OBTENCIÓN DE XILITOL MEDIANTE HIDROGENACIÓN DE XILOSA  DE OLOTE DE MAÍZ Alternativas energéticas y mecanismos de desarrollo limpio Departamento de Madera Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e  Ingenierías, Universidad de Guadalajara . Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, C.E. San Martinito,  Puebla.

Sede regional: PUEBLA

INTRODUCCIÓN • El manejo de los residuos agroindustriales se ha limitado a encontrar un lugar para su disposición final, y con esto, se genera un alto índice de contaminación. •Las plantas que procesan materias primas de origen agrícola no soportan los costos de inversión y operación de sistemas de tratamiento de sus residuos y esto causa gran deterioro del medio ambiente.

INTRODUCCIÓN • La re‐utilización de residuos como materias primas para obtener productos de alto valor agregado, puede ser una alternativa económica y ecológicamente viable.

ANTECEDENTES • Maíz, trigo y arroz, son los cultivos más abundantes en el mundo, pero el maíz es el primero en cuanto a volumen. Desde hace cincuenta años, la extensión y volumen de producción del grano mesoamericano ha ido en aumento; de seguir así, se convertirá en el grano más importante del planeta.

ANTECEDENTES • El consumo de maíz para el año 2012 osciló al rededor de los 30 millones de toneladas, tomando en cuenta que la proporción del olote es el 20%, se estima la disponibilidad de olote del orden de 6 millones de toneladas.

ANTECEDENTES DE NUESTRO INTERÉS:   • La xilana, pentosa compuesta por unidades de D‐xilosa con uniones de tipo 1β‐4, de la cual es posible obtener el xilitol.

XILITOL: • Edulcorante para diabéticos y se utiliza en preparaciones para higiene bucal, alimentos dietéticos y preparaciones farmacéuticas (Agblevor et al, 2000). • Se le atribuyen propiedades anticariogénicas y cariostáticas, ya que no permite la fermentación de la mayoría de microorganismos que habitan la cavidad bucal, además de suprimir de manera activa la formación de nuevas caries (Domínguez, 1998).

ANTECEDENTES Métodos de obtención de xilitol : • Químico (hidrólisis ácida; reducción de xilosa con hidrogeno en presencia de un catalizador, incluye 4 etapas: 1) hidrólisis ácida del material, 2) purificación de la xilosa, 3) hidrogenación catalítica y 4) rendimiento del proceso). • Biotecnológico (fermentación del hidrolizado). • Auto hidrolisis (método de explosión de vapor; se somete un material fibroso a presión de vapor directo entre 8 a 14 Kg/cm2 por tiempos de residencia entre 1 a 30 minutos, al final del tiempo se libera bruscamente el contenido del reactor, causando un ablandamiento y un cierto grado de apertura del tejido fibroso, induciendo una hidrólisis parcial de las hemicelulosas).

METODOLOGÍA Olote de Maíz  variedad D‐526

Extracciones con vapor de agua a 200g base seca de olote. Presión vapor de 7, 8, 9,10 y 11,5 Kg /cm2, y tiempo de 5, 10 y 15 min. Hidrólisis, autoclave a 121ºC durante 1 hora. Neutralización, pH de 6.36 con CaO. Solución neutralizada se centrífugó durante 30 minutos, se decantó y se filtró. Purificación, mediante en columna de carbón activado, posteriormente en columna con resina de intercambio catiónica y seguida de una columna de intercambio iónica (velocidad de goteo fue 50 mL/min).

METODOLOGÍA Olote de Maíz  variedad D‐526

Hidrogenación, en un reactor Press React APP 300 ml (parr instrument company) a condiciones constantes de 8% de catalizador (Raney‐nickel) con respecto a la xilosa, 11 bar de presión de hidrógeno, 50 ml de solución de xilosa con una concentración de 3.25 g/50 ml y tiempo de 3 horas, variando la temperatura entre (20, 50, 75, 100,125 y 150° C).

RESULTADOS

Fracción solubilizada de olote en función de la presión y el tiempo de extracción.

RESULTADOS

Contenido de azúcares reductores totales en el licor de extracción   antes y después de la hidrólisis ácida.

RESULTADOS Cromatograma del extracto de olote hidrolizado y purificado, obtenido mediante el método de HPLC. Se puede observar que el pico de xilosa es mayor con respecto a los picos de glucosa y arabinosa; extracto rico en xilosa (51.6 g/L).

RESULTADOS Contenido de xilosa y xilitol en la reacción de hidrogenación, a temperaturas de 100, 125 y 150 °C en combinación con tiempos de reacción de 2, 3, 4 y 5 horas, referidos a un volumen de extracto total de 2820 ml obtenido con 1800 g de olote base seca. TIEMPO DE REACCIÓN

CONTENIDO DE XILOSA DE 1800 g DE OLOTE

CONTENIDO DE XILITOL DE 1800 g DE OLOTE

Horas

100°C

125°C

150°C

100°C

125°C

150°C

0*

117.5

117.5

117.5

0.00

0.00

0.00

2

39.99

33.04

1.59

25.15

18.53

14.78

3

21.94

11.53

1.11

32.71

23.73

17.84

4

33.24

16.96

2.60

46.46

30.51

18.47

5

25.60

6.46

0.67

49.82

36.19

21.37

CONCLUSIONES • La obtención de xilitol a partir del olote de maíz se ha estudiado en tres pasos; a) obtención de xilosa del olote mediante un proceso con vapor, con el cual se obtiene un extracto que contiene una fracción de xilanas parcialmente hidrolizadas a xilosa. b) una hidrólisis para la conversión total del polisacárido a su monómero. c) hidrogenación de la xilosa en presencia de catalizador de Raney‐nickel. • La primera etapa de extracción es una etapa libre de reactivos químicos, el rendimiento de extracción de azúcares reductores totales es bajo, ya que a las condiciones máximas de tiempo de residencia y temperatura en el reactor de 15 minutos a 185 °C se ha obtenido un rendimiento máximo aproximado de 6 g de azúcares reductores totales en el licor de extracción, a partir de 100 g de olote. • La etapa intermedia, o de hidrólisis ha sido de tipo química, con esta etapa se llega a un rendimiento acumulado de 13 gramos de xilosa a partir de 100 g de olote.

CONCLUSIONES •

La etapa de hidrogenación tiene buena eficiencia y requiere de tiempos cortos de reacción, se necesita emplear un reactor que opere a presión.

•

La eficiencia de la reacción de hidrogenación, los mejores resultados se han obtenido a 100 °C con tiempo de residencia de 5 horas, llegando a 41% de eficiencia, considerando la cantidad de xilosa disponible en la reacción.

•

Desde el punto de vista de la eficiencia del proceso global a partir de la materia prima, obtenemos un rendimiento neto de 2.77 gramos de xilitol a partir de 100 gramos de olote en base seca, que corresponde a un rendimiento aproximado de 32%.

•

La proporción de xilosa remanente al final de la reacción a 100 °C y 5 horas, es de 1.42 g referidos a 100 g de olote.

•

Como ya se ha hecho notar, el bajo rendimiento de extracción constituye el cuello de botella del proceso global, ya que es muy bajo, y debe optimizarse en caso de un interés industrial.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Departamento de Madera Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e  Ingenierías, Universidad de Guadalajara . Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, C.E. San Martinito,  Puebla.

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