Resumen

Los residuos orgánicos representan una fuente de contaminación ambiental y un problema de salud pública, ya que pueden ser foco de enfermedades que afectan a la población. Las cáscaras de fruta están compuestas fundamentalmente de polisacáridos, como la celulosa y el almidón. Estos polisacáridos pueden degradarse en sus moléculas más simples, como la glucosa que es la molécula que provee de energía a la mayoría de los seres vivos. La glucosa es la fuente principal de alimento de organismos como la levadura, que al alimentarse de ella en un medio libre de oxígeno produce etanol como molécula de residuo en un proceso llamado fermentación alcohólica. En este proyecto sometemos las cáscaras de plátano a un proceso de degradación mediante calor para después fermentar con un fermentador casero utilizando levadura comercial, y destilar el producto utilizando un equipo de destilación para así poder extraer el etanol de la muestra.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Los residuos orgánicos representan una fuente de contaminación ambiental y de salud pública. De acuerdo a De Anda-Trasviña et al (2021) los residuos orgánicos de no ser gestionados de manera adecuada pueden reflejar afectaciones en el medio ambiente, reflejados en la disminución de la calidad del suelo, agua y aire ya que su descomposición genera gases de efecto invernadero y producen lixiviados que se filtran en los distintos cuerpos de agua, además representan un problema de salud pública ya que estos residuos suelen atraer fauna de distinto tipo con el potencial de transmitir enfermedades entre la población humana. 

El aumento en la generación de residuos sólidos urbanos hacen de este hecho un mayor problema, ya que de acuerdo a la Secretaría de Medio ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT por sus siglas) en un estudio del 2020 en México se generan 44 millones de toneladas de residuos sólidos anualmente, de los cuales solo el 7% es aprovechado por medio de actividades como digestión anaerobia y compostaje industrial.

Con esta problemática en mente, nosotros planteamos una alternativa a la gestión de residuos orgánicos mediante su aprovechamiento para la generación de biocombustibles como el bioetanol.

Antecedentes

De acuerdo a De Anda-Trasviña et al (2021), los residuos orgánicos (RO) se refiere a los residuos vegetales, animales y aquellos resultantes de la elaboración de alimentos, y son de origen biológico, lo que implica que de ser gestionados de forma adecuada pueden reintegrarse al ambiente reduciendo su impacto ambiental.

Dentro de los RO de origen vegetal se encuentran las cáscaras de fruta. El plátano, como la mayoría de las frutas una vez consumido nos deja con un residuo, que es la cáscara, que de acuerdo a Gómez y Martín (2021) representa entre el 30 y 40% del fruto de composición variable, dependiendo de la variedad pero compuesto por polisacáridos como la celulosa, hemicelulosa y el almidón que de acuerdo a Astúa y Bonilla (2021) representan el 13.2% 14.8% y 39.89% respectivamente del peso seco de la cáscara.

Estos polisacáridos son polímeros compuestos por unidades de glucosa, que pueden ser degradados mediante métodos de hidrólisis química o enzimática.  La glucosa es la fuente principal de carbono y energía de los seres vivos y puede ser utilizada para formar etanol mediante la acción de microorganismos como la levadura en condiciones anaeróbicas. 

El uso de residuos orgánicos de este tipo para la producción de etanol se conoce como producción de segunda generación (Gómez y Martín, 2021) y tiene varias ventajas, pues no se destina tierras de cultivo para su producción, si no residuos que se obtienen de la gestión adecuada de la basura. Este etanol puede ser utilizado como biocombustible cuando se mezcla en distintas proporciones con combustibles fósiles, reduciendo la emisión de gases de efecto invernadero en un 86% cuando estos se obtienen de esta manera (Repsol, 2024).

Objetivo

General

• Obtener etanol mediante la fermentación alcohólica de la cáscara de plátano procesada.

Particular

• Buscar una forma innovadora de reutilizar residuos orgánicos vegetales.

Justificación

La problemática ambiental que representa la quema de combustibles fósiles y el mal manejo de los RO nos impulsa a buscar alternativas para la producción de combustibles limpios que incentiven un mejor manejo de los RO, convirtiéndolos en elementos con un alto valor por su potencial uso en la generación de energía de una fuente sustentable y amigable con el ambiente.

Hipótesis

Es posible la obtención de etanol a partir de la cáscara de plátano mendieta un proceso de degradación por calor y la fermentación alcohólica llevada a cabo por microorganismos como la levadura.

Método (materiales y procedimiento)

Los pasos que se siguieron para realizar el proyecto fueron los siguientes.

1. Recolección de materiales y pretratamiento. Se recolectaron 300 g de cáscara de plátano y se cortaron en pedazos de aproximadamente 5 cm con ayuda de un cuchillo
2. Tratamiento con calor. En una olla, se colocaron 400 mL de agua con 300 g de cáscara de plátano y se calentaron con una parrilla eléctrica a 87 °C, durante 30 minutos. Se dejó reposar el macerado durante otros 30 minutos hasta que alcanzó una temperatura cercana a los 50°C
3. Desfibración de la cáscara. Pasado el tiempo de enfriamiento, se colocó el macerado en una licuadora y se agregaron 100 mL de agua destilada y se procedió a licuar la mezcla hasta que formara una pasta de color café. 
4. Fermentación alcohólica. Se elaboró un fermentador casero utilizando 2 botellas de plástico conectadas con una manguera de plástico. En una botella se colocó agua para evitar el paso del oxígeno y a la otra botella se le colocó la pasta obtenida en el paso anterior junto con 11 g de levadura casera disuelta en agua. Se sellaron ambas botellas con ayuda de cinta aislante y se dejó el proceso de fermentación durante 8 días.
5. Filtración y destilación. Pasado el tiempo de fermentación, se realizaron dos filtrados, el primero utilizando un paño de microfibra limpio y el segundo utilizando un filtro de café para eliminar los residuos sólidos, el filtrado se colocó en un matraz de destilación y se elaboró un proceso de destilación midiendo la temperatura con un termómetro hasta que llegara a los 78°C. Se recolectó el destilado en un vaso de precipitado

Galería Método

Resultados

Al momento de realizar la cocción del macerado se pudo observar un rápido cambio de coloración, de amarillo a negro, debido a un proceso de oxidación que se estaba llenado a cabo.

Tras los 8 días de fermentación el macerado adquirió una consistencia líquida y un olor característico al etanol, lo cual nos indicó que nuestro proceso fue efecto, sin embargo el rendimiento de la destilación fue bajo debido a problemas con el equipo de destilación.

Galería Resultados

Discusión

Aunque el procesamiento de material es sencillo, la obtención de etanol fue baja debido a varios motivos.

El primero tiene que ver con la composición de la cáscara de plátano. Los polisacáridos presentes en la cáscara de plátano, como la celulosa y la hemicelulosa son de difícil degradación. El proceso de cocción en agua ayuda a la degradación de estos compuestos y puede observarse su efecto mediante un cambio de coloración en la cáscara, producto de la rápida oxidación. Sin embargo para tener mayores rendimientos es necesario llevar a cabo procesos de hidrólisis ácida como los señalados por Astúa y Bonilla (2021). Este proceso utiliza ácido sulfúrico a altas concentraciones, que debe de manejarse con cuidado, por motivos de seguridad no fue probada esta alternativa.

Además notamos fallas en el proceso de destilación, ya que el equipo de destilación utilizado presentaba una fuga en el adaptador del termómetro. La destilación se llevó a cabo durante 3 horas y se observó que el termómetro alcanzó los 78°C, punto de ebullición reportado para el etanol, pero no se dio el proceso de condensación. Se pudo detectar la presencia de etanol en la muestra mediante el olor característico del alcohol, pero su obtención resultó complicada.

Conclusiones

Fue posible obtener etanol a partir de cáscaras de plátano utilizando este proceso con bajo rendimiento, ya que aunque la cáscara de plátano está compuesta por polisacáridos, es necesario llevar a cabo un proceso de hidrólisis ácida para aumentar la disponibilidad de los azúcares a los microorganismos para su fermentación.

Sin embargo, creemos que esta puede ser una alternativa innovadora para la gestión de RO, en particular aquellos de origen vegetal, ya que se produce una sustancia que al ser purificada puede ser utilizada como un combustible para la generación de energía. Este proceso al ser de segunda generación disminuye considerablemente el impacto ambiental de los combustibles y si se logra aumentar la eficiencia podría incentivar una mejor gestión de residuos. Creemos que brindar alternativas de este tipo contribuyen a diversificar la forma en la que se pueden reciclar los distintos RO, brindando mayores opciones sustentables a las comúnmente utilizadas, como la elaboración de composta, haciendo de esta una opción innovadora para la gestión de RO.

Bibliografía

De Anda-Trasviña, A., García-Galindo, E., Peña-Castañon, E., Seminario-Peña, J., Nieto-Garibay, A., 2021. Residuos orgánicos: ¿Basura o recurso?. Recursos Naturales y Sociedad, Vol 7 (3)  pg. 19 – 42 . https://doi.org/10.18846/renaysoc.2021.07.07.03.0004

Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMRNAT). 2020. Diagnóstico básico para la gestión integral de los residuos. Lucart Estudio S.A.de C.V. Ciudad de México, México. 274 pp.

Gomez Alvarez, G., Martín Rodriguez, G. 2021. Obtención artesanal de bioetanol mediante desechos de la cáscara de plátano. Proyecto integral de grado para obtener el título de Ingeniero Químico. Fundación Universidad de América, Bogotá D.C. Colombia. 144 pp.

Astúa Taylor, G., Bonilla Mata, M. 2021. Métodos de producción de bioetanol a partir de la cáscara del banano como una forma de energía limpia. Escuela Interamericana, Sede EARTH. Guácimo, Limón, Costa Rica. https://aprenderaemprender.ccca.fin.ec/wp-content/uploads/2021/04/Articulo-GEOVANNA-EXPO-ECUADOR-2021.pdf

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)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography