Nuevo substrato fermentable de cañas ? Cuba

1. Resumen
2. Introducción
3. Características de los Jugos de Caña Energética
5. Caracterización del inóculo de levadura en condiciones industriales
6. Comportamiento industrial de los substratos Mezcla y Miel sola
7. Caracterización de las vinazas
8. Caracterización del rendimiento litros de etanol a 100 0G.L. / t de Caña Energética
9. Consideraciones finales
10. Bibliografía

Resumen

Se compilan los resultados de investigaciones desde 1996 a 2005, sobre el nuevo substrato jugos de caña energética , existiendo diferencias significativas comparados con los tradicionales de caña azucarera y sus melazas. Se determina que siempre habrá que mezclarlos con melazas. Son obtenidos los modelos matemáticos de cinética bioquímica y rendimientos. Fueron caracterizadas las vinazas y las calidades de las producciones obtenidas. Se evita que los nuevos jugos se conviertan en un residual líquido industrial agresivo al medio ambiente, aumentando el valor agregado a la cogeneración eléctrica fuera del período de zafra en centrales azucareros cubanos.

Palabras claves: jugos de caña, melaza, bioetanol, biomasa, medio ambiente.

New fermentable mash from canes

They are compiled the results of researches since 1996 until 2005 about the new mash higher fibre cane juices. They are demonstrated the significant differences between them and the traditional sugar cane juices and blackstrack molasses. It was found that there is always to mixture them with blackstrap molasses. Mathematic models are obtained for biochemistry kinetic and yields. They were characterized the vinasses and qualities of the productions made. It was avoided that they are a industrial aggressive liquid to the environment, increasing the aggregate value to the electric cogeneration after sugar crop using biomass combustible in the cuban sugar mills.

Key words: cane juices, molasses, bio ethanol, biomass, environment.

Introducción.

La nueva y al parecer irreversible crisis energética con los combustibles fósiles y precios por encima de los $ 70,00 USD el barril tipo Texas, acentuado en parte a partir del huracán Katrina (Alonso, 2005); ha exacerbado la potenciación de fuentes alternativas centradas en la biomasa combustible renovable y sostenible, al menos en países pequeños que como Cuba, no tienen grandes y caudalosos ríos, bosques y mucho menos recursos económicos para electronucleares; siendo el gran y mayor potencial las cañas de azúcar y energética (Romero, 2005).

A inicios de la década del 90 del pasado siglo, el desplome del campo socialista y de la Unión Soviética con traumáticos efectos para la economía y por ende el pueblo cubano entre otros; hizo casi colapsar grandes sectores económicos como el transporte, la generación eléctrica y en gran medida la rama agropecuaria; significativamente dependientes de las 14 . 106 t de petróleo/año que importaba el país, por la capacidad financiera que brindaba vender el azúcar crudo a unos $ 0,27 USD/libra entre otros, en ese gran mercado abruptamente perdido (Castro, 2005).

En concordancia y a raíz de esto, un estudio realizado por la rama electroenergética nacional con proyecciones hasta el 2005, planteaba incrementar en 100 MW la potencia instalada en los centrales azucareros, empleando bagazo y residuos agrícolas cañeros como combustible (Unión Nacional Eléctrica [UNE], 1995); lo cual no fue posible alcanzar.

En este dramático contexto nacional, logros científicos del país permitieron conocer la obtención de nuevas variedades de caña, que como promedio tienen el doble del bagazo y la mitad del jugo comparada con la tradicional azucarera; lo que motivó el inicio de estudios de factibilidad, experimentos e investigaciones, con el propósito de cogenerar electricidad fuera del período zafra, empleando esta nueva gramínea denominada caña energética (Hernández, Obregón, Romero & Vera, 1996, 1998), y destinar los jugos como substrato industrial para la producción de bioetanol y biomasa de levadura.

El bioetanol es obtenido con levadura entre otros microorganismos, mediante la fermentación alcohólica (Prescott y Dunn, 1962), conocida y utilizada por la humanidad como arte desde 6 000 años A.C. El país que mas produce bioetanol a partir de caña de azúcar es Brasil, tanto a a partir de sus jugos primarios, de corrientes secundarias como de sus melazas; cuyo costo de producción fluctúa entre $ 0,15 y 0,21 USD/Hl a 1000 G. L., siendo el que mas barato lo produce en el mundo (Jolly and Woods, 2004); los cuales tienen disímiles estudios, publicaciones y patentes y otros reflejados en la literatura científica especializada nacionales y extranjeras ( Flo-Biohol, 1982; Biostil, 1994; Fabelo, 1999; de la Cruz, 1998, 2002; Modl, 2004), y actualmente en un boom de precios favorables ( Salomón, 2006).

Con relación a las nuevas variedades denominadas en Cuba caña energética, lo único hallado es un análisis técnico-económico integrando central-destilería y cogeneración eléctrica, pero nada refiere a procesos tecnológicos fermentativos de sus jugos ( Kensliside, 1986).

Los primeros estudios iniciados de caracterización de estos jugos en propiedades físicas, químicas y microbiológicas; comportamientos frente al shock térmico y purificación mediante cal-calor con y sin adición de floculante, y como substrato directo para la fermentación alcohólica (Ventura, 1996; Ulloa, 1997; Obregón, Hernández & Romero 2000a, 2000b); permitieron descubrir y precisar que se estaba en presencia de un nuevo substrato industrial no convencional para fermentación alcohólica, con tales particularidades que los hacen significativamente diferentes a los tradicionales jugos de caña azucarera, por lo que las tecnologías conocidas y existentes para estos últimos (Jay y Cruz,1998), no son aplicables a este nuevo medio basal. Similarmente sucede con relación a las melazas de caña azucarera obviando las diferencias de concentraciones.

Son por lo tanto los objetivos de este trabajo: compilar, resumir y exponer los resultados obtenidos durante diez años de estudios multidisciplinario iniciados en el 1996, tanto a escala de banco como en su utilización industrial, en la provincia central de Sancti Spíritus de la República de Cuba.

Desarrollo.

Características de los Jugos de Caña Energética

Estos nuevos jugos aparte de las diferencias ya mencionadas con relación a los jugos de caña azucarera, presentan también entre otras propiedades distintivas las siguientes ( Obregón, 2006):

– Sus bajos contenidos en la caña, de sacarosa y de azúcares totales; la invalidan económicamente para producciones de azúcar y miel.

– Su acidez natural es mucho mas alta con pH de 0,7 a 1,0 menores.

– No clarifican por el método convencional cal-calor con y sin adición de ácido fosfórico y floculante y ajustes de pH a 6,5; 7,0; 7,5 y 8,0.

– Comienzan a clarificar en mas de dos horas si el Brix se reduce por debajo del 5% , no factible económicamente (Obregón, 2006).

– Calentados mas allá de 90 0C durante dos minutos o mas, se originan inhibidores a la fermentación alcohólica en el 50% de las veces.

– Pureza azucarera % Pol/ % Brix menores entre 15% y 25%.

– Presentan el mayor contenido de azúcares en los meses 5, 6, 11 y 12 dentro del período en que se cosechan de junio a diciembre, pues no compiten con

la zafra que se realiza de enero a mayo con caña azucarera.

– Para fermentación alcohólica siempre requerirán de fuentes alternativas de completamiento de azúcares entre otros en cualquier mes.

– Fermentados directamente sin tratamiento previo alguno, no afecta significativamente la fermentación alcohólica en velocidades de biosíntesis

del etanol y la biomasa de levadura, así como en rendimientos; pero se originan muy altas acidez y espumación que invalida su empleo industrial de

esta forma, pues afecta las calidades de los alcoholes fino y extrafino separados en la destileción y la capacidad de los fermentadores.

– Su flora epifita es alta productora de ácidos orgánicos y acidorresistente, y aunque el Leuconostoc mesenteroide forma parte de ella, no es capaz de

formar dextrana aún a las 48 horas de extraídos y dejados a la temperatura ambiente tal como fueron extraídos.

– Los metabolitos originados por dicha flora y otros microorganismos contaminantes (moc), no afectan como se vió la fermentación alcohólica, pero

compiten por los azúcares del substrato.

– Su empleo inmediato sin concentración siempre requerirá la suplementación de azúcares entre otros, para alcanzar la concentración que lo hagan

factibles económicamente como substrato, lo cual se acentúa por la inevitable imbibición con agua que hay que hacer en los molinos.

– Su extracción en el tandem cosechada la caña mecanizada e integralmente con paja, hojas verde y cogollos entre otros; manifiestan caídas de % Pureza

en sacarosa de Jugo Primario a Jugo Mezclado, de cuatro a cinco veces superior a los normal azucarera, y el % de Extracción alcanza del 55% al

67% del peso de la caña.

– Su coloración es verde muy oscuro, que calentados se hacen carmelitas, y su sabor dulce-salobre discretamente ácido.

– Para concentrarlos mediante evaporación no pueden alimentarse al primer vaso del múltiple efecto pues aparecen los inhibidores, sino, del segundo o

tercer cuerpo en adelante.

– Como promedio en condiciones industriales, el rendimiento en litros de etanol/t caña es tres veces menor a las de referencia.

Por su parte, comparados con la Miel final o melaza de caña azucarera manifiesta:

– De cuatro a seis veces menor la relación Cenizas/ Azúcares Totales (AT) y por ende de minerales.

– Mayores acidez y pureza azucarera de % Pol/ % Brix entre 20% y 30%.

– Menores pH, poder buffer e inhibidores a la fermentacón alcohólica.

– De dos a tres veces mayor la relación de Reductores Infermentables/ A.T. .

– De siete a nueves veces menor la relación Lodos/ A.T.

– Para uso inmediato después de fermentados al destilarse, es despreciable las incrustaciones que originan en superficies de cobre y acero AISI 304 aún

mezclados con Miel final.

– Reiteran que no clarifican y aparecen inhibidores a la fermentación alcohólica calentados mas allá de 900 C.

– Pueden conservarse a altas concentraciones mezclados con Miel final de caña azucarera (Obregón & Fardales, 2006).

El hecho de referir parte de las variables de caracterización por relaciones dividas entre A.T. y Brix según el caso, se fundamenta científicamente a que se tiene una información mas profunda y precisa de la macro y algunas de microcomposición, que se mantienen constante e independientes del grado de dilución a que se someten particularmente las melazas. Por su lado las incrustaciones se evaluaron con resistencias de enfundadas en cobre y acero AISI 304, que se pesaron antes y después para determinar las mismas.

Como características similares a la caña azucarera se tiene:

– Se deterioran con el atraso de la caña después de cortada, el % Brix y el % Azúcares Totales aumentan hasta los 15 – 17 días descendiendo después,

se invierte la sacarosa, aumentan los moc y la acidez , desciende el pH.

– En la extracción con el tandem limpio y sin antecedentes de contaminaciones microbianas, los moc se adaptan e implantan con el tiempo de molida, como

promedios significativos a las dos horas y altamente significativos de las seis horas en adelante (Hernández, Fuentes & Obregón, 1971; Obregón, 1971).

– Admiten optimización con el modelo biológico vivo cepa de levadura mediante estímulo-respuesta (Corcho, 2002; Obregón & Hernández, 2006;

Obregón , Hernández, Sebrango & Curbelo, 2006).