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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA Obtención de celulosa a partir de la cáscara de cacao ecuatoriano (Theobroma cacao l.) mediante hidrólisis térmica para la elaboración de pulpa de papel Trabajo de titulación, modalidad Proyecto de Investigación para la obtención del título de Ingeniera Química AUTORA: Torres Cabezas María Angélica TUTORA: Msc. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano Quito, 2019

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Obtención de celulosa a partir de la cáscara de cacao ecuatoriano

(Theobroma cacao l.) mediante hidrólisis térmica para la elaboración de pulpa de

papel

Trabajo de titulación, modalidad Proyecto de Investigación para la obtención del

título de Ingeniera Química

AUTORA: Torres Cabezas María Angélica

TUTORA: Msc. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano

Quito, 2019

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i

DERECHOS DE AUTOR

Yo, María Angélica Torres Cabezas en calidad de autor y titular de los derechos

morales y patrimoniales del trabajo de titulación “Obtención de celulosa a partir de la

cáscara de cacao ecuatoriano (Theobroma cacao l.) mediante hidrólisis térmica para la

elaboración de pulpa de papel”, modalidad Proyecto de Investigación , de conformidad

con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS

CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la

Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para

el uso no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor

todos los derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa citada.

Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la

digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de

conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de

expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad

por cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la

Universidad de toda responsabilidad.

En la ciudad de Quito, a los 7 días del mes de agosto del 2019

………………………………..

María Angélica Torres Cabezas

C.C. 1726766585

[email protected]

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APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, Msc. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano en calidad de tutor del trabajo de

titulación, modalidad Proyecto de Investigación, cuyo título es “Obtención de celulosa a

partir de la cáscara de cacao ecuatoriano (Theobroma cacao l.) mediante hidrólisis

térmica para la elaboración de pulpa de papel”, elaborado por la estudiante María

Angélica Torres Cabezas de la Carrera de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería

Química de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo reúne los

requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo

epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que

se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo sea habilitado para

continuar con el proceso de titulación determinado por la Universidad Central del

Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los días 7 días del mes de agosto del 2019.

_____________________________

Msc. Magdalena de los Ángeles Díaz Altamirano

C.C:…………………

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iii

DEDICATORIA

A Dios y a la Virgen del Quinche por la

fuerza y disciplina para terminar mis

estudios de pregrado

A mi papi César por su cariño, por sus

palabras de aliento, por cuidarme y por

permitirme alcanzar mis sueños

A mi mami Calito por su apoyo

incondicional, por su amor y por no

dejarme vencer, por aconsejarme de que

todo lo bueno implica un esfuerzo.

A mi hermano César Raúl por su sabiduría

para guiarme, por su cariño, por su apoyo

y por motivarme a terminar lo que

empiezo.

Porque este título no es mío sino nuestro

Mary

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por darme vida y salud para alcanzar mis metas

A mis padres César y Calito por su esfuerzo para que pueda educarme, por su amor para

criarme y corregirme, por sus brazos para refugiarme y por su fortaleza para alentarme a

continuar con mis propósitos.

A mi hermano, gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos, por apoyarme en todo,

porque a pesar de nuestras diferencias sabemos que como hermanos estaremos siempre

apoyándonos.

A mis familiares por su cariño y apoyo, en especial a mis tíos Bayardo, Hugo, Ángel y

René a mis tías Celi, Concepción, Susi y Vero; y a mi primo Patricio.

Al alma máter de mi lindo Ecuador, Universidad Central del Ecuador y a la Facultad de

Ingeniería Química por formarme como profesional.

A mi tutora de tesis Msc. Maggy Díaz que con su constancia me ha motivado a terminar

y cumplir con los objetivos de mi tesis, por brindarme su amistad y consejos.

A Pablo Londoño, Stefy Villamarín, Joselyn Alvear y Vicky Cabrera por sus sabios

consejos y por permitirme desarrollar mis ensayos en el área de investigación.

A mis mejores amigos Hugo y Jenifer por su amistad leal, desinteresada y el apoyo de

todos estos años. Mis sinceros agradecimientos les quiero hoy, mañana y siempre.

A mis amigos con quienes compartí momentos valiosos y a quienes les agradezco por su

amistad Javi, Samy, Angie, Fer, Bryan, Daniel, Pao, Kevin, Cris, Joha, Naty, Yes,

Richar, Ernesto, Fufu, David y a Dany por su apoyo y cariño.

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CONTENIDO

pág.

LISTA DE TABLAS ....................................................................................................... ix

LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... x

LISTA DE ANEXOS ..................................................................................................... xii

GLOSARIO DE TÉRMINOS ....................................................................................... xiii

RESUMEN .................................................................................................................... xiv

ABSTRACT ................................................................................................................... xv

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1

1. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 3

1.1. Biomasa ..................................................................................................................... 3

1.1.1. Tipos de biomasa..................................................................................................... 3

1.2. Residuos Agrícolas .................................................................................................... 4

1.2.1. Residuos Agrícolas en el Ecuador:. ........................................................................ 4

1.3. Fibras para elaborar papel ......................................................................................... 6

1.3.1. Fibra maderera ........................................................................................................ 6

1.3.2. Fibra no maderera ................................................................................................... 6

1.4. Composición química de las fibras para elaborar papel ............................................ 7

1.4.1. Celulosa ................................................................................................................... 7

1.4.2. Hemicelulosa ........................................................................................................... 8

1.4.3. Lignina. ................................................................................................................... 9

1.5. Cacao ....................................................................................................................... 10

1.5.1. El Cacao en Ecuador ............................................................................................. 10

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1.5.2. Tipos de Cacao en el Ecuador ............................................................................... 11

1.5.3. Usos del Cacao ...................................................................................................... 11

1.5.4. Composición química de la Cáscara de Cacao ..................................................... 12

1.6. Procesos de obtención de pulpa ............................................................................... 13

1.6.1. Proceso mecánico .................................................................................................. 13

1.6.2. Proceso químico .................................................................................................... 13

1.6.3. Procesos combinados ............................................................................................ 14

1.6.4. Proceso hidrotérmico ............................................................................................ 14

1.7. Elaboración de papel artesanal ................................................................................ 15

2. METODOLOGÍA ................................................................................................ 17

2.1. Ubicación del área de investigación ........................................................................ 17

2.2. Población y muestra ................................................................................................ 17

2.3. Diseño experimental ................................................................................................ 18

2.3.1. Diagrama de obtención de celulosa del epicarpio del fruto de cacao mediante

hidrólisis térmica para elaborar papel ............................................................................. 20

2.4. Variables para la obtención de celulosa de la cáscara de Cacao Criollo a partir de

hidrólisis térmica ............................................................................................................ 21

2.5. Procedimiento .......................................................................................................... 24

2.5.1. Caracterización física de la materia prima ............................................................ 24

2.5.2. Pre-tratamiento de la materia prima ...................................................................... 25

2.5.3. Análisis Inmediato y Caracterización química de la materia prima ..................... 26

2.5.4. Proceso de obtención de pulpa .............................................................................. 29

2.5.5. Evaluación de la pulpa hidrotratada ...................................................................... 31

2.5.6. Elaboración de papel artesanal .............................................................................. 35

2.5.7. Evaluación de las características del papel ........................................................... 36

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS ......................................................................... 39

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3.1. Caracterización física de la materia prima .............................................................. 39

3.1.1. Método cualitativo ................................................................................................ 39

3.1.2. Humedad ............................................................................................................... 39

3.2. Pre-tratamiento de la materia prima ........................................................................ 40

3.3. Análisis Inmediato y Caracterización química de la materia prima ........................ 41

3.3.1. Análisis Inmediato de la Biomasa ......................................................................... 41

3.3.2. Contenido de Hemicelulosa, celulosa y lignina de la cáscara de cacao ................ 43

3.4. Evaluación de la pulpa hidrotratada ........................................................................ 45

3.4.1. Rendimiento de la pulpa hidrotratada ................................................................... 45

3.4.2. Contenido de Alfa celulosa ................................................................................... 46

3.5. Análisis estadístico .................................................................................................. 47

3.5.1. Cálculo de ANOVA para dos factores .................................................................. 48

3.5.2. Análisis estadístico para la obtención de alfa celulosa ......................................... 50

3.5.3. Optimización de porcentaje de alfa celulosa ......................................................... 52

3.5.4. Contenido de lignina y hemicelulosa de las pulpas hidrotratadas......................... 53

3.5.5. Espectroscopia Infrarroja por transformada de Fourier de la biomasa y pulpas

hidrotratadas ................................................................................................................... 56

3.6. Evaluación de las características del papel .............................................................. 58

3.6.1. Gramaje ................................................................................................................. 58

3.6.2. Espesor. ................................................................................................................. 58

3.6.3. Contenido de humedad .......................................................................................... 59

4. DISCUSIÓN ........................................................................................................ 60

5. CONCLUSIONES ............................................................................................... 67

6. RECOMENDACIONES ..................................................................................... 70

CITAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 71

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BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 82

ANEXOS ........................................................................................................................ 93

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ix

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Tipos de biomasa ................................................................................................ 3

Tabla 2. Residuos de cultivos agrícolas en Ecuador. ....................................................... 5

Tabla 3. Composición química de la fibra maderera y no maderera ................................ 9

Tabla 4. Exportaciones por producto de Cacao .............................................................. 11

Tabla 5. Usos de la biomasa de Cacao (Cáscara) ........................................................... 12

Tabla 6. Composición química de la cáscara de Cacao .................................................. 13

Tabla 7. Características químicas y análisis inmediato de la cáscara de Cacao Criollo . 26

Tabla 8. Caracterización física de la cáscara de Cacao Criollo ...................................... 39

Tabla 9. Humedad de la cáscara de Cacao Criollo ......................................................... 40

Tabla 10. Tamaño de partícula para proceso de autohidrólisis ...................................... 40

Tabla 11. Análisis Inmediato en base seca de la Cáscara de Cacao ............................... 42

Tabla 12.Cuantificación Hemicelulosa, Celulosa y Lignina de la biomasa ................... 45

Tabla 13. Resultados de los rendimientos de pulpas hidrotratadas ................................ 46

Tabla 14. Resultados de los porcentajes de Alfa celulosa de las pulpas hidrotratadas .. 47

Tabla 15.Codificación de factores para el diseño estadístico ......................................... 48

Tabla 16.Suma de Cuadrados para diseño factorial 3^2................................................. 49

Tabla 17.ANOVA para diseño 3^2 ................................................................................ 50

Tabla 18. ANOVA para contenido alfa celulosa de Cáscara de Cacao Criollo ............. 51

Tabla 19.Resultados de las condiciones óptimas para la obtención de alfa celulosa ..... 52

Tabla 20. Resultados del contenido de lignina mediante TGA de las pulpas hidrotratadas

........................................................................................................................................ 53

Tabla 21. Resultados de los grupos funcionales y vibraciones en el Espectro FTIR ..... 58

Tabla 22. Resultados de la medida del espesor del producto final ................................. 59

Tabla 23. Resultados de la humedad de la hoja de papel ............................................... 59

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LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Composición química de las fibras no madereras ............................................. 7

Figura 2. Estructura química de la celulosa ...................................................................... 8

Figura 3. Unidades estructurales de la lignina .................................................................. 9

Figura 4. Estructura del cacao y residuos ....................................................................... 10

Figura 5. Diagrama de flujo de obtención de pulpa hidrotratada .................................. 20

Figura 6. Esquema experimental de ensayos por método de hidrólisis térmica ............ 23

Figura 7. Etapas para degradación de biomasa de cacao mediante análisis TGA ......... 28

Figura 8. Diagrama de equipo de explosión de vapor ................................................... 30

Figura 9. Pérdida de masa en función del tiempo de la cáscara de Cacao Criollo sin

hidrólisis térmica con tamaño de partícula malla N° 60 ................................................. 43

Figura 10.DTG vs temperatura de la cáscara de Cacao Criollo sin hidrólisis térmica con

tamaño de partícula malla N° 60 .................................................................................... 45

Figura 11. Efectos principales que afectan el porcentaje de alfa celulosa ..................... 51

Figura 12. Diagrama de Pareto para alfa celulosa .......................................................... 52

Figura 13. Superficie de respuesta para la obtención de alfa celulosa ........................... 52

Figura 14. Pérdida de masa vs tiempo de la biomasa sin tratamiento y de las pulpas

hidrotratadas ................................................................................................................... 53

Figura 15. DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 135°C ..................... 54

Figura 16.DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 155°C ...................... 55

Figura 17.DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 175°C ...................... 55

Figura 18. DTG en función de temperatura para pulpas con contenido de alfa celulosa

bajo, medio y óptimo ...................................................................................................... 56

Figura 19. Espectro FTIR de la cáscara de cacao y de las pulpas hidrotratadas ........... 57

Figura 20. Lavado y corte de la biomasa. ....................................................................... 94

Figura 21. Humedad y secado de la biomasa. ................................................................ 94

Figura 22. Molienda y tamizado de la biomasa .............................................................. 94

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Figura 23. Hidrólisis Térmica y pulpa hidrotratada ....................................................... 95

Figura 24. Ensayo de Alfa Celulosa mediante norma TAPPI T 203m-58 ..................... 95

Figura 25. Equipo de análisis termogravimétrico ........................................................... 96

Figura 26. Espectrofotómetro Infrarrojo FTIR. .............................................................. 96

Figura 27. Hidrólisis alcalina suave y filtración de pulpa .............................................. 96

Figura 28. Encolado y Laminado ................................................................................... 97

Figura 29. Secado y gramaje producto final ................................................................... 97

Figura 30. Espesor y Humedad del producto final ......................................................... 97

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xii

LISTA DE ANEXOS

pág.

ANEXO A. Reporte Fotográfico para la obtención de celulosa..................................... 94

ANEXO B. Norma NTE INEN- ISO 536: 2013 ............................................................ 98

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GLOSARIO DE TÉRMINOS

TGA: Análisis Termogravimétrico

FTIR: Espectroscopia de infrarrojo por Transformada de Fourier

TAPPI: Asociación Técnica de la Industria del Papel y la Pulpa

NaOH (ac): Solución de Hidróxido de Sodio

FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación

MIPRO: Ministerio de Industrias y Productividad

PROECUADOR: Instituto de Promoción de Exportaciones e Inversiones

MAGAP: Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca

ESPAC: Encuesta de Superficie y Producción Agropecuaria Continua

RAC: Residuos Agrícolas de Campo

RAI: Residuos Agrícolas Industriales

INP: Instituto Nacional de Pesca

MEER: Instituto de Energía y Recursos Naturales no Renovables

MCPEC: Ministerio Coordinador de Producción, Empleo y Competitividad

SIPA: Sistema de Información Pública Agropecuaria

CFN: Corporación Financiera Nacional

MAG: Ministerio de Agricultura y Ganadería

CCN-51: Colección Castro Naranjal 51

INEN: Servicio Ecuatoriano de Normalización

ESPAE: Escuela de Negocios de la Escuela Politécnica del Litoral

CTMP: Pulpa termo mecánica química

Na2S: Sulfuro de Sodio

ISO: Organización Internacional de Estandarización

TG: Curvas de pérdida de masa

DTG: Derivada de la curva de pérdida de masa

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xiv

RESUMEN

Se obtuvo celulosa del epicarpio (cáscara) del fruto de Cacao Nacional (Theobroma

cacao l.) mediante hidrólisis térmica, empleando un equipo de explosión de vapor y a

partir del análisis de alfa celulosa, análisis termogravimétrico (TGA) y espectroscopia

de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), se establecieron las mejores

condiciones para la elaboración de pulpa de papel.

Las muestras de cáscara del fruto de cacao se sometieron a un proceso de

caracterización física y pre-tratamiento, previo a obtener el tamaño de partícula

adecuado (malla N°60) de la materia prima. Seguidamente, se realizó el análisis

inmediato e hidrólisis térmica cuyos rangos de temperatura ideales fueron 175°C, 155°C

y 135°C en tiempos de residencia de 4,8 y 12min.

Las pulpas obtenidas se caracterizaron mediante TGA y FTIR mientras que la alfa

celulosa se cuantificó siguiendo la norma TAPPI T 203m-58. Posteriormente, se

realizaron ensayos con NaOH (0.5%) y almidón de yuca para obtener papel. Además se

evaluó su gramaje, espesor y humedad.

Se concluye mediante el análisis de superficie de respuesta que las condiciones óptimas

de autohidrólisis son T=155°C y t=12min para obtener un porcentaje de alfa celulosa

representativo de 73.26%. Además, se obtuvo cartón de acuerdo a los valores altos de

gramaje y espesor.

PALABRAS CLAVES: CÁSCARA DE CACAO/ EXPLOSIÓN DE VAPOR/ALFA

CELULOSA/ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO/ FTIR

TÍTULO: Obtención de celulosa a partir de la cáscara de cacao ecuatoriano

(Theobroma cacao l. ) mediante hidrólisis térmica para la elaboración de

pulpa de papel

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xv

ABSTRACT

Cellulose was obtained from the epicarp (pod husk) of local cocoa fruit (Theobroma

cacao l.) by thermal hydrolysis, using steam explosion equipment. Through Alpha

Cellulose Analysis, Thermogravimetric Analysis (TGA) and Fourier transform infrared

spectroscopy (FTIR), the best conditions for making paper pulp were established.

The pod husk samples of cocoa fruit were subjected to a physical characterization and

pre-treatment process, prior to obtain the appropriate particle size (mesh No. 60) of the

raw material. Afterwards, the proximate analysis and thermal hydrolysis were carried

out whose ideal temperature ranges were 175 ° C, 155 ° C and 135 ° C at residence

times of 4, 8 and 12min.

The pulps obtained were characterized by TGA and FTIR. The alpha cellulose was

quantified using TAPPI T 203m-58 standard. Subsequently, tests were carried out with

NaOH (0.5%) and cassava starch to obtain paper. In addition, its grammage, thickness

and humidity were evaluated.

It is concluded by the surface analysis response that the optimal conditions of

autohydrolysis are T = 155 ° C and t = 12min to obtain a representative alpha cellulose

percentage of 73.26%. Furthermore, paperboard was obtained according to the high

grammage and thickness values.

KEYWORDS: COCOA POD HUSK / STEAM EXPLOSION / ALPHA CELLULOSE

/ THERMOGRAVIMETRIC ANALYSIS / FTIR

TITLE: Obtaining cellulose from the Ecuadorian cocoa pod husk

(Theobroma cacao l.) by thermal hydrolysis for the production of paper

pulp

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1

INTRODUCCIÓN

A nivel mundial los bosques cubren el 30% de la corteza terrestre. Sin embargo, 13

millones de hectáreas se pierden anualmente por la tala de árboles (Moran, 2017). En

este contexto, la madera representa del 90 al 95% de la materia prima para la

producción de pulpa y papel por su alto contenido de celulosa (Mazhari, Hosseini,

Resalati, Mahdavi, & Rasooly Garmaroody, 2013). Es por esta razón que en la

actualidad se buscan materias primas alternativas que permitan frenar el impacto

ambiental que produce la sobreexplotación de este recurso, por lo que se han

considerado a las biofibras de subproductos agrícolas como una fuente potencial para

utilizarse en la industria de pulpa y papel. Las biofibras que se han utilizado son:

residuos de piña, coco, bagazo de caña, trigo y arroz (Reddy & Yang, 2005). Además se

ha centrado la atención en estos residuos porque son fibras lignocelulósicas, presentan

un mayor rendimiento por cultivo, lignina en menor proporción y bajo costo de materia

prima (Ashori, 2006).

Según FAO (2019), los países que lideran la exportación de papel y cartón son:

Alemania en Europa, China en Asia y EE.UU en América; Brasil, México y Chile en

América Latina y el Caribe. El Ecuador se ubica en el 11vo puesto después de Colombia

y Perú (FAO, 2019). De acuerdo al Ministerio de Industria y productividad el país

importa alrededor de USD 380 millones por lo que se ha propuesto desde el año 2017 el

proyecto de “Desarrollo del Polo forestal” en el que se promueve emprendimientos para

utilizar diferentes fibras en la industria papelera. (MIPRO, 2017)

Existen varios métodos para obtener celulosa y elaborar papel, siendo la hidrólisis

térmica o explosión de vapor un proceso amigable con el ambiente. Del cual, Tanpichai,

Witayakran, Srimarut, Woraprayote, & Malila, (2019) obtuvieron un incremento del

contenido de celulosa para elaborar papel a partir de las microfibras de bambú tratadas

con explosión de vapor y álcali. Paralelamente, Tanpichai, Witayakran,

Boonmahitthisud, (2019) disminuyeron el contenido de hemicelulosa y lignina,

aumentando así la porción de celulosa en las fibras de hojas de piña. (Tanpichai, 2019)

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En este contexto, en la elaboración de chocolate se utilizan las semillas de la mazorca de

cacao dejando como residuos agrícolas al mucílago y la cáscara que se deposita en las

plantaciones, generando en ocasiones enfermedades y proliferación de insectos en los

cultivos. Por lo que se han propuesto alternativas para dar valor agregado al residuo,

considerando que la cáscara de cacao representa el 70- 75% del total del fruto (Cruz et

al., 2012). La cáscara se ha utilizado como: alimento de animales (Ozung, Oko, & A

Agiang, 2016), carbón activado, pectinas (Barazarte, Sangronis, & Unai, E. 2008)

polifenoles y fibra dietaria (Villamizar & López, 2016). Así como también para producir

pasta y papel, por los porcentajes de celulosa (35.4%), hemicelulosa (37%) y lignina

(14.7%) (Daud et al., 2013).

Según datos de la Organización Internacional del Cacao, 2018, a nivel mundial se

obtuvieron alrededor de 16 millones de toneladas de biomasa residual del cacao durante

la cosecha 2015-2016 (Vásquez et al., 2019). En el Ecuador durante el año 2017, el

cacao se encontró dentro de los cultivos permanentes con mayor producción, así como

el banano, caña de azúcar, arroz y palma africana (MAGAP, 2018).

Con base en la alta producción del fruto en el país, se ha propuesto realizar el presente

trabajo de investigación para aprovechar de forma integral el Cacao ecuatoriano.

En la actualidad la cáscara de cacao es un subproducto en la producción de chocolate,

manteca, licor, etc., sin un valor comercial. Por lo tanto, el trabajo busca aprovechar de

manera eficiente los residuos de cacao y determinar si el proceso de hidrólisis térmica

resulta adecuado para obtener la celulosa. Para lograr este fin se realizaron

experimentos a escala de laboratorio, determinando las condiciones óptimas para un

rendimiento eficiente de alfa celulosa en pulpa.

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1. MARCO TEÓRICO

1.1. Biomasa

El término Biomasa según el portal de la Comisión Europea plataforma Energía

Renovable, se refiere a la materia de origen orgánico que incluye a los árboles, plantas y

residuos tanto agrícolas como urbanos que pueden ser aprovechados como fuentes de

energía y para reducir las emisiones de gases que causan el efecto invernadero mediante

su tratamiento efectivo y sostenible (Europe Comission, s.f.).

Ness & Moghtaderi (2007) mencionan que la biomasa es materia orgánica cuyos

componentes esenciales, es decir, los carbohidratos son producidos a partir de la

fotosíntesis (Ness & Moghtaderi, 2007).

1.1.1. Tipos de biomasa: Para clasificar la biomasa se puede considerar su origen y

naturaleza. La biomasa que se clasifica según su naturaleza considera la forma en la que

se encuentra el compuesto o grupo de compuestos presentes en la biomasa vegetal que

en su mayoría son los carbohidratos. (Fernández et al., 2015)

Tabla 1. Tipos de biomasa 1 (Rosendahl, 2013), 2 (Fernández et al., 2015)

Clasificación Tipo Descripción Ejemplos

Origen

Madera

virgen1

Obtenida de los bosques o de la explotación

forestal

Troncos, ramas y

cortezas

Cultivos

energéticos1

Plantas cultivadas con fines energéticos

considerando las condiciones del suelo y los

climas

Algas, caña gigante,

centeno y césped

Residuos

agrícolas1

Residuos de cultivos y procesos agrícolas.

También se considera al material orgánico de

producción excesiva.

Tallos, paja o

cáscaras.

Residuos

sólidos

urbanos1

Residuos que se producen por la actual forma de

vida. Se utilizan para generar energía a través de

combustión, pirólisis o gasificación

Papel y cartón

Residuos

industriales1

Residuos generados a nivel industrial que pueden

proporcionar poder calorífico considerable.

Residuos de

industria textil

alimenticia, madera

y lodos

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Continuación

Naturaleza Biomasa

lignocelulósica2

Predomina la celulosa, hemicelulosa y

la lignina

Paja, madera o leña

Biomasa

amilácea2

Los carbohidratos más representativos

son los polisacáridos de reserva

Almidón, inulina o

cereales

Biomasa

azucarada2

Los carbohidratos más representativos

son los monosacáridos o disacáridos

Remolacha o tallo de la

caña de azúcar

1.2. Residuos Agrícolas

En el contexto productivo, un residuo agrícola puede considerarse aquella parte de la

planta que no es aprovechada para ser comercializada o aquella parte que no cumple los

estándares de calidad porque presenta características físicas o químicas inferiores o su

apariencia se ve afectada por enfermedades. Por lo tanto, los residuos pueden ser las

partes de la planta correspondientes a: tallos, hojas, raíces, frutos no aprovechados,

restos de podas y pajas de cereales. (Moreno, Moral, García, Pascual, & Bernal, 2014).

La producción de papel y cartón a nivel mundial depende en gran porcentaje de la

madera. Sin embargo, en muchos países los bosques son un recurso escaso, por lo tanto

los residuos agrícolas que son los residuos de las cosechas de plantas se han convertido

en una materia prima alternativa en esta industria, ya que tanto la madera como los

recursos no madereros están compuestos por fibras. Es por esta razón que los residuos

agrícolas se denominan “fibras no madereras” (Fahmy, Fahmy, Mobarak, El-Sakhawy,

& Fadl, 2017).

1.2.1. Residuos Agrícolas en el Ecuador: El Ecuador es un país con gran potencial

agrícola. La superficie con labor agropecuaria se divide en: pastos cultivados, pastos

naturales, permanentes y transitorios. Los cultivos permanentes para el año 2017

representaron el 26.20% de la superficie con labor agropecuaria siendo: la palma

africana, el banano, el plátano, la caña de azúcar y el cacao los cultivos permanentes

más representativos. (ESPAC, 2017).

A nivel nacional, los cultivos agrícolas al ingresar a procesos productivos para la

elaboración de productos generan residuos. Por esta razón se ha considerado a los

residuos agrícolas como una fuente potencial de biomasa para la generación de energía.

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Por ejemplo, el banano presenta un gran potencial para la generación de energía debido

a que produce la mayor cantidad de residuos anualmente. (Serrano, Mejía, Ortiz,

Sánchez, & Zalamea, 2017). En el Ecuador, la biomasa que se genera en el sector

agrícola se puede clasificar en: Residuos Agrícolas de Campo (RAC) y Residuos

Agrícolas Industriales (RAI). Los residuos Agrícolas de Campo (RAC) constituyen la

biomasa resultante de las actividades de campo mientras que los residuos (RAI) son

aquellos que se originan en la agroindustria.

Como ejemplos de residuos RAC se tiene: residuos de cuesco, frutos, hojas y tallos de

descarte de cosechas, mientras que los residuos RAI son: pulpa de frutas y vegetales,

cáscara de frutas y vegetales, aguas de lavado de vegetales y aceites vegetales (INP,

MEER y MCPEC, 2014). En la Tabla 2, se describen los cultivos agrícolas, el tipo de

cultivo, principal provincia que produce el cultivo y los ejemplos de residuos RAC y

RAI, de acuerdo a los datos del Atlas bioenergético del Ecuador del año 2014.

Tabla 2. Residuos de cultivos agrícolas en Ecuador (INP, MEER y MCPEC, 2014).

Cultivo Tipo Principales Provincias

Productoras Residuo RAC Residuo RAI

Arroz Transitorio Guayas, Los Ríos Pajilla Cáscara

Banano Permanente Los Ríos, El Oro Hoja, Pseudotallo Raquis, Rechazo

Cacao Permanente Guayas, Los Ríos

Esmeraldas, Manabí

Poda, Mazorca

descartada

Cascarilla de las

almendras, Cáscara de

mazorca (ICCO, 2003)

Café Permanente Manabí, Loja

Sucumbíos, Orellana

Poda, Renovación de

plantas

Cáscaras, Pulpa,

Mucílago

Caña de

azúcar Transitorio Guayas Tallos, Hojas Bagazo

Maíz Duro Transitorio Los Ríos, Guayas Hojas, Tallos Mazorca

Palma

Africana Permanente

Los Ríos, Esmeraldas

Sucumbíos Hojas, Troncos

Raquis, Fibras

mesocarpio, Cascarilla

de nuez

Palmito Permanente

Pichincha, Orellana

Santo Domingo de los

Tsáchilas

Hojas

Tronco

Despuntes

Rechazo

Capas exteriores

Piña Permanente Guayas Hojas

Tronco

Corona, Cáscara

Corazón, Hojas de

planta

Plátano Permanente

Manabí, Los Ríos, Santo

Domingo de los Tsáchilas,

Guayas

Hojas

Pseudotallo

Raquis

Rechazo

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1.3. Fibras para elaborar papel

Las fibras vegetales son la base para la fabricación de papel. Dentro de estas fibras se

tiene las fibras madereras que han sido la principal fuente. Sin embargo las fibras no

madereras propias de cada región como el bagazo, el bambú, algodón, etc., se han

considerado como nuevas materias primas para evitar el consumo de madera. El uso de

las fibras madereras o no madereras se limitan por varios factores como: la calidad de

las fibras, la disponibilidad y el rendimiento de las cosechas. (Roberts, 1996)

1.3.1. Fibra maderera: Las fibras de madera son fibras celulósicas y se subdividen

en: maderas duras y maderas blandas. (Sridach, 2010). Las maderas blandas

corresponden a las plantas gimnospermas que se conocen como coníferas mientras que

las maderas duras corresponden a las plantas angiospermas conocidas como de hoja

ancha o caduca. Las maderas duras tienen una estructura más compleja en comparación

a las blandas. Además al presentar una longitud menor en sus fibras con respecto a las

coníferas produce un papel más suave y de menor resistencia.(J. Biermann, 1996)

1.3.2. Fibra no maderera: La deforestación ha hecho que la tendencia del uso de la

madera para elaborar papel cambie y sea necesario buscar otros recursos. Entre los

cuales se encuentran los materiales no madereros como: residuos de cultivos agrícolas,

hojas de arboles, cáscaras de frutas, pastos entre otros (Kamoga, Byaruhanga, &

Kirabira, 2013). Las fibras no madereras se pueden dividir en 4 categorías dependiendo

del lugar donde se encuentre la fibra en la planta:

• Fibra herbácea fibrosa: corresponde a la corteza interna de plantas dicotiledóneas.

Entre ellas se tiene el yute, kenaf, lino y cáñamo

• Fibras de frutas: Entre ellas semillas, vainas o cáscaras. Como ejemplo las semillas

de algodón (Ilvessalo-Pfäffli, 1995)

• Fibra de gramíneas: se forman en los haces vasculares de las monocotiledóneas. En

este grupo se tiene paja de cereal, maíz, arroz, bagazo de caña de azúcar, bambú.

• Fibras foliares: ciertas plantas poseen hojas con alto contenido de celulosa como las

hojas de sisal, plátano, abacá, etc. (Liu, Wang, & Hui, 2018).

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1.4. Composición química de las fibras para elaborar papel

Las paredes celulares en las plantas están constituidas por polímeros. Tanto las fibras

madereras como las no madereras están compuestas principalmente por: celulosa,

hemicelulosa y lignina. Además de un grupo de compuestos conocidos como extractos.

(Jones, Ormondroyd, Curling, Popescu, & Popescu, 2017). En la tabla 3, se muestra la

composición química de las fibras lignocelulósicas no madereras.

Figura 1. Composición química de las fibras no madereras (Isikgor & Becer, 2015)

1.4.1. Celulosa: Es un homopolímero de cadena lineal formado por unidades de D-

glucopiranosa, con enlaces β-1, 4 glicosídico. Es el principal componente de la pared

celular de las plantas representando generalmente un 35 o 50%. El porcentaje puede

variar de acuerdo al tipo de planta.

La celulosa contiene elementos como: Carbono, Hidrógeno y Oxígeno dando lugar a la

fórmula química (C6H10O5)n, (Moon et al., 2011), siendo n el grado de polimerización,

que indica las unidades de glucosa en el polímero. Además se conoce que las unidades

que se repiten en el polímero se denominan celobiosas. La estructura química se observa

en la Figura2.

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En cuanto a su solubilidad, es insoluble en agua o soluciones diluidas de ácido o base a

condiciones normales de temperatura. La celulosa se encuentra rodeada por

hemicelulosa y lignina. Siendo necesario separarla para utilizarla como materia prima

en las industrias de pulpa, papel y textil. (Chen, 2014).

Figura 2. Estructura química de la celulosa (Habibi, Lucia, & Rojas, 2010)

La separación de la celulosa de la pulpa se puede realizar mediante un procedimiento

que utiliza sosa cáustica. El procedimiento fue creado por Cross y Bevan en 1900 y

utilizado por las normas TAPPI que corresponden a la Asociación Técnica de la

Industria del Papel y la Pulpa en 1931. El análisis consiste en la determinación de tres

tipos de celulosa a partir de su solubilidad en el medio alcalino y estas son:

• Alfa celulosa: Es la fracción insoluble en soluciones de hidróxido de sodio al 17.5%.

Es considerada como una celulosa pura que no se degrada por procesos de blanqueo

o cocción. La alfa celulosa tiene relación con las propiedades químicas del papel.

Presenta el mayor grado de polimerización de 200 a 3000 o más.

• Beta celulosa: Es una de las fracciones solubles en álcali que se precipita una vez

acidificado el filtrado, es una celulosa degradada. Presenta un grado de

polimerización de 15 a 200.

• Gama celulosa: Es una de las fracciones solubles que queda en la solución después

de eliminar la beta celulosa y consiste principalmente en hemicelulosa. Presenta un

grado de polimerización menor a 15. (TAPPI, 1999; Cowling, 1961)

1.4.2. Hemicelulosa: La hemicelulosa es un heteropolisacárido de la pared celular de

las plantas, que se une a la celulosa mediante enlaces de hidrógeno y a la lignina por

enlaces covalentes. La fórmula molecular es (C5H8O4)n cuyo grado de polimerización n

es de 80-200. Está constituida por unidades de D-xilosa, L-arabinosa, D-glucosa, D-

galactosa, D-manosa, ácido D-glucurónico, ácido 4-O-metil-D-glucurónico, ácido D-

galacturónico, es decir por pentosas y hexosas. La hemicelulosa más abundante en las

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plantas es el arabinoxilano. El xilano presenta grupos O-acetilo en ciertos grupos

hidroxilo de su estructura. (Peng et al., 2009)

1.4.3. Lignina: La lignina es un polímero ramificado y aromático compuesto por

unidades fenilpropanoides que permite la unión entre la celulosa y hemicelulosa. Este

polímero proporciona rigidez y resistencia a la humedad y microorganismos en la pared

celular. (Lee, Doherty, Linhardt, & Dordick, 2009). Los enlaces del tipo éter y carbono-

carbono están presentes en la estructura de la lignina así como unidades de fenoles

sustituidos que incluyen alcoholes de p-cumarilo, coniferilo y sinapilo (Panda, 2018).

Las unidades estructurales principales se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Unidades estructurales de la lignina

Tabla 3. Composición química de la fibra maderera y no maderera

Tipos de

fibra

Materia

Prima

Características Químicas

Referencias %

Celulosa

%

Hemicelulosa

%

Lignina

No

maderera

Fibra de Gramíneas

Paja de trigo 33–38 26–32 17–19 Reddy & Yang, 2005

Paja de arroz 28–36 23–28 12–14

Paja de cebada 31–45 27–38 14–19

Bambú 52–68 15–26 21–31 (Liu, Wang, & Hui, 2018)

Bagazo 32-55 27–32 18–24 (Liu, Wang, & Hui, 2018)

(Rowell, Han, & Rowell,

2000)

Fibra herbácea fibrosa

Yute 45-63 15-26 21-26

Kenaf 44-57 21-23 15-19

Fibras Foliares

Hoja de piña 70–82 18 5–12 Reddy & Yang, 2005

Abacá 56-63 11 7-9 (Liu, Wang, & Hui, 2018)

(Rowell, Han, & Rowell,

2000)

Fibras de Frutas

Algodón

(semillas)

85-96 -- 0.7- 1.6 (Rowell, Han, & Rowell,

2000)

Coco

(cáscaras)

36–43 0.15–0.25 41–45 Reddy & Yang, 2005

Maderera Blandas

(coníferas)

40-45 20-25 26-34 (Rowell, Han, & Rowell,

2000)

(J. Biermann, 1996) Duras 38-49 15-35 23-30

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1.5. Cacao

El cacao es una fruta tropical que se produce en 4 continentes (América, Asia, África y

Oceanía); de origen Sudamericano e introducida en Centroamérica. Esta fruta se

caracteriza porque sus almendras se utilizan principalmente para la fabricación de

chocolates o grasas para la industria cosmética y alimenticia. En cuanto a su taxonomía

pertenece a: Reino Plantae, División Magnoliophyta, Clase Magnoliopsida, Orden

Malvales, familia Malvaceae, Subfamilia Byttnerioideae, Tribu Theobromeae, Género

Theobroma, Especie Theobroma cacao l. (Mendoza-López et al., 2011).

Morfológicamente, el árbol de cacao es ramificado con hojas simples y presenta

inflorescencias. Además consta de un fruto grande conocido como mazorca. El fruto es

polimorfo, esférico o fusiforme de 10 a 35cm de largo y 7cm de ancho

aproximadamente, tiene un peso de 200 a 1000g. El endocarpio mide entre 4 a 8mm de

grosor. Las semillas son de color café o rojizo cubiertas por una pulpa o mucílago como

se muestra en la Figura 4 (Arvelo, González, Delgado, Maroto & Montoya ,2017).

En el 2016, los mayores productores de cacao fueron Costa de Marfil, Ghana e

Indonesia con el 61 al 67%; los países de América Central y América del Sur

representaron el 14% de la producción mundial de cacao. Sin embargo, Ecuador se

encontró en la lista de los 8 mayores productores junto con Brasil. (Campos-Vega,

Nieto-Figueroa, & Oomah, 2018)

Figura 4. Estructura del cacao y residuos (Campos-Vega, Nieto-Figueroa, & Dave Oomah,

2018)

1.5.1. El Cacao en Ecuador: El Cacao es característico en nuestro país, ascendió del

8vo al 4to lugar del ranking a nivel mundial gracias a los proyectos de reactivación de

café y cacao. La reactivación se logró mediante podas, entrega de plantas certificadas,

asistencia técnica y crédito a los productores, para que en el 2025 se llegue a

3000millones de dólares en exportaciones (MAG, 2017).La Costa ecuatoriana presenta

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una alta producción de cacao. Los Ríos es la provincia con mayor producción en el año

2018 con 70 374 t, seguida de Manabí, Guayas y Esmeraldas con 51 528 t, 48 809 t y

32 391 t respectivamente. Las provincias de la regiones Andina y Amazónica presentan

una menor producción. Además, en la las provincias de Tungurahua y Loja no se

produce cacao. En cuanto a las exportaciones desde Diciembre 2018 a Marzo del 2019,

el cacao en grano presenta el mayor rubro, seguido por el licor de cacao y chocolate

como se muestra en la Tabla 4. (SIPA, 2018)

Tabla 4. Exportaciones por producto de Cacao (SIPA, 2018)

Producto Valor USD

Cacao en grano 221 713 209

Chocolate 7 472 138

Licor de cacao 11 796 117

Manteca de cacao 8 714 417

Cacao en polvo 3 546 530

Pasta de cacao 104 400

Grasa y aceite de cacao 79 123

1.5.2. Tipos de Cacao en el Ecuador: En el Ecuador existen 2 variedades de Cacao

conocidas como: Cacao fino o de aroma y la variedad CCN-51(Villamar, Salazar, &

Quinteros, 2016). El Ecuador ha mantenido en 75% su porcentaje de exportación de

cacao fino de aroma, siendo el primer productor de esta variedad a nivel mundial (CFN,

2018). La norma INEN 176 clasifica a los granos de cacao en: Granos finos o de aroma

a aquellos que provienen de árboles de la variedad Criollo o Trinitario. Sin embargo en

Ecuador se tiene granos finos de la variedad Nacional considerada como árbol forastero.

Los granos finos son destinados a la elaboración de chocolate de alta calidad y sobre

todo a chocolate negro por su sabor, aroma y color mientras que los granos corrientes:

de árboles del tipo forastero son utilizados para elaborar manteca de cacao o productos

que requieren mayor cantidad de cacao (ESPAE Graduate School of Management,

2016).

1.5.3. Usos del Cacao: De acuerdo a la Organización Internacional del Cacao, 2003,

una vez que se fermentan y secan los granos de cacao se puede obtener licor de cacao

para producir chocolate; así como manteca de cacao utilizada en la industria cosmética

para producir cremas o jabones y cacao en polvo para utilizarlo en repostería. Con

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respecto a la pulpa que rodea los granos y las cáscaras, se pueden producir bebidas no

alcohólicas (jugo o vinagre) y alcohol. Una vez que se obtienen los productos antes

mencionados se generan subproductos o biomasa residual. Por lo que alrededor del

mundo se está utilizando las cáscaras que forman la mazorca, las cascarillas que

recubren el grano y la pulpa descartada para dar un mejor uso a los residuos. A

continuación algunas investigaciones se mencionan en la tabla 5.

Tabla 5. Usos de la biomasa de Cacao (Cáscara)

Uso Descripción Referencias

Obtención

de

compuestos

Se obtuvo pectina con ácido cítrico y por extracción con

agua subcrítica. Con el agua subcrítica se alcanzaron valores

altos de ácido galacturónico, y mayor rendimiento que una

extracción convencional con ácido cítrico.

(Muñoz-Almagro,

Valadez-Carmona,

Mendiola, Ibáñez, &

Villamiel, 2019)

Se investigó la obtención de biogás mediante digestión

anaerobia y tratamiento previo hidrotérmico. Encontrando

que el pre tratamiento con baja severidad mejora el

rendimiento de biogás.

(Antwi, Engler, Nelles,

& Schüch, 2019)

Alimento

para

animales

Se investigó la composición química de diferentes harinas

de cáscara de cacao. Encontrándose un alto porcentaje de

fibra bruta que serviría como alimento para ganado

(Ozung, Kennedy, & A

Agiang, 2016)

Fuente de

energía

Se evaluó a las cáscaras de cacao como fuente de energía

renovable. Se encontró un poder calorífico alto de 17MJ/kg

y también un alto contenido de cenizas de 13.5% de los

pellets.

(Syamsiro, Saptoadi,

Tambunan, & Pambudi,

2012)

En cuanto a la elaboración de papel, Daud et al, 2013, realizaron investigaciones sobre

las características químicas y morfológicas de las cáscaras de yuca y cacao de Malasia

al considerar a los residuos como fuentes potenciales de fibra por su estructura

lignocelulósica. Se encontró que ambas biomasas tienen características prometedoras

para las industrias de pulpa y papel al contener un porcentaje de celulosa de 37.9% en

las cascaras de yuca y de 35.4% para el cacao.

1.5.4. Composición química de la Cáscara de Cacao: Los componentes principales

de este residuo orgánico según varios autores son: hemicelulosa, celulosa, lignina y

cenizas como se indica en la Tabla 6.

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Tabla 6. Composición química de la cáscara de Cacao, basado en: 1) Daud, Awang,

Kassim, Zainuri Mohd Hatta, & Mohd Aripin, 2014 2) Njoku et al., 2011 3)

Vásquez et al., 2019 4) Encalada Lárraga & Jácome Pilco, 2018

Componentes Valor1 Valor2 Valor3 Valor4

Celulosa 35.4 26.38 24.24-35 31.70-28.50

Hemicelulosa 37 8.72 8.72-11 5.35-7.85

Lignina 14.7 24.24 14.6-26.38 28.32-23.29

Cenizas 12.3 9.02 6.7-10.02 8.33-7.36

1.6. Procesos de obtención de pulpa

Los procesos de obtención de celulosa de las fibras no madereras se pueden dividir en:

mecánicos, hidrotérmicos, químicos o combinados. El objetivo principal del proceso

denominado pulpado es separar la celulosa de la lignina aumentando el rendimiento de

las materias primas. Es importante separar la celulosa de la lignina porque el papel está

constituido por fibras celulósicas. Las fibras celulósicas se reorganizan y se distribuyen

aleatoriamente en una estructura en forma de lámina (Sridach, 2010). Las propiedades

de la lámina como la resistencia a la tracción dependen directamente del contenido de

celulosa (Ververis, 2004).

Las características de las pulpas para papel dependen del tipo de tratamiento utilizado.

A continuación se presentan los procesos de obtención pulpa de papel.

1.6.1. Proceso mecánico: Consiste en la separación mecánica de la lignina. El método

de piedra molida es el más utilizado. Consiste en moler a la madera en una piedra de

moler giratoria. La fibra de madera se junta con la superficie de la piedra por el efecto

de la presión. Las desventajas de este tipo de tratamiento es que debilita a la fibra, la

lignina no se elimina completamente produciendo un papel que se volverá amarillo en

poco tiempo. Además las fibras son más débiles que las obtenidas químicamente. Sin

embargo la ventaja es el alto rendimiento y bajo costo (Fahmy et al., 2017).

1.6.2. Proceso químico: El objetivo es des lignificar al material lignocelulósico con el

fin de obtener la pasta química para la elaboración de papel o derivados de la celulosa.

Debido a que la lignina es insoluble en agua debe convertirse en derivados solubles

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adicionando una solución química. Durante los tratamientos químicos la hemicelulosa

se hidroliza y se elimina de la fibra. Además la lignina que queda en la pulpa suele

eliminarse en procesos de blanqueo para mejorar su calidad. Los principales

tratamientos son:

• Proceso Kraft: proceso alcalino en el que se utiliza hidróxido de sodio NaOH y

sulfuro de sodio Na2S (Castells, 2012). La temperatura de operación es de 175°C

durante 2 a 5h.

• Proceso al Sulfito: proceso ácido que produce un menor rendimiento que el proceso

Kraft. La madera se trata con bisulfito de magnesio y exceso de dióxido de azufre

aproximadamente a 175°C y durante 6 a 12h. Se elimina un mayor porcentaje de

lignina. (Holtzapple, 2003)

• Proceso a la sosa: Proceso alcalino en el que se utiliza hidróxido de sodio NaOH. Se

ha utilizado la solución al 12% durante 5h a 160°C para obtener pulpas de paja.

(Bajpai, 2018a). En el caso de tallos de canola y paja de colza se ha utilizado la

solución alcalina de 14% al 23% de 160 a 180°C, con una relación de licor- materia

prima de 4:1 a 8:1. (Potucek, Gurung, & Hajkova, 2014)

1.6.3. Procesos combinados: Son métodos que combinan procesos químicos, térmicos

y mecánicos, tal es el caso de la pulpa termo mecánica química CTMP. Durante el

proceso CTMP se utilizan químicos en una etapa previa o posterior a la prevaporización

de la materia prima, entre ellos el sulfito de sodio y la sosa cáustica. Se realiza una

primera refinación a 100°C y una posterior a presión atmosférica. Los rendimientos son

mayores al 90%. El pH de los tratamientos es de 4 a 9 durante 15 o 30 min a

temperaturas de 130 a 160°C (Area, 2005).

1.6.4. Proceso hidrotérmico: El tratamiento por explosión de vapor o también

llamado proceso de Masonite fue en un principio una alternativa al proceso mecánico.

Durante el tratamiento se emplea vapor a alta presión, temperaturas elevadas entre 100 a

300°C, tiempos entre 1 a 10 min y finalmente una descompresión brusca con

enfriamiento (Chandra et al., 2016).

Durante la autohidrólisis a altas temperaturas los enlaces de H empiezan a debilitarse

permitiendo la autoionización del agua en iones hidronio ácido que actúan como

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catalizadores (𝐻3𝑂+) e iones básicos de hidróxido catalizadores (𝑂𝐻). Además los

iones hidronio se pueden formar a partir de los ácidos orgánicos como de los ácidos

acéticos de los grupos acetilo de la hemicelulosa, es decir, de los materiales

lignocelulósicos (Ruiz, Rodríguez-Jasso, Fernandes, Vicente, & Teixeira, 2013).

Durante el tratamiento hidrotérmico, según las condiciones de operación, el polímero

más susceptible es la hemicelulosa, la cual se despolimeriza en oligómeros y

monómeros, así como en azúcares (pentosas y hexosas). En cuanto a la lignina, la

autohidrólisis causa su relocalización en la superficie, lo que favorece la accesibilidad a

la celulosa. (Ruiz et al., 2011)

Dentro de las ventajas del proceso en comparación con los tratamientos químicos

tradicionales se tiene: la prevención de la corrosión en los equipos, ya que solo se utiliza

agua para el tratamiento convirtiéndolo en un proceso amigable con el medio ambiente,

la disminución en los costos al no utilizar químicos para los tratamientos de

neutralización y purificación de los productos o subproductos obtenidos como ocurre en

la hidrólisis ácida o básica (Teschke & Demers, 2001); así como no se realiza el

reciclaje de los ácidos o bases simplificando así el proceso. (Boussarsar, Rogé, &

Mathlouthi, 2009).

1.7. Elaboración de papel artesanal

De acuerdo a la norma ISO 4046-3:2002, el papel es un “término genérico para una

gama de materiales en forma de una hoja o banda coherente, hechos por deposición de

fibras vegetales, minerales, animales, sintéticas o sus mezclas, desde una suspensión

fluida hasta un dispositivo de formación adecuado, adicionando o no otras sustancias”.

Fibra animal: La fibra de colágeno se ha estudiado para mezclarse con fibras vegetales.

Esta fibra se ha obtenido a partir de los desechos del cuero por métodos químicos con el

fin de utilizarla en la industria del papel. (Jian & Meiyun, 2010)

Fibra mineral: Las sustancias particuladas conocidas como cargas se agregan a las

suspensiones de las fibras celulósicas antes de la formación del papel. Una de las cargas

más utilizadas es el carbonato de calcio. (Hubbe & Gill, 2016)

El término papel se utiliza para describir también al cartón. La diferencia radica en el

grosor, gramaje o en sus características y usos. Una vez que se ha separado por medio

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de los tratamientos la celulosa de la lignina obteniéndose la pulpa o pasta se procede a

los siguientes pasos:

• Lavado y fibrilado: Una vez realizado el proceso de pulpado, se lava la pulpa con el

fin de retirar el licor con hemicelulosa y lignina que se han disuelto durante los

tratamientos. El líquido obtenido del proceso debe ser claro y tener un pH entre 7 u

8. La pulpa lavada, se fibrila en una licuadora con el fin de aumentar la unión por

puentes de hidrógeno entre las fibras. (Torres, 2000)

• Encolado: Consiste en la adición de un aditivo para que la superficie se torne lisa y

con mayor blancura. Además “se utiliza el encolado para reforzar la hoja, mejorar su

consistencia, darle resistencia a la abrasión, estabilidad dimensional, controlar sus

cualidades de absorción, protegerla de la degradación, modificar la superficie, la

textura, mejorar su resistencia a la grasa” (Aguilar-Rivera, Houbron, Rustrian, &

Reyes- Alvarado, 2014, p.109).

Tipos de Encolado: El encolado puede ser rígido o débil, rígido cuando se encola

con mayor cantidad de aditivo. También se tiene encolado interno y externo de las

fibras. El interno consiste en la aplicación del aditivo como el almidón en la tina de

formación de papel mientras que en el externo o superficial consiste en colocar el

aditivo cuando se seca y forma la lámina (Aguilar-Rivera et al., 2014). Dentro de los

principales aditivos para encolado interno se tiene: resinas y almidón que evitan que

los líquidos penetren al papel y mejora las retención de fibra (Teschke & Demers,

2001, p.72.10).

• Formación de papel: Se utiliza un cedazo o un marco con una red, se sumerge en el

recipiente de la pulpa y se lo coloca en posición horizontal elevándolo con

precaución. Una vez que se alza, se agita para que se drene el exceso de agua y se

dispersen las fibras. A continuación, se coloca el cedazo sobre una tela y se deja caer

la hoja sobre la superficie.

• Prensado y secado: El prensado se realiza con el fin de eliminar el exceso de agua y

mantener la forma de la hoja. Se puede utilizar una prensa o colocar dos tablillas y

sobre estas un peso. Para secarlo se coloca sobre una baldosa o se sujeta a una

superficie por un extremo. Es importante que se seque durante el tiempo necesario

para obtener un buen resultado.(Guerrero, Romero, Ruiz, & Montero, 2007)

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2. METODOLOGÍA

2.1. Ubicación del área de investigación

El proceso de obtención de celulosa mediante hidrólisis térmica y la cuantificación de

alfa celulosa de las pulpas se realizaron en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería

Química de la Universidad Central del Ecuador, mientras que los ensayos de FTIR y

termogravimétricos (TGA) para determinar la cantidad de celulosa, lignina y

hemicelulosa de las pulpas, se realizaron en el Área de Investigación de la misma

Facultad.

2.2. Población y muestra

La fibra no maderera que se utilizó para realizar el tratamiento hidrotérmico a diferentes

temperaturas con el objetivo de obtener celulosa para la posterior elaboración de pulpa

de papel mediante un proceso de encolado, fue el epicarpio (cáscara) de Cacao

Ecuatoriano (Theobroma cacao l.).

La biomasa fue recolectada en el Cantón La Maná, Provincia del Cotopaxi- Ecuador en

febrero del año 2019. En su mayoría las mazorcas de cacao utilizadas fueron de la

variedad conocida como: Criollo.

Para realizar los análisis se trabajó con aproximadamente 531 g de cáscara de cacao en

base seca. La cáscara de cacao Nacional o Criollo recolectada presentó una coloración

amarilla con pintas cafés que indicaban la madurez de los frutos.

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2.3. Diseño experimental

Para elaborar el presente trabajo se realizó una revisión bibliográfica de artículos

científicos, libros y trabajos relacionados al tema con el fin de plantear el Diseño

Experimental. Por lo tanto el trabajo es de la modalidad Proyecto de Investigación.

El proceso general de la obtención de celulosa a partir de la cáscara de cacao

ecuatoriano mediante hidrólisis térmica para la elaboración de pulpa de papel consta de

las siguientes etapas:

• Caracterización física de la materia prima: Para determinar la apariencia de las

cáscaras de cacao Criollo y la madurez del fruto se realizó un análisis cualitativo a

partir del color y uno cuantitativo para conocer el diámetro de las mazorcas de cacao

y grosor del epicarpio de la variedad Criollo. El contenido de humedad de las

cáscaras se lo realizó mediante el procedimiento de (Ahmed et al., 2018).

• Pre-tratamiento de la materia prima: Se realizó un pre-tratamiento físico de las

cáscaras de cacao, mediante lavado, secado, molienda y tamizado para obtener la

materia prima del proceso. (Ver Anexo A).

Lavado: Los frutos recolectados de cacao se lavaron con el fin de eliminar restos de

hojas o cualquier tipo de impureza en la superficie que pueda interferir con la

cuantificación de celulosa.

Secado: Las cáscaras obtenidas luego del proceso de desgrane para elaborar

chocolate se colocaron en estufas y cámaras de secado.

Molienda: Las cáscaras de cacao una vez secas se trituraron en el Molino de corte

del área de investigación de la Facultad de Ingeniería Química de la UCE.

Tamizado: Se utilizaron tamices de la marca Hubbard Scientific con tamaños de

malla N°35, 60, 120 y 230. Con el objetivo de trabajar con el tamaño de partícula con

mayor área de contacto para el proceso de hidrólisis.

• Análisis Inmediato y Caracterización química de la materia prima: Para poder

determinar el contenido de cenizas, la cantidad de volátiles y carbón fijo de la

muestra madre se utilizó el análisis termogravimétrico (TGA). Además se obtuvieron

valores de celulosa, hemicelulosa y lignina.

• Proceso de obtención de pulpa: Se realizó a partir de un proceso de hidrólisis

térmica de las cáscaras de Cacao Criollo reducidas de tamaño en un equipo de

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explosión de vapor, con el uso de agua a diferentes temperaturas y tiempos de

residencia para obtener la pulpa (Ver Anexo A).

• Evaluación de pulpa hidrotratada: La pulpa se lavó, filtró y secó. Una vez seca se

determinó su porcentaje de rendimiento después de la hidrólisis térmica y se realizó

análisis TGA para determinar el porcentaje de volátiles que han disminuido en la

pulpa. Además, se determinó la disminución del contenido de lignina y hemicelulosa.

Para determinar el contenido de alfa celulosa en las pulpas se realizaron ensayos de

acuerdo a norma TAPPI T 203m 58.

Además de un análisis por Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier

(FTIR), para detectar los grupos funcionales característicos de la celulosa,

hemicelulosa y lignina.

• Elaboración de papel artesanal

Tratamiento con sosa cáustica: Una vez realizada la hidrólisis térmica se realizó

una hidrólisis alcalina con sosa cáustica con el fin de eliminar la lignina que se

mantiene después del tratamiento inicial.

Lavado y Encolado: Se realizó el lavado de la pulpa con suficiente agua para

eliminar el contenido de licor negro y se agregó un agente encolante para que las

fibras se unan. En este caso se utilizó almidón de yuca al 20, 25 y 30%.

Filtración, laminado: Se eliminó el exceso de agente encolante por filtración y se

formó una lámina en un bastidor.

Secado: Se secaron las láminas con el fin de eliminar humedad restante y se

procedió a verificar las características de producto obtenido

• Evaluación de las características del papel: Se realizaron ensayos de gramaje de

acuerdo a la norma NTE INEN- ISO 536:2013 (Ver Anexo B); Además del espesor

del material y contenido de humedad de la hoja de papel mediante norma TAPPI

T550 om-08 que definieron la calidad del producto obtenido (Ver Anexo A).

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2.3.1. Diagrama de obtención de celulosa del epicarpio del fruto de cacao mediante hidrólisis térmica para elaborar papel

a)

LAVADO

∆=30-35°C

SECADO

υ =1500rpm

MOLIENDA

DESCOMPRESIÓN

BRUSCA

∆ = 155°C

t=12min

REACCIÓN

TAMIZADO

DESCOMPRESIÓN

ENFRIAMIENTO FILTRACIÓN ∆=105°C

t=5h

SECADO

HIDRÓLISIS TÉRMICA

H2O(l)H2O(v) %H=85.80

Malla N°60

CÁSCARA DE

CACAO NACIONAL

PULPA

HIDROTRATADA

H2O(v)

Análisis Inmediato

Análisis TGA

Análisis α celulosa

Análisis TGA

Análisis FTIR

Impurezas(s)

b)

PULPA

HIDROTRATADA

t=1h30

HIDRÓLISIS

ALCALINA

Licor Negro

LAVADO

ENCOLADOFILTRACIÓN

∆=105°C

t=3 días

SECADO

CARTÓN

0.5% de NaOH(ac)25%p/p Almidón de

yuca Ensayo de Gramaje

Ensayo de Espesor

Ensayo de humedad

H2O(l)

H2O(v)

Figura 5.Diagrama de flujo de obtención de pulpa hidrotratada

a) Procesos para obtener pulpa a partir del tratamiento por hidrólisis térmica. Los equipos para este tratamiento son un tanque abierto para el lavado, cámaras de

secado, molino de corte, tamiz hasta obtener un tamaño de malla N°60. Para la hidrólisis se tiene un reactor tipo Batch con chaqueta, válvula de bola para

descompresión, ciclón para recibir la descompresión, intercambiador de calor y válvula de paso. También se tiene un filtro y secado por cámaras.

b) Procesos para obtener cartón. Inicia con un recipiente para la hidrólisis alcalina de la pulpa hidrotratada, lavado, una mezcla con agente encolante, filtración y

secado en cámaras.

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2.4. Variables para la obtención de celulosa de la cáscara de Cacao Criollo a partir

de hidrólisis térmica

Para el caso de estudio las siguientes variables operacionales son de importancia para el

proceso de hidrólisis. Entre ellas se tiene:

• Tamaño de partícula de materia prima: En el caso del residuo de poda de olivo

para su análisis de autohidrólisis y post-hidrólisis se utilizaron tamaños de partícula

de 0.425 a 0.6mm (García Martín, Sánchez, Rodríguez, & Cuevas, 2010).

Para estudios de tratamientos utilizando vapor con materias primas como el bambú

se ha retirado la materia prima inferior a 1mm. (Aoyama, Seki, & Saito, 2009).

El tamaño de la partícula de cacao para el caso de estudio será el de la malla #60 de

los tamices marca Hubbard Scientific Company para todos los tratamientos. El

número de malla 60 equivale a 0.23 mm.

• Carga de sólidos: La carga de sólidos se define como una relación entre el licor y

el sólido. En este caso agua y biomasa. Los valores de esta relación son de 1g/g a

40g/g, siendo los más usados de 10g/g (Garrote, Domínguez, & Parajó, 1999).

Para el caso de estudio se trabajará con 25g de materia prima y 800ml de agua.

Obteniéndose un relación o carga de sólidos constante de 32g/g para todos los

ensayos.

Siendo m1: 25 g de cáscara de cacao seco de tamaño de malla #60 de la variedad

Criollo.

• Temperatura: A temperaturas de 150 a 230 °C, el enlace de Hidrógeno comienza

a debilitarse, permitiendo la auto-ionización del agua y dando lugar al ion hidronio

ácido (𝑯𝟑𝑶+) que actúa como catalizador y provoca las reacciones de hidrólisis en

el material lignocelulósico. (Ruiz et al., 2013)

La temperatura en el caso de la paja de trigo que fue tratada con vapor durante

diferentes periodos de tiempo fue de 120°C. Los tiempos estuvieron dentro del

rango comprendido entre los 15 a 300min. (Lawther, Sun, & B. Banks, 1996).

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Por lo tanto, se consideró realizar ensayos que correspondan a un nivel bajo, medio

y alto, con una variación de temperatura de 20°C. Determinándose así las siguientes

temperaturas:

𝑻𝟏 = 𝟏𝟑𝟓°𝑪

𝑻𝟐 = 𝟏𝟓𝟓°𝑪

𝑻𝟑 = 𝟏𝟕𝟓°𝑪

• Tiempo: la relación entre el tiempo de cocción o de residencia no es proporcional a

la temperatura. Por lo tanto, para trabajar con tiempos de residencia de 1 a 10

minutos en el reactor se espera tener temperaturas y presiones elevadas durante la

hidrólisis (Wingerson, 2002).

Tomando los valores de referencia de 1 a 10 min. Se establecieron los siguientes

tiempos, conociendo la relación inversa entre la Temperatura y el tiempo:

𝒕𝟏 = 𝟒 𝒎𝒊𝒏

𝒕𝟐 = 𝟖𝒎𝒊𝒏

𝒕𝟑 = 𝟏𝟐𝒎𝒊𝒏

• Alfa celulosa: el contenido de alfa celulosa en las pulpas es un factor de calidad.

Para su cuantificación se utilizó la norma TAPPI T 203m – 58 y se consideraron

niveles alto, bajo e intermedio para el diseño experimental.

𝜶𝟏 Bajo

𝜶𝟐 Intermedio

𝜶𝟑 Alto

Para cumplir con los objetivos propuestos en la investigación, se establecieron las

siguientes variables dependientes e independientes

• Variables independientes: Temperatura y tiempo de residencia (tiempo en el que

la biomasa permanecerá dentro del equipo).

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• Variables dependientes: contenido de alfa celulosa de la pulpa

Se obtuvo el diseño factorial de 3k=32. Realizando una réplica adicional, teniendo un

total de 18 ensayos durante el proceso de hidrólisis térmica de la cáscara de cacao.

En la figura 6, se indica cómo se realizó el tratamiento mediante hidrólisis térmica, el

cual inicio con un pre-tratamiento para obtener la materia prima del proceso m1.A

continuación se procedió a realizar el proceso de hidrólisis térmica con una relación de

800ml de agua/ 25g de biomasa a tres temperaturas (T1, T2, T3) y tiempos de residencia

(t1,t2,t3) considerando tres niveles bajo, medio y alto. Una vez realizada la hidrólisis se

procedió a cuantificar el contenido de alfa celulosa de las pulpas (α1, α2, α3).

Donde:

• T:Temperatura

• m1: biomasa de cacao Criollo

• t:tiempo

• α:contenido de alfa celulosa

t1

t2

t3

t1

t2

t3

t1

t2

t3

α1

α2

α3

α1

α2

α3

α1

α2

α3

T1

T2

T3

m1PretratamientoObtención

de celulosa

Figura 6.Esquema experimental de ensayos por método de hidrólisis térmica

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2.5. Procedimiento

2.5.1. Caracterización física de la materia prima: Es importante determinar

características como diámetro de la cáscara de cacao así como el grosor de las mazorcas

y contenido de humedad para el posterior tratamiento de las cáscaras.

a) Materiales y equipos

• Flexómetro Rango: (0-5)m Apreciación: ± 1mm

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca: Boeco, Germany

• Estufa Rango: (5-200)°C Apreciación: ± 1°C

Marca: Memmert Modelo: INB 500

• Crisol pequeño

• Pinza para crisol

• Desecador pequeño

Material para secar: Gel de sílice

b) Procedimiento

Diámetro y grosor de las mazorcas

• Medir la longitud de las mazorcas de cacao

• Separar en tres partes el lote (grande, mediano y pequeño)

• Cortar a cada mazorca de cacao por la parte media (ancho)

• Medir con el flexómetro el diámetro de las mazorca, el grosor de la cáscara y

registrar

Contenido de humedad de acuerdo a (Ahmed et al., 2018)

• Colocar el crisol en la estufa a 105°C por 1 hora

• Retirar el crisol de la estufa y colocarlo en un desecador dejándolo enfriar durante 1

hora

• Pesar el crisol vacío y registrar su valor

• Colocar 2g de muestra en el crisol y colocarlo en la estufa durante 3horas.

• Retirar el crisol con la muestra de la estufa y dejarlo enfriar en el desecador por 1

hora y finalmente registrar su valor.

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• Colocar nuevamente el crisol en la estufa durante 1hora, retirar el crisol, dejar enfriar

1 hora y pesar el crisol. Realizar el mismo procedimiento cada hora hasta obtener

peso constante.

2.5.2. Pre-tratamiento de la materia prima: La obtención de materia prima para los

posteriores tratamientos empieza con una molienda en este caso para reducir el tamaño

de la partícula. En el proceso de pre tratamiento mediante hidrólisis térmica de la paja

de trigo se han empleado partículas de tamaño 0.5, 0.3, y 0.15 mm. Por lo tanto para el

caso de estudio se utilizan tamices con tamaños de luz malla pequeños (Ruiz et al.,

2011).

a) Materiales y equipos

• Molino de corte

Marca: Retsch Modelo: SM300

• Cámaras de secado Rango: (18-32)°C

• Recipientes de plástico con tapa Volumen: 300ml

• Tamiz N° 35

• Tamiz N° 60

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca: Boeco, Germany

b) Reactivos

• Agua H2O(l)

c) Procedimiento

• Lavar la mazorca con suficiente cantidad de agua para retirar restos de hojas o tierra.

• Cortar y colocar los pedazos de mazorca en cámaras de secado por 7 días a 30-35°C

• Triturar las cáscaras secas en el molino de corte con mallas de 1mm

• Colocar los tamices en orden decreciente de luz de malla

• Tapar la parte superior y fondo de tamices, tamizar y registrar datos

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2.5.3. Análisis Inmediato y Caracterización química de la materia prima

Tabla 7. Características químicas y análisis inmediato de la cáscara de Cacao

Criollo

Característica Método de ensayo

% Cenizas

Análisis

termogravimétrico TGA

% Humedad

% Carbón fijo

% Volátiles

Contenido de celulosa

Contenido de lignina

Contenido de hemicelulosa

Elaborado por: María Torres

Análisis termogravimétrico TGA: En el análisis termogravimétrico, conocido como

TGA se cuantifica la pérdida de masa de la biomasa en función de la temperatura

mediante una termobalanza. El análisis se realiza en una atmósfera inerte u oxidativa y

como resultado se obtienen termogramas de curvas de pérdida de masa (TG) y pérdida

de masa diferencial (DTG), en la cual se pueden identificar los picos característicos de

los componentes del material lignocelulósico. (Barneto, Carmona, Alfonso, & Serrano,

2010).

El método termogravimétrico es utilizado para determinar los cambios físicos y

químicos durante la descomposición térmica de la biomasa. Los estudios de estabilidad

térmica de los componentes de los materiales lignocelulósicos como: la celulosa,

hemicelulosa, lignina, extractos, etc., son de interés en industrias de pulpa y papel, ya

que la biomasa se somete a procesos de secado, producción de pasta termomecánica o

por explosión de vapor. (Popescu, Lisa, Manoliu, Petronela, & Vasile, 2010)

a) Materiales y equipos

• Termobalanza Rango: (-100 - 1100 °C) Apreciación: ± 1°C

Rango: (0 – 100) ml/min Apreciación: ± 1 ml/min

Marca: Mettler Toledo Modelo: TGA

• Balanza analítica Rango: (0-220)g Apreciación: ±0.1mg

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Marca: Boeco, Germany

• Espátula

• Portamuestras

• Pipeta pasteur

• Crisoles de alúmina para TGA

• Pinza para crisoles

b) Reactivos

• Nitrógeno N2 (g) Pureza: 99.999%

• Aire sintético O2/N2 (g) Pureza: 99.999%/99.999%

c) Procedimiento

Utilizando el procedimiento interno del área de investigación de la facultad de

Ingeniería Química se tiene los siguientes pasos:

• Abrir la válvula de suministro de gas Nitrógeno

• Encender el Minichiller a Temperatura ambiente

• Abrir el programa STAReSoftware perteneciente al equipo TGA

• Encender el equipo TGA y abrir válvula de suministro de gas

• Seleccionar el método en el software y nombrar el experimento

El método consiste en:

o 1era Etapa de calentamiento desde 25 a 100°C

o 1era Etapa Isotérmica en 100°C por 10min

o 2da Etapa de calentamiento hasta 700°C con velocidad de calentamiento de

20°C/min y flujo de nitrógeno de 25mL/min, es decir, atmósfera inerte.

o 2da Etapa Isotérmica en 700°C por 20 min con flujo de aire de 50mL/min, es decir

en atmósfera oxidante.

o Finalmente etapa de enfriamiento hasta 25°C como indica la Figura 7. Se asume que

el carbón fijo y las cenizas corresponden al material residual del recipiente.

• Tarar y estabilizar balanza a temperatura ambiente con aproximación de ±0.1mg

• Abrir el horno cuando se encuentre a temperaturas inferiores a 30°C, para lo cual

presione furnance (horno)

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• Colocar con ayuda de una pinza el crisol vacío en el centro de la balanza y cerrar el

horno

• Encerar el equipo y esperar a que se estabilice

• Abrir el horno, retirar el crisol y colocar alrededor de 8 a 10 mg de muestra con

ayuda de una espátula

• Colocar el crisol con la muestra nuevamente en el horno y cerrar

• Para iniciar, presione: Proceed. En el software aparecerá una línea roja que indica el

inicio del análisis

• Al terminar el análisis, el equipo apaga automáticamente el calentamiento y el flujo

de los gases hasta llegar a la temperatura inicial de 25°C.

Figura 7.Etapas para degradación de biomasa de cacao mediante análisis TGA

Análisis inmediato de la biomasa: El análisis de desvolatilización térmica permite

obtener los valores de humedad, material volátil, carbón fijo y cenizas de muestras de

biomasa, en este caso de las cáscaras de cacao Criollo.

(Saldarriaga et al, 2015) realizaron un análisis termogravimétrico que consistió en una

fase de secado, degradación controlada en atmósfera inerte de los volátiles, combustión

de carbón fijo y determinación de cenizas, es decir, realizaron un análisis inmediato de

ocho tipos de biomasa mediante análisis TGA, obteniendo valores comparables a sus

fuentes bibliográficas.

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Además el análisis termogravimétrico se utilizó para obtener datos tanto de humedad, %

de volátiles, carbón fijo y cenizas, como también valores del % de lignina y

hemicelulosa al inicio y después del proceso de hidrólisis térmica con el fin de

determinar el comportamiento de los polímeros después del tratamiento (Ver Anexo A).

2.5.4. Proceso de obtención de pulpa: La hidrólisis térmica es un método que permite

obtener la celulosa de la biomasa, en este caso de la cáscara de Cacao Criollo.

El vapor es usado para extraer la hemicelulosa y niveles bajos de lignina de la madera o

biomasa. Los métodos en los que se utiliza agua o vapor se conocen como auto

hidrólisis, hidrotermólisis o pre tratamiento hidrotérmico. El agua hidroliza a los grupos

acetato de las cadenas de hemicelulosa, produciendo así ácido acético y solubilizando el

polímero de hemicelulosa en condiciones ácidas. Durante la hidrólisis la fibra puede

sufrir daños en su estructura por lo que es necesario controlar las variables del

proceso.(Bajpai, 2018)

Para obtener celulosa se utilizó un equipo de explosión de vapor como se muestra en el

Anexo A, que consta de un reactor tipo Batch de acero inoxidable 316 con una

capacidad de 2L y un reactor de explosión de vapor con un diámetro de 5”,.

La tapa del primer reactor es de acero inoxidable y desarmable, tiene una abrazadera y

empaque que no debe superar los 1.72MPa como una medida de seguridad del equipo.

En la parte superior está instalado un termopar y un manómetro para medir una presión

de hasta 2.1MPa

Consta además de una resistencia para calentar la biomasa del reactor y un sistema de

control de temperatura tipo ON-OFF.

En la parte inferior del 1er reactor tiene una válvula de bola, la cual se opera

manualmente para realizar una descompresión brusca de la biomasa y el vapor de agua.

La biomasa pasa por el reactor 2 y a continuación a un intercambiador de calor que

trabaja a contracorriente.

En la parte superior del 2do reactor tiene acoplado un desfogue para el vapor y en la

parte final del equipo una válvula para recolectar la biomasa (Rivera, 2018). El

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diagrama del equipo se muestra en la Figura 8.

Figura 8.Diagrama de equipo de explosión de vapor (Rivera, 2018)

Las partes del equipo de explosión de vapor son: 1 Controlador de Temperatura, 2 Manómetro, 3

Termocupla, 4 Reactor Batch, 5 Válvula de bola, 6 Reactor de Explosión, 7 Intercambiador de calor, 8

Válvula de paso.

a) Materiales y equipos

• Equipo de explosión de vapor (construcción artesanal)

• Mangueras

• Envase de plástico Volumen: 2L

• Tamiz N°60

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca: Boeco, Germany

b) Reactivos

• Agua H2O (l)

c) Procedimiento

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• Colocar un envase de plástico y un tamiz en la parte inferior del equipo.

• Abrir la válvula ubicada bajo el intercambiador de calor

• Cerrar la válvula de bola entre el reactor y el intercambiador

• Verificar que una de las mangueras esté conectada a la fuente de agua.

• Abrir la abrazadera, colocar en el reactor 25g de la cáscara de cacao Criollo y 800

mL de agua y mezclar.

• Cerrar la abrazadera y ajústela fuertemente.

• Conectar a la fuente de luz el equipo y encender el equipo

• Presionar SET, colocar la temperatura deseada y presionar OUT

• Dejar calentar el equipo hasta la temperatura requerida.

• Abrir la fuente de agua hacia el intercambiador de calor

• Una vez que se alcance la temperatura, empezar el conteo del tiempo de residencia.

• Al terminar el tiempo de residencia, abrir la válvula de bola cuidadosamente para que

desfogue el vapor, disminuya la presión y la biomasa pase por el intercambiador de

calor enfriándose hasta el envase de plástico.

• Dejar enfriar el equipo para abrir la abrazadera.

• Limpiar el reactor después de cada ensayo

• Realizar los ensayos para temperaturas de 135, 155 y 175 °C con tiempos de de

residencia 4, 8 y 12 min desde el inicio.

2.5.5. Evaluación de la pulpa hidrotratada

Alfa celulosa: La determinación de alfa celulosa es un parámetro de evaluación de

pulpas y se utiliza para evaluar el envejecimiento de pulpas de papel. Además, la alfa

celulosa indica el efecto que la sosa produce en las propiedades del papel.

a) Materiales y equipos

• Estufa Rango: (5-200)°C Apreciación: ±1°C

Marca: Memmert Modelo: INB 500

• Embudo Büchner Diámetro 0.125m

• Papel filtro Tamaño de poro 3μm

• Matraz de succión Volumen: 500ml

• Bomba de vacío Marca: Boeco, Germany Serie: R-300

• Cronómetro

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• Desecador tamaño mediano

Material para secar: gel de sílice

• Probeta Rango: (0-50)ml Apreciación: ±1ml

• Vaso de precipitación Rango: (0-300)ml Apreciación: ± 50ml

• Vidrio reloj pequeño

• Matraz aforado Rango: (500, 1000,100)ml

• Pipeta volumétrica Rango: (0-25)ml Apreciación: ± 1ml

• Agitador magnético de placa caliente Marca: VELP Scientifica

• Varilla de vidrio Longitud: 0.15m

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca Boeco, Germany

b) Reactivos

• Agua destilada H2O (l)

• Hidróxido de sodio NaOH(ac) Solución: (17.5% - 8.8%)p/v

• Ácido acético CH3COOH(ac) Solución: 2N

c) Procedimiento

Para determinar el contenido de alfa celulosa se sigue el procedimiento descrito en la

norma TAPPI T 203m 58.

Solución de Hidróxido de sodio al 17.5% y 8.8%

• Pesar 175 g de Hidróxido de sodio y colocarlo en un vaso de precipitación

• Colocar agua destilada en el vaso hasta que el hidróxido se solubilice

• Colocar lo disuelto en el vaso de precipitación en el matraz aforado de 1000ml y

aforar con agua destilada

• Realizar el procedimiento en una cámara de extracción por los vapores generados

• Repetir el procedimiento con 44g de hidróxido de sodio en un matraz de aforo de

500ml

Solución de Ácido acético 2N

• Colocar 50 ml de agua destilada en un matraz de 500ml

• Medir 57.19 ml con ayuda de una probeta y pipeta volumétrica y colocar

cuidadosamente el ácido acético en matraz

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• Aforar con agua destilada cuidadosamente evitando que salte el ácido evitando

cualquier inconveniente para la salud por su carácter irritante y corrosivo

Contenido de Alfa celulosa

• Verificar que las condiciones de ensayo correspondan a los 20 ± 2°C

• Pesar 3 g de pulpa seca de la autohidrólisis y colocar en un vaso de precipitación

• Agregar en la pulpa 15ml de solución de NaOH(ac) al 17.5% y agitar suavemente

durante 1min. Agregar 20 ml durante 2 min y medio de NaOH(ac) al 17.5% con

agitación constante y dejar en reposo 2 min

• Agregar 10ml de NaOH(ac) al 17.5% y agitar 10min, e ir agregando 30ml durante 2, 5

y 8min

• Dejar en reposo 30min y agregar 100ml de agua, mezclar y dejar en reposo 30min

• Colocar el contenido en un embudo Buchner y filtrar mediante succión.

• Agregar 25ml de NaOH(ac) al 8.8% y lavar con 650ml de Agua.

• Descartar el filtrado, desconectar la succión y agregar 40ml de ácido acético 2N

durante 5min

• Conectar la succión y lavar con alrededor de 800ml de agua hasta obtener pH neutro

• Desconectar la succión y colocar el residuo en una estufa a 105±3°C junto con el

papel filtro hasta peso constante.

Rendimiento de la pulpa

a) Materiales y Reactivos

• Estufa Rango: (5-200)°C Apreciación: ±1°C

Marca: Memmert Modelo: INB 500

• Papel filtro Tamaño de poro 3μm

• Desecador tamaño mediano

Material para secar: gel de sílice

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca: Boeco Germany

b) Procedimiento

• Pesar el papel filtro y registrar

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• Una vez filtrada la biomasa después del proceso de hidrólisis, colocarla en el papel

filtro y pesar

• Colocar la pulpa en la estufa hasta peso constante durante aproximadamente 5 horas

• Retirar la pulpa de la estufa, colocarla en el desecador y dejar enfriar

• Pesar la biomasa y registrar

Análisis Espectroscopia Infrarrojo por transformada de Fourier: La espectroscopia

FTIR es una técnica que ha sido considerada para determinar la intensidad de enlaces y

grupos funcionales específicos de las estructuras lignocelulósicas como aquellos

presentes en la madera después de tratamientos hidrotermales. (Tjeerdsma & Militz,

2005). Además la técnica permite analizar muestras de líquidos, soluciones, pastas,

polvos, fibras naturales y gases en tiempos cortos por lo que se ha utilizado como una

técnica eficiente en la investigación. (Fan, Dai, & Huang, 2012)

Se han realizado numerosas investigaciones sobre el estudio de fibras naturales

mediante espectroscopia FTIR. Como al investigar láminas de celulosa tratadas con

NaOH y dióxido de carbono mediante esta técnica, en la que utilizaron KBr y bandas

del espectro comprendidas entre 400 y 4000cm-1(Oh, Yoo, Shin, & Seo, 2005). A partir

del espectro pudieron caracterizar a la celulosa mediante el estiramiento de grupos OH

en la región comprendida entre 4000 y 2995cm-1.(Oh et al., 2005).

a) Materiales y equipos

• Espectrofotómetro FTIR Marca PerkinElmer y modelo: Spectrum Two

• Balanza analítica Rango: 0-220 g Apreciación: ±0,0001 g

• Mortero de ágata

• Prensa de mano

• Juego de piezas metálicas

b) Reactivos

• Bromuro de potasio KBr(s)

c) Procedimiento

• Conectar el dispositivo de almacenamiento que contiene el programa en el equipo.

• Abrir software “Spectrum” del equipo y realizar un barrido (background)

• Pesar la muestra y Bromuro de Potasio seco con una relación de 1:100 muestra/KBr

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• Colocar la muestra y el Bromuro de potasio en el mortero y mezclar hasta obtener un

polvo fino

• Colocar alrededor de 100mg del polvo fino en el juego de piezas metálicas para

formar la pastilla

• Prensar la muestra con una prensa de mano hasta que se forme una pastilla entre el

anillo metálico.

• Colocar la pastilla con el anillo de prensado en el porta muestras del equipo

Spectrum two FTIR

• Presionar Scan para obtener el espectro

• Corregir el espectro mediante las herramientas disponibles en el software ( Baseline

Correction, Smooth, Normalization)

2.5.6. Elaboración de papel artesanal: Para la elaboración de papel a partir de la

mazorca de Cacao se ha considerado un procedimiento similar al de Acosta, Pacheco &

García, (2018) que obtuvieron un prototipo de cartón a partir del residuo que resulta del

proceso de descascarillado de los nibs de cacao. En el procedimiento consideraron un

tratamiento suave con Sosa y almidón de yuca como agente encolante.

a) Materiales y equipos

• Agitador magnético de placa caliente Marca: VELP Scientifica

• Balanza analítica Rango: (0-220) g Apreciación: ±0,01 g

Marca: Boeco, Germany

• Termómetro

• Cronómetro

• Matraz aforado Rango: 1000 ml

• Tamiz N°60

• Vaso de precipitación Rango: (0-100, 0-300, 0-600)ml Apreciación: ±100ml;

±50ml

• Bastidor con malla de 20cm*25cm

• Cámaras de secado Rango: (0-35)°C

b) Reactivos

• Agua destilada H2O (l)

• Hidróxido de sodio NaOH(ac) Solución: 0.5%p/v

• Almidón de yuca C6H10O5(ac) Solución: 20, 25 y 30%p/p

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c) Procedimiento

• Preparar una solución de 0.5% de NaOH

• Preparar una solución de almidón al 20, 25 y 30%p/p

• Colocar la materia prima en un vaso de precipitación de 600ml y agregar

paulatinamente la solución de hidróxido hasta alcanzar relación de 1:13 (materia

prima/Solución de hidróxido) durante un calentamiento y agitación paultina por 1h30

a 85°C

• Filtrar la pulpa que resulta del proceso alcalino y lavar hasta retirar el licor que se

obtiene durante el tratamiento con sosa.

• Colocar la solución de almidón en un vaso de precipitación de 300ml hasta que tome

una consistencia viscosa alrededor de 15min y 300rpm

• Colocar en un vaso de precipitación la pulpa lavada, agregar la solución de almidón

en relación de 1.8:1 con respecto a la masa inicial y dejar reposar 10 min

• Colocar la pulpa con almidón en un bastidor con malla de 20cm*25 cm

• Retirar el exceso de almidón y colocar la lámina en cámaras de secado durante 28

horas

2.5.7. Evaluación de las características del papel

Gramaje: De acuerdo a la norma NTE INEN- ISO 536:2013, el gramaje es la masa de

una unidad de superficie de papel o cartón determinada por un método específico de

prueba. El gramaje se expresa en gramos por metro cuadrado.

a) Materiales y equipos

• Balanza analítica Rango: 0-220 g Apreciación: ±0,01 g

Marca: Boeco, Germany

b) Procedimiento

• Verificar que las dimensiones de la hoja de papel una vez seca corresponda a las

dimensiones escritas en la normativa (20cm*25cm, área del bastidor)

• Pesar la hoja de papel en la balanza

• Registrar y proceder a realizar los cálculos de acuerdo a ecuación de la norma NTE

INEN- ISO 536:2013

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Espesor: Según la Norma ISO 534: 2005, el espesor es la distancia entre las dos caras

del papel o cartón cuando sobre ellas se coloca una carga.

a) Materiales y equipos

• Medidor de espesor Marca: MUVER

b) Procedimiento

• Encender el medidor de espesor marca MUVER

• Colocar el material en el medidor verificando que la cara expuesta sea regular.

• Proceder a realizar la medición con una carga de 390 g

• Efectuar 20 mediciones y registrar

Contenido de humedad: La humedad del papel puede afectar tanto al costo de compra

como al rendimiento y propiedades del papel entre ellas la resistencia a la tracción y

desgarro.

a) Materiales y equipos

• Estufa Rango: (0-120)°C Apreciación: ± 1 °C

Marca: Memmert Modelo: INB 500

• Desecador tamaño mediano

Material para secar: gel de sílice

• Crisol de porcelana pequeño

• Pinzas para crisol

• Balanza analítica Rango: (0-2000)g Apreciación: ± 0.01g

Marca Boeco Germany

b) Procedimiento

• Colocar el crisol en la estufa a 105°C por 1 hora

• Retirar el crisol de la estufa y colocarlo en un desecador dejándolo enfriar durante 30

minutos

• Pesar el crisol vacío y registrar su valor

• Colocar 2g de muestra en el crisol y colocarlo en la estufa durante 4 horas

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• Retirar el crisol con la muestra de la estufa y dejarlo enfriar en el desecador por 30

minutos y finalmente registrar su valor

• Realizar el procedimiento por duplicado

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3. CÁLCULOS Y RESULTADOS

3.1. Caracterización física de la materia prima

3.1.1. Método cualitativo

Las características físicas del cacao se muestran en la Tabla 8

Tabla 8. Caracterización física de la cáscara de Cacao Criollo

N° Descripción Observaciones

1 Tipo de cacao Cacao Criollo o Nacional

2 Cantidad de mazorcas 52

3 Color de la cáscara Amarillo – pintas cafés

4 Tamaño (Longitud x

diámetro)

Grande 21,5 x 9,5 cm

Mediano 19 x 10,5 cm

Pequeño 15 x 8,5 cm

6 Apariencia de la

cáscara

Presenta cortes y golpes en la

cáscara

10 Grosor de las cáscaras 1,5 - 2 cm

Merchán, Flores y Quiroz (2015) señalan que la madurez de la mazorca de cacao

Criollo o Nacional se evidencia cuando el fruto toma un color amarillo. Además los

tamaños de las mazorcas que son el resultado de un promedio de 10 frutos para su

clasificación en grande, mediano o pequeño están dentro de los valores de un fruto

maduro. Por lo tanto la materia prima utilizada se encontraba en una etapa adecuada

para ser cosechada.

3.1.2. Humedad: El contenido de humedad de la fibra lignocelulósica es la cantidad

de agua por unidad de masa de la muestra seca. (Ahmed et al., 2018)

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La ecuación (1) permite determinar el contenido de humedad de las cáscaras de Cacao

Criollo en base húmeda. En la Tabla 9, se observa el contenido de humedad de la

materia prima antes al pre-tratamiento.

%𝐻 = (𝑃0−𝑃

𝑃𝑜𝑖) ∗ 100 (1)

Donde:

𝑃0: Peso de la muestra en base húmeda más peso del crisol

𝑃: Peso de la muestra en base seca más peso del crisol

𝑃𝑜𝑖: Peso de la muestra inicial en base húmeda

Cálculo Modelo

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = (2.41 − 0.65

2.06) ∗ 100

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 =85.44

Tabla 9. Humedad de la cáscara de Cacao Criollo

Muestra 𝑷𝟎 𝑷 𝑷𝒐𝒊 %Humedad

1 2.41 0.65 2.06 85.44

2 2.34 0.63 2.01 86.57

3 2.28 0.57 1.99 85.43

3.2. Pre-tratamiento de la materia prima

El tamizado permite la separación de un material por diferencia del tamaño. Existen

tamices de diferente luz de malla. Para el caso de estudio se utilizó un tamaño de malla

N° 60 que corresponde a 0.234mm. El tamaño de partícula es un factor importante para

el tratamiento por hidrólisis térmica, en los que se considera tamaños de 1mm o

inferiores.

Tabla 10. Tamaño de partícula para proceso de autohidrólisis

N° de malla Tamaño ( in) Tamaño( mm) Masa(g)

35 0.0173 0.439 856.48

60 0.0092 0.233 531.01

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3.3. Análisis Inmediato y Caracterización química de la materia prima

3.3.1. Análisis Inmediato de la Biomasa

Cenizas: Durante el calentamiento a alta temperatura el carbono, oxígeno, hidrógeno,

nitrógeno y azufre, etc., se pierden en forma de compuestos gaseosos quedando como

residuo la ceniza, la cual contiene minerales en forma de óxido. El contenido de cenizas

depende de la materia prima, la edad y la parte de la planta a ocuparse. (Chen, 2014)

Se calcula mediante la ecuación:

%𝐶 =𝑚𝐶

𝑚𝑀∗ 100 (2)

Donde:

%C: porcentaje de cenizas

mC: peso de la ceniza

mM: peso de la muestra

Compuestos Volátiles: el material volátil corresponde a la fase gaseosa que se forma

por la degradación térmica del material. Los componentes volátiles facilitan la ignición

de la biomasa (Caillat & Vakkilainen, 2013)

Se calcula mediante la ecuación:

%𝑉 = %𝑃𝑝 − %𝐻 (3)

%𝑃𝑝 =𝑀𝑖−𝑀𝑓

𝑀𝑖 (4)

Donde:

%V: porcentaje de volátiles

Mi: peso de muestra

Mf: peso de muestra después de calentamiento

%H: porcentaje de humedad de la muestra

%Pp: pérdida de peso

Carbón Fijo: es el material combustible que contiene la biomasa

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Se calcula mediante la ecuación:

%𝐶. 𝑓𝑖𝑗𝑜 = 100 − (%𝐻 + %𝑉 + %𝐶) (5)

Los resultados del análisis inmediato de la muestra inicial de biomasa una vez realizado

el pre-tratamiento, se presentan en la Tabla 11. Los cuales se obtuvieron a partir de las

ecuaciones 1 hasta la 6.

Se puede observar que el porcentaje de volátiles es alto, por lo tanto la biomasa presenta

una reactividad considerable ya que además presenta un contenido de carbón fijo de

22.42%. Sin embargo el alto contenido de cenizas puede provocar problemas en

procesos de combustión al generar corrosión.

Tabla 11. Análisis Inmediato en base seca de la Cáscara de Cacao

%H % V %C. fijo % C Referencia

7.30 58.68 22.42 11.60 Este trabajo

16.1 49.9 20.5 13.5 (Syamsiro et al., 2012)

-- 56 32.5 1.5 (Martínez-Ángel,

Villamizar-Gallardo, &

Ortíz-Rodríguez, 2015)

--- 73.7 12 14.3

10.29-11.53

58.46-61.73

10.43-16.8

10.81-16.24

(Adjin-Tetteh, Asiedu,

Dodoo-Arhin, Karam, &

Amaniampong, 2018)

En la figura 9 se aprecia el proceso de degradación que experimenta la cáscara de cacao

de la variedad Criollo a diferentes tiempos. La fibra no maderera experimenta una

primera pérdida de masa que corresponde a la evaporación del agua del material

lignocelulósico desde 0 hasta 819s correspondiente a las temperaturas de 25 a 100°C,

seguido por una pérdida más representativa de los compuestos volátiles resultantes de la

descomposición de los polímeros lignocelulósicos (hemicelulosa, celulosa y lignina) en

el rango de 1000 s a 2900s que corresponden a las temperaturas de 163°C y 700°C y

finalmente las pérdidas por carbón fijo desde 700°C en adelante. Los últimos valores

corresponden a la masa resultante del proceso que no se combustionó durante el

tratamiento por lo tanto es considerado como las cenizas de la cáscara.

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Figura 9.Pérdida de masa en función del tiempo de la cáscara de Cacao Criollo sin hidrólisis

térmica con tamaño de partícula malla N° 60

3.3.2. Contenido de Hemicelulosa, celulosa y lignina de la cáscara de cacao: El

análisis termogravimétrico de la biomasa permitió determinar los principales

componentes del material lignocelulósico. Para lo cual se consideraron las siguientes

referencias:

Watkins et al. (2015) reportan que en la zona comprendida entre (30 -180) °C, ocurre

una primera pérdida de peso por evaporación del agua. (Watkins et al, 2015)

Reddy et al.(2107) investigaron la extracción de celulosa de las fibras de la fruta

borassus mediante un líquido iónico obteniendo picos de celulosa en el rango de 290-

420°C para la celulosa extraída y de 270-400°C de la celulosa regenerada (Reddy et al.,

2017)

Muñoz, Prieto-García, Méndez, Sandoval, & Laguna, (2016), realizaron un estudio de

cuatro especies de agave para determinar su potencialidad en la industria de la pulpa al

considerarse este residuo como un desecho agroindustrial. Para el desarrollo de su

investigación se utilizó análisis TGA y DTGA, además de espectroscopia de infrarrojo

por transformada de Fourier. Como resultado obtuvieron 5 cambios diferenciados

25.833

23.946

8.788

2.996

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

5

10

15

20

25

30

0 1000 2000 3000 4000

mas

a(m

g)

t(s)

masavs t

T vs t

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correspondientes a: el primero por pérdidas debido a la pérdida de agua en el rango de

47 °C y120 °C, seguido por un cambio en el rango de 140,1 ºC a 177,1 ºC atribuido a la

hemicelulosa, un tercer cambio de 250ºC y 360ºC correspondiente a la degradación de

la celulosa que se relacionó con el rango de 302°C a 368°C de la celulosa pura. A

continuación un cuarto cambio 428ºC y 503°C correspondiente a la lignina y finalmente

un último cambio atribuido a las cenizas.

Adjin-Tetteh et al., (2018) utilizaron la biomasa del cacao y la analizaron mediante

termogravimetría, para obtener información sobre la degradación del epicarpio (cáscara)

de cacao. Para lo cual se operó en un rango de temperaturas de 20 a 800°C con una

rampa de calentamiento de 10°C/min, dando como resultado la degradación de la

celulosa y hemicelulosa entre 180°C a 380°C. Además se menciona que la degradación

de la lignina se produce en el rango de 300 a 500°C mientras que la oxidación del

carbón fijo esta en el rango de 500 a 600°C.

Para determinar el perfil de degradación de la cáscara de cacao Criollo se utilizó el

software OriginPro 2017 con el fin de calcular el área bajo la curva para los picos de los

polímeros que se muestran en los termogramas DTG.

Como se observa en la Figura 10, hay una primera área de 25°C hasta 100°C

considerada la zona de evaporación del agua, seguida de un área de 100°C a 700°C

donde se da una pérdida de los componentes volátiles característicos de la biomasa de

cacao Criollo. La primera zona de color amarillo corresponde a la degradación de la

hemicelulosa en el rango comprendido entre 100°C a 250°C, seguido la zona de

degradación de la celulosa comprendida entre 250 a 360°C y finalmente la degradación

de la lignina de 360 a 700°C.

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Figura 10.DTG vs temperatura de la cáscara de Cacao Criollo sin hidrólisis térmica con tamaño de

partícula malla N° 60

Cálculo modelo para determinar los componentes

%𝐂𝐞𝐥𝐮𝐥𝐨𝐬𝐚 =𝐀𝟐

𝐀𝐓∗ %𝐕𝐨𝐥á𝐭𝐢𝐥𝐞𝐬 (6)

En la Tabla 12, se muestran los porcentajes de celulosa, hemicelulosa y lignina

obtenidos antes que la biomasa se someta al proceso de autohidrólisis. De acuerdo a los

resultados, se observa que el polímero que se encuentra en mayor proporción en la fibra

lignocelulósica es la celulosa, en menor proporción la lignina y finalmente la

hemicelulosa.

Tabla 12.Cuantificación Hemicelulosa, Celulosa y Lignina de la biomasa

Componente Áreas Valores Fracción %

volátiles

TGA

%Componentes

Hemicelulosa A1 0.87 0.17

58.68

9.98

Celulosa A2 2.90 0.57 33.45

Lignina A3 1.29 0.25 14.67

3.4. Evaluación de la pulpa hidrotratada

3.4.1. Rendimiento de la pulpa hidrotratada: El rendimiento indica la relación entre

la cantidad de biomasa recuperada después de un tratamiento y la biomasa inicial o

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anterior al tratamiento. El rendimiento es un porcentaje que se calcula en base seca

como indica la siguiente ecuación:

%𝑅 =𝑃𝑓

𝑃𝑖∗ 100 (7)

Donde:

R: porcentaje de rendimiento de la pulpa

Pf: peso en gramos de la pulpa seca después del tratamiento hidrotérmico

Pi: peso en gramos de la biomasa seca antes del tratamiento hidrotérmico

Cálculo Modelo

Para la Temperatura de 175°C y tiempo de 4min.

%𝑅 = (14.08

25) ∗ 100

%𝑹 = 𝟓𝟔. 𝟑𝟐

En la Tabla 13, se observan los resultados de los rendimientos de las pulpas una vez que

se sometieron al tratamiento por hidrólisis térmica. De acuerdo a los resultados, el

mayor rendimiento se obtiene a la temperatura de 135°C con un rendimiento promedio

de 66.63%, seguido por la temperatura de 155°C con un valor de 49.16% y finalmente

de 175°C con 48.04%.

Tabla 13. Resultados de los rendimientos de pulpas hidrotratadas

Temperatura

(°C)

Tiempo

(min)

Réplica 1 Réplica 2 Rendimiento Rendimiento

Pi

(g)

Pf

(g)

Réplica 1

%

Réplica 2

%

175

4 14.08 13.23 56.32 52.92

8 9.21 11.38 36.84 45.52

12 11.55 12.61 46.2 50.44

155

4 10.38 13.05 41.52 52.2

8 13.2 11.89 52.8 47.56

12 12.88 12.34 51.52 49.36

135

4 19.62 17.3 78.48 69.2

8 15.72 15.57 62.88 62.28

12 13.23 18.51 52.92 74.04

3.4.2. Contenido de Alfa celulosa

El contenido de celulosa se calculó en base seca siguiendo el procedimiento de la norma

TAPPI T 203m 58. El cálculo se realizó a partir de la siguiente ecuación:

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%𝛼𝑐 =𝑃𝑡

𝑃𝑚∗ 100 (8)

Donde:

%ac: porcentaje de alfa celulosa en la pulpa obtenida después del tratamiento por

hidrólisis térmica

Pt: peso seco de la muestra una vez realizado el análisis TAPPI T 203m 58

Pm: peso seco de la muestra antes de realizar el análisis TAPPI T 203m 58

Cálculo modelo

Para la Temperatura de 175°C y tiempo de 4min.

%𝑎𝑐 = (2.01

3.02) ∗ 100

%𝒂𝒄 = 𝟔𝟔. 𝟓𝟔

En la Tabla 14, se observan los resultados del contenido de alfa celulosa de las pulpas

Tabla 14. Resultados de los porcentajes de Alfa celulosa de las pulpas

hidrotratadas

Temperatura

(°C)

tiempo

(min)

Réplica 1 Réplica 2 Alfa celulosa Alfa celulosa

Pm Pt Pm Pt Réplica 1 Réplica 2

(g) (g) (g) (g) % %

175

4 3.02 2.01 3.02 2.11 66.56 69.87

8 3 2.04 3.03 2.08 68.00 68.65

12 3.03 2.07 3.04 2.02 68.32 66.45

155

4 3.03 1.72 3.05 2.31 56.77 75.74

8 3 2.13 3.03 2.33 71.00 76.90

12 3.04 2.16 3.02 2.22 71.05 73.51

135

4 3.03 1.6 3.06 1.94 52.81 63.40

8 3 1.7 3.01 1.85 56.67 61.46

12 3.05 2.12 3.02 2.02 69.51 66.89

3.5. Análisis estadístico

Para determinar la influencia de las variables independientes (temperatura y tiempo),

con respecto a la variable dependiente (contenido de alfa celulosa) se utilizó el

programa estadístico STATGRAPHICS CENTURION que es una herramienta que

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permite crear diseños experimentales del tipo factorial multinivel para estudiar efectos

sobre variables de respuesta con factores cuantitativos.

El diseño experimental considerado para el caso de estudio es un diseño factorial de

3k=32, ya que se tienen 2 factores en tres niveles diferentes. Los factores para el diseño

estadístico se muestran en la Tabla 15.

Tabla 15.Codificación de factores para el diseño estadístico

Factor Codificación

Temperatura A

Tiempo B

Para la obtención de alfa celulosa de las cáscaras de Cacao mediante hidrólisis térmica

se tiene el siguiente modelo estadístico:

𝑌𝑖𝑗𝑘 = 𝜇 + 𝛾𝑖 + 𝛿𝑗 + (𝛾𝛿)𝑖𝑗 + 휀𝑖𝑗𝑘

𝑖 = 1,2,3; 𝑗 = 1,2,3; 𝑘 = 1, … , 𝑛

𝛾𝑖: Efecto del factor A (Temperatura) en su nivel i

𝛿𝑗: Efecto del factor A (Temperatura) en su nivel i

(𝛾𝛿)𝑖𝑗: Efecto del factor A (Temperatura) en su nivel i

𝑛: Repeticiones de cada tratamiento (2) (Gutierrez & De la Vara, 2008).

3.5.1. Cálculo de ANOVA para dos factores: El diseño factorial 32, permite

determinar la influencia de cada factor, en este caso de la temperatura y el tiempo así

como la interacción entre ambos con respecto al contenido de alfa celulosa. En

consecuencia las hipótesis que se desean probar son:

HIPÓTESIS NULAS

𝐻𝑂1= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto de la Temperatura durante la hidrólisis térmica no existe (A)

𝐻𝑂2= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto del tiempo durante la hidrólisis térmica no existe (B)

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𝐻𝑂3= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto de interacción entre la Temperatura y el tiempo durante la hidrólisis térmica no

existe (AB)

HIPÓTESIS ALTERNATIVAS

𝐻𝑎1= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto de la Temperatura durante la hidrólisis térmica existe (A)

𝐻𝑎2= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto del tiempo durante la hidrólisis térmica existe (B)

𝐻𝑎3= La variación significativa en el valor del porcentaje de alfa celulosa debido al

efecto de interacción entre la Temperatura y el tiempo durante la hidrólisis térmica

existe (AB)

Cálculo modelo de ANOVA

Tabla 16.Suma de Cuadrados para diseño factorial 3^2 (Gutiérrez & De la Vara,

2008)

Suma de cuadrados Ecuación

Factor A

𝑆𝐶𝐴 = ∑𝑌𝑖..

2

3𝑛

3

𝑖=1

−𝑌...

2

𝑛32

Factor B

𝑆𝐶𝐵 = ∑𝑌.𝑗.

2

3𝑛

3

𝑗=1

−𝑌...

2

𝑛32

Interacción (AB)

𝑆𝐶𝐴𝐵 = ∑ ∑𝑌𝑖𝑗.

2

𝑛

3

𝑗=1

3

𝑖=1

−𝑌...

2

𝑛32− 𝑆𝐶𝐴 − 𝑆𝐶𝐵

Total

𝑆𝐶𝑇 = ∑ ∑ ∑ 𝑌𝑖𝑗𝑘2

𝑛

𝑘=1

3

𝑗=1

3

𝑖=1

−𝑌...

2

𝑛32

Suma de Error Aleatorio 𝑆𝐶𝐸 = 𝑆𝐶𝑇 − 𝑆𝐶𝐴𝐵 − 𝑆𝐶𝐴 − 𝑆𝐶𝐵

Siendo

n: número de réplicas

𝑌… ∶Suma de todas las observaciones

𝑌𝑖.. ∶ Suma de las observaciones del tratamiento i –Factor A

𝑌𝑗.. ∶ Suma de las observaciones del tratamiento j –Factor B

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𝑌𝑖𝑗𝑘: Suma global de todas las observaciones

Tabla 17.ANOVA para diseño 3^2 Gutiérrez H & De la Vara R, 2008)

FV SC GL CM 𝑭𝟎 Valor-p

A 𝑆𝐶𝐴 a-1 𝐶𝑀𝐴 𝐶𝑀𝐴/𝐶𝑀𝐸 𝑃(𝐹 > 𝐹0)

B 𝑆𝐶𝐵 b-1 𝐶𝑀𝐵 𝐶𝑀𝐵/𝐶𝑀𝐸 𝑃(𝐹 > 𝐹0)

AB 𝑆𝐶𝐴𝐵 (a-1)(b-1) 𝐶𝑀𝐴𝐵 𝐶𝑀𝐴𝐵/𝐶𝑀𝐸 𝑃(𝐹 > 𝐹0)

Error 𝑆𝐶𝐸 32(𝑛 − 1) 𝐶𝑀𝐸

Total 𝑆𝐶𝑇 𝑛3𝑘 − 1

Siendo:

GL = Grados de libertad

CM = Cuadrados medios

𝑭 = Estadístico de Fisher

Se considera un nivel de significancia de α = 0,05. La hipótesis nula es rechazada

cuando el valor-p en el resultado del análisis ANOVA tiene un valor menor que el valor

de α elegido.

3.5.2. Análisis estadístico para la obtención de alfa celulosa: En la tabla 18 se

presenta el análisis estadístico ANOVA para la obtención de alfa celulosa. Para decidir

si las variables independientes son significativas en la variable de respuesta se considera

el nivel de significancia de 0.05.

En la tabla 18, se indica la variabilidad de la obtención de alfa celulosa a partir de los

factores Temperatura y tiempo. Los valores- p representan la significancia estadística de

cada uno de los factores.

El factor A que corresponde a la Temperatura, tiene un valor-p menor a 0.05, es decir,

se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa. Por lo tanto se puede

establecer que el factor A, la Temperatura, es una variable que influye

significativamente en el porcentaje de obtención de alfa celulosa eliminando el efecto

del factor B (tiempo).

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El factor B, que corresponde al tiempo así como la interacción AB, tienen valores de p

mayores a 0.05, es decir, se acepta la hipótesis nula para el factor B y para la interacción

AB. Por lo tanto, el tiempo y la interacción entre la Temperatura y el tiempo no son

influyentes en la variable de respuesta en este caso en la obtención de alfa celulosa de la

cáscara de Cacao Criollo.

Tabla 18. ANOVA para contenido alfa celulosa de Cáscara de Cacao Criollo

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P

A:Temperatura 114.75 1 114.75 5.43 0.0399

B:tiempo 77.979 1 77.979 3.69 0.0811

AA 141.475 1 141.475 6.69 0.0253

AB 59.6887 1 59.6887 2.82 0.1211

BB 0.5615 1 0.5615 0.03 0.8735

Bloques 98.8512 1 98.8512 4.67 0.0535

Error total 232.597 11 21.1452

Total (corr.) 725.903 17

En la figura 11, se representa la influencia de los factores Temperatura y tiempo en la

obtención de alfa celulosa. Se observa que la temperatura tiene una relación cuadrática

con respecto a la obtención de alfa celulosa. Por lo tanto la temperatura intermedia entre

135 y 175 da un % de alfa celulosa considerable.

Figura 11. Efectos principales que afectan el porcentaje de alfa celulosa

Temperatura

135.0 175.0

tiempo

4.0 12.0

Gráfica de Efectos Principales para alfa celulosa

62

64

66

68

70

72

74

alf

a c

elu

los

a

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52

En la figura 12, se presenta un Diagrama de Pareto que permite determinar la incidencia

positiva o negativa de las variables independientes. Se observa que la temperatura tiene

mayor efecto en la obtención de alfa celulosa.

Figura 12. Diagrama de Pareto para alfa celulosa

3.5.3. Optimización de porcentaje de alfa celulosa: Las condiciones óptimas del

proceso de obtención de alfa celulosa se realizó a partir del programa STATGRAPHICS

CENTURION XVI.

Las mejores condiciones para el diseño de dos factores se pueden obtener a partir de la

superficie de respuesta. En la figura 13, se presenta una superficie de respuesta del tipo

montaña que representa las mejores condiciones para la obtención de alfa celulosa.

Figura 13. Superficie de respuesta para la obtención de alfa celulosa

Los valores correspondientes a las condiciones óptimas para la obtención de alfa

celulosa se presentan en la tabla 19. Si el Valor óptimo = 73.26.

Tabla 19.Resultados de las condiciones óptimas para la obtención de alfa celulosa

Factor Bajo Alto Óptimo

Temperatura 135.0 175.0 155.6

Tiempo 4.0 12.0 12.0

Diagrama de Pareto Estandarizada para alfa celulosa

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Efecto estandarizado

BB

AB

B:tiempo

A:Temperatura

AA+-

Superficie de Respuesta Estimada

130 140 150 160 170 180

Temperatura

46

810

12

tiempo

51

56

61

66

71

76

81

alf

a c

elu

los

a

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53

3.5.4. Contenido de lignina y hemicelulosa de las pulpas hidrotratadas

El contenido de lignina se obtuvo a partir de las gráficas DTG. En la Tabla 20, se

observa que los valores de lignina de las pulpas hidrotratadas son menores para las

temperaturas de 155 y 135°C.

Tabla 20. Resultados del contenido de lignina mediante TGA de las pulpas

hidrotratadas

Réplica 1 Réplica 2

Temperatura

°C

Tiempo

min

Área de

compuestos

volátiles

Área

lignina

%

Compuestos

Volátiles

%

lignina

Área de

compuesto

s volátiles

Área

lignina

%

Compuestos

Volátiles

%

lignina

175

4 2.460 0.563 58.832 13.474 3.121 0.661 63.220 13.396

8 2.199 0.547 60.082 14.942 3.378 0.740 62.355 13.657

12 2.675 0.616 64.011 14.737 2.390 0.532 58.389 12.988

155

4 2.369 0.560 59.412 14.036 2.072 0.473 58.227 13.281

8 2.369 0.499 57.930 12.199 2.826 0.650 60.894 14.003

12 1.981 0.480 56.742 13.753 3.741 0.843 57.774 13.011

135

4 1.745 0.380 37.818 8.242 2.756 0.619 60.175 13.519

8 3.037 0.688 54.458 12.344 2.208 0.497 46.989 10.568

12 3.050 0.677 61.392 13.632 2.389 0.556 50.852 11.839

En la figura 14 se muestra la pérdida de masa de la cáscara de cacao sin tratamiento y de

las pulpas tratadas a diferentes temperaturas. Se observa en las 4 curvas que existen

alrededor de 3 zonas de pérdida de biomasa, siendo la más representativa la de

aproximadamente 1000s hasta 2500s que corresponde a la pérdida de los compuestos

volátiles que resultan de la descomposición de los polímeros de hemicelulosa, celulosa

y lignina. Polímeros representativos de la biomasa lignocelulósica.

Figura 14. Pérdida de masa vs tiempo de la biomasa sin tratamiento y de las pulpas hidrotratadas

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

mas

a(m

g)

t(s)

135 4min

CáscaraCriollo

15512min

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54

En las figuras 15, 16 y 17 y 18 se observan las curvas DTG (Derivada de la curva de

pérdida de masa) para el cacao Criollo y las muestras tratadas a diferentes temperaturas

mediante hidrólisis térmica. En la curva correspondiente a la biomasa sin tratamiento

(C. Criollo) se observa un primer pico correspondiente a la pérdida de humedad de 25 a

100°C, seguida de la zona de pérdida del material lignocelulósico que empieza

alrededor de 100°C con un pico alto característico de la hemicelulosa y celulosa, con un

valor máximo de descomposición de celulosa a 306°C y finalmente por un pico que

empieza alrededor de 360°C correspondiente a la pérdida de lignina. En contraste, en las

curvas tratadas mediante hidrólisis térmica se observa que la pérdida del material

lignocelulósico inicia alrededor de los 200°C y el pico característico de la celulosa

presenta un máximo a 345°C±13°C. Además la zona de inicio de pérdida de lignina se

encuentra alrededor de 390°C.

Figura 15. DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 135°C

Las pulpas tratadas a 135°C presentan picos máximos de descomposición de celulosa a 332°Cy 345°C,

mientras que la biomasa a 306°C.

332, 0.0171824

332, 0.0132691

345, 0.0236455

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 100 200 300 400 500 600 700 800

DTG

(mg/

s)

Temperatura (°C)

135 8min

135 4min

135 12min

C. Criollo

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Figura 16.DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 155°C

Las pulpas tratadas a 155°C presentan picos máximos de descomposición de celulosa a 345°C, mientras

que la biomasa a 306°C. El pico más representativo se obtiene a 155°C y 12min puesto que la curva en el

rango de celulosa se asemeja a la de biomasa. Además en todas las curvas se observa disminución en el

pico correspondiente al polímero de lignina.

Figura 17.DTG en función de temperatura para pulpas tratadas a 175°C

Las pulpas tratadas a 175°C presentan picos máximos de descomposición de celulosa a 345°C, mientras

que la biomasa a 306°C. En todas las curvas se observa disminución en el pico correspondiente al

polímero de lignina a partir de la temperatura de 390°C

345, 0.0169308

345, 0.0237288

345, 0.031787

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 100 200 300 400 500 600 700 800

C. Criollo

155 4min

155 8min

155 12min

345, 0.0287879

345, 0.0193833

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 200 400 600 800

DTG

(mg/

s)

T(°C)

Criollo

175 4min

175 8min

175 12min

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56

En la Figura 18, se observa las curvas correspondientes a la Cáscara sin tratamiento y a

las pulpas tratadas mediante autohidrólisis en las cuales se consideró el análisis

estadístico. La curva a 155°C presenta un pico más representativo en la zona de la

celulosa con respecto a las curvas de 135 y 175°C. Además en la zona correspondiente a

la lignina se observa una disminución del pico para las tres curvas tratadas mediante

hidrólisis térmica.

Figura 18. DTG en función de temperatura para pulpas con contenido de alfa celulosa bajo, medio

y óptimo

3.5.5. Espectroscopia Infrarroja por transformada de Fourier de la biomasa y

pulpas hidrotratadas: Se realizó el análisis FTIR para determinar los grupos

funcionales característicos de la biomasa lignocelulósica y de las pulpas una vez

realizado el tratamiento por explosión de vapor. Las características predominantes en

los espectros se atribuyen a la presencia de los polímeros de hemicelulosa, celulosa y

lignina.

El rango de longitud de onda utilizado fue de 400 a 4000cm-1 tanto para la cáscara sin

tratamiento como para las pulpas tratadas a diferentes temperaturas. El compuesto

utilizado para todos los análisis fue el KBr(s).

El pico más predominante se observó en el rango de 3600 a 3200 cm-1, que corresponde

al estiramiento del grupo OH relacionado al contenido de celulosa de las fibras, seguido

por el rango de 3000 a 2800 cm-1, del estiramiento C-H(Muñoz-Almagro, et al., 2019)

332, 0.0132691

306, 0.0358903

345, 0.0193833

345, 0.031787

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 200 400 600 800

DTG

(mg/

s)

T(°C)

135 4min

Criollo

175 12min

155 12min

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57

de las estructuras de celulosa, hemicelulosa y lignina; mientras que de 800 a 550 cm-1 se

presenta el pico de anillos aromáticos (Ahmed et al., 2018).

La banda ubicada a 1730 cm-1, se atribuye a grupos acetil y éster urónico de

hemicelulosa o al enlace éster de grupos carboxílicos de ácido ferúlico y p-cumarico

presentes en la lignina o hemicelulosa; Además, el pico a 1114 cm-1, se atribuye a la

vibración aromática de la lignina (Tanpichai, Witayakran, Srimarut, et al., 2019).

Los picos a 1392 cm-1 es característico de los grupos de compuestos de celulosa CH2 y

CH mientras que la banda menos representativa a 2138 cm-1corresponde al estiramiento

de C-C (Kathirselvam, Kumaravel, Arthanarieswaran, & Saravanakumar, 2019)

Los espectros FTIR se muestran en la Figura 19, mientras que los grupos funcionales y

vibraciones de enlaces se enumeran en la Tabla 21.

Figura 19. Espectro FTIR de la cáscara de cacao y de las pulpas hidrotratadas

El espectro de la cáscara de cacao (Criollo) presenta valores pequeños de % Transmitancia. La pulpa a

135°C presenta mayor Transmitancia por lo tanto menor contenido de polímeros.

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Tabla 21. Resultados de los grupos funcionales y vibraciones en el Espectro FTIR

Vibración

Grupos Funcionales y Polímeros

Rango de

Número de

onda cm-1

O-H(estiramiento) Hidroxilo ,(Celulosa) 3600-3200

C-H(estiramiento) CH2, CH3 3000-2800

Grupos acetil y éster urónico de

hemicelulosa o al enlace éster de

grupos carboxílicos de ácido

ferúlico y p-cumárico en lignina o

hemicelulosa

1750-1550

C-OH(estiramiento)

C-O-C(estiramiento)

C-C

Vibración de lignina, Alcohol,

éter, Enlaces Glicosídicos

1230-960

Anillos aromáticos 800-550

3.6. Evaluación de las características del papel

3.6.1. Gramaje: El gramaje de la hoja se calculó en base seca siguiendo el

procedimiento de la norma NTE INEN- ISO 536:2013. El cálculo se realizo a partir de

la siguiente ecuación:

𝐺 =𝑚

𝐴∗ 1002 (9)

Donde:

G: gramaje de la hoja en (𝒈/𝒎𝟐)

m: masa en gramos de la pieza

A: área de la pieza en 𝒄𝒎𝟐

Cálculo Modelo

𝑮 =𝟓𝟏. 𝟐𝟑𝒈

𝟓𝟎𝟎𝒄𝒎𝟐∗ 𝟏𝟎𝟎𝟐

𝑮 = 𝟏𝟎𝟐𝟒. 𝟔𝒈

𝒎𝟐

3.6.2. Espesor: La medición de espesor se realizó en base seca. Obteniéndose un valor

promedio de 5.26 mm. En la tabla 22 se muestra el espesor del material obtenido y sus

respectivos promedios.

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Tabla 22. Resultados de la medida del espesor del producto final

Espesor (mm) Promedio Espesor(mm)

5.30

5.41 5.93

5.01

5.27

5.35 5.08

5.70

5.69

5.26 5.07

5.02

5.68

5.51 5.47

5.38

5.14

5.51 5.74

5.66

5.23

5.11 5.01

5.10

4.34

4.67 4.71

4.95

3.6.3. Contenido de humedad

El contenido de humedad se realizó a partir de la norma TAPPI T 550 om- 08,

determinación de humedad de equilibrio en la pulpa, papel y cartón para análisis

químicos, mediante la siguiente ecuación:

%𝐻 = (𝑊1−𝑊

𝑊1−𝑊𝑡) ∗ 100 (10)

Donde:

𝑊: Peso de la muestra en base seca más peso del crisol antes del secado

𝑊1: Peso de la muestra en base seca más peso del crisol después del secado

𝑊𝑡: Peso del crisol al inicio

Cálculo Modelo

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = (37.21 − 36.98

37.21 − 35.16) ∗ 100

%𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = 11.22

Tabla 23. Resultados de la humedad de la hoja de papel

Muestra 𝑾 𝑊1 𝑊𝑡 %Humedad

1 36.98 37.21 35.16 11.22

2 36.97 37.22 35.16 12.14

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4. DISCUSIÓN

• Caracterización física y pre-tratamiento de la materia prima

Las mazorcas de Cacao recolectadas presentaron una coloración amarilla con pintas

cafés que según Merchán, Flores y Quiroz (2015) es un indicador de madurez del fruto.

Para determinar la humedad se siguió el procedimiento de (Ahmed et al., 2018) que

obtuvo valores similares para plantas de acacia en comparación con otras fuentes. En

este trabajo, se obtuvo un valor promedio de humedad de 85.81 % similar a valores

reportados por (Campos-Vega et al., 2018) de 90% o (Nguyen & Nghia, 2017) de

87.06%.

Debido al alto contenido de humedad fue necesario secar inmediatamente la biomasa.

Para lo cual se realizaron pruebas de secado preliminares en estufas y cámaras de

secado con aireación. En las estufas, las cáscaras presentaron coloraciones blanquecinas

como indicador de contaminación por hongos como la Moniliophthora roreri (Sánchez

F., Gamboa, & Rincón, 2003), mientras que las cáscaras que se secaron en las cámaras

durante 5 días a 30 y 35°C no presentaron estos inconvenientes.

Previo a la caracterización química e hidrólisis de la materia prima se procedió a

acondicionar las muestras. De acuerdo a la investigación bibliográfica, el tamaño de

partícula es un factor importante durante el proceso de autohidrólisis. Por tal motivo se

trituraron las mazorcas secas en un molino de corte para disminuir el tamaño de

partícula y aumentar el área de contacto de la biomasa; a continuación, se realizó un

tamizado con el fin de utilizar muestras de tamaño de malla N° 60, al considerar

trabajos como el de (Ruiz et al., 2011) que realizaron tratamientos hidrotermales a la

paja de trigo con tamaños de partículas de 1mm hasta 0.15mm.

• Análisis inmediato

Los resultados obtenidos en la tabla 11 a partir de análisis TGA, muestran que el

porcentaje de humedad es de 7.3%, el cual es comparable con los reportados por

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(Syamsiro et al., 2012) de 16.1%, y por (Chun, Husseinsyah, & Yeng, 2016) 10.50%.

Estos valores varían de acuerdo a las condiciones en las que se realiza el secado de las

cáscaras, en las que la temperatura y el tiempo de secado son variables determinantes.

Para el caso de estudio fue necesario trabajar con un contenido de humedad bajo para

mejorar la exposición de la materia seca con el vapor durante el tratamiento de

hidrólisis. El valor más significativo de 58.68% en el análisis inmediato corresponde a

los compuestos volátiles resultantes de la descomposición de los polímeros

lignocelulósicos. El valor es similar al reportado en la literatura para biomasas utilizadas

en pirólisis o transformaciones termoquímicas. Así como el valor de carbón fijo de

22.42% y cenizas de 11.60%; el contenido de ceniza en el proceso para elaborar papel

no fue un impedimento al contrario de lo que puede provocar en tratamientos por

pirólisis en los que puede actuar como catalizador o un precursor de corrosión en los

equipos.

• Método de obtención de pulpa

En vista del impacto ambiental que ha causado el uso de sustancias químicas para

obtener pulpa de papel, se optó por utilizar el tratamiento de hidrólisis térmica o

autohidrólisis. Durante la autohidrólisis se usa únicamente agua como reactivo, por lo

tanto disminuyen los costos de producción durante y después del tratamiento gracias a

la ausencia de sustancias químicas y actividades de purificación y remediación.

Para la hidrólisis se utilizó el equipo de explosión de vapor de Rivera (2018), el cual

está elaborado con acero inoxidable 316 y consta de un reactor Batch, un reactor de

explosión de vapor, termocupla, medidor de presión, válvula de bola e intercambiador

de calor para tratar la biomasa a temperaturas inferiores a los 180°C (Rivera, 2018).

Durante la hidrólisis térmica es importante trabajar con altas temperaturas para lograr la

disociación del agua. Sin embargo, elevar la temperatura a valores superiores a los

230°C provocaría la degradación de la celulosa como lo menciona (Sakaki, Shibata,

Sumi, & Yasuda, 2002) y evitaría cumplir con el objetivo general del trabajo. Además

existiría mayor demanda de energía por lo que se decidió trabajar con las temperaturas

de 135°C, 155°C y 175°C.

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El calentamiento a altas temperaturas es un factor importante de la explosión con vapor

así como lo es el tiempo de residencia y la relación de biomasa y agua. La relación

escogida fue de 32g/g dentro del rango que va desde 10-40g/g según la literatura.

• Rendimiento de pulpa, alfa celulosa y condiciones óptimas

Los valores de rendimiento de pulpa se reportan en la Tabla 13. Los cuales van desde

48% a 66.63%. Estos valores pese a no ser tan altos son considerables en comparación a

pulpas tratadas con sustancias químicas como lo reporta (Mazhari, et al., 2013) para la

paja de colza con sosa-antraquinona que presentó un rendimiento de 35.4% a 41% o el

rendimiento de 48.61% del tallo de banano mediante el proceso kraft reportado por

(Khan, Sarkar, ZAHID H. KHAN, IBNE AL IMAM, & O. MALINEN, 2014). Es

importante considerar que el rendimiento es un análisis gravimétrico por lo que una vez

realizado el proceso de hidrólisis la biomasa debe lavarse con suficiente cantidad de

agua para retirar el líquido que resulta del proceso, con el fin de eliminar interferencias

en el valor de biomasa recuperada.

Para cuantificar la alfa celulosa de las pulpas se utilizó la norma TAPPI T 203m-58. Las

normas TAPPI son elaboradas por la Asociación técnica de la industria de la pulpa y

papel, con sede en EE.UU. y encargada de publicar artículos y normas sobre producción

de pulpa, papel y empaque.

Se trabajó con la norma TAPPI T 203 m-58 por la facilidad de obtener los reactivos y

materiales especificados. Los valores en general fueron superiores al 60% considerados

satisfactorios puesto que según (Ververis, Georghiou, Christodoulakis, Santas, &

Santas, 2004) la biomasa con un contenido de celulosa igual o superior al 34% es

prometedora para la fabricación de pasta y papel. Sin embargo se recomienda realizar

una verificación a partir de la normativa actualizada TAPPI T 203 om 93, como lo hizo

(Phinichka & Kaenthong, 2018) para el análisis del bagazo tratado mediante hidrólisis

térmica.

Para poder determinar la influencia de la temperatura y el tiempo de residencia con

respecto al parámetro de evaluación de pulpa, contenido de alfa celulosa, se realizó un

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análisis ANOVA. De acuerdo a los resultados de la Tabla 18, se considera que el tiempo

(B) y la interacción (AB) entre la temperatura y el tiempo de residencia no influyen en

la variable de respuesta puesto que el valor-p para B y la interacción AB es mayor al

valor del nivel de significancia 𝜶 = 𝟎. 𝟎𝟓. Sin embargo la temperatura es un factor

significativo en la obtención de alfa celulosa, puesto que el valor-p de 0.039 es menor al

nivel de significancia elegido. Además se ratifica su influencia de acuerdo a la figura 11

(efectos principales) y 12 (diagrama de Pareto) en las que se observa una influencia

positiva de la temperatura.

Las condiciones óptimas del proceso se presentan en la Tabla 19 y figura 13 a partir de

la superficie de respuesta. Del análisis se observa que el mayor porcentaje de celulosa se

alcanza a una temperatura de 155.6 °C y tiempo de residencia de 12 min con un valor de

73.26%.

• Análisis Termogravimétrico TGA

El análisis termogravimétrico se utilizó para determinar la composición química de la

biomasa (cáscara de cacao) sin tratamiento y de las pulpas después de la autohidrólisis,

así como para cuantificar el contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina a partir de las

curvas de pérdida de masa (TG) y las curvas de pérdida de masa derivativa (DTG). Las

figuras 9 y 14 muestran las curvas de pérdida de masa de la cáscara de Cacao Criollo y

de las pulpas hidrotratadas. En general se observan tres zonas de pérdida que según la

literatura corresponde a la zona de deshidratación (25-100°C), seguida de una zona de

pérdida de compuestos volátiles resultantes de la descomposición de los polímeros

lignocelulósicos hasta 700°C y finalmente pérdida de carbón fijo y cenizas de 700°C en

adelante.

Para cuantificar los valores de celulosa, hemicelulosa y lignina de la cáscara de Cacao

Criollo sin tratamiento, se consideró la curva DTG de la figura 10. Los valores se

calcularon a partir de las áreas bajo la curva para diferentes rangos de descomposición

que son característicos de los polímeros. En este trabajo no se realizó el cálculo por

deconvolución de las curvas como lo mencionan (Popescu et al., 2010) para muestras de

madera o (Regalado Castro & Marín Vega, 2017) para raquis de banano y tallos de rosa

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puesto que en la curva los picos de hemicelulosa y celulosa se solapan. Por lo tanto se

han considerado los 5 cambios de (Muñoz et al., 2016), para el uso de cuatro especies

de agave en la industria de pulpa y papel. Los rangos que utilizaron fueron de 47 °C y

120°C correspondiente a la pérdida de agua, la descomposición de la hemicelulosa de

140,1 ºC a 177,1 ºC, la degradación de la celulosa de 250ºC y 360ºC, la lignina de

428ºC y 503°C y finalmente un último cambio atribuido a las cenizas. En este trabajo

los rangos fueron de 25°C hasta 100°C deshidratación de biomasa, degradación de la

hemicelulosa entre 100°C a 250°C, degradación de celulosa entre 250 a 360°C y

finalmente la degradación de la lignina de 360 a 700°C. Obteniendo los valores de

celulosa (33.45%), hemicelulosa (9.98%) y lignina (14.67) reportados en la tabla 12.

Estos valores son comparables con los reportados en la tabla 6. Por lo tanto, los rangos

de descomposición son representativos para esta biomasa.

En las figuras 15, 16, 17 y 18 se observan las curvas DTG para la biomasa inicial y las

pulpas hidrotratadas. En las curvas se siguió el mismo procedimiento, es decir,

considerando las áreas bajo la curva. En los termogramas se observa un pico en el rango

de 25°C a 100°C correspondiente a la deshidratación de la biomasa. Sin embargo, las

zonas donde inicia la descomposición así como los picos máximos de la celulosa varían.

En el caso de la cáscara de Cacao Criollo, la descomposición del material

lignocelulósico empieza alrededor de 100°C con un pico máximo de descomposición de

celulosa a 306°C seguido por un pico que empieza alrededor de 360°C correspondiente

a lignina. En contraste, para las pulpas hidrotratadas la pérdida del material

lignocelulósico inicia alrededor de 200°C con un pico máximo de descomposición de

celulosa a 345°C±13°C y a 390°C inicia la pérdida de lignina. El cambio de estabilidad

térmica y degradación de la celulosa observadas en las curvas es característico para

tratamientos de explosión de vapor debido a las condiciones de severidad a las que se

expone la biomasa como lo menciona (Jacquet et al., 2011).

Además en la figura 18, se observa un pico más representativo a 155°C y disminución

del contenido de lignina para las pulpas hidrotratadas en comparación a la cáscara de

cacao sin tratamiento. La disminución de la lignina se reporta en la tabla 19.

Confirmando el hecho de que a temperaturas entre 150°C a 230°C (Boussarsar et al.,

2009) la hemicelulosa se hidroliza, siendo más fácil obtener una celulosa más pura.

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• Espectroscopia de Infrarrojo por transformada de Fourier

El método FTIR se utiliza de la mano con el análisis TGA. En el espectro infrarrojo

presentado en la Figura 19, se presentan bandas de Transmitancia características de la

celulosa, hemicelulosa y lignina. Se observó que el pico con menor Transmitancia está

en el rango de 3600 a 3200 cm-1, que corresponde al estiramiento del grupo OH

relacionado al contenido de celulosa de las fibras. Este resultado concuerda con el

análisis termogravimétrico al considerar a la celulosa como el polímero más

representativo en la cáscara de Cacao.

En el rango de 1750 a 1550 cm-1, que corresponde a los grupos acetil y éster urónico de

hemicelulosa o al enlace éster de grupos carboxílicos de ácido ferúlico y p-cumárico en

lignina o hemicelulosa, se observa que el porcentaje de Transmitancia es mayor para las

pulpas hidrotratadas; lo mismo ocurre a 1114 cm-1, debido a la vibración aromática de la

lignina. Por lo tanto existe menor cantidad de hemicelulosa y lignina que la biomasa

(cáscara de cacao) sin tratamiento de autohidrólisis. Constatando la eliminación de

hemicelulosa por formación de hidrolizados.

• Elaboración de papel y evaluación de sus propiedades físicas

El porcentaje de celulosa obtenido de las cáscaras de cacao de 33.45% tiene potencial

para considerarse como fibra no maderera utilizada en la fabricación de pulpa y papel.

Para elaborar el papel se siguió un procedimiento similar a Acosta, Pacheco & García,

(2018), que obtuvieron papel a partir de la cascarilla del grano de Cacao. Se inició con

pruebas preliminares a la pulpa hidrotratada en la que se obtuvieron las condiciones

óptimas de alfa celulosa. En las primeras pruebas se sometió la biomasa a un

tratamiento alcalino suave para eliminar la lignina restante y se consideró al almidón de

yuca como agente encolante por su bajo costo, en proporción del 10% con respecto al

peso de la biomasa, seguido de un moldeado, prensado y secado como lo mencionan los

autores, obteniéndose un material con aspecto arenoso y sin unión de fibras. Para

solucionar este inconveniente se decidió calentar el almidón al 20, 25 y 30 %p/p hasta

que tome un aspecto viscoso, se mezcló con la biomasa en una relación de 1.8ml de

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almidón por g de biomasa, se dejo reposar 10 min, se moldeó y secó durante 72h sin

realizar el proceso de prensado, ya que la mezcla se desprendía del molde y se formaban

aberturas en la superficie del producto final.

Utilizando el porcentaje de 25%p/p de almidón se logró unir las fibras y obtener una

hoja. Pese a unir las fibras, persistían ciertas grietas en la superficie quizás porque la

evaporación de agua da origen a las grietas al secarse la biomasa.

El análisis de las principales propiedades físicas del material elaborado de forma

artesanal, consistió en la medición del gramaje, espesor y humedad. El gramaje es un

parámetro que diferencia al papel de una cartulina o cartón. El análisis se realizó según

la norma NTE INEN- ISO 536:2013, que es la que rige en el país. El valor de gramaje

fue de 𝟏𝟎𝟐𝟒. 𝟔 𝐠 𝐦𝟐⁄ . El contenido de humedad se obtuvo a partir de la norma TAPPI

T 550 om- 08. La humedad promedio obtenida fue de 11.68%. Se considero este

análisis porque un contenido alto de humedad puede afectar la impresión o estado del

material.

Al comparar los parámetros con la definición de la norma NTE INEN 1394 y norma

ISO 4046-3:2002 el material presenta características de cartón debido a su espesor

mayor a 0.23mm y gramaje superior a 𝟐𝟓𝟎 𝒈 𝒎𝟐⁄ . Además se considera la necesidad de

realizar un secado controlado para evitar que el material se encoja y se obtenga un valor

de humedad que sea apropiado para su uso en impresión.

Las propiedades finales demuestran la obtención de un prototipo de cartón. El cartón se

obtuvo a partir de desechos de cacao que actualmente no son explotados en la

agroindustria ecuatoriana y que pueden ser refinados mediante aditivos para obtener un

material apropiado de embalaje o a su vez obtener pulpas con mejor resistencia a partir

de la mezcla de microfibras del epicarpio de cacao con otras fibras. Por lo tanto el fin de

esta investigación es ayudar a contrarrestar la balanza negativa en la industria de

celulosa, pulpa y papel ecuatoriana a través de la disminución de importaciones de

materia prima para la fabricación de productos finales.

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5. CONCLUSIONES

• Se obtuvo celulosa a partir del epicarpio (cáscara) del Cacao Nacional mediante

hidrólisis térmica. Los resultados de la superficie de respuesta para el diseño factorial

32 presentados en la tabla 19 y figura 13, muestran que las condiciones óptimas para

obtener un contenido de alfa celulosa de 73.26% son a una temperatura de 155°C y

tiempo de residencia de 12min en el reactor. Por lo tanto la hidrólisis térmica es una

alternativa como pre-tratamiento para obtener celulosa y elaborar pulpas de papel o

cartón gracias a la eliminación de hemicelulosa y cierto grado de lignina de la

biomasa.

• Mediante los resultados obtenidos en la tabla 9, se evidencia un alto contenido de

humedad (85.81%) del epicarpio de Cacao. Por lo tanto, el secado mediante cámaras

con aireación constituye una operación clave para el pre-tratamiento de la materia

prima puesto que la pérdida de humedad inhibe el crecimiento de microorganismos.

• El estudio de análisis inmediato presentado en la tabla 11, demuestra que los

compuestos volátiles resultantes de la descomposición de los polímeros

lignocelulósicos son el mayor constituyente del epicarpio (cáscara) del fruto de

Cacao con un 58.68%. Además el bajo contenido de humedad (7.3%) y relativamente

alto contenido de cenizas o materia que no se combustiona (11.60%) no afectan al

proceso de hidrólisis térmica para elaborar pulpa de papel.

• Mediante el análisis TGA se pudo caracterizar químicamente la biomasa,

determinando los siguientes rangos de descomposición representativos:(25°C-

100°C) pérdida de humedad, degradación de hemicelulosa (100°C- 250°C),

degradación de celulosa (250- 360°C) y degradación de lignina (360-700°C). Para

obtener valores de celulosa (33.45%), hemicelulosa (9.98%) y lignina (14.67)

comparables con los reportados en la tabla 6 demostrando que se puede utilizar esta

biomasa como una alternativa para su uso en industrias de pulpa de papel.

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• Mediante los resultados del análisis ANOVA de la tabla 18, en la que se considero

un nivel de significancia de 0.05, se pudo determinar que el tiempo de residencia(A)

o la interacción de Temperatura y tiempo (AB) no afectan en la obtención de un

porcentaje representativo de alfa celulosa mientras que la Temperatura es un factor

significativo y una variable de proceso crítica durante la hidrólisis térmica del

epicarpio del fruto de Cacao Nacional.

• Es posible realizar ensayos de hidrólisis por explosión de vapor a temperaturas de

135°C hasta 175°C con tiempos de residencias de pocos minutos en un reactor tipo

Batch de 2L para la biomasa de cacao. Por lo tanto, la hidrólisis térmica se puede

considerar como una alternativa para obtener un contenido de alfa celulosa superior

al 60% o a su vez recuperar los polímeros de hemicelulosa y lignina para darles valor

agregado.

• El rendimiento de las pulpas obtenidas del tratamiento por hidrólisis térmica varía de

acuerdo a las condiciones de severidad. A 135°C se obtiene el mayor rendimiento

promedio (67%). Sin embargo el contenido de alfa celulosa es bajo siendo un

limitante para la pulpa de papel. Por lo que trabajar con un valor de 49.16% de

rendimiento y mayor porcentaje de alfa celulosa a 155°C es más representativo.

• Las curvas DTG correspondientes a las figuras 15, 16, 17 y 18 para las pulpas

hidrotratadas, corroboran la eliminación de hemicelulosa y una cantidad poco

significativa de lignina así como el cambio de estabilidad térmica de la celulosa a

condiciones de 135°C en adelante. En la cáscara de cacao Nacional la

descomposición lignocelulósica inicia alrededor de 100°C, el pico máximo de

celulosa es a 306°C y la lignina inicia su descomposición a 360°C, mientras que para

las pulpas la descomposición inicia alrededor de 200°C, el pico máximo de celulosa

a 345°C±13°C y lignina a 390°C. Por lo expuesto, el análisis TGA es una alternativa

útil y amigable para analizar pulpas obtenidas del tratamiento hidrotérmico en

comparación a métodos que ocupan reactivos para la cuantificación de los polímeros.

• El método FTIR es eficiente para comparar los resultados del análisis TGA. El

análisis muestra la presencia de una banda característica de celulosa a 3600 a 3200

cm-1, hemicelulosa en el rango de 1750 a 1550 cm-1 y de lignina a 1638 cm-1 y 1114

cm-1

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• El almidón de yuca a 25% p/p y en una relación de 1.8:1 ml de solución de almidón y

g biomasa, resulta útil para unir las fibras y actuar como agente encolante para pulpas

de residuos de cáscara de Cacao Nacional. Sin embargo, se requiere otro aditivo para

mejorar la compactación de las fibras y obtener un cartón o papel con mejores

características.

.

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6. RECOMENDACIONES

• Para utilizar de forma integral la cáscara de Cacao se recomienda hacer un análisis

del líquido viscoso que se extrae una vez que la biomasa se somete al tratamiento de

hidrólisis térmica con el fin de determinar compuestos que se puedan recuperar y dar

un valor agregado. Además del cuidado al ambiente.

• Se recomienda realizar estudios de comparación con Cacao CCN-51 o biomasas

ecuatorianas que resultan de las actividades agrícolas y que al producirse en gran

proporción pueden ser prometedoras para la fabricación de pulpa, haciendo frente a

la balanza negativa que tiene el país en este sector industrial.

• Para el estudio de la hidrólisis térmica del epicarpio (cáscara) del fruto de Cacao se

recomienda variar la proporción de licor/biomasa así como aumentar el tamaño de

partícula para observar el comportamiento de alfa celulosa.

• Se recomienda elaborar un papel refinado para embalaje adicionando aditivos que

permitan refinar el producto final así como utilizar otro tipo de agente encolante

como almidón de maíz o CaCO3 para mejorar la compactación de las fibras.

• En vista de la creciente demanda por utilizar abonos orgánicos o sustancias químicas

para mejorar la fertilidad del suelo, se recomienda realizar un estudio de pirólisis

para obtener carbón vegetal a partir de residuos de la agroindustria ecuatoriana como

son la cascarilla de los nibs de Cacao o el epicarpio del fruto.

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ANEXOS

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ANEXO A. Reporte Fotográfico para la obtención de celulosa

a) b)

Figura 20. Lavado y corte de la biomasa. a) Mazorcas de Cacao Nacional Lavadas b) Mazorcas de

cacao cortadas por la parte media para determinar su grosor

a) b)

Figura 21. Humedad y secado de la biomasa. a) Estufa con muestra en crisol para determinar humedad

de biomasa b) Secado de cáscaras en cámaras a 30°C

a) b)

Figura 22. Molienda y tamizado de la biomasa a) Molino de corte marca Retsch para disminuir el área

de contacto de biomasa b) Tamices marca Hubbard Scientific para obtener el tamaño de partícula

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a) b)

Figura 23. Hidrólisis Térmica y pulpa hidrotratada a) Equipo para hidrólisis térmica con recipientes

para recolectar el agua del intercambiador de calor y biomasa del proceso b) Pulpa obtenida del

tratamiento de hidrólisis térmica en base húmeda

a) b)

c)

Figura 24. Ensayo de Alfa Celulosa mediante norma TAPPI T 203m-58 a) Adición de sosa al 17%p/v

y 8.8%p/v b) Adición de ácido acético 2N y lavado de pulpa hasta pH neutro c) muestras secas después

de realizar ensayo de alfa celulosa

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Figura 25. Equipo de análisis termogravimétrico. Equipo con termobalanza marca Mettler Toledo

Figura 26. Espectrofotómetro Infrarrojo FTIR. Espectrofotómetro marca PerkinElmer con software

Spectrum

a) b)

Figura 27. Hidrólisis alcalina suave y filtración de pulpa a) Hidrólisis alcalina con sosa al 0.5%p/v b)

Filtración hasta eliminar licor negro de la hidrólisis alcalina

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a) b)

Figura 28. Encolado y Laminado a) Encolado con almidón de yuca b) Laminado en bastidor de

20*25cm2

a) b)

Figura 29. Secado y gramaje producto final a) Secado de producto final en cámaras de secado b)

Medición de gramaje del material

a) b)

Figura 30. Espesor y Humedad del producto final a) Medidor de espesor marca MUVER con carga de

390g b) Determinación de humedad del cartón

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ANEXO B. Norma NTE INEN- ISO 536: 2013

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