Avances tecnológicos en los

derivados de la caña de azúcar

Jesús Eliecer Larrahondo Aguilar, PhD.

•Caña de azúcar

(Género : Saccharum)

•Energía

•P. Especializados

•P. Química Fina

•Polímeros

Biomasa•Alimentación

•Nuevos Mercados

•P. Química fina

•P. Farmacéuticos

•Polímeros

•Tenso activos

Azúcar

Fuente Almazan, O.; 2001, USDA, 2008Kochergin, V.; 2002

Azúcar

+

Bagazo

Para electricidad

+

etanol

Mejoramiento vegetal para la producción de biomasa

Variedad comercial

10 - 12% fibra

Mas azúcar+

mas bagazo

para electricidad

+

etanol

Alta calidad varietal

17 - 22% pol

Azúcar+

mucho mas bagazo

para electricidad

+

etanol

Variedad alta fibra

20 - 30% fibra

No azúcar

Etanol

electricidad

Caña energética> 30% de fibra

Escenarios

Incremento de fibra

La caña de azúcar como planta biofábrica

Caña de

azúcar

Adaptación del

cultivo a diferentes

climas

Azúcares

modificadasAzúcar Bagazo Biomateriales

AlimentosEtanol Celulosa Lignina Energía

EtanolProductos

de la pulpa

Nuevos

Productos

Proyección y propuestas

(nuevos productos)

Alcoquímica

Derivados de la caña y coproductos

Derivados de la sacarosa

Derivados de la caña de azúcar

COGOLLOS,

HOJAS A. Animal - Combustible - P. nutraceúticos

MIELES

Etanol, levaduras, lisina, ácido cítrico, ácido glutámico, ácido

láctico.

Invertidas: producción de glucosa y fructosa

Miel proteica - Proteína unicelular (PUC)

BAGAZO

Fibra para tableros (aglomerados), papel

Producción de furfural – Combustible (cogeneración)

Etanol - Xilitol - Filtros

CACHAZA Fertilizante - Cera

MATERIALES LIGNOCELULOSICOS

Segunda Generación

ETANOL

BiomasaLignocelulosa

Residuos AgrícolasBagazo de caña

Fermentación

Hidrólisis

CO2

Xilosa,CelobiosaGlucosa,

etc.Celulosa,

Hemicellulose

Ciclo

El sol

Estrategias de investigación

“El uso del bagazo de nuevas variedades no utilizado y con alto contenido de fibra es un recurso potencial muy importante

para la producción de etanol”

En algunas etapas del proceso de producción de etanol a partir del bagazo, se obtienen bio - polímeros como productos de valor agregado utilizando las

bacterias mas adecuadas

Muestras de bioplásticos obtenidos de biomasa de caña de azúcar

Análisis fisicoquímicos Preliminares

Residuo lignócelulósicoExtraíbles lipofílicos

insolubles (%)Cenizas (%) Lignina (%) Celulosa (%)

Bagazo de caña 86,48 10,0 26,00 45,33

Banano 75,00 2,1 20,00 12,32

Naranja 87,91 1,5 25.26 32,56

Uva 40,69 1,2 25.86 14,09

Maracuyá 83,57 1,1 35,41 36,88

Bagazo

(material

rico en fibra)

Insolubles

Solubles

Pulpa de celulosa

(30% - 40%)

Hemicelulosas

(pentosas)

(20% - 30%)

Lignina

(20%)

Fraccionamiento de la biomasa(Proceso NREL)

Fuente: Luc Moens, SPRI 2002

National Renewable Energy Laboratory

Celulosa Microcristalina (MCC)

La celulosa microcristalina (MCC) es un derivado de la α-celulosa despolimerizada, donde la pared

celular de la fibra ha sido descompuesta en fragmentos de tamaños que varían de decenas a

algunas centenas de micras.

Excipiente en la industria farmacéutica.

Como agente de compactación y desintegración en la industria farmacéutica.

Sustituto de harina y azúcar en alimentos de bajas calorías.

Mejorador de fluidez en polvos y granulados.

Lubricantes, sustituto de lactosa y almidón.

Celulosa Microcristalina (MCC)

APLICACIONES

OBTENCION DE CELULOSA MICROCRISTALINA A

PARTIR DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS

Duvan F. Castillo, Universidad Santiago de Cali, Cali, Colombiaduvantq2010@gmail.com

Alexander Chacon, Universidad Santiago de Cali, Cali, Colombia.chacon-654@hotmail.com

Jesus Larrahondo*, Universidad Santiago de Cali, Cali, Colombiajelarrahondo@gmail.com

*Director de Tesis

Proceso de obtención de MCC : A) Bagazo molido sin tratar, B) Tratamiento con

NaOH al 10%, C) Digestión Etanol-HNO3, D) Blanqueo Digestión básica y lavado

con H2O2 E) producto Final después de la Hidrolisis

Obtención de celulosa microcristalina

Resultados

Porcentaje de celulosa microcristalina en base seca de los residuos

lignócelulósicos y su porcentaje de rendimiento

Caña de azúcar como fuente de compuestos aromáticos

Avances: BSES. Australia, 2005

Producción del ácido p-hidroxibenzoico (pHBA)

en caña transgénica.

Sobre – expresión del pHBA fue demostrado en hojas y tallos de la caña

de azúcar.

Los resultados preliminares sugieren que la caña de

azúcar puede ser un cultivo ideal para la producción de

compuestos de interés industrial.

Otros productos derivados de la Caña de azúcar vía transgénesis

Fuente: CRC. Australia

EPOBIOWORKSHOP 2

Grecia, 2007

Producción de sorbitolPolihidroxialcanoatos

(PHAs)

Estudio de 9 meses en invernaderos

Primera cosecha

Altura : 140 cmPeso: 783 g

Sacarosa: 4.9%PHB: 0.11 g

Segunda cosecha

Altura : 291 cmPeso: 2637 g

Sacarosa: 5.52%PHB: 1.69 g

Tercera cosecha

Altura : 336 cmPeso: 5430 g

Sacarosa: 11.09%PHB: 9.34 g

Conclusiones: PHB en caña de azúcar

•Transformación exitosa en caña de azúcar vía una codificación multigénica.

•La expresión objetivo trabaja bien en los plastidios.

•La producción de PHB en las hojas de caña de azúcar es continua con el tiempo. La acumulación depende del tiempo.

•No existen evidencias de factores limitantes en la producción de PHB en la caña de azúcar modificada genéticamente.

•Se disponen de 26 líneas transgénicas positivas de producción de PHB de 130 evaluadas en Australia.

La expresión

•Líneas productoras de PHB pueden ser detectadas a edades tempranas.

Proyección y propuestas para un Ingenio

Derivados de la caña y

coproductos

Cera de caña: fuente cachaza.Extracción vía soxhlet con etanol

Celulosa microcristalina: fuente bagacillo y residuosde cosecha.Extracción de celulosa vía explosión agua caliente yácidos orgánicos

Pigmentos naturales y antioxidantes: fuentes residuosverdes

Cera de la Caña

Caracterización química de la cera de la caña de azúcar

Variedad

•CC 85 - 92

% Cera (tallos)

•0.04% - 0.17%

Compuestos

•Ácidos orgánicos

•Araquídico (4.3%)

•Behénico (26.7%)

•Laúrico (2.1%)

•Lignocérico (55.3%)

•Mirístico (0.75%)

•Palmítico (6.5%)

•Tricosanoico (4.4%)

Fuente: Congreso Latinoamericano de Química (2010). Cenicaña - UTP

Flavonoides de la

caña de azúcar

Antocianinas

Flavonoles

Flavonas

Flavonas

Grupos

Tricino

Luteolino

Apigenino

El rol de compuestos fenólicos en las plantas

▪ Pigmentación de flores y frutas.

▪ Antioxidantes.

▪ Resistencia a insectos, enfermedades.

▪ Componentes del sabor.

▪ Estructura de lignina.

La mayor antocyanidina en el jugo de caña

Fuente: SPRI

La sucroquímica como una alternativa al empleo del azúcar

Productos químicos convencionales

derivados de la sacarosa

Sacarosa

Etanol

Acetaldehído

Etileno

Acetona

Etilamina

Ácidos orgánicos

Productos derivados no convencionales de la sacarosa

ÁcidosCítrico

Láctico

Esteres de sacarosaPolímerosEdulcorantes bajos en caloríasDerivados organometálicos (pesticidas)p. Farmacéuticos: antibióticos, etc.

Aminoácidosl-lisina, l-glutámico,

L-fenilalanina

Otros de interésindustrial y medicinal

Derivados del azúcar

Sucroesteres

Vía fermentación Vía Degradación Otros DerivadosVía Síntesis

Fuentesazúcar, Biodiesel oácidos grasos (aceitede palma)

BiopolímerosPolihidroxibutiratos,

etc

➢ Dextranas➢ Ferro Dextranas➢ Acido láctico

➢ Jarabes Invertidos➢ Jarabes light (mezcla de

jarabe invertido y estevia)

Azúcar co-cristalizada o de alta disolución.

Polietileno verde. Fuente alcohol seguido de deshidratación y

polimerización (compañía productora en Brasil

Braskem)

Fuentes Azúcar, Jugos,

meladuras

Nota: a mediano plazo producción de glucosa y fructuosa destinadas a la industria farmacéutica.

Hidroximetilfurfural. Producto destinado a la

producción de resinas y otros materiales poliméricos

Productos derivados de la sacarosa (Paturau, 1989)

Polietileno verde derivado del bioetanol obtenido de la caña de azúcar

Fuente: Tomás Maquedahttp://www.ciber.gatech.edu/Braskem.pdf

( CH2 - CH2 )n

Biopolímero poliláctico (PLA) derivado de la sacarosa

Ácido láctico PLAGlucosa Sacarosa

C12H22O11 C6H12O6

Química de la sacarosa

O

OOH

OHOH

OH

OOH

OH

OH

OH

Glucosa Fructosa

Enlace glicosídico

Química de la sacarosa

Seis grupos hidroxilos pueden sufrir las mismas reacciones químicas que los

alcoholes, así por ejemplo:

- Esterificación, Eterificación, Halogenación y Polimerización.

Fuente: Quim. Nova. Vol. 26 No. 6 Sao Paulo - Brasil. Nov - Dic. 2003(M. Boscolo)

Modificaciones químicas de la sacarosa

• Reacción de los grupos hidroxilos con trióxido de azufre e hidróxido de Aluminio

Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica –Colombia 2014

Posibles usos para los derivados de la sacarosa

ÉTERES DE SACAROSA: Surfactantes no iónicos, espesantes en alimentos

ÉSTERES DE SACAROSA: Emulsificantes, sustitutos de grasas, surfactantes no-iónicos, pesticidas no-tóxicos, espesantes en bebidas

SACAROSA CLORADA: Edulcorantes en productos dietéticos o no calóricos

Antibióticos, polímeros solubles, plastificantes y otros

Fuente: M. Boscolo

Esteres de sacarosa y sus aplicaciones

Productos derivados de la sacarosa Aplicación

Monoacetatos Humectantes

Monoesteres de ácidos grasos Surfactantes y emulsificantes

Tribenzoatos y octaacetatos Agente amargo

Octabenzoato y Diacetatohexaisobutirato Plásticos

Olestra – un poliester de sacarosa

• Un aceite de cocina

no-calórico.

• No digerible.

• Sin sabor.

• Las mismas propiedadesde los aceites y grasas

alimenticias.

• Producido en 1959 por

Proctor & Gamble (USA).

• Patentado en 1971.

• FDA: aprobado Enero 24,

1996.

• No-tóxico

• No-carcinogénico.

• No-Teratogénico.

Olestra Triglyceride

Fuente: M. Boscolo

Los poliésteres en el sistema digestivo

Glicerido digerible

Poliester no digerible

Olestra Triglyceride

Fuente: M. Boscolo

Olestra

4 5 O

123

OOH

OHOH

6OH

3' 4'

5'O

2'

6'

OH

OH

1'OH

OH

Rótulo de un producto

Es necesario una adicción extra de vitaminas liposolubles

Fuente: M. Boscolo

www.agricoat.co.uk

Fuente: M. Boscolo

Ésteres de sacarosa como pesticidas seguros

WhiteflyBemisia Tabaci

Infestação em mais de 300 vegetaisTreatment Conc. (g/L) Mortality

Octanoate 2,0 90,00 A

Oleate 2,0 88,67 AB

Oleate 1,0 88,58 AB

Octanoate 1,0 80,17 ABC

Palmitate 2,0 78,18 ABCDE

Monopalmitate 2,0 74,39 ABCDEF

Palmitate 1,0 72,27 BCDEF

Mortality of Bemisia tabaci B strain adults after 2 h of the topicapplication of sucrose esters and control solutions.

Fuente: M. BoscoloJ.E. Larrahondo

Los ácaros en las flores Tetranychus urticae

Muy susceptibles a los sucroésteres

Fuente: M. Boscolo

Varroa – un ácaro de las abejas

• Ingrediente activo

•Octanoatos de sacarosa (40%)

•No contamina la miel

Polímeros derivados de la sacarosa

CH – CH2 - CO2

|CH3

n

Síntesis de Sucropolímeros

a) Enlaces covalentes o iónicos entre azúcares y una cadena polimérica.

b) Las moléculas de azúcares se incorporan en una estructura polimérica.

AZ AZ AZ

AZAZ AZ

a)

b)

Síntesis de polí (sucro – éteres) solubles en agua

S

OH

OH

+

CH2Cl

O

Sacarosa

NaOH/H2O

25°C

S - O - CH2 – CH – CH2 - O|

OH

OH

SHO

n

Nombre comercial del polímero: “Ficoll”

Aplicaciones: Sectores de los alimentos y biomedicina

HidrogelesPolímeros adsorbentes con base en poliacrilamida o poliacrilato de sodio.

Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica – Colombia 2015

POLISACARIDO ORGANISMO TIPO DE

POLIMERO

MONOMERO UNIONES

DEXTRANOS BACTERIAS:

Leuconostoc

mesenteroides, L.

dextranicum,

Acetobacter sp

Ramificado

Cadenas

cortas

D-glucopiranosa 1-6 (cadena

principal) y 1-3,

1-2 o 1-4 en

las ramificaciones

PULULANOS HONGOS:

Aureobasidium

pullulans

Lineal D-glucopiranosa 1-4 (mayoria) y

pocas 1-6

ALGINATOS BACTERIAS.

Pseudomonas

aeruginosa,

Azotobacter

vinelandii

Lineal d- manuronico

d- glucuronico

(4:1 a 20:1)

1-4 y 1-4

XANTANOS BACTERIA:

Xanthomonas

campestris

Lineal con

ramificaciones de

trimeros acidicos

(pentasacarido)

d-glucosa

(principal) , 6 –

Oacetil-manosa,

glucuronico,

manosa y piruvato

1-4

1-3

1-2

GELANOS Pseudomonas Tetrasacarido 2 (D-glucosa) + L-

ramnosa+ D-

glucuronico

DEXTRANOS

Por fermentación de la caña de azúcar (Sacarosa)

Son importantes como sustitutos del plasma sanguíneo y también se usan en la producción

de alimentos. Tienen estructuras variadas y PM entre

15,000 y 500,000.

Producción

XANTANOS

• Polímero de alta viscosidad (PM aprox. 2,000,000).

• Estable en condiciones físicas y químicas extremas con propiedades físicas similares a unplástico.

• Sus propiedades físicas permiten su uso como agente estabilizante, emulsificante y espesante(bebidas, jugos de fruta y aderezos de ensaladas, pasta de dientes, etc).

Sustitución selectiva de grupos hidroxilos

Edulcorantes Sucralosa

Sucralosa

www.sucralose.com

US$ 45,00

US $5.8 billones (ventas)

US $235 millones en seis meses

En 2003Fuente: M. Boscolo. UNESP. Curso Alcoquímica – Colombia 2014

Edulcorantes de importancia biológica obtenidos a partir de la sacarosa obtención de Palatinit

EdulcorantesNeoazucar. Productos Fos

Derivados organometálicos de sacarosa Síntesis de pesticidas

Producción de jarabes invertidos

Aromas con sacarosa

Derivados potenciales de sacarosa como productos de interés medicinal nirurisida

A partir de Phyllanthus niruri. Inhibidor de HIV.

Proyecciones para productos químicos y materiales basados en la biomasa de

origen agrícola

Planta de “Ureavin” Manuelita

Fertilización líquida específica

Proceso de compostaje

Penetración en el mercado de productos basados en la biomasa (Proyecciones)

Sector Químico 2011 2025

Comodities 1-2% 6-10%

P. especializados

(y/o química fina) 20-25% 45-50%

Polímeros 5-10% 10-20%

Fuente: Bachmann, Biobased multi-client study, 2006

Valores proyectados en la producción química (en US$ billones)

Fuente: Bachmann, Biobased multi-client study, Marzo 2006

Total Prod. de la

biomasaTotal

Prod. de la

biomasa

Comodities 550 5-11 857 50-86

p. especializados 435 87-110 679 300-340

p. química fina 125 25-32 195 88-98

Polímeros 290 15-30 452 45-90

Total 1400 132-183 2183 483-614

2011 2025

Sector Químico

Algunos productos de valor agregado derivados de la biomasa

Fuente: Bachmann, 2005, Biobased multi-client study, Marzo 2006

Producto Químico Base del estado tecnológico

▪ 1,4 diácidos Comercial en desarrollo

▪ 3-hidrocipropiónico En desarrollo

▪ Acido levulínico Comercial en desarrollo

▪ Acido glutámico Comercial. Investigación disponible

▪ Sorbitol Comercial. Investigación disponible

▪ Xilitol Comercial. Investigación disponible

▪ Glicerol Comercial. Continúan investigaciones

▪ Acido aspártico Investigación detallada

▪ Acido glucárico Investigaciones preliminares

▪ Acido itacónico Comercial. Investigaciones preliminares

(Acido metilsuccínico)

Biorefinería conceptual, materias primas agrícolas, operaciones de molienda, bioquímicos y / o

conversiones termoquímicos , productos intermedios y productos finales

Almidón

Proteína

(Harina de gluten)

Aceite de

maíz o soya

Fibra

Lignina

Aceite

Acrílico

Polímeros

Especiales

PLA

Isosorbide

Uretano

Glicoles

Lubricantes

Algodones

Maíz

Tuza de

mazorca

Azúcar

Alimento &

farmacéutica

Glicerol

Ácidos

grasos Oleofinas

9

decenoica

Bio

combustible

Etanol

3 hp

Láctico

Sorbitol

Polioles

Esteres

EnergíaConversión

termoquímica vapor

Proceso de energía

Conversión

Bioquímica

Energía/

ventas

Fuente: Informa Economics biobased

multi – client study, 2006).

Conclusiones Generales

• Se prevé un incremento significativo del 25% hasta el 50% en los sectores encargados de laproducción de productos especializados y de química fina.

• Se estiman aumentos en el rango de 483-614 billones de dólares en ventas de productos derivadosde la biomasa en el año 2025.

• El mercado y demanda de los anti-oxidantes es creciente. El mercado del ácido gálico es de170.000 kg/año y puede producirse a partir de la biomasa.

• Los cultivos comerciales como caña de azúcar ofrecen grandes perspectivas en la producción demetabolitos de interés industrial y/o farmacéutico.

Conclusiones Generales

•El empleo de cultivos como la caña de azúcar, como biofábricas, ofrece buenasoportunidades económicas, como lo mencionan y reportan países como Australia en suplan de desarrollo.

•La producción de PHB (biopolímeros) y de sorbitol en variedades transgénicas de cañade azúcar, ofrece grandes oportunidades de un desarrollo agroindustrial y económicopara el sector azucarero colombiano, como lo demuestra los adelantos de Australia.

•La selección de variedades de caña de azúcar como productores de ceras y agentesantioxidantes para su empleo en el sector farmacéutico, es un tema que ameritaespecial atención técnico – económico en el corto plazo.

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