Facultad de Ciencias Naturales
X JORNADAS DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE FACULTADES DE INGENIERÍA DEL NOA Salta, 21 y 22 de Mayo de 2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SALTA
Biorrefiniería de Tabaco: usos alternativos de la producción tabacalera del NOA Tita1, Gerardo y Gamarra2, Soledad. (1) Facultad de Ingeniría, Universidad Católica de Salta. @gmail.com (2) Facultad de Ingeniría, Universidad Católica de Salta.
[email protected] RESUMEN: los autores de trabajos deben ajustarse estrictamente al formato descripto en las presentes instrucciones para asegurar la uniformidad en el libro a publicar. El trabajo terminado deberá ser cargado en la página de las Jornadas (http://www.jcyt.unsa.edu.ar) en formato PDF. ABSTRACT: the use of whey protein-derived peptides as functional and nutritional ingredients in the food, pharmaceutical and cosmetic industries have recently been gaining significant interest. Palabras claves: (hasta 4 palabras clave) Keywords: (up to 4 keywords)
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INTRODUCCIÓN
A nivel mundial hay una creciente necesidad de transformar el sistema productivo actual, en un sistema basado en la sustentabilidad económica, ambiental y social. Este nuevo enfoque da origen al concepto de bioeconomía. Argentina dispone de la capacidad científico-tecnológica necesaria para avanzar hacia esta transformación, sin embargo hay escasos antecedentes que se enmarquen en el desarrollo de procesos bioeconómicos. Es por esto que desde el año 2013 se llevan a cabo una serie de simposios regionales para analizar las oportunidades de desarrollo (Bioeconomía, 2015). Un estudio realizado por la FAO (FAO, 2009) presenta un análisis del balance de energía derivada de biomasa en la Argentina. De acuerdo a este informe la biomasa accesible y potencialmente disponible podría satisfacer el 47% de la demanda energética primaria del país. Este nuevo sistema de producción exige la creación de procesos sustentables integrados, basados en la utilización de biomasa como materia prima; procesos que se llevan a cabo en las denominadas biorefinerías. El NREL (National Renewable Energy Laboratory) define una biorefinería como: “una instalación que integra procesos y equipos de conversión de biomasa, para producir combustibles, energía, y productos químicos a partir de biomasa. El concepto de biorefiniería es análogo a las actuales refinerías de
petróleo que producen múltiples combustibles y productos a partir del petróleo” (NREL). Según Kamm y otros (Kamm, 2006), la evolución de las biorefinerías fue creciendo desde las que usan caña de azúcar y remolacha, luego aparecieron las que utilizan almidón y maíz y las más recientes las biorefinerías de materiales lignocelulósicos En la región del NOA, una de las producciones que más impacto tiene en la economía es la del tabaco. En la campaña 2013, la provincia de Jujuy acopió casi 40 millones de kg de tabaco Virginia curado (FCV) y la provincia de Salta, 35 millones de kg, entre estas dos provincias alcanzan prácticamente el 100 % de la producción nacional de FCV (Informe MinAgri). De la cantidad de tabaco acopiado solo el 65 % se destina a la fabricación de cigarrillos y el 35 % restante son subproductos que pueden utilizarse como materia prima en un proceso de biorefinería. En este trabajo se presenta un estudio conceptual de una biorefinería de tabaco, como punto de partida para posteriores investigaciones.La importancia de la utilización de esta materia prima en una biorefinería consiste no sólo en el hecho de que el principal insumo es renovable, sino también en la posibilidad de obtener además de bioetanol productos químicos de alto valor agregado. Además, las distintas etapas de transformación de la biomasa se plantean con procesos amigables con
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el medio ambiente, como ser, la extracción con dióxido de carbono supercrítico y la hidrólisis con agua supercrítica.
Como se muestra en la figura 2, el proceso primario se abastece de los subproductos provenientes de la salida de la acopiadora.
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La utilización de esta biomasa como materia prima de una biorrefinería genera una ventaja adicional ya que el material se encuentra pretratado debido a que fue sometido a secado, reducción y separación por tamaños durante el proceso de despalillado de la hoja de tabaco. Por otra parte, la clasificación que se realiza durante el procesamiento -en palos, fibra y scrap- permite que los subproductos puedan ser utilizados separadamente en el tratamiento posterior, potenciando el aprovechamiento de las diferentes distribuciones de los elementos estructurales y sustancias químicas que se producen entre ellos. Por ejemplo, el scrap -que consiste en láminas de tamaños menores a 25 mmcontiene XX cantidad de lignina y XX de celulosa, mientras que los palos y la fibra tienen X y X respectivamente.
MATERIA PRIMA
La planta de tabaco, Nicotiana tabacum, es una planta originaria de América, perteneciente al género de las Solanáceas. Su cultivo en la provincia de Salta data desde el año 1873 [cita libro la historia del tabaco]. Las variedades que se cultivan en el país son tabaco Virginia, Burley y Criollo. La variedad Virginia representa el 66 % del total de la producción nacional, concentrada en las provincias de Salta y Jujuy. La cadena de producción del tabaco empieza con el cultivo de las plantas en las fincas durante un período de 3 o 4 meses, luego pasa a las estufas de curado donde las hojas maduran y se secan, se clasifican y se trasladan a las plantas acopiadoras. Luego, en el acopio, se las somete a un proceso de despalillado, en donde se obtiene como producto para la fabricación de cigarrillos la lámina en distintas calidades, y como subproductos scrap (trozos de lámina menores que 25 mm), palos y fibra (venas de las hojas). Las cantidades de estos subproductos alcanzan los 26 millones de kg para los valores de FCV de la campaña 2012-2013 Las características físico-químicas del tabaco lo hacen atractivo para su utilización como materia prima en una biorefinería lignocelulósica. Básicamente la planta está constituida por elementos estructurales y sustancias químicas. Los elementos estructurales son principalmente celulosa, hemicelulosa y lignina. Los componentes químicos del tabaco identificados hasta ahora alcanzan los 3000, siendo los más importantes el solanesol y la nicotina. En tabla 1 se presentan las cantidades de los principales elementos en una muestra de tabaco FCV. 3
BIOREFINERÍA LIGNOCELULÓSICA
En la figura 2 se presenta un esquema de la biorefinería propuesta. Este proceso consta de una etapa primaria que consiste en la extracción de los componentes químicos de interés mediante dióxido de carbono supercrítico (CO2SC). Luego, en la etapa secundaria se somete el material lignocelulósico agotado de los componentes extraíbles a un proceso de sacarificación por hidrólisis con agua supercrítica (H2OSC). Mediante la hidrólisis se obtienen azúcares fermentables para la producción de bioetanol. 3.1 Biorefinería primaria
En este proceso primario se realiza la extracción supercrítica con CO2. Esta es una técnica amigable con el medio ambiente que, a diferencia de las extracciones con solventes orgánicos, no deja residuos en el producto final. Además el CO2 es inocuo, económico, no inflamable y se reutiliza durante la extracción. En estudios recientes Ruiz-Rodríguez y otros (Ruiz Rodríguez, 2008) utilizaron este método para la extracción de solanesol con excelentes resultados. En este trabajo se obtienen diferentes concentraciones de los componentes del aceite de tabaco al variar la presión y la temperatura de extracción. En concordancia con este trabajo, se realizaron extracciones con tabaco de Salta, obteniéndose aceites con una concentración de 30 % p/p de solanesol (Tita, 2014).Como producto de la biorefineria primaria se obtiene un aceite que contiene todos los componentes extraíbles para ser usado en una posterior separación o purificación. 3.1.1 Productos Los principales productos que se obtienen de la biorefinería primaria son: solanesol y nicotina. El solanesol es un alcohol terpenoide de 45 carbonos que fue aislado del tabaco por primera vez en 1956 por Rowland y otros (Rowland, 1956). Si bien está presente en otras plantas de la familia de las Solanáceas como la papa, el tomate, la berenjena y el pimiento, es en la planta de tabaco donde se lo encuentra en mayor cantidad. Se utiliza como precursor de la síntesis de ubiquinonas como la Coenzima Q10 y, además, tiene propiedades antibacterianas, antifúngicas, antivirales,
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anticancerígenas, antiulcerosas antiinflamatorias (Yan, 2015).
y
La nicotina es un alcaloide que se utiliza en la industria farmacéutica en productos como parches dérmicos y caramelos; es un insumo para la fabricación de cigarrillos electrónicos y se utiliza como insecticida ecológico. 3.2 Biorefinería Secundaria La biomasa concentrada en la cantidad de componentes estructurales (celulosa, hemicelulosa y lignina) debido a la pérdida de agua y de extraíbles es la alimentación del proceso secundario. En este proceso secundario se produce una hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa, obteniéndose azúcares fermentables (sacarificación) y lignina. Estos azúcares alimentarán el proceso de fermentación para la producción de bioetanol. Tradicionalmente la sacarificación se realiza por dos métodos de hidrólisis, uno se basa en el uso de ácidos y el otro en la utilización de enzimas. Sin embargo, existe una nueva técnica de hidrólisis de escasa aplicación industrial que se basa en el uso de agua en estado supercrítico (Cita renmatix). Esta técnica tiene la ventaja de producir muy bajas cantidades de furfural y 5-HMF (hidroximetil furfural) (Cantero, 2014) que son inhibidores del crecimiento de las levaduras, encargadas de la fermentación posterior. 3.2.1 Productos El etanol es un alcohol que se utiliza en la industria
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REFERENCIAS
Análisis del Balance de Energía derivada de Biomasa en Argentina – WISDOM Argentina. ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/011/i0900s/i0900s10 .pdf (4-03-2015.) Bioeconomía Argentina 2015– El potencial de las regiones. http://www.bioeconomia.mincyt.gob. ar/ (4-03-2015). Cantero, D.A., Intensification of Cellulose Hydrolysis Process by Supercritical Water. Obtaining of Added Value Products, 2014. http://dx.doi.org/10.13140/2.1.4261.6323 (9-032015). Informe por Provincia - Campaña 2012 2013. http://www.minagri.gob.ar/site/agricultura/tabac o/02=produccion_y_mercados/01-
interno/acopio13/Por_Provincia_13.pdf 2015).
(9-03-
Kamm, B., P.R. Gruber, y M. Kamm, Biorefineries - industrial processes and products: status quo and future directions, Wiley-VCH, Weinheim, 2006. NREL - What is a Biorefinery? http://www.nrel. gov/biomass/biorefinery.html (9-03-2015). Rowland, R., P. Latimer, J. Giles, Flue-cured tobacco. I. Isolation of solanesol, an unsaturated alcohol, Journal of the American Chemical Society 78, 4680–4683, 1956. Ruiz-Rodríguez, A., M.R. Bronze, M.N. Ponte, Supercritical fluid extraction of tobacco leaves: A preliminary study on the extraction of solanesol, The Journal of Supercritical Fluids 45, 171–176, 2008. Tita, G., A. Navarrete, M.J. Cocero, Extraction of active principles from tobacco with supercritical CO2: Use of crops from Northwestern Argentina. Presented at the Proceedings of 14th European Meeting on Supercritical Fluids, ISASF, Marsella, Francia, 2014. Yan, N., Y. Liu, D. Gong, Y. Du, H. Zhang, Z. Zhang, Solanesol: a review of its resources, derivatives, bioactivities, medicinal applications, and biosynthesis, Phytochem Review, 1–15, 2015.
