Mysteryland: 2012

martes, 24 de julio de 2012

Fermentación Acética

Universidad Politécnica de Zacatecas

Materia:

SEMINARIO EN ENERGÍA DE BIOMASA

Investigación:

Fermentación alcohólica

Maestra:

I. Q. Verónica Ávila Vázquez

Alumno:

Edgar Ivan Castillo Gaytan

INDICE

OBJETIVO
DESARROLLO
CONCLUSIONES
REFERENCIAS

OBJETIVO

Obtener conocimiento acerca de la fermentación acética

DESARROLLO

La fermentación acética es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético que se encuentra en pocas proporciones en el vinagre. La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la cimología.

La formación de ácido acético resulta de la oxidación del alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Esta bacteria, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requiere un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por:

C₂H₅OH +O₂+ Acetobacter aceti = CH₃COOH+H₂0 Alcohol + Oxígeno + Bacteria del vinagre = Ácido Acético + Agua

El vinagre se conoce desde hace más que 4,000 años. Ya en el imperio de Mesopotamia se conocía como la Cerveza Acida, es decir el Vinagre de Cerveza. Sin embargo en estos tiempos no se elaborada concientemente, si no era fruto de circunstancias casuales. Hubo que esperar hasta que Luis Pasteur (1822- 1895) descubriera el secreto de la fermentación acética y para que supiéramos que pequeños seres vivos, las Bacterias Aeróbicas (es decir que necesita del aire para actuar) llamada Acetobacter acéti actúa sobre el alcohol etílico convirtiéndola en ácido acético.

El número de bacterias acéticas usualmente presente en el jugo fermentado es pequeño y a menudo son del tipo indeseable o inactivo. Por lo tanto, debe ser añadido un indicador adecuado para suministrar la clase apropiada de bacterias y producir las condiciones favorables para su crecimiento y actividad. El mejor medio para prevenir el crecimiento de organismos indispensables es añadir vinagre fuerte, no pasteurizado al jugo fermentado después que se ha completado la fermentación alcohólica.

La bacteria del vinagre crece en el líquido y en la superficie expuesta en el aire. Ellas pueden formar una película lisa, grisácea, brillante y gelatinosa. La película no siempre se forma, algunas clases de organismos crecen solamente en el líquido y no en la superficie. Si la película no es disturbada, el líquido permanece más bien claro hasta que es convertido en vinagre.

La rapidez de transformación de alcohol a ácido depende de la actividad del organismo (ver figura 1), la cantidad de alcohol presente, la temperatura y la cantidad de superficie expuesta por unidad volumen. A una temperatura favorable de 80º F, el factor limitante puede ser el área superficial expuesta. El tiempo requerido para el proceso lento, en barril, es de alrededor de tres meses o más. En los procesos generadores a gran escala donde la superficie expuesta al aire es grande, el tiempo para la fermentación puede ser acortado en caso de horas.

Figura 1. Relación entre la fermentación Alcohólica y la Acética

Después que la fermentación acética se ha completado, el vinagre no puede ser expuesto al aire debido a que puede sufrir una oxidación adicional a dióxido de carbono y agua, reduciendo el vinagre rápidamente a una condición de baja calidad. Para evitar ésta situación el vinagre deberá ser colocado en recipientes completamente llenos y fuertemente sellados.
En boca se percibe como un sabor que recuerda el vinagre. Esta presente en las botellas con el corcho mal colocado o en mal estado. Normalmente se considera que un vino se ha estropeado cuando contiene 1,4 gramos de ácido acético por litro.

Aplicaciones y usos El ácido acético es utilizado como un conservante previniendo el crecimiento de las bacterias y los hongos. Así mismo, es agregado en la mayonesa para incrementar el efecto de inactivación contra la Salmonella. Muestra su mayor actividad a niveles bajos de pH. Adicionalmente, puede ser utilizado como sustancia amortiguadora o ‘buffer' en los alimentos ácidos, o como un componente aromático en algunos productos .

En apicultura es utilizado para el control de las larvas y huevos de las polillas de la cera, enfermedad denominada Galleriosis, que destruyen los panales de cera que las abejas melíferas obran para criar o acumular la miel. Sus aplicaciones en la industria química van muy ligadas a sus sales aniónicas, como son el acetato de vinilo o el acetato de celulosa (base para la fabricación de rayón, celofán...) Resultado de la oxidación del alcohol etílico a ácido o fermentación acética. Su fórmula es: CH3CO2H. Junto con los ácidos propionico, butírico y sulfúrico compone la acidez volátil del vino. No produce efectos colaterales, ya que es un compuesto natural de todas las células corporales. Solamente debe ser evitado por aquellas personas que sufren de intolerancia al vinagre (casos muy raros).

Tanto el ácido acético como los acetatos pueden ser consumidos por todos los grupos religiosos, así como por los vegetarianos (estrictos y no estrictos). Aunque puede ser producido a partir del alcohol, no contiene ninguna traza de este compuesto. Con esto se elaboran los encurtidos; para la elaboración de encurtidos existen numerosos procedimientos, con diversas recetas, diferentes equipos y múltiples consideraciones económicas. Se encuentran los encurtidos mixtos, de caigua, de pepinillos, ají encurtido en vinagre puro o aromatizado, entre otros.

CONCLUSIONES

Los diferentes tipos de fermentaciones han formado parte de nuestra vida desde hace miles de años, aunque sin conocer su proceso químico. Es de conocer ahora que este proceso es una segunda parte de la formación de alcoholes y funcional en el área de bioenergéticos. No precisamente como combustible, sí no, como subproducto de los alcoholes fermentados con éste propósito.

REFERENCIAS

http://alimentos.blogia.com/2007/112901-fermentacion-acetica.php
http://www.tempeh.info/es/acido-acetico.php
http://www.scielo.br/pdf/bjce/v24n2/01.pdf

martes, 26 de junio de 2012

Poder Calorífico de Residuos Agrícolas

Universidad Politécnica de Zacatecas

Seminario de Ing. en Energía de la Biomasa

Investigación sobre: Poder Calorífico de Residuos Agrícolas

Docente. I.Q. Verónica Ávila Vázquez

Alumnos: Iván Cuevas

Iván Castillo

ÍNDICE

Introducción
Desarrollo
Conclusiones
Referencias

INTRODUCCIÓN

Desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance de emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. En efecto, el CO2 generado en la combustión de la biomasa es reabsorbido mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas necesarias para su producción y, por lo tanto, no aumenta la cantidad de CO2 presente en la atmósfera. Al contrario, en el caso de los combustibles fósiles, el carbono que se libera a la atmósfera es el que está fijo a la tierra desde hace millones de años.

En lo que al aprovechamiento energético se refiere, la biomasa se caracteriza por tener un bajo contenido de carbono, un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles. Estos compuestos volátiles (formados por cadenas largas del tipo CnHm, y presencia de CO2, CO e H2) son los que concentran una gran parte del poder calorífico de la biomasa. El poder calorífico de la biomasa depende mucho del tipo de biomasa considerada y de su humedad. Así, normalmente estos valores de poder calorífico de la biomasa se pueden dar en base seca o en base húmeda.

DESARROLLO

En general, se puede considerar que el poder calorífico de la biomasa puede oscilar entre las 3000 y 3500 kcal/kg para los residuos lignocelulósicos (residuos forestales y otros desechos de plantas), entre las 2000 y 2500 kcal/kg para los residuos urbanos y, finalmente, desde las 10000 kcal/kg para los combustibles líquidos provenientes de cultivos energéticos. Estas características, juntamente con el bajo contenido de azufre de la biomasa, la convierten en un producto especialmente atractivo para ser aprovechado energéticamente.

Desde el punto de vista energético resulta conveniente dividir la biomasa en dos grandes grupos:

Fig. 1. Clasificación para energía de la Biomasa

El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa de combustible. Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de combustible al oxidarse en forma completa.

El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI).

Poder calorífico superior (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase.

Poder calorífico inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.

Fig. 2. Poder calorífico de maderas y residuos agrícolas.

(*)El poder calorífico de la madera verde disminuye si aumenta la humedad de la misma. En la siguiente figura se da el coeficiente por el que hay que multiplicar el poder calorífico para obtener el valor real.

Fig. 3. Coeficientes de la madera húmeda.

La generación de residuos agrícolas debe completarse con la retirada de los mismos para poder facilitar el cultivo posterior. Pensando en un aprovechamiento de estos residuos sólo será viable la recogida en las parcelas con un tamaño adecuado y en zonas donde se pueda acopiar una cantidad que justifique económicamente la retirada.

Fig. 4. Generación de residuos de diversos cultivos.

Estos desechos se obtienen de los restos de cultivos o de limpiezas que se hacen del campo para evitar las plagas o los incendios y pueden aparecer en estado sólido, como la leña, o en estado líquido, como los purines u otros elementos residuales obtenidos en actividades agropecuarias. Los dos grupos de residuos se generan por necesidades forestales, no energéticas, y son materiales que no tienen calidad suficiente para otras aplicaciones que no sean las energéticas.

Fig. 5. Poder calorífico medio de algunos residuos procedentes de cultivos.

Cuando la biomasa procede de árboles urbanos o cercanos a carreteras tiene un color negruzco debido a las artículas contaminantes expulsadas por los vehículos y que se han adherido a la corteza. Se denomina estéreo a una agrupación de biomasa que ocupa un metro cúbico de volumen aparente. A la relación entre lo que ocupan realmente las leñas (volumen real o sólido) y un estéreo (volumen aparente) se le denomina coeficiente de apilado. Es decir: Volumen real o sólido / metro cúbico aparente = coeficiente de apilado.

La humedad es muy importante desde el punto de vista del aprovechamiento energético, pues es la que más influye en el poder calorífico de los biocombustibles, junto a la especie. Puede medirse en baseseca o en base húmeda. Si denominamos h la humedad en base seca y H la humedad en base húmeda, las fórmulas para obtener h y H son:

h = (Ph - P0) / P0 H = (Ph - P0) / Ph

donde Ph es el peso húmedo, es decir el peso a la humedad h y P0 es el peso de esa misma leña después de haber sido secada en estufa a 103±2ºC hasta haber perdido toda su humedad. Como P0 < Ph ,entonces H < h, siendo H = h / (1+h) , h = H / (1-H). La humedad es importante en el transporte. Cuando transportamos biomasas húmedas transportamos agua. La biomasa más húmeda, a igualdad de otras circunstancias, siempre es más barata. Cuando se compre biomasa han de considerarse dos variables: el peso y su humedad.

La densidad se calcula en función de la densidad de la madera y de la corteza:

donde mm y mc son masas de madera y corteza y db, dm y dc densidades de biomasa, madera y corteza. A veces lo que se conoce es el porcentaje en corteza de una biomasa, en este caso:

donde pc es el tanto por uno en corteza. La variable química más importante a la hora de definir un biocombustible sólido forestal es su poder calorífico. De forma aproximada, conociendo la composición química de un combustible puede conocerse su poder calorífico empleando la fórmula de Dulong-Petit:

PCI = 8100 c + 2500 s + 34000 (h - o/8)

donde PCI es medido en kcal/kg, c, s, h y o son el tanto por uno en masa de carbono, azufre, hidrógeno y oxígeno. Si se aplica esta fórmula directamente hay dos errores; el primero debido a la inexactitud de la misma y el segundo debido a los errores cometidos al realizar el análisis químico elemental. Safizadeh (1982) señala como composición química media de la biomasa forestal (en masa). Una fórmula para calcular el poder calorífico en función de la humedad es la propuesta por Marcos (2001):

PCI = (PCS0/(1+H)) - 665*(0,54+H)/(1+H)

donde PCS0 es el poder calorífico superior anhidro y H la humedad en peso húmedo. Estudios más detallados relacionados con las fórmulas del poder calorífico de la biomasa forestal pueden verse en Arola (1976), Hough (1969), Dumon (1982), Kollman (1959), Gimeno y Marcos (varias). Diversas son las variables que condicionan la obtención de biomasa forestal en el monte: pendiente, resistencia y rugosidad del terreno, distancia media de transporte, densidad de vías de saca, densidad de la masa, disponibilidad o interés social por utilizar un grado de mecanización más o menos alto.

Ejemplo

Para el bagazo seco se propone la siguiente expresión:

PCIS = PCSS – 5400 H (kcal/kg)

H: kg de hidrógeno / kg de combustible

Esta expresión corresponde al valor del PCI del combustible seco. En el caso de bagazo seco con la siguiente composición elemental media:

Carbono = 0.47 kg/kg de bagazo

Hidrógeno = 0.065 “

Oxígeno = 0.44 “

Cenizas = 0.025 “

Resulta: PCIS = 4600 – 5400 x 0.065 = 4250

(kcal/kg de bagazo seco)

Bagazo húmedo

El bagazo que se emplea en la práctica contiene una cierta cantidad de agua que en estado de vapor se pierde por la chimenea junto con los gases calientes, productos de la combustión. El PCI del Bagazo Húmedo, se determina teóricamentea partir del PCSS y la composición centesimal del bagazo húmedo.

El Manual de Hugot da los siguientes valores caloríficos de los componentes del bagazo:

Fibra f (%) 4.600 kcal/kg

Azúcar s (%) 4.000 "

Agua w (%) 0 “

Al valor calorífico de la fibra y del azúcar, le resta el calor de vaporización del agua y del vapor resultante de la combustión del hidrógeno para calcular el PCI:

PCI (bag húmedo) = 4600 x f /100 + 4000 x s / 100 - 5400 x H x (100 - w) /100 - 600 x w/100

Para H = 0,065 kg/kg de bagazo, resulta:

PCI (bagazo húmedo) = 46 f + 40 s – 2,5 w – 350 (kcal/kg)

Se considera la influencia de otras impurezas del bagazo y reemplaza en la expresión anterior el valor de:

f = 100 – 1,25 s – w, por lo que finalmente resulta:

PCI (bagazo húmedo) = 4250 – 48,50 w – 7,5 s (kcal/kg)

También considera una forma más simple para calcular el PCI del Bagazo Húmedo a partir del valor del PCS del Bagazo Húmedo:

PCS (bagazo húmedo) = 4600 (1 – w/100)

PCI (bagazo húmedo) = PCS – 600 E

Donde E es el agua producto de la combustión del hidrógeno más el contenido de humedad:

E = 9 x H x (1 – w/100) + w/100

Reemplazando resulta la conocida expresión para el PCI del Bagazo Húmedo:

PCI (bagazo húmedo) = 4250 – 48,50 x w (kcal/kg)

CONCLUSIONES

Es notable que el avance de la tecnología nos ha facilitado tanto la vida como la investigación y procesos que faciliten esta misma. Los valores que contienen las tablas, es una prueba de que ya nos es facil darnos una idea del poder calorifico con el que cuenta cada residuo agricola o forestal, la cdandonos a relantidad de desechos por área o tonelada, ayudándonos a realizar cálculos sobre un área determinada que deseemos estudiar y evaluar.

En base a los experimentos y las pruebas que se realizaron para tomar estos valores, podemos tener una idea de que sería mas viable sembrar en los cultivos energéticos y favorecer la alimentación del hombre así como aprovechar los residuos con su alto poder calorífico como biomasa, para la producción de energía.

Fuentes

· http://onsager.unex.es/Apuntes/Termo/Tablas-Tema-3.pdf

· Secretaría de Energía de Argentina. Energías Renovables, Energía Biomasa. Ed. de la Secretaría de Energía. Argentina, 2008.

· http://www.redproteger.com.ar/poder_calorifico.htm

· http://www.herrera.unt.edu.ar/revistacet/anteriores/nro24/pdf/n24ext02.pdf

· http://www.gobiernodecanarias.org/boc/2001/134/boc-2001-134-anexo-15598.pdf

· http://www.estrucplan.com.ar/producciones/entrega.asp?identrega=1844}

· http://onsager.unex.es/Apuntes/Termo/Tablas-Tema-3.pdf