Estudio cinético de la formación de xilosa por hidrólisis con ácido sulfúrico diluido de Cenchrus ciliaris

Abstract

Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería. El objetivo de esta investigación fue determinar las velocidades de formación de xilosa durante el proceso de hidrólisis de Cenchrus ciliaris con ácido sulfúrico diluido, conocido como zacate buffel. Se realizaron hidrólisis ácidas en un reactor a diferentes temperaturas con ácido sulfúrico diluido. Fue monitoreado de forma continua el proceso de hidrólisis ácida, tomando muestras en intervalos de 10 minutos durante una hora de reacción. Además fue estudiado los efectos de la concentración de ácido, tamaño de partícula y temperatura en un reactor tipo batch. Se realizaron curvas de calibración de estándares de xilosa, glucosa, y arabinosa para cuantificar los carbohidratos obtenidos en hidrólisis, y una curva de calibración de estándar de furfural para cuantificar este producto de degradación. Las soluciones de ácido sulfúrico utilizadas fueron soluciones con concentraciones de ácido 0.05 y 0.15 M, obteniendo mejores resultados a concentraciones de 0.15 M. Los tamaños de partícula evaluados fueron de 0.147 mm –0.173 mm y tamaños menores de 0.053 mm, encontrando mejores porcentajes de hidrólisis en partículas con tamaños menores de 0.053 mm. Se realizaron hidrólisis a temperaturas de 120, 135 y 150 ºC para ambos tamaños de partícula logrando la degradación total de hemicelulosa a 150 °C. Utilizando el modelo pseudohomogéneo, el proceso de hidrólisis ácida de hemicelulosa y formación de xilosa para un tamaño de partícula 0.147–0.173 mm fue calculado que la energía de activación involucrada fue de 119.61 kJ/mol y el factor preexponencial de 7.78329x1012 min-1 cuando la concentración de ácido sulfúrico fue de 0.05 M. La energía de activación asociada fue de 42.47 kJ/mol y el factor preexponencial de 9.72078x10-09 min-1 al utilizar una concentración de ácido sulfúrico de 0.15 M y el tamaño de partícula de 0.147-0.173 mm. Para el proceso de hidrólisis ácida de hemicelulosa y formación de xilosa para un tamaño de partícula menor a 0.053 mm la energía de activación asociada fue de 97.99 kJ/mol y el factor preexponencial de 13.677254027x1009 min-1 cuando la concentración de ácido sulfúrico fue de 0.05 M. La energía de activación asociada fue de 24.78 kJ/mol y el factor preexponencial de 8.166169913 min-1 al utilizar una concentración de ácido sulfúrico de 0.15 M y tamaño de partícula menor de 0.053 mm. Con el objetivo de modelar la hidrólisis de hemicelulosa con un modelo que describa el proceso de acuerdo a su naturaleza heterogénea, fue desarrollado el modelo heterogéneo, el cual considera la hemicelulosa formada por bloques de glucosa, xilosa y arabinosa que reaccionan a diferente velocidad, una reacción sólido-líquido irreversible, sistema isotérmico, partículas sólidas no porosas de geometría uniforme, volumen constante y no existencia de resistencia a la transferencia de masa. La reacción se lleva a cabo en dos etapas, en la primera el ión H+ ataca a la hemicelulosa formando un complejo sólido (HemicelulosaH+)*, después este complejo interacciona con una molécula de agua y libera la xilosa al seno del fluido y regenera el ácido H+. Este modelo fue aplicado a la parte lineal de las gráficas de concentración de xilosa en mol/L contra tiempo, y esta parte lineal fue observada a las temperaturas de 120 °C. De esta forma fue calculado un valor de la constante cinética intrínseca para la formación de las de 2.20x10-8 m/min con una desviación estándar de 0.48 x10-8 m/min; representativo de los experimentos realizados a 120°C a ambas concentraciones de ácido y del experimento realizado a esta temperatura con una concentración de ácido de 0.15 M y un tamaño de partícula de 0.147-0.173 mm. Una vez analizados los coeficientes de correlación, se concluye que el modelo heterogéneo desarrollado describe de forma adecuada los resultados experimentales de formación de xilosa a 120°C.