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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
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
ii
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:…………………
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
iv
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.
v
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
vi
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
vii
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
viii
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 82
ANEXOS ........................................................................................................................ 93
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
x
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
xi
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
xii
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Reporte Fotográfico para la obtención de celulosa..................................... 94
ANEXO B. Norma NTE INEN- ISO 536: 2013 ............................................................ 98
xiii
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
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
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
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)
2
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.
3
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
4
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.
5
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
6
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).
7
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.
8
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
9
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
10
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
11
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
12
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.
13
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
14
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
15
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
16
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)
17
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.
18
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
19
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).
20
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.
21
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).
22
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).
23
• 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
24
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.
25
• 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
26
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
27
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)
28
• 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.
29
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
30
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
31
• 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
32
• 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
33
• 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
34
• 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
35
• 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
36
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
37
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
38
• 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
39
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)
40
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
41
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
42
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.
43
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
44
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.
45
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
46
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:
47
%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
48
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)
49
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
50
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).
51
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
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
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
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
55
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
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
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.
58
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.
59
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
60
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
61
(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.
62
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
63
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
64
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.
65
• 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
66
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.
67
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.
68
• 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
69
• 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.
.
70
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.
71
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93
ANEXOS
94
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
95
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
96
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
97
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
98
ANEXO B. Norma NTE INEN- ISO 536: 2013
99
100