace algún tiempo se viene utilizando el jugo de henequén alcalizado en la formación de emulsiones agua – gas oil, si bien la estabilidad lograda en las mismas alcanza periodos de tiempo superiores a los siete días, es necesario seguir trabajando en este sentido con el fin de alargar el tiempo de vida estable de las emulsiones, observado este aspecto por la aparición de sedimentos o el fenómeno de la coalescencia que no es otra cosa que la separación de la fase dispersa del medio dispersante.

2.2. Aplicaciones de los Agaves Los agaves se han aprovechado entre otras cosas para producir: [Aga09] – Licor, del cual se hace tequila (Agave tequilana), vino, vinagre, miel y azúcar.

– Fibras de las hojas, usadas en hilaturas para tejidos, hamacas y empaques, sobre todo del henequén (Agave fourcroydes Lem.) y de Agave sisalana.

-Papel.

-Cepillos de Agave Americana, fundamentalmente en Argentina.

-Tejas en techumbres hechas de las pencas (hojas).

-Vigas del quiote (tallo).

-Clavos, punzones, y agujas con las espinas de las pencas.

– Vallas o cercas con las plantas en hilera para guardar las heredades.

– Como inhibidor de la corrosión en la industria galvánica.

– Como agente tensioactivo en medio ácido, neutro y alcalino.

– Como aditivo del hormigón, en función de agente fludificante o reductor de agua en el sector de la construcción.

– Como detergente universal, en la limpieza de superficies sólidas, como cocinas, azulejos, losas, lavado de textiles, etc.

– Como base de líquido refrigerante ecológico (fluido de corte) en la Industria mecánica.

– La fibrilla se utiliza para la obtención de cera.

– Obtención de Hecogenina.

– Estimulación ácida para extracción de petróleo frente a rocas calizas.

– Desengrase en Talleres Mecánicos.

La mayor parte de estas aplicaciones han sido objeto de estudio de investigadores de la CUJAE. En particular, el jugo de clones de Agaves y de henequén constituye el centro de este trabajo para evaluar y comparar el poder desengrasante de superficies en máquinas herramientas en la CUJAE.

2.2.1. Generalidades del Jugo residual de henequén. El jugo residual posee un alto contenido de sólidos sedimentables y suspendidos así como un alto contenido de materia orgánica esto unido al pH tan bajo que tiene el jugo (4 o menos) propicia que se inicie la fermentación del mismo desde el instante mismo de su obtención.

Fig. 11 Desfibrado manual, provincia Holguín.

El desfibrado de la hoja de henequén se puede realizar en máquinas de tipo industrial o portátil, en la figura anterior se muestra desfibrado manual en maquina portátil.

Fig. 12 Desfibrado industrial, Henequenera de Mariel.

H eneque nera R ene A rca y, M a riel, Cuba

Fig. 13 Henequenera de Mariel, Provincia Artemisa, proceso de producción.

El jugo residual se obtiene al exprimir la pulpa húmeda (Humedad entre 80-90%) en una Prensa tornillo que elimina la parte liquida de esta pulpa en casi un 60- 70%, este jugo por sus característica de producto natural debe ser estabilizado para garantizar su posterior uso.

Prensa Tornillo

Fig. 14 Extracción de Jugo de henequén a partir de pulpa húmeda, Mariel.

El proceso de fermentación espontánea del jugo de henequén trae consigo cambios en la composición del mismo, pues se efectúan una serie de reacciones de transformación que conllevan a un crecimiento de biomasa, el resultado es que los componentes iniciales del jugo varían, sin embargo, se ha demostrado por especialistas de la CUJAE que se conservan las propiedades tensioactivas del mismo, aún en estado de fermentación; bajo su estado fermentado se hace imposible el aprovechamiento de este jugo, por falta de condiciones de asepsia requeridas en su manejo y conservación a largo plazo, condición importante para el uso posterior en las distintas aplicaciones en que se emplee.

Fig. 15 Jugo de henequén desengrasante obtenido de hojas de la región Mariel.

2.2.2. Composición del jugo de henequén El jugo de las hojas del henequén es un subproducto industrial en el proceso de fabricación de fibras que presenta una composición química variada, entre otros compuestos se encuentra: (16) · Clorofila · Carotenos · Flavonoides · Lipoides · Ceras · Resinas · Ácidos orgánicos · Ligninas · Azúcares · Complejos orgánicos del hierro · Saponinas · Agua Además presenta diversos iones y otras sustancias combinadas, entre estos iones se pueden citar los siguientes (16):

En Cuba, se ha sometido al Agave fourcroydes Lem., a procesos de mejoramiento genético lo que ha dado por resultado planta con características superiores, fibra blanca de calidad similar al Agave de origen, de ahí que sus jugos conserven propiedades similares a los que se obtienen del Agave fourcroydes Lem., En estudios realizados se pudo demostrar que el desengrase conserva la efectividad de los productos originarios de su tipo.

2.2.3. Evaluación de la actividad enzimática. Las corridas experimentales para la evaluación de la actividad enzimática del jugo de henequén consiste en la determinación la glicerina (glicerol componente que se forma cuando ocurre la ruptura de los enlaces lipídicos en los triglicéridos por la acción de enzimas; principalmente enzimas hidrolasas; que intervienen en la hidrólisis de las grasas o triglicéridos, como es la actuación de la lipasa.

Particularmente para el desarrollo de este trabajo se comprobara la formación del glicerol (glicerina).

2.2.4. Determinación de la formación de glicerina por el método químico. Al ser calentadas las grasas en presencia de agentes deshidratantes, en particular, de hidrosulfatos de potasio o sodio, se desprende fácilmente de la glicerina, dos moléculas de agua, y ellas se convierten en acroleina, que es un aldehido no saturado.

Fig.16 Ecuación general de la formación de acroleína.

La reacción de formación de la acroleína se hace con el propósito de reconocer la glicerina libre o ligada en la molécula del glicérido.

Los lípidos que no contienen glicerina (ceras, esterinas, etc.) no dan reacción positiva de la acroleína.

1. Se toma una placa petri y se pesa en una balanza analítica la dosis de grasa correspondiente según el diseño experimental.

2. Se añade con pipeta el volumen indicado en el diseño experimental para esa masa de grasa.

3. Se deja reposar por una hora a temperatura ambiente.

4. Se toma un mililitro del jugo y se deposita en un tubo de ensayo.

5. Se pesa 1g de K2SO4 o Na2SO4 y se añade en el tubo de ensayo.

6. Calentar en mechero con cuidado; pero fuertemente hasta que se desprenda un olor acre intenso producto de la formación de la acroleína.

Determinación de la formación de glicerina por absorciometría visible. Se comienza con la confección de una curva patrón a partir de las lecturas de absorbancia utilizando Glicerina pura a diferentes concentraciones, la cual posteriormente nos ayudara a determinar las concentraciones de dicho componente en el jugo una vez que haya sido empleado en el desengrase.

I. Confección de la Curva patrón. 1. Se toman 10mL de glicerina y se homogeniza con agua destilada en un matraz aforado de 50mL.

2. Se toma de esta dilución patrón alícuotas de 2, 4, 6 y 8mL respectivamente, y se añade en un tubo de ensayo.

3. Se añade agua destilada hasta completar 10mL de solución.

4. Se va al espectrofotómetro y se lee la absorbancia a los 205nm.

Con los valores de absorbancia y las concentraciones se construye la curva patrón.

II. Determinación de glicerina en jugo. 1. De las mismas placas petri se toman 2mL de cada jugo y se embazan en tubos de ensayos.

2. Se añaden a cada uno de los tubos de ensayo 10ml de agua destilada y se homogeniza.

3. Se lee en el espectrofotómetro la absorbancia a 205nm.

4. Se va a la curva patrón con el valor de absorbancia y se determina la concentración.

2.3. Pruebas de desengrase de superficies sólidas con jugo de henequén. Las pruebas de desengrase se realizaron en la Facultad de Ingeniería Química de la CUJAE. Se tomaron varias planchuelas metálicas de 10x10cm y se aplico sobre la superficie la grasa según cada ensayo: Grasa A o B; posteriormente en la zona engrasada se vertió jugo en volúmenes de 5mL, 10mL y 15mL, de cada jugo. Pasado diez minutos se procedió a la limpieza manual de las planchuelas para luego comprobar visualmente si aun existía resto de grasa en la superficie.

v Diseño Experimental Para procesar los datos obtenidos en este estudio se realiza un diseño experimental Factorial Multinivel, con 4 factores experimentales; 3 bloques y 72 corridas.

Esta información se muestra a continuación en la Tabla 1., el orden de los experimentos ha sido completamente aleatorio. Esto aportará protección contra el efecto de variables ocultas.

El criterio de selección de masa de grasa y volumen empleados en el estudio responde a los resultados obtenidos por Idania Rojo en su tesis en opción al Grado de Ingeniero Químico, (2009-2010).

Tabla 1. Diseño Factorial Multinivel

El diseño experimental se realiza en el Software STAGRAPHICS Centurión.

2.3.1. Determinación de la formación de glicerina. De acuerdo al diseño experimental en forma de screeng se tomaron las dosis de jugo y grasa correspondientes y se dejaron en reposo por un periodo de una hora, para luego tomar muestras de los diferentes sistemas jugo-grasa.

La comprobación de la formación de glicerina en los sistemas jugo-grasa se realizo por dos vías. Una primera vía donde se buscaba la formación de acroleína a partir de la interacción de glicerina libre en las muestras con Na2SO4, y una segunda vía que consistía en la lectura de las absorbancia de las muestras a 205nm (longitud de onda donde la glicerina tiene su máxima absorbancia).

2.3.2. Comprobación de glicerina libre en las muestras por la formación de acroleína. Este procedimiento se realizó primeramente con 1mL de glicerina pura, para marcar el momento en que se desprendía el olor acre fuerte característico. Se pudo detectar que segundos antes de comenzar el desprendimiento de dicho olor hubo un cambio de color, tomando la solución una coloración marrón.

a b Fig. 17 a y b Reacción entre Glicerina y Na2SO4

a) antes de calentar en el mechero b) después de calentar en el mechero.

Una vez determinado estos dos indicadores se realizo el experimento con las muestras tomadas de los sistemas Jugo/Grasa. Todas las muestras dieron positiva a la formación de acroleína, dado que se hicieron presente los dos indicadores marcados con la glicerina pura. Lo que asegura que en las muestras de jugo tomadas de los sistemas Jugo/Grasa contenían glicerina libre en ellos.

a b Fig. 18 a y b Determinación de glicerina libre en las muestras de los sistemas jugo-grasa (general): a) inicios de la reacción b) final de la reacción.

2.3.3. Evaluación de glicerina libre en las muestras por el método de absorciometría visible. Con este método no solo se confirma la presencia de glicerina libre en las muestras, sino que también permite cuantificar la glicerina libre en las muestras tomadas de los sistemas Jugo/Grasa.

Lo primero que se realiza es una patrón de glicerina a partir de valores de absorbancia medidos a 205nm y valores de concentración. Con estos valores se confecciona una curva en Microsoft Excel, la cual fue ajustada posteriormente en el mismo programa obteniéndose un modelo matemático que describe el comportamiento de la absorbancia con respecto a la variación de la concentración de glicerina [c(C3H6(OH)3)].

Dicha curva patrón se muestra a continuación conjuntamente con los valores de absorbancia y concentración con que fue confeccionada.

Este modelo matemático se obtuvo para errores menores que un 10%.

Tabla 2. Valores de Absorbancia a 205nm y de c(C3H6(OH)3) .

Fig. 19 Curva patrón de la Glicerina ajustada en Microsoft Excel.

Realizada la curva patrón de glicerina se realizaron las lecturas de absorbancia para las muestras tomadas; las cuales tuvieron que ser diluidas en una proporción de 1ml de jugo en 10mL de agua destilada, para un factor de dilución de 10 (fd=10). Los valores que a continuación aparecen en la Tabla 3. y Fig. 20; Tabla 4. y Fig.21; Tabla 5. y Fig. 22, corresponden a la lecturas para las muestras ensayadas, a una absorbancia de 205nm y a las concentraciones de glicerina libre calculadas como se plantea a continuación.

Calculando la concentración de glicerina libre en las muestras a partir de la ecuación del modelo ajustado obtenido en la curva patrón, se puede determinar la variación de la formación de glicerina con la variación de la temperatura, la dilución y el tipo de grasa. Dichos valores se expresan a continuación.

Fig. 20 Comportamiento de la c(Glicerina) con respecto a las condiciones de cada experimento con jugo J25.

Tabla 4. Concentraciones de glicerina libre en ensayos con jugo J30.

Fig. 21 Comportamiento de la c(Glicerina) con respecto a las condiciones de cada experimento con jugo J30.

Fig. 22 Comportamiento de la c(Glicerina) con respecto a las condiciones de cada experimento con jugo J35.

Tabla 6. Valores medios de la concentración de glicerina libre en los jugos ensayados.

Fig. 23 Comportamiento de la c(Glicerina) media, en los experimentos con los jugos ensayados.

Con el objetivo de definir un modelo matemático capaz de predecir la concentración de glicerina formada durante la acción desengrasante de los jugos; así como la acción de factores tales como Tipo de Jugo, Temperatura, Pureza de los Jugos y Tipo de Grasa en la misma, se realizó el diseño experimental tipo Factorial Multinivel.

Los valores fijados de volumen de jugo, masa de grasa, pureza de los jugos y temperaturas corresponden a resultados obtenidos en estudios similares con anterioridad. En el caso de las dos grasas, el criterio de selección estuvo determinado por su frecuente utilización en la protección contra la corrosión de equipos militares.

Utilizando la grasa A para ensayar y variando las concentraciones de jugo en cada ensayo a continuación se muestra el resultado de la evaluación cualitativa del desengrase. Los resultados obtenidos en las pruebas de desengrase corresponden a ensayos en planchuelas metálicas de dimensiones 2x5cm, que aparecen en la Tabla 7 a continuación.

Tabla 7. Resultados de la prueba cualitativa de desengrase.

El mejor desengrase se logró con J25 para dosis de 15mL durante 10 minutos de exposición.

2.3.4. Máquinas Herramientas En los Talleres Mecánicos, en general se dispone de un conjunto de máquinas para el corte y preparación de materiales metálicos, las cuales se encuentran la mayor parte del tiempo impregnadas de grasas sólidas o liquidas, partículas como las limallas y/o virutas de los cortes de metales, polvo y algunas otras impurezas. El Taller de este tipo que se encuentra en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la CUJAE no esta exento de esta situación, por lo que es una preocupación de los directivos del mismo la limpieza de estos equipos cada cierto período de tiempo durante las etapas de mantenimiento y limpieza.

2.3.5. Maquinas a desengrasar Las pruebas para el desengrase fueron realizadas en el Taller Metal Mecánico de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la CUJAE en las máquinas que a continuación se describen:

Máquina # 1 Dentadora (Superficie rugosa) Se utiliza para hacer dientes.

Máquina # 2 Rectificadora plana (Superficie plana) Se utiliza para rectificar las ranuras realizadas en la fresadora para dar mejor acabado en superficies planas.

Además de estas dos máquinas existen otros equipos en este taller que tienen múltiples funciones como por ejemplo: – Rectificadora cilíndrica: Se utiliza para rectificar las ranuras realizadas en la fresadora para dar mejor acabado en superficies cilíndricas.

– Tornos: Se usan para tornear piezas de metal.

– Fresadora: Se utiliza para ranurar superficies.

– Amortajadora de dientes: Es utilizada para elaborar dientes.

– Recortadoras: Se utiliza para rebajas de bordes y recorte de piezas.

– Segueta mecánica: Se utiliza para corte de metales.

– Prensas: Se utiliza para comprimir superficies.

– Taladradora radial: Es utilizada para elaborar agujeros.

– Cizalla: Su función es cortar chapas metálicas.

Seguidamente se muestran los resultados del desengrase realizado en máquinas herramienta con información fotográfica, donde aparece la superficie engrasada y con jugo sobre ella, debajo una vista superior y lateral de la propia superficie desengrasada. En todos los casos pasado 10min se retiró el jugo con un algodón húmedo:

Fig. 24 Superficie engasada y desengrase con jugo de henequén.

Fig. 25 Superficie engrasada y zonas desengrasadas con los jugos, (foto).

Conclusiones

· El jugo de henequén como producto desengrasante de procedencia nacional constituye una alternativa para la limpieza de máquinas herramienta en Talleres Metal-Mecánico.

· El aprovechamiento del jugo residual del henequén permite hacer más sostenible el proceso de producción de sogas y cordeles desde la propia henequenera.

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CENTRO DE ESTUDIOS DE TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS RENOVABLES

Autor:

MSc. Martha Mazorra Mestre

Lic. Cándida Ferrer Serrano

Dra. Beatriz Zumalacárregui de Cárdenas

Noviembre 2011