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Avances tecnológicos en los
derivados de la caña de azúcar
Jesús Eliecer Larrahondo Aguilar, PhD.
•Caña de azúcar
(Género : Saccharum)
•Energía
•P. Especializados
•P. Química Fina
•Polímeros
Biomasa•Alimentación
•Nuevos Mercados
•P. Química fina
•P. Farmacéuticos
•Polímeros
•Tenso activos
Azúcar
Fuente Almazan, O.; 2001, USDA, 2008Kochergin, V.; 2002
Azúcar
+
Bagazo
Para electricidad
+
etanol
Mejoramiento vegetal para la producción de biomasa
Variedad comercial
10 - 12% fibra
Mas azúcar+
mas bagazo
para electricidad
+
etanol
Alta calidad varietal
17 - 22% pol
Azúcar+
mucho mas bagazo
para electricidad
+
etanol
Variedad alta fibra
20 - 30% fibra
No azúcar
Etanol
electricidad
Caña energética> 30% de fibra
Escenarios
Incremento de fibra
La caña de azúcar como planta biofábrica
Caña de
azúcar
Adaptación del
cultivo a diferentes
climas
Azúcares
modificadasAzúcar Bagazo Biomateriales
AlimentosEtanol Celulosa Lignina Energía
EtanolProductos
de la pulpa
Nuevos
Productos
Proyección y propuestas
(nuevos productos)
Alcoquímica
Derivados de la caña y coproductos
Derivados de la sacarosa
Derivados de la caña de azúcar
COGOLLOS,
HOJAS A. Animal - Combustible - P. nutraceúticos
MIELES
Etanol, levaduras, lisina, ácido cítrico, ácido glutámico, ácido
láctico.
Invertidas: producción de glucosa y fructosa
Miel proteica - Proteína unicelular (PUC)
BAGAZO
Fibra para tableros (aglomerados), papel
Producción de furfural – Combustible (cogeneración)
Etanol - Xilitol - Filtros
CACHAZA Fertilizante - Cera
MATERIALES LIGNOCELULOSICOS
Segunda Generación
ETANOL
BiomasaLignocelulosa
Residuos AgrícolasBagazo de caña
Fermentación
Hidrólisis
CO2
Xilosa,CelobiosaGlucosa,
etc.Celulosa,
Hemicellulose
Ciclo
El sol
Estrategias de investigación
“El uso del bagazo de nuevas variedades no utilizado y con alto contenido de fibra es un recurso potencial muy importante
para la producción de etanol”
En algunas etapas del proceso de producción de etanol a partir del bagazo, se obtienen bio - polímeros como productos de valor agregado utilizando las
bacterias mas adecuadas
Muestras de bioplásticos obtenidos de biomasa de caña de azúcar
Análisis fisicoquímicos Preliminares
Residuo lignócelulósicoExtraíbles lipofílicos
insolubles (%)Cenizas (%) Lignina (%) Celulosa (%)
Bagazo de caña 86,48 10,0 26,00 45,33
Banano 75,00 2,1 20,00 12,32
Naranja 87,91 1,5 25.26 32,56
Uva 40,69 1,2 25.86 14,09
Maracuyá 83,57 1,1 35,41 36,88
Bagazo
(material
rico en fibra)
Insolubles
Solubles
Pulpa de celulosa
(30% - 40%)
Hemicelulosas
(pentosas)
(20% - 30%)
Lignina
(20%)
Fraccionamiento de la biomasa(Proceso NREL)
Fuente: Luc Moens, SPRI 2002
National Renewable Energy Laboratory
Celulosa Microcristalina (MCC)
La celulosa microcristalina (MCC) es un derivado de la α-celulosa despolimerizada, donde la pared
celular de la fibra ha sido descompuesta en fragmentos de tamaños que varían de decenas a
algunas centenas de micras.
Excipiente en la industria farmacéutica.
Como agente de compactación y desintegración en la industria farmacéutica.
Sustituto de harina y azúcar en alimentos de bajas calorías.
Mejorador de fluidez en polvos y granulados.
Lubricantes, sustituto de lactosa y almidón.
Celulosa Microcristalina (MCC)
APLICACIONES
OBTENCION DE CELULOSA MICROCRISTALINA A
PARTIR DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS
Duvan F. Castillo, Universidad Santiago de Cali, Cali, [email protected]
Alexander Chacon, Universidad Santiago de Cali, Cali, [email protected]
Jesus Larrahondo*, Universidad Santiago de Cali, Cali, [email protected]
*Director de Tesis
Proceso de obtención de MCC : A) Bagazo molido sin tratar, B) Tratamiento con
NaOH al 10%, C) Digestión Etanol-HNO3, D) Blanqueo Digestión básica y lavado
con H2O2 E) producto Final después de la Hidrolisis
Obtención de celulosa microcristalina
Resultados
Porcentaje de celulosa microcristalina en base seca de los residuos
lignócelulósicos y su porcentaje de rendimiento
Caña de azúcar como fuente de compuestos aromáticos
Avances: BSES. Australia, 2005
Producción del ácido p-hidroxibenzoico (pHBA)
en caña transgénica.
Sobre – expresión del pHBA fue demostrado en hojas y tallos de la caña
de azúcar.
Los resultados preliminares sugieren que la caña de
azúcar puede ser un cultivo ideal para la producción de
compuestos de interés industrial.
Otros productos derivados de la Caña de azúcar vía transgénesis
Fuente: CRC. Australia
EPOBIOWORKSHOP 2
Grecia, 2007
Producción de sorbitolPolihidroxialcanoatos
(PHAs)
Estudio de 9 meses en invernaderos
Primera cosecha
Altura : 140 cmPeso: 783 g
Sacarosa: 4.9%PHB: 0.11 g
Segunda cosecha
Altura : 291 cmPeso: 2637 g
Sacarosa: 5.52%PHB: 1.69 g
Tercera cosecha
Altura : 336 cmPeso: 5430 g
Sacarosa: 11.09%PHB: 9.34 g
Conclusiones: PHB en caña de azúcar
•Transformación exitosa en caña de azúcar vía una codificación multigénica.
•La expresión objetivo trabaja bien en los plastidios.
•La producción de PHB en las hojas de caña de azúcar es continua con el tiempo. La acumulación depende del tiempo.
•No existen evidencias de factores limitantes en la producción de PHB en la caña de azúcar modificada genéticamente.
•Se disponen de 26 líneas transgénicas positivas de producción de PHB de 130 evaluadas en Australia.
La expresión
•Líneas productoras de PHB pueden ser detectadas a edades tempranas.
Proyección y propuestas para un Ingenio
Derivados de la caña y
coproductos
Cera de caña: fuente cachaza.Extracción vía soxhlet con etanol
Celulosa microcristalina: fuente bagacillo y residuosde cosecha.Extracción de celulosa vía explosión agua caliente yácidos orgánicos
Pigmentos naturales y antioxidantes: fuentes residuosverdes
Cera de la Caña
Caracterización química de la cera de la caña de azúcar
Variedad
•CC 85 - 92
% Cera (tallos)
•0.04% - 0.17%
Compuestos
•Ácidos orgánicos
•Araquídico (4.3%)
•Behénico (26.7%)
•Laúrico (2.1%)
•Lignocérico (55.3%)
•Mirístico (0.75%)
•Palmítico (6.5%)
•Tricosanoico (4.4%)
Fuente: Congreso Latinoamericano de Química (2010). Cenicaña - UTP
Flavonoides de la
caña de azúcar
Antocianinas
Flavonoles
Flavonas
Flavonas
Grupos
Tricino
Luteolino
Apigenino
El rol de compuestos fenólicos en las plantas
▪ Pigmentación de flores y frutas.
▪ Antioxidantes.
▪ Resistencia a insectos, enfermedades.
▪ Componentes del sabor.
▪ Estructura de lignina.
La mayor antocyanidina en el jugo de caña
Fuente: SPRI
La sucroquímica como una alternativa al empleo del azúcar
Productos químicos convencionales
derivados de la sacarosa
Sacarosa
Etanol
Acetaldehído
Etileno
Acetona
Etilamina
Ácidos orgánicos
Productos derivados no convencionales de la sacarosa
ÁcidosCítrico
Láctico
Esteres de sacarosaPolímerosEdulcorantes bajos en caloríasDerivados organometálicos (pesticidas)p. Farmacéuticos: antibióticos, etc.
Aminoácidosl-lisina, l-glutámico,
L-fenilalanina
Otros de interésindustrial y medicinal
Derivados del azúcar
Sucroesteres
Vía fermentación Vía Degradación Otros DerivadosVía Síntesis
Fuentesazúcar, Biodiesel oácidos grasos (aceitede palma)
BiopolímerosPolihidroxibutiratos,
etc
➢ Dextranas➢ Ferro Dextranas➢ Acido láctico
➢ Jarabes Invertidos➢ Jarabes light (mezcla de
jarabe invertido y estevia)
Azúcar co-cristalizada o de alta disolución.
Polietileno verde. Fuente alcohol seguido de deshidratación y
polimerización (compañía productora en Brasil
Braskem)
Fuentes Azúcar, Jugos,
meladuras
Nota: a mediano plazo producción de glucosa y fructuosa destinadas a la industria farmacéutica.
Hidroximetilfurfural. Producto destinado a la
producción de resinas y otros materiales poliméricos
Productos derivados de la sacarosa (Paturau, 1989)
Polietileno verde derivado del bioetanol obtenido de la caña de azúcar
Fuente: Tomás Maquedahttp://www.ciber.gatech.edu/Braskem.pdf
( CH2 - CH2 )n
Biopolímero poliláctico (PLA) derivado de la sacarosa
Ácido láctico PLAGlucosa Sacarosa
C12H22O11 C6H12O6
Química de la sacarosa
O
OOH
OHOH
OH
OOH
OH
OH
OH
Glucosa Fructosa
Enlace glicosídico
Química de la sacarosa
Seis grupos hidroxilos pueden sufrir las mismas reacciones químicas que los
alcoholes, así por ejemplo:
- Esterificación, Eterificación, Halogenación y Polimerización.
Fuente: Quim. Nova. Vol. 26 No. 6 Sao Paulo - Brasil. Nov - Dic. 2003(M. Boscolo)
Modificaciones químicas de la sacarosa
• Reacción de los grupos hidroxilos con trióxido de azufre e hidróxido de Aluminio
Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica –Colombia 2014
Posibles usos para los derivados de la sacarosa
ÉTERES DE SACAROSA: Surfactantes no iónicos, espesantes en alimentos
ÉSTERES DE SACAROSA: Emulsificantes, sustitutos de grasas, surfactantes no-iónicos, pesticidas no-tóxicos, espesantes en bebidas
SACAROSA CLORADA: Edulcorantes en productos dietéticos o no calóricos
Antibióticos, polímeros solubles, plastificantes y otros
Fuente: M. Boscolo
Esteres de sacarosa y sus aplicaciones
Productos derivados de la sacarosa Aplicación
Monoacetatos Humectantes
Monoesteres de ácidos grasos Surfactantes y emulsificantes
Tribenzoatos y octaacetatos Agente amargo
Octabenzoato y Diacetatohexaisobutirato Plásticos
Olestra – un poliester de sacarosa
• Un aceite de cocina
no-calórico.
• No digerible.
• Sin sabor.
• Las mismas propiedadesde los aceites y grasas
alimenticias.
• Producido en 1959 por
Proctor & Gamble (USA).
• Patentado en 1971.
• FDA: aprobado Enero 24,
1996.
• No-tóxico
• No-carcinogénico.
• No-Teratogénico.
Olestra Triglyceride
Fuente: M. Boscolo
Los poliésteres en el sistema digestivo
Glicerido digerible
Poliester no digerible
Olestra Triglyceride
Fuente: M. Boscolo
Olestra
4 5 O
123
OOH
OHOH
6OH
3' 4'
5'O
2'
6'
OH
OH
1'OH
OH
Rótulo de un producto
Es necesario una adicción extra de vitaminas liposolubles
Fuente: M. Boscolo
www.agricoat.co.uk
Fuente: M. Boscolo
Ésteres de sacarosa como pesticidas seguros
WhiteflyBemisia Tabaci
Infestação em mais de 300 vegetaisTreatment Conc. (g/L) Mortality
Octanoate 2,0 90,00 A
Oleate 2,0 88,67 AB
Oleate 1,0 88,58 AB
Octanoate 1,0 80,17 ABC
Palmitate 2,0 78,18 ABCDE
Monopalmitate 2,0 74,39 ABCDEF
Palmitate 1,0 72,27 BCDEF
Mortality of Bemisia tabaci B strain adults after 2 h of the topicapplication of sucrose esters and control solutions.
Fuente: M. BoscoloJ.E. Larrahondo
Los ácaros en las flores Tetranychus urticae
Muy susceptibles a los sucroésteres
Fuente: M. Boscolo
Varroa – un ácaro de las abejas
• Ingrediente activo
•Octanoatos de sacarosa (40%)
•No contamina la miel
Polímeros derivados de la sacarosa
CH – CH2 - CO2
|CH3
n
Síntesis de Sucropolímeros
a) Enlaces covalentes o iónicos entre azúcares y una cadena polimérica.
b) Las moléculas de azúcares se incorporan en una estructura polimérica.
AZ AZ AZ
AZAZ AZ
a)
b)
Síntesis de polí (sucro – éteres) solubles en agua
S
OH
OH
+
CH2Cl
O
Sacarosa
NaOH/H2O
25°C
S - O - CH2 – CH – CH2 - O|
OH
OH
SHO
n
Nombre comercial del polímero: “Ficoll”
Aplicaciones: Sectores de los alimentos y biomedicina
HidrogelesPolímeros adsorbentes con base en poliacrilamida o poliacrilato de sodio.
Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica – Colombia 2015
POLISACARIDO ORGANISMO TIPO DE
POLIMERO
MONOMERO UNIONES
DEXTRANOS BACTERIAS:
Leuconostoc
mesenteroides, L.
dextranicum,
Acetobacter sp
Ramificado
Cadenas
cortas
D-glucopiranosa 1-6 (cadena
principal) y 1-3,
1-2 o 1-4 en
las ramificaciones
PULULANOS HONGOS:
Aureobasidium
pullulans
Lineal D-glucopiranosa 1-4 (mayoria) y
pocas 1-6
ALGINATOS BACTERIAS.
Pseudomonas
aeruginosa,
Azotobacter
vinelandii
Lineal d- manuronico
d- glucuronico
(4:1 a 20:1)
1-4 y 1-4
XANTANOS BACTERIA:
Xanthomonas
campestris
Lineal con
ramificaciones de
trimeros acidicos
(pentasacarido)
d-glucosa
(principal) , 6 –
Oacetil-manosa,
glucuronico,
manosa y piruvato
1-4
1-3
1-2
GELANOS Pseudomonas Tetrasacarido 2 (D-glucosa) + L-
ramnosa+ D-
glucuronico
DEXTRANOS
Por fermentación de la caña de azúcar (Sacarosa)
Son importantes como sustitutos del plasma sanguíneo y también se usan en la producción
de alimentos. Tienen estructuras variadas y PM entre
15,000 y 500,000.
Producción
XANTANOS
• Polímero de alta viscosidad (PM aprox. 2,000,000).
• Estable en condiciones físicas y químicas extremas con propiedades físicas similares a unplástico.
• Sus propiedades físicas permiten su uso como agente estabilizante, emulsificante y espesante(bebidas, jugos de fruta y aderezos de ensaladas, pasta de dientes, etc).
Sustitución selectiva de grupos hidroxilos
Edulcorantes Sucralosa
Sucralosa
www.sucralose.com
US$ 45,00
US $5.8 billones (ventas)
US $235 millones en seis meses
En 2003Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica – Colombia 2014
Edulcorantes de importancia biológica obtenidos a partir de la sacarosa obtención de Palatinit
EdulcorantesNeoazucar. Productos Fos
Derivados organometálicos de sacarosa Síntesis de pesticidas
Producción de jarabes invertidos
Aromas con sacarosa
Derivados potenciales de sacarosa como productos de interés medicinal nirurisida
A partir de Phyllanthus niruri. Inhibidor de HIV.
Proyecciones para productos químicos y materiales basados en la biomasa de
origen agrícola
Planta de “Ureavin” Manuelita
Fertilización líquida específica
Proceso de compostaje
Penetración en el mercado de productos basados en la biomasa (Proyecciones)
Sector Químico 2011 2025
Comodities 1-2% 6-10%
P. especializados
(y/o química fina) 20-25% 45-50%
Polímeros 5-10% 10-20%
Fuente: Bachmann, Biobased multi-client study, 2006
Valores proyectados en la producción química (en US$ billones)
Fuente: Bachmann, Biobased multi-client study, Marzo 2006
Total Prod. de la
biomasaTotal
Prod. de la
biomasa
Comodities 550 5-11 857 50-86
p. especializados 435 87-110 679 300-340
p. química fina 125 25-32 195 88-98
Polímeros 290 15-30 452 45-90
Total 1400 132-183 2183 483-614
2011 2025
Sector Químico
Algunos productos de valor agregado derivados de la biomasa
Fuente: Bachmann, 2005, Biobased multi-client study, Marzo 2006
Producto Químico Base del estado tecnológico
▪ 1,4 diácidos Comercial en desarrollo
▪ 3-hidrocipropiónico En desarrollo
▪ Acido levulínico Comercial en desarrollo
▪ Acido glutámico Comercial. Investigación disponible
▪ Sorbitol Comercial. Investigación disponible
▪ Xilitol Comercial. Investigación disponible
▪ Glicerol Comercial. Continúan investigaciones
▪ Acido aspártico Investigación detallada
▪ Acido glucárico Investigaciones preliminares
▪ Acido itacónico Comercial. Investigaciones preliminares
(Acido metilsuccínico)
Biorefinería conceptual, materias primas agrícolas, operaciones de molienda, bioquímicos y / o
conversiones termoquímicos , productos intermedios y productos finales
Almidón
Proteína
(Harina de gluten)
Aceite de
maíz o soya
Fibra
Lignina
Aceite
Acrílico
Polímeros
Especiales
PLA
Isosorbide
Uretano
Glicoles
Lubricantes
Algodones
Maíz
Tuza de
mazorca
Azúcar
Alimento &
farmacéutica
Glicerol
Ácidos
grasos Oleofinas
9
decenoica
Bio
combustible
Etanol
3 hp
Láctico
Sorbitol
Polioles
Esteres
EnergíaConversión
termoquímica vapor
Proceso de energía
Conversión
Bioquímica
Energía/
ventas
Fuente: Informa Economics biobased
multi – client study, 2006).
Conclusiones Generales
• Se prevé un incremento significativo del 25% hasta el 50% en los sectores encargados de laproducción de productos especializados y de química fina.
• Se estiman aumentos en el rango de 483-614 billones de dólares en ventas de productos derivadosde la biomasa en el año 2025.
• El mercado y demanda de los anti-oxidantes es creciente. El mercado del ácido gálico es de170.000 kg/año y puede producirse a partir de la biomasa.
• Los cultivos comerciales como caña de azúcar ofrecen grandes perspectivas en la producción demetabolitos de interés industrial y/o farmacéutico.
Conclusiones Generales
•El empleo de cultivos como la caña de azúcar, como biofábricas, ofrece buenasoportunidades económicas, como lo mencionan y reportan países como Australia en suplan de desarrollo.
•La producción de PHB (biopolímeros) y de sorbitol en variedades transgénicas de cañade azúcar, ofrece grandes oportunidades de un desarrollo agroindustrial y económicopara el sector azucarero colombiano, como lo demuestra los adelantos de Australia.
•La selección de variedades de caña de azúcar como productores de ceras y agentesantioxidantes para su empleo en el sector farmacéutico, es un tema que ameritaespecial atención técnico – económico en el corto plazo.
GRACIAS
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