Estudio del fraccionamiento de la lignocelulosa mediante procesos con disolventes y los estudios para el análisis y aprovechamiento de las fracciones

Resumen

La biomasa lignocelulósica (BLC) es la fuente renovable más abundante para la producción sostenible de bio-combustibles, biomateriales y productos químicos. Está compuesta mayoritariamente por celulosa e inmersa en una matriz de hemicelulosas-lignina, por lo que precisa de un pre-tratamiento para hacerla accesible a la acción de enzimas y reactivos. Entre los pre-tratamientos más utilizados se encuentran la explosión con vapor, el tratamiento con ácido diluido (DSA) y la extracción con agua caliente. En todos ellos, el gasto energético condiciona su viabilidad. Los tratamientos con disolventes orgánicos-agua eliminan parte de las hemicelulosas y son eficaces para deslignificar. Uno de los disolventes orgánicos más utilizados es el etanol, por su disponibilidad, coste, eficacia, y a que deja una fracción sólida rica en celulosa apta para su hidrólisis, por lo que se presenta como una alternativa para valorizar la BLC, especialmente con bajos aportes de energía. El Objetivo principal de esta Tesis es estudiar el fraccionamiento selectivo de la BLC con una mezcla de etanol-agua (EW), con el menor gasto energético posible para garantizar su sostenibilidad. Con este fin, se han propuesto los siguientes Objetivos específicos: ¿ Estudiar la influencia de las condiciones de operación del pre-tratamiento EW sobre paja de trigo (PT) y tallos de cardo. ¿ Comparar los pre-tratamientos EW y DSA, en: PT, cardo y rastrojo de maíz (RM). ¿ Estudiar la reutilización del licor de pre-tratamiento EW para reducir la energía en la recuperación del etanol. ¿ Mejorar la digestibilidad enzimática de la PT mediante el uso de aditivos. Para abordar estos objetivos, se hizo un diseño experimental tipo Taguchi (L9), evaluando: tiempo, temperatura, relación líquido/sólido (L/S) y contenido de etanol. Las respuestas fueron: recuperación de glucanos (RG), hidrólisis de xilanos (HX), grado de deslignificación (GD) e hidrólisis enzimática (HE). El estudio de la PT mostró que ninguna variable tiene efecto significativo sobre RG, para HX e HE solo la temperatura tiene una influencia significativa, mientras que GD está influenciada por la temperatura y el contenido de etanol. Con esta información se eligieron las condiciones óptimas de pre-tratamiento: 60 min, 190 ºC, 20 L/kg y 0,33 v/v de etanol. El estudio análogo del cardo mostró que el tiempo y la temperatura del pre-tratamiento tienen efecto sobre RG y que solo la temperatura afecta a los parámetros HX, GD e HE. Las condiciones óptimas encontradas son: 60 min, 190 ºC, 20 L/kg y 0,25 v/v de etanol. En condiciones de insumos de energía moderada-baja, EW produce mejores resultados que DSA, con rendimientos de HE en el rango del 50-60% para RM y cardo; mientras que PT alcanza un 80%. Por lo tanto, la biorrefinería de materias primas múltiples necesita un estudio previo para ajustar el tipo y las condiciones del pre-tratamiento a cada materia prima. El siguiente estudio se orientó a reducir el gasto energético en la recuperación del disolvente. Los resultados mostraron que se modifica la composición del sólido producido, con una moderada pérdida de celulosa, pero la HE aumenta hasta un 95%. La velocidad de HE aumenta a medida que aumenta el número de re-utilizaciones; lo que se atribuye a la acumulación de ácido acético en el líquido residual. Por último, se intentó aumentar los rendimientos en la HE evitando la acción inhibidora de la lignina. Se aplicaron surfactantes no iónicos y proteínas, a dos sustratos de PT con distinto contenido en lignina. La estrategia de combinar baja deslignificación en el pre-tratamiento con el empleo de aditivos que eviten la inhibición de la lignina tuvo un éxito moderado. La opción más favorable combina alta deslignificación con el empleo de caseína, una proteína barata, no probada con anterioridad. Un posible mecanismo que suponga el bloqueo de la lignina por los aditivos explicaría que los sustratos con mayor cantidad de lignina se benefician más del aditivo.