Resumen

El objetivo principal de este proyecto es lograr la obtención de bioetanol a partir de cáscara de Ananas comosus, nosotras suponemos que si elaboramos bioetanol a partir de este material entonces obtendremos un biocombustible eficaz y económico. Este es un biocombustible, utilizado como aditivo en los motores que emplean gasolina, aunque también puede utilizarse como combustible. Los procedimientos que aplicamos fueron la fermentación y la destilación simple, por medio de la fermentación obtuvimos un líquido amarillento con un ligero olor a alcohol al igual que la aparición de espuma, mostrándonos que el proceso de fermentación se llevó con éxito, obteniendo así 790 ml de líquido fermentado. Por medio de la destilación presentamos una  temperatura de 90°C a la cual estaba hirviendo y 94°C a la temperatura del vapor, obtuvimos 5 ml de alcohol, el cual sometimos a una prueba y resultó con éxito. Por lo que concluimos que nuestra hipótesis fue cumplida ya que logramos nuestro objetivo gracias a las propiedades que posee la cáscara de piña ya que esta cuenta con un alto contenido de azúcares los cuales pueden llegar a ser transformados en bioetanol, el cual puede ser utilizado como un combustible, y con esto lograremos ayudar al impacto ambiental que tienen los combustibles fósiles, ya que algunos de estos son utilizados en grandes cantidades, los cuales emiten una gran cantidad de gases tóxicos que conlleva al  impacto ambiental presentado, como consecuencia esto amenaza a la integridad de nuestros ecosistemas, intensificando el calentamiento global y el cambio climático.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Según la organización Structuralia, el impacto ambiental de los combustibles fósiles es innegable y se manifiesta en diversas formas que amenazan la integridad de nuestro ecosistema. En primer lugar, la quema de combustibles fósiles libera grandes cantidades de dióxido de carbono (CO₂) y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera, intensificando el calentamiento global y el cambio climático. Este proceso causa alteraciones climáticas extremas, como desertificación de los suelos, tormentas intensificadas y el derretimiento acelerado de glaciares, impactando negativamente la biodiversidad y los ecosistemas naturales. Además del CO₂, los combustibles fósiles también liberan contaminantes atmosféricos, como óxidos de nitrógeno (NO) y partículas finas, que son perjudiciales para la salud humana y contribuyen a la formación de la contaminación del aire y la neblina tóxica. La explotación de estos recursos también puede resultar en derrames de petróleo en océanos y mares, dañando gravemente la vida marina y los ecosistemas costeros. Asimismo, la extracción de carbón y gas natural a menudo conlleva la destrucción de hábitats naturales y paisajes, con efectos devastadores para la fauna y la flora.

Antecedentes

Bioetanol:

El bioetanol es el biocombustible con mayor demanda, principalmente utilizado como aditivo en los motores que emplean gasolina, aunque también puede utilizarse como combustible al 100% en los motores con tecnología flex fuel.

El bioetanol (alcohol etílico o alcohol carburante), cuya fórmula química es C2H5OH, se obtiene vía fermentativa utilizando diversas fuentes, como por ejemplo el material vegetal. Ésta contiene azúcares no libres (almidones y celulosa principalmente) que son fermentados por distintos microorganismos para la obtención de bioetanol. Algunas de las principales materias primas para la producción de bioetanol son maíz, trigo, sorgo, remolacha azucarera, caña de azúcar, melaza, madera y residuos de podas entre otros. Sin embargo el uso excesivo y la demanda por estas materias primas en distintos sectores (alimenticio, ganadero, etc.), ha incentivado la búsqueda de sustratos alternos, con disponibilidad de azúcares fermentables que permitan producir el bioproducto de manera eficiente y barata.

La producción de bioetanol se enfrenta a problemas de índole técnico, transporte, almacenamiento y distribución, por ejemplo: 

• La afinidad que presenta el bioetanol con el agua. 
• La capacidad de decoloración y disolvente del bioetanol. 
• Su capacidad de corrosión. 
• Su volatilidad. 
• Que no es compatible con algunos materiales. 
• Es propenso a contaminación cruzada 

Otros problemas que hay enfrentar son los costos de la materia prima, la desinformación que existe en cuanto a biocombustibles, por ejemplo: 

• Costos relacionados con la logística.
•  Costos de producción. 
• Actividades fiscales. 
• Inadaptación de las normativas. 
• Falta de especificaciones en el área técnica.

 Poca colaboración por parte de las industrias automotrices.

Si nos preguntamos cómo hacer bioetanol no encontraremos una única respuesta, puesto que hay varios procesos a seguir, en función de la materia prima.

1. Descomponer la materia por hidrólisis o con enzimas
2. Diluir la materia resultante
3. Se fermenta
4. Se lleva a cabo el proceso de destilaciónEl problema de disminución de las reservas de combustibles fósiles y la generación de contaminantes debido a su combustión, han provocado la búsqueda de combustibles alternativos como el etanol. En varios países se usa el etanol producido desde caña de azúcar y maíz, mezclado con la gasolina, como combustible para los vehículos de transporte. Esto ha disminuido la generación de contaminantes y la dependencia de los precios internacionales del petróleo, sobre todo en países que no lo producen. Para producir etanol se buscan materias primas de bajo costo como los residuos lignocelulósicos, cultivos agrícolas con alto contenido de almidón, algas y otras fuentes. En este ensayo se hace un análisis de las cuatro generaciones de materias primas para producir etanol, se mencionan los intereses actuales de investigación en los procesos de transformación, así como las alternativas para mejorar procesos de producción, con la finalidad de tener etanol carburante a menor costo.
   El mundo afronta el hecho de que la población aumenta vertiginosamente y en la misma medida crece el nivel de industrialización, y el consumo de recursos no renovables como el petróleo y sus derivados. Con el uso de los derivados del petróleo se genera impacto ambiental y presión sobre los recursos naturales renovables. Para desligar el crecimiento económico del uso de combustibles fósiles, así como la contaminación ambiental debida a su combustión, ha aumentado el interés en el aprovechamiento de los recursos renovables para la obtención de energía, lo que se conoce como energías alternativas. Un recurso renovable es la biomasa generada por los organismos fotosintéticos (autótrofos), que almacenan la energía en forma de azúcares que se pueden transformar a etanol para uso como biocombustible por medio del proceso de fermentación. Para disminuir la competencia por las tierras de cultivo que pueda existir entre los recursos renovables y la agricultura para alimentos, se buscan fuentes no convencionales (de bajo costo), subproductos y materias primas no usadas para alimentación humana o animal, con alto contenido de almidón o azúcares fermentables.A escala comercial, Brasil y EUA han implementado de manera masiva y exitosa el etanol como combustible alternativo y han mostrado que puede ser competitivo con la gasolina en precio y energía. En EUA, el 96 % del mercado de gasolina es E10 (10 % v/v de etanol con 90 % v/v de gasolina) y el etanol generado desde almidón de maíz comprende cerca de tres cuartas partes de la producción de biocombustibles del país, pero el inconveniente es provenir desde una materia prima de uso alimenticio. Para los Vehículos Flex Fuel (VFF) existe la mezcla E85 que contiene 51 a 85 % de etanol, según la estación y la zona geográfica. Hasta marzo del 2016 habían 3101 estaciones de servicio que vendían E85, y 16.8 x106 VFF registrados en todo EUA. Brasil obtiene la mayor parte del etanol desde la caña de azúcar y en el 2014 había 448 unidades funcionales de producción de etanol de primera generación (1G). El 80 % de los vehículos livianos de Brasil son VFF y la producción de etanol en el 2014 satisfacía toda la mezcla E25 (25 % v/v con 75 % v/v de gasolina) por lo que se redujo la importación de 550 x106 barriles de petróleo.Las políticas regionales y tratados internacionales para mitigar los efectos del cambio climático reflejan el esfuerzo de los gobiernos para impulsar la producción y uso de etanol. Por lo tanto, hay un aumento en la producción de este biocombustible, debido en parte a sus balances energéticos positivos y la neutralidad en cuanto a la generación de CO2, que son ventajas demostradas en las tecnologías de primera generación. Entre 2007 y 2010 la producción de etanol casi se ha duplicado, lo que está liderado desde la década de 1970 por Brasil con la caña de azúcar, pero fue superado por EUA donde se usa maíz procesado por molienda seca y en menor proporción otros cereales como el sorgo.Piña:La piña es el fruto de una planta originaria de Sudamérica conocida como ananás. Es una planta de la familia de las bromeliáceas. Es una hierba perenne, de escaso porte y hojas duras y lanceoladas de hasta 1 m de largo, que fructifica una vez cada tres años produciendo un único fruto fragante y dulce, muy apreciado en la gastronomía.Se trata de un fruto compuesto (formado por la unión de los frutos de varias flores alrededor de un eje carnoso), de gran tamaño, con cáscara gruesa y dura, con escamas de color marrón y que tiene en uno de sus extremos un conjunto muy vistoso de hojas verdes. Su pulpa es amarillenta, aromática y dulce con tintes ácidos, esta cuenta con un alto contenido de azúcares y estos pueden ser transformados en bioetanol, el cual puede ser utilizado como un combustible.

   Propiedades de la piña:

   Tiene propiedades excelentes,algunas de ellas son:

   • Contiene bromelina, una enzima que incide de forma positiva en la digestión, permitiendo la descomposición de las proteínas, gracias al aumento de la producción de jugos gástricos y con efecto anticelulítico por su acción estimulante de la microcirculación.
   • Contiene vitaminas, como la vitamina C, A, B y ácido fólico, este en menor cantidad.
   • Contiene manganeso,  que contribuye de manera favorable a fortalecer el sistema inmunológico y los huesos.
   • Contiene potasio, hierro, magnesio, zinc y yodo, que juntos poseen una acción antioxidante.

   Además de contar con un balance perfecto entre fibra y calorías, contiene enzimas, minerales, vitaminas esenciales y un alto porcentaje de agua.

   Destilación:

   La destilación es una técnica de laboratorio utilizada en la separación de sustancias miscibles.

   El objetivo principal de la destilación consiste en separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus diferentes volatilidades, o bien, separar materiales volátiles de otros no volátiles.

   El proceso de la destilación consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasen a fase vapor y, posteriormente, enfriar el vapor hasta recuperar estos componentes en forma líquida mediante un proceso de condensación. Existen diferentes tipos de destilación los cuales don:

   • Destilación simple: se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos a destilar contiene únicamente una sustancia volátil, o bien, cuando esta contiene más de una sustancia volátil, pero el punto de ebullición del líquido más volátil difiere del punto de ebullición de los otros componentes en, al menos, 80 ºC.
   • Destilación a presión atmosférica:aquella que se realiza a presión ambiental. Se utiliza fundamentalmente cuando la temperatura del punto de ebullición se encuentra por debajo de la temperatura de descomposición química del producto.
   • Destilación a presión reducida: consiste en disminuir la presión en el montaje de destilación con la finalidad de provocar una disminución del punto de ebullición del componente que se pretende destilar. Se utiliza fundamentalmente cuando el punto de ebullición del compuesto a destilar es superior a la temperatura de descomposición química del producto.
   • Destilación fraccionada: se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos que se pretende destilar contiene sustancias volátiles de diferentes puntos de ebullición con una diferencia entre ellos menor a 80 ºC. Igual que la destilación simple, también puede ser a presión atmosférica o a reducida.
   • Destilación por arrastre de vapor: permite la separación de sustancias insolubles en agua y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles. Posibilita la purificación o el aislamiento de compuestos de punto de ebullición elevado mediante una destilación a baja temperatura (siempre inferior a 100 ºC). Es una técnica de destilación muy útil para sustancias de punto de ebullición muy superior a 100 ºC y que se descomponen antes o al alcanzar la temperatura de su punto de ebullición.
   • Destilación en horno de bolas: Consiste en un destilador de vacío sin volúmenes muertos que se utiliza para la separación entre líquidos o sólidos de bajo punto de fusión y sustancias poliméricas o aceites de elevado punto de ebullición.

   La destilación se utiliza ampliamente en la obtención de bebidas alcohólicas, en el refinado del petróleo, en procesos de obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos de la industria. Es uno de los procesos de separación más extendidos.

   Fermentación:

   La fermentación es un proceso químico que se produce sin la necesidad de oxígeno y que produce una sustancia orgánica. Este proceso convierte moléculas complejas en moléculas más simples y genera energía química en forma de ATP.

   La fermentación comienza con la ruptura de la molécula de glucosa en un proceso llamado glucólisis, que produce ácido pirúvico. Si no hay oxígeno disponible, la fermentación utiliza una sustancia orgánica para reducir el NADH a NAD+, lo que finalmente produce una sustancia derivada del sustrato inicial que se oxida. Hay diferentes tipos de fermentación según la sustancia final producida.

   Tipos de fermentaciones:

   En función del tipo de cultivo responsable de la fermentación, podemos tener diversos tipos:

   • Fermentación alcohólica: se lleva a cabo en particular por las levaduras y convierte los glúcidos como la glucosa, la fructosa y la sacarosa en etanol y dióxido de carbono CO2 con producción de una pequeña cantidad de energía metabólica en forma de ATP
   • Fermentación acética:  es una reacción redox producida por las bacterias acéticas de glúcidos, alcoholes  primarios, polioles o aldehídos en ácido acético
   • Fermentación láctica: producida por determinadas bacterias y algunas células animales, que convierten glúcidos como la glucosa, en ácido láctico con producción de una pequeña cantidad de energía metabólica en forma de ATP
   • Fermentación maloláctica: realizada por bacterias que transforman el ácido málico en ácido láctico. Se utiliza para estabilizar los vinos para la crianza.
   • Fermentación propiónica: La fermentación propiónica está producida por bacterias esporógenas del género Propionibacterium y es la que produce los ojos característicos del queso Emmental

   Fermentación butírica: es la conversión de los glúcidos en ácido butírico, por acción de las bacterias anaerobias Clostridium butyricum, en ausencia de oxígeno.

Objetivo

Obtener bioetanol a partir de cáscara de Ananas comosus.

Justificación

Debido al gran uso excesivo de combustible que se usa actualmente esto puede llegar a afectar el medio ambiente con su gran emisión de gases tóxicos,es por eso que la finalidad de nuestro proyecto es reducir esta contaminación mediante un biocombustible elaborado a base de cáscara de piña ya que esta cuenta con un alto contenido de azúcares y estos pueden ser transformados en bioetanol, el cual puede ser utilizado como un combustible.

Hipótesis

Si logramos elaborar bioetanol a partir de cáscara de ananas comosus entonces obtendremos un biocombustible eficaz y económico.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales de laboratorio:

-Balanza

-Vasos de precipitado

-Matraz 

Materiales externos:

-Piña

-Azúcar morena

-Frasco de vidrio

-Tabla para cortar

-Cuchillo

-Canela

-Semillas de pimienta

-Clavos de olor

Procedimiento:

1.- Lavar la piña

2.- Cortar la cáscara en pequeñas cantidades

3.-Colocar la cáscara en un frasco de vidrio

4.-Agregar 700ml de agua 

5.-Agregar 240g de azúcar morena

6.-Agregar una vara de canela

7.-Agregar 4g de semilla de pimienta y clavo 

8.-Cerrar y dejar reposar por 48 horas

9.-Se lleva a cabo el proceso de fermentación por 6 días

10.-Se cuela la fermentación

11.-Armar el equipo de destilación simple

12.-Vertir 20 ml del líquido en el matraz

13.-Se lleva a cabo el proceso de destilación

Galería Método

Resultados

Obtuvimos unos muy buenos resultados por parte de los procedimientos aplicados, en la fermentacion al cabo de los dos dias notamos un leve cambio de color en el agua asi como un olor a piña con azcucar, percibiendo un ligero olor a alcohol, sin embargo, al cabo de los seis dias se logra notar la intensificacion del color del agua, siendo esta mas amarilla, asi como el olor mas fuerte a alcohol al igual que la aparicion de espuma, mostrandonos que el proceso de fermentacion se esta llevando con exito.

En el proceso de destilación simple presentamos una temperatura de 90°C a la cual estaba hirviendo y 94°C a la temperatura del vapor, obtuvimos 5 ml de alcohol, el cual sometimos a una prueba y resultó con éxito.

Galería Resultados

Discusión

Al inicio la materia prima que teniamos contemplada usar eran los desechos de papel, ya que estos contienen una fuente significativa de azúcares fermentables, sin embargo la extracción de estos azúcares es complicada, es por eso que decidimos cambiar la materia prima por la piña gracias a su alto contenido de azúcares capaces de ser transformados en bioetanol además que emite cantidades más pequeñas de partículas contaminantes finas. No obstante, somos conscientes de que no se obtiene alcohol puro en la destilación.

Conclusiones

La piña cuenta con las propiedades necesarias que la ayudan a que sea posible transformarla en bietanol, el cual puede ser utilizado como un biocombustible, y con esto disminuir el impacto ambiental de los combustibles fósiles.Tuvimos un éxito en nuestro proyecto ya que los procedimientos aplicados son los adecuados para lograr la obtención de este biocombustible eficaz y económico.

Bibliografía

• Quimicafacil (2020). Preparación de etanol por fermentación, consultado el [8 de diciembre 2023], en [https://quimicafacil.net/manual-de-laboratorio/bioquimica/preparacion-de-etanol-por-fermentacion/#h-materiales]
• Structuralia (2023). El impacto ambiental de los combustibles fósiles y el CO2, consultado el [8 de diciembre 2023], en [https://blog.structuralia.com/impacto-ambiental-combustibles-fosiles]
• Mapa (2013). Piña, consultado el [20 febrero 2024], en [https://www.mapa.gob.es/es/ministerio/servicios/informacion/pi%C3%B1a_tcm30-103044.pdf]
• Iagua (2024). ¿Qué es la destilación y para qué sirve?, consultado el [22 de febrero 2024],en [https://www.iagua.es/respuestas/que-es-destilacion-y-que-sirve]

Summary

The main objective of this project is to obtain bioethanol from the husk of Ananas comosus. We assume that if we make bioethanol from this material then we will obtain an efficient and economical biofuel. This is a biofuel, used as an additive in gasoline–powered engines, although it can also be used as a fuel. The procedures we applied were fermentation and simple distillation. Through fermentation we obtained a yellowish liquid with a slight smell of alcohol as well as the appearance of foam, showing us that the fermentation process was carried out successfully, thus obtaining 790 ml of fermented liquid. By means of distillation we presented a temperature of 90°C at which it was boiling and 94°C at the temperature of the steam. We obtained 5 ml of alcohol, which we subjected to a test and it was successful.Therefore, we conclude that our hypothesis was fulfilled since we achieved our goal thanks to the properties of pineapple peel, since it has a high content of sugars which can be transformed into bioethanol, which can be used as a fuel, and with this we will be able to help the environmental impact that fossil fuels have. Since some of these are used in large quantities, which emit a large amount of toxic gasses that leads to the environmental impact presented, as a consequence this threatens the integrity of our ecosystems, intensifying global warming and climate change.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography