Resumen

El papel es un material de uso común que requiere de una gran cantidad de recursos para su elaboración, y que debido a su procesamiento una vez desechado tiene pocas posibilidades de ser aprovechado. Este material es un polímero compuesto por moléculas de glucosa, fuente común de carbono y energía de los seres vivos. Nuestro proyecto describe un método para la degradación de la celulosa del papel utilizando un mecanismo de hidrólisis enzimática y su cuantificación utilizando un método de detección de azúcares reductores, que es la prueba de Benedict. Con la glucosa obtenida se realizó una serie de filtrados para la obtención de la glucosa y  una destilación para determinar la posibilidad de obtener etanol a partir de un proceso de fermentación utilizando levadura comercial. 

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Durante el proceso de  producción de papel se realiza un gran consumo de energía y recursos naturales. De acuerdo con Boekins (2006), el papel se produce a partir de celulosa tratada químicamente  proveniente de árboles resinosos que produce una gran cantidad de desechos de difícil biodegradación y un aprovechamiento real del 50%, es decir que a partir de una tonelada de madera cortada se obtienen 500 kg de celulosa. En caso de que la madera provenga de árboles de hoja caduca, la extracción puede tener un aprovechamiento del 95% mediante métodos mecánicos lo que implica un importante consumo de energía. 

De la misma manera, la quema de combustibles fósiles libera dióxido de carbono a la atmósfera y otros gases de efecto invernadero que a su vez atrapan el calor en nuestra atmósfera lo que los convierte en los principales responsables del calentamiento global y del cambio climático (Nunez, 2023).

Antecedentes

La celulosa, componente fundamental de las paredes de las células vegetales y materia prima fundamental para la elaboración de papel, es un polímero lineal compuesto por unidades de glucosa y constituye un tipo de carbohidrato. (Sáez, sin fecha de publicación).

De acuerdo con Narváez y Ortega (2021) es posible romper la celulosa proveniente del papel a sus unidades de glucosa utilizando un proceso de hidrólisis enzimática utilizando la enzima celulasa. La glucosa es un monosacárido reductor, es decir que tiene un grupo carbonilo en su estructura, Esta puede ser detectada mediante pruebas químicas utilizando diferentes reactivos como el reactivo de Benedict que cambian de color (de azul a marrón) dependiendo de la concentración que se encuentra en el medio (Lifeder. 2022).

La glucosa es la fuente principal de carbono en el metabolismo de los seres vivos. y puede ser convertida en etanol mediante el proceso de fermentación alcohólica por acción de algunos microorganismos en ausencia de oxígeno que procesan los azúcares para obtener como producto etanol, dióxido de carbono y ATP (Química.es, sin fecha de publicación) que puede ser utilizado para la fabricación de bioetanol que puede ser quemado para la obtención de energía o como combustible mezclados con combustibles fósiles en distintas proporciones. reduciendo la emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono hasta un 86% cuando la fuente de la que se obtuvo el etanol proviene de residuos de biomasa. (Repsol, 2024).

Objetivo

General

• Obtener glucosa a partir de papel reciclado mediante hidrólisis enzimática y etanol a partir de la fermentación alcohólica del extracto obtenido por hidrólisis enzimática.

Particulares

• Reutilizar las hojas de papel parcialmente utilizadas.
• Cuantificar la glucosa y etanol obtenido.

Justificación

Lo anterior nos impulsa a buscar fuentes alternativas de energía para reducir nuestro impacto en el ambiente. La producción de biocombustibles a partir de celulosa, y otras fuentes de biomasa nos permite tomar residuos de papel de bajo valor que requieren mucha energía y recursos para su producción y convertirlos en sustancias con un alto valor que pueden ser utilizados como fuentes de energía alternativas que disminuyen nuestro impacto en el ambiente.

Hipótesis

Es posible obtener glucosa a partir de papel, mediante hidrólisis enzimática y esta será capaz de proporcionar una fuente de carbono para los microorganismos que llevan a cabo la fermentación, así produciendo etanol.

Método (materiales y procedimiento)

Tomando como base el método publicado por Narváez y Ortega (2021) realizamos el siguiente procedimiento.

1. Pretratamiento del papel. Colocamos 213.6 g de papel reciclado troceado en un vaso de precipitado de 500 mL con agua destilada y lo calentamos en una parrilla eléctrica a 100°C para eliminar los residuos de tinta que se encuentran presentes (Fig. 2) en la muestra. Tomamos nuestro papel purificado y lo secamos en dos rejillas para quitar los residuos de humedad presentes en la muestra (Fig. 3). Una vez seco, trituramos el papel utilizando un molino eléctrico y lo diluimos en agua destilada hasta que estuviera cubierto (Fig.4).
2. Pruebas preliminares. Utilizamos un extracto celular que contiene la enzima necesaria para la degradación de la glucosa, para determinar su efectividad fue necesario llevar a cabo pruebas de tiempo y concentraciones para que la reacción se llevará a cabo de forma adecuada. Realizamos 4 pruebas utilizando las siguientes concentraciones masa volumen y tiempo. En la primera prueba colocamos 1 gr de papel con 1 mL de extracto celular y dejamos 1 día el periodo de reacción. En la segunda  colocamos un 1 g de papel con 2 mL de extracto celular y dejamos 1 día el periodo de reacción. En la tercera prueba colocamos 1 gr de papel con 1 mL de extracto celular y dejamos 2 días el periodo de reacción. En la cuarta prueba colocamos 1 gr de papel con 2 mL de extracto celular y dejamos 2 días el periodo de reacción. Se utilizó agua destilada como control negativo para las muestras y una solución de glucosa al 10% para el control positivo. Para determinar posibles falsos positivos por la presencia de tinta, o la actividad enzimática presente en el extracto celular realizamos las pruebas anteriores utilizando papel pretratado y papel blanco sin tinta y 2 pruebas con el extracto celular, la primera colocando solo 1 mL de extracto celular y la segunda 1 mL de extracto celular desnaturalizado; la desnaturalización se llevó a cabo en un baño maría a 60°C de acuerdo a las indicaciones del fabricante.
3. Detección de azúcares reductores. Para la determinación de azúcares utilizamos reactivo de Benedict en todas nuestras muestras después del periodo determinado para la reacción. Se elaboró el reactivo de Benedict realizando 2 soluciones y mezclándolas. En la solución 1 se agrega sulfato de cobre pentahidratado en agua destilada y en la solución 2 se agrega citrato de sodio y carbonato de calcio(Fig. 5). Para llevar a cabo la prueba de Benedict, se tomó 1 mL de la muestra que contenía papel y extracto celular y se le colocó 1 mL de reactivo de Benedict. Posteriormente se calentó en un baño maría en un intervalo de 35 a 40 °C durante 5 minutos hasta que se observó el cambio en la coloración (Fig.6).
4. Hidrólisis enzimática. Una vez probada la efectividad del extracto se procedió a la hidrólisis enzimática. A la solución de papel previamente elaborada se le colocaron 427.2 mL de extracto celular y se diluyó en 1.3 L de agua destilada. y se dejó en reposo durante 10 días (Fig.7). Pasado el tiempo se realizó una prueba de Benedict conforme lo descrito en el punto 3 para determinar la presencia de azúcares reductores (Fig.8).
5. Filtración. Una vez determinada la presencia de azúcares reductores, se procedió al proceso de filtrado. Se elaboraron 3 columnas con botellas de plástico y se les colocó un tapón de algodón y 10 g de carbón activado (Fig. 10). Se colocó la mezcla en el filtro y una vez filtrado el líquido se procedió a realizar 2 lavados con agua destilada para remover cualquier presencia de glucosa que quedará en el filtro. Se realizó una prueba de Benedict al líquido obtenido para determinar la presencia de azúcares reductores (Fig.11)
6. Fermentación y destilación. Para la fermentación se realizó un fermentador casero utilizando 2 botellas de plástico conectadas con una manguera plástica. Introducimos un extremo de la manguera dentro de una botella sumergiéndola en agua para evitar el paso del oxígeno y el otro extremo dentro de la otra botella a la que agregamos nuestro líquido filtrado con 22 g de levadura comercial. Sellamos las botellas utilizando cinta aislante y las dejamos reposar durante 8 días para que se llevara a cabo el proceso de fermentación alcohólica (Fig. 12). Una vez pasado el tiempo se decantó la solución y se realizó una destilación para la obtención del etanol que contiene la solución.

Galería Método

Resultados

Los resultados de las pruebas preliminares quedaron registrados en la tabla 1 en la sección de anexos. Los resultados muestran que las muestras colocadas con una mayor concentración de enzima presentan una mayor concentración de glucosa al igual que las muestras que se dejó durante más tiempo la reacción. Las concentraciones obtenidas varían desde el 0.6% en la prueba 1:1 masa volumen con 1 día de reacción, hasta el 2.5% en la prueba 1:2 masa/volumen con 2 días de reacción,  por lo que se determinó utilizar una concentración 1:2 masa/volumen de papel y extracto celular durante un periodo prolongado para la hidrólisis enzimática.

En la tabla 2 se encuentran los resultados de las pruebas realizadas con el papel pretratado y blanco, en ellas se puede notar que la coloración obtenida con la prueba de Benedict es similar, por lo que la tinta no parece tener efectos significativos en la prueba. Se probó adicionalmente  si variaba la concentración entre una muestra de papel directa y el sobrenadante presente, sin efectos significativos en los resultados.

En la Fig. 8 se muestran los resultados de las pruebas de Benedict realizadas posterior a la hidrólisis enzimática, cuya coloración es similar a la determinada en la muestra 1:2 masa/volumen que se dejó durante 2 días, lo cual es congruente con nuestros resultados preliminares.

En la Fig. 11 se muestran los resultados de la prueba de Benedict posteriores a la filtración, con una ligera disminución en la concentración de glucosa, creemos que esto se da por que una cantidad de glucosa se quedó en el carbón activado o en el algodón utilizado para su elaboración.

En la Fig. 13 que muestra el proceso de fermentación. Pudimos observar que se formaban pequeñas burbujas producto del proceso de fermentación llevado a cabo por las levaduras colocadas al líquido. Sin embargo, debido a problemas con la destilación no fue posible llevar a cabo el proceso de forma adecuada.

Galería Resultados

Discusión

Nuestros resultados muestran que es posible obtener azúcares reductores a partir de celulosa presente en el papel utilizando un extracto celular comercial pero con un rendimiento bajo (del 0.5 al 2.5%) dependiendo de la concentración del extracto y el tiempo de exposición del extracto con la muestra. con una correlación positiva, mientras mayor sea la concentración y el tiempo de exposición, mayor es la cantidad de glucosa obtenida. Esta correlación es independiente una de otra y se mostró que la tinta y el extracto celular interfieren con los resultados obtenidos. La variación en el color presentado en la prueba con el extracto celular creemos que se debe a que el extracto tiene un color café que puede alterar visualmente el color del reactivo de Benedict. Esto muestra que es posible reutilizar hojas de papel teclado para la obtención de azúcares reductores. 

Para mejorar el rendimiento de la glucosa obtenida planteamos dos posibilidades. La primera consiste en utilizar la enzima purificada y la segunda en realizar una hidrólisis ácida con ácido sulfúrico al 60% como lo señala  Narváez y Ortega (2021). La primera posibilidad no fue probada debido al elevado costo y difícil acceso que tiene la enzima purificada y la segunda posibilidad fue descartada por motivos de seguridad, ya que el ácido sulfúrico es una sustancia altamente reactiva.

Fue posible cuantificar los azúcares reductores presentes en las muestras utilizando un agente químico como el reactivo de Benedict. Sin embargo la exposición a altas temperaturas o al aire libre pueden afectar los resultados obtenidos, por lo que se sugiere complementar estos resultados con pruebas adicionales como la prueba de Tollens. Esta prueba utiliza nitrato de plata como agente oxidante pero se debe de manejar con cuidado pues produce fulminato de plata que es un compuesto que puede ser volátil. También se consideró el uso de un glucómetro comercial, sin embargo esta posibilidad no fue explorada.

El filtrado con carbón activado es efectivo pero puede retener los azúcares en la muestra, por lo que se sugiere utilizar métodos alternativos. Se probaron diferentes condiciones de filtrado utilizando papel filtro, silica gel y diferentes cantidades de carbón activado (Fig. 9. resultados no mostrados) sin embargo se optó por la opción que permitía la mayor obtención de glucosa en el proceso de filtrado. Una alternativa planteada podría ser la del uso de una resina de intercambio iónico utilizado en sistemas de purificación para peceras aunque esta posibilidad no fue probada por el alto costo que representaba adquirirla.

En el proceso de fermentación fue posible observar la acción de la levadura en la solución de papel, ya que se observaba la generación de burbujas en la mezcla; creemos que estas burbujas son evidencia de la actividad metabólica de las levaduras  ya que estas se encontraban en un medio sin oxígeno y la reacción de fermentación alcohólica produce dióxido de carbono como producto, creemos que esto es evidencias cualitativas del proceso de producción de etanol, sin embargo en la destilación no fue posible realizar la extracción. Creemos que el motivo tiene que ver con fallas en los equipos utilizados para la destilación, ya que en el montaje de nuestro equipo de destilación,  aunque se observaba la presencia de vapor a 78°C, que es el punto de ebullición reportado para el etanol, no se observó la condensación en el equipo de destilación, esto se debió a un problema con el equipo ya que el adaptador usado para colocar el termómetro en la cabeza de destilación no formó un sello hermético y creemos que el vapor se escapó por esa región. Otro posibilidad es que, aunque se observó la formación de vapor en el punto de ebullición reportado para el etanol, la cantidad producida fue mínima lo que afectó la condensación, por lo que se deben de explorar métodos adicionales para aumentar la eficiencia del proceso, como los propuestos anteriormente. 

Conclusiones

Nuestro experimento muestra que es posible reutilizar hojas de papel para la obtención de azúcares reductores mediante un proceso de hidrólisis enzimática utilizando un extracto celular comercial obteniendo un rendimiento que va del 1 al 2% de concentración de azúcares reductores en el extracto obtenido. Dependiendo del siguiente punto.

Concluimos que existe una correlación positiva entre la concentración de la enzima y la cantidad de azúcares reductores obtenida. Entre mayor sea la concentración de extracto presente, mayor es la concentración de azúcares reductores obtenida. La misma correlación se presenta con el tiempo de exposición, mientras mayor sea el tiempo de exposición mayor es la cantidad de azúcares reductores obtenida. 

La presencia de  azúcares reductores puede ser cuantificada utilizando una prueba de Benedict, cabe mencionar que la tinta o los residuos presentes en el extracto utilizado no afectan los resultados, sin embargo las condiciones ambientales y el tiempo transcurrido después de la prueba puede afectar los resultados, por lo que se sugieren métodos alternativos para corroborar la detección.

Es necesario realizar pruebas adicionales para determinar la viabilidad de este proceso a una escala comercial. Los rendimientos obtenidos con este procedimiento fueron bajos, sin embargo existen alternativas que podrían mejorar el rendimiento y la pureza de los compuestos obtenidos realizando una hidrólisis ácida y un filtrado con una resina de intercambio iónico, sin embargo dichos procesos deben de realizarse bajo estrictas normas de seguridad. Creemos que dichos procedimientos pueden hacer de este proceso una alternativa viable para la obtención de etanol a partir de hojas de papel reciclado, lo que representa una forma innovadora de reciclar papel obteniendo así un producto de alto valor comercial y que disminuye el impacto ambiental tanto de la producción y descarte del papel así como el proceso de obtención de etanol por fuentes convencionales como la caña de azúcar.

Bibliografía

Boeykens, Susana (agosto 2006). Procesos para la producción de papel y pulpa : De la naturaleza a la mesa. En: Encrucijadas, no. 38. Universidad de Buenos Aires. Disponible en el Repositorio Digital Institucional de la Universidad de Buenos Aires.

Nunez, Christina. 2023. Explicación de qué son los combustibles fósiles. En National Geographic. Sin numero https://www.nationalgeographic.es/medio-ambiente/explicacion-que-son-combustibles-fosiles

Sanz Tejedor, Ascensión. Sin fecha de publicación. Tecnología de la celulosa. La industria papelera. Consultado el 12 de septiembre del 2024. https://www.eii.uva.es/organica/qoi/tema-03.php

Narváez Jara, Andrea Belen; Ortega Flores, María del Carmen. 2021. Cuantificación de la transformación de celulosa a glucosa mediante hidrólisis ácida y enzimática. Tesis para obtener el grado de Licenciatura en Ingeniería ambiental. Universidad Politécnica Salesiana. Cuenca, Ecuador. http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/21484

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Repsol. 2024. ¿Qué es el bioetanol y cómo se obtiene? Consultado el 12 de septiembre del 2024. https://www.repsol.com/es/energia-futuro/movilidad-sostenible/bioetanol/index.cshtml

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

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Results

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Discussion

Conclusions

Bibliography