DISEÑO DE UN PROCESO PARA LA HIDRÓLISIS DE RESIDUOS LIGNOCELULOSICOS

García Espino Luís Octavio1, 1-2 Reynaldo Pless Elling, 2 González Jasso Eva 2 1Universidad Tecnológica de San Juan del Río, Querétaro, www.utsjr.edu.mx

2CICATA-IPN, Querétaro, www.cicataqro.ipn.mx

Resumen El etanol se considera una fuente alterna de energía, y se puede obtener a partir de diferentes fuentes, como los azúcares, almidón y los materiales lignocelulòsicos, sin embargo su utilización depende de la tecnología utilizada para su producción. México es un país deficitario en este rubro, ya que se importan 197 millones de litros de manera anual.

La tecnología para producir etanol a partir de los materiales lignocelulòsicos se basa principalmente en cuatro etapas: pretratamiento, hidrólisis, fermentación, separación.

En el pretratamiento, cuyo objetivo es la separación de los componentes básicos de los materiales lignoceluósicos, celulosa, hemicelulosa y lignina, se utilizan diferentes métodos físicos (explosión con vapor), químicos (ácido diluido o concentrado), o combinación de estos, las condiciones varían de 180-200 ºC y 350-400 psi (23.8-27.21 atmósferas), y concentraciones de ácido de 1-2 % w/w.

La hidrólisis cuyo objetivo es la conversión de la celulosa en glucosa, utiliza tanto procesos químicos (ácido diluido en concentraciones de 1% w/w, 190-200 ºC) como enzimáticos. (Donde se encuentra el desarrollo de nuevos microorganismos capaces de hidrolizar la celulosa y fermentar la glucosa producida a etanol, de manera separada o simultáneamente).

Sin embargo, el agua en condiciones supercríticas o cercanas al punto crítico (175-250ºC, 150-250 atmósferas), tiene propiedades similares a un ácido (-logKw =11), y representa un área de estudio hasta ahora no desarrollada.

El presente estudio tiene el objetivo de desarrollar un proceso para la producción de etanol, que utilice agua en condiciones cercanas a las supercríticas, en las etapas de pretratamiento e hidrólisis, reduciendo estas etapas a una sola, que sea capaz de hidrolizar la celulosa a glucosa sin el uso de ácido y convertir este compuesto en etanol u otros productos de mayor valor económico.

Para lograr esto se ha caracterizado un residuo lignocelulósico derivado de la industria papelera (58 % w/w humedad, 26% w/w orgánicos, 16% w/w cenizas), se ha diseñado y construído un reactor (40 cm3 de volumen de reacción, 350 atmósferas de presión de trabajo, 350ºC), y se utilizará un modelo de diseño experimental 24 factores (temperatura, presión, % fibra, tiempo) para realizar la investigación.

Las primeras pruebas realizadas a 175ºC y 150 atmósferas lograron disolver la fibra, sin embargo aun falta cuantificar los resultados por dos métodos analíticos, cromatografía de gases y volumétrica, para continuar con el diagrama de proceso completo y las variables de diseño críticas.

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Introducción Una fuente alterna de energía como combustible es el etanol, y este punto se ha convertido en un asunto muy importante dentro de la agenda económica de los países desarrollados y en vías de desarrollo. El etanol, a diferencia de la gasolina, es un combustible que contiene 35% de oxígeno en su fórmula química, lo cual reduce la emisión de partículas de NO a la atmósfera generadas en la combustión. México es deficitario en la producción de etanol (197 millones de litros), basa su producción en plantas de la industria azucarera, las cuales pasan por una crisis económica, debido a la tecnología utilizada entre otras causas. [1] En el mundo, el desarrollo de diferentes tecnologías para la producción de etanol ha tomado auge, principalmente aquellas basadas en el azúcar de caña y almidón de maíz, que por su origen compiten en la cadena alimenticia del ser humano. [2] También existe desarrollo tecnológico para hacer uso de los materiales lignocelulósicos como los residuos del maíz (Corn Stover) [21] y paja de trigo (Wheat Straw).[3] Entendiéndose por residuo lignocelulósico, aquellos que contienen celulosa, hemicelulosa y lignina. Los diferentes residuos sólidos lignocelulósicos como los derivados de la industria papelera (desechos de máquina de fibra corta), residuos agrícolas (rastrojos de maíz, sorgo, trigo, fríjol), y municipales (papel y cartoncillo, empaque), representan una excelente área de oportunidad para el desarrollo tecnológico de un proceso para la obtención de etanol y otros productos, ya que se han identificado cerca de 40 químicos, como productos potenciales de desarrollo derivados de los materiales lignocelulósicos. [7] Celulosa y materiales similares Los materiales celulósicos se componen de lignina, hemicelulosa, y celulosa, por lo que también se les llama materiales lignocelulósicos. La celulosa esta compuesta de largas cadenas de moléculas de glucosa, unidas por enlaces β 1-4 glucosídicos los cuales hacen que la cadena sea recta y de un número de polimerización mayor de 1000 y dependiendo del origen hasta 10,000 a 20,000. [5] Esta estructura y la encapsulación de la lignina de las fibras de celulosa hace más difícil hidrolizar las moléculas de este material si se compara con el almidón. La hemicelulosa también se compone de largas cadenas, pero a diferencia de la celulosa contiene pentosas, la composición exacta de la hemicelulosa depende de la fuente del material celulósico. Los materiales lignocelulósicos están compuestos en su mayor parte por dos polímeros de carbohidratos, la celulosa (35-50%) y la hemicelulosa (15-25%), y un polímero fenolito, la lignina (20-25%). [5] Etanol a partir de Celulosa En la siguiente figura 1 se presenta de manera general un proceso para la producción de etanol a partir de la biomasa lignocelulósica. [5]

Figura 1. Esquema general del proceso de producción de etanol a partir de material lignocelulósico

Pretratamiento Hidrólisis Ácida Enzimática

Fermentación Destilación Deshidratación

Xilosa Fermentación

Generador de calor y electricidad

Material Catalizador Microorganismo Fermentativo

Etanol

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El proceso para producir etanol a partir de material lignocelulósico consiste en cinco operaciones unitarias principales: pretratamiento, hidrólisis, fermentación, y separación/purificación [7], [3], [9]. Pretratamiento Tiene por objetivo modificar la estructura macroscópica y microscópica del material lignocelulósico de tal manera que todos los componentes como la hemicelulosa y la lignina sean separados, de modo que la celulosa quede de manera accesible para la posterior hidrólisis ya sea ácida o enzimática [7], [8], [9], [10]. El pretratamiento emplea varios métodos: físicos, químicos, enzimáticos ó una mezcla de varios. Los efectos sobre el material lignocelulósico son variados, sin embargo se pueden resumir en varios factores de interés para el posterior proceso de hidrólisis como son: incremento del área superficial de la celulosa, cristalización de la celulosa, remoción de la hemicelulosa, remoción de la lignina, modificación de la estructura química de la lignina. En la siguiente tabla 1 se resume el efecto de los diferentes pretratamientos sobre la composición, estructura física y química de los materiales lignocelulósicos. Tabla1. Diferentes pretratamientos sobre la composición de los materiales lignocelulósicos Pretratamiento

Incrementa el área superficial

Cristaliza la celulosa

Remueve la hemicelulosa

Remueve la lignina

Altera la estructura de la lignina

Explosión con vapor sin catalizador

EM ND EM ND em

Agua caliente líquida EM ND EM ND em Agua caliente con pH controlado

EM ND EM ND ND

Flujo de agua caliente EM ND EM em em Ácido diluido EM ND EM EM Flujo de ácido EM ND EM em EM Amonia Fiber Freeze explosion

EM EM Em EM EM

Amonia recicle percolation

EM EM Em EM EM

Cal EM ND Em EM ND EM: Efecto mayor em: Efecto menor ND: no determinado Las condiciones de operación varían de acuerdo al proceso utilizado, sin embargo los rangos de temperatura y presión utilizados varían de 180-220ºC a 350-400 psi [7], tanto para los procesos basados en agua caliente, como los de ácido diluido y concentrado, amonio y cal. Hidrólisis Existen tres procesos básicos para la producción de etanol a partir de los materiales lignocelulósicos, hidrólisis ácida, hidrólisis enzimática, y el proceso termoquímico. Hidrólisis ácida En el proceso del ácido diluido el material celulósico se trata con ácido sulfúrico diluido al 1% y una temperatura de 237°C, con un rendimiento del 50% de azúcares si se reacciona celulosa pura. En este proceso 0.9 toneladas de madera seca producirán 189 litros de etanol puro. Casi todos los procesos con ácido diluido y sus variaciones están limitados a un 50% de eficiencia [13]. Esta eficiencia se debe a que parte de la reacción que se lleva a cabo para obtener la glucosa también produce otros subproductos como furfural, que en el proceso de fermentación inhibe la labor de los microorganismos.

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El proceso de ácido concentrado utiliza una primera etapa, donde la hemicelulosa es hidrolizada con ácido sulfúrico al 10% a una temperatura de 100 ° C en un periodo de 2 a 6 horas. El hidrolizado es separado del residuo para minimizar la degradación de los azúcares formados de la hemicelulosa. El residuo es sometido con ácido sulfúrico al 30-40% de 1-4 horas en una etapa de pre-hidrólisis de celulosa, luego el material es concentrado hasta una concentración de ácido del 70% por evaporación, luego se hace reaccionar de 1-4 horas a 100°C a continuación se filtra el contenido del reactor para separar los sólidos sin reaccionar y la mezcla de ácido y azúcares, los cuales se envían a la primera etapa de hidrólisis. [11], [12],13]. Hidrólisis enzimática y fermentación Los últimos desarrollos incluyen la utilización de celulasas, hemicelulasas para la hidrólisis. El proceso donde la hidrólisis se lleva cabo de manera separada de la fermentación se le designa por las siglas SHF de las palabras en ingles (Separated hydrolysis and fermentation) [6], cuando la hidrólisis se lleva a cabo en presencia de organismos de fermentación se designa el proceso SSF (Simultaneous saccharification and fermentation) [6], y por último al proceso donde se lleva cabo la sacarificación de la celulosa (a glucosa), hemicelulosa (a xilosa y arabinosa), y al mismo tiempo se fermentan la glucosa y las aldopentosas a etanol se le llama SSCF (Simultaneous saccharification and Co-fermentation). Se ha tratado de desarrollar organismos que puedan trabajar de manera conjunta y no competitiva para realizar la hidrólisis y fermentación de los azúcares al mismo tiempo y en el mismo reactor. [18], [19] Debido a la estructura cristalina del material celulósico, las enzimas hasta la fecha desarrolladas requieren de algunos días para lograr buenos resultados, lo que significa grandes tiempos de retención en el reactor y por lo tanto grandes volúmenes de reactor ó varios reactores en serie, que de nueva cuenta significa mayor inversión, aunado al alto costo de las enzimas [4], [6]. Proceso termoquímico Existen dos procesos, el primero es un sistema híbrido termoquímico biológico y el segundo es un sistema que no utiliza microorganismos. En el primero el material lignocelulósico es gasificado termo-químicamente para producir una mezcla de hidrógeno y óxidos de carbono, el cual luego es burbujeado en un tanque fermentador con un microorganismo que es capaz de convertir la mezcla gaseosa a etanol. En el segundo proceso el material lignocelulósico es gasificado termo-químicamente y el gas es pasado a un reactor catalizado capaz de convertir el gas en etanol. Hasta la fecha ambos procesos tiene una eficiencia del 50% sin embargo, ninguno de los procesos es económicamente viable por los costos de operación e inversión. [2] Separación de etanol y purificación El etanol mezclado con agua y el cultivo de fermentación en una proporción de aproximadamente 10% w/w, se separa por medio de destilación, absorción o una combinación de ambos, la lignina, celulosa, hemicelulosa sin reaccionar, cenizas, enzimas, microorganismos, y demás compuestos presentes son las colas de destilación las cuales se envían a quemar. [7] Super Critical Fluid Water (SCFW) El agua en condiciones supercríticas modifica sus propiedades en dos aspectos relevantes: la constante dieléctrica y la constante de ionizacion (-log Kw) [15], [16], esto permite que sea utilizada como catalizador en reacciones de hidrólisis y descomposición del material lignocelulósico. La constante de ionización (Kw) del agua se ve afectada con la temperatura y presión en condiciones supercríticas.

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Esta tiene un valor de 1x10-14(mol/litro)2 en condiciones normales. En condiciones supercríticas este valor se incrementa considerablemente. A una presión de 34.5 MPa y una temperatura de 300 ºC el valor máximo de la constante (mínimo de –logKw) es de 1x10-11(mol/litro)2. Por lo que la concentración de iones hidrógeno es de 3x10-6mol/litro (pH=5.52) lo que significa un incremento cerca de 30 veces la concentración inicial de iones hidrógeno, por lo anterior adquiere características de un catalizador ácido. En la actualidad los trabajos realizados por algunos investigadores como Matsumura Yukiko (2005), del departamento de ingeniería mecánica de la universidad de Hiroshima en Japón, utilizando agua en condiciones supercríticas, se han dirigido hacia la obtención de gas de síntesis (CO2+H2) o gasificación. [16] Por lo que existe una oportunidad de investigación en el área de las condiciones cercanas a las condiciones supercríticas, sin necesidad de llegar a la completa descomposición de la celulosa y materiales lignocelulósicos para la producción de gas sintético, utilizando condiciones menos severas y cercanas al punto crítico. [17] Objetivo General: Diseñar un proceso químico alternativo para la hidrólisis de residuos lignocelulósicos, utilizando las propiedades del agua en condiciones supercríticas. Metodología: 1. Se caracterizó un residuo de una empresa productora de cartoncillo mediante los

protocolos de la NREL (National Renewable Energy Laboratory), para determinar sólidos totales, cenizas. [20]

2. Se diseñó, construyó y realizaron pruebas, en un reactor de trabajo en condiciones supercríticas.

3. Se inició la experimentación usando un modelo 24 factores (25-50% w/w residuo, 150-200 atmósferas, 175-250 ºC, 5-10 minutos de reacción).

4. Se evaluarán los resultados y determinarán los óptimos. 5. Se separarán los productos obtenidos y se caracterizarán analíticamente. Resultados preliminares

Caracterización de los residuos lignocelulósicos Se utilizaron un total de 40 muestras de un residuo generado en una empresa productora de papel, en tres parámetros principalmente; contenido de humedad, cenizas y sólidos totales. Cada muestra se analizó utilizando el protocolo recomendado por la NREL, para los parámetros de sólidos totales y cenizas. [20]

Componente % ( w/w) Humedad 58 Sólidos totales 42 Sólidos inorgánicos (CaCo3) 16 Sólidos orgánicos 26

Depuración de la fibra lignocelulósica

Se realizaron 8 reacciones del residuo con HCl concentrado al 36% w/w, con la finalidad de eliminar el carbonato de calcio presente, hasta que se observó la eliminación de generación de CO2 en el matraz. Se hicieron lavados con agua corriente para eliminar el ácido residual y se tomó lectura del pH inicial 2 y final 7, de acuerdo a la siguiente tabla,

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todas las reacciones se llevaron a cabo a 90ºC ± 2. Los resultados confirman que el HCl 1% w/w en una relación de 1/10 en peso de residuo agua, es satisfactorio para eliminar el CaCO3 presente falta confirmar esto por análisis gravimétrico del residuo ya tratado.

Reactor de hidrólisis Se diseñó y fabricó el reactor de hidrólisis para condiciones de operación de 300 atmósferas de presión y 350ºC de temperatura, con un volumen útil de reacción de 40 cm3 tipo batch, no agitado, de acero inoxidable 316 L, con gato hidráulico para alta presión hasta 680 atmósferas, medidor de presión, y válvula reguladora de presión a la descarga. En las siguientes imágenes (figura 2) se puede apreciar el equipo mencionado.

Figura 2. Vista frontal reactor de hidrólisis y Vista lateral Reactor de hidrólisis

Hidrólisis del residuo A este sistema se le realizó un prueba hidrostática de 156 horas a 4750 psi, equivalentes a 323 atmósferas y la presión se mantuvo por este periodo de tiempo. A continuación se realizó una prueba en agua a temperatura de 250ºC y presión de 250 atmósferas por espacio de 4 horas y no se encontraron fugas. En este momento nos encontramos en la etapa de pruebas de reacción de hidrólisis de residuos lignocelulósicos (175 ºC, 150 atmósferas de presión, 5 % w/w sólidos, poli trópico), y aun falta por cuantificar los resultados. En las siguientes imágenes (figura 3) se muestra a primera instancia que existe una transformación del residuo lignocelulósico sometido a estas condiciones de reacción.

Figura 3. Resultados preliminares: del lado izquierdo el material lignocelulósico depurado, y al centro el producto líquido obtenido. Conclusiones El producto obtenido en esta primera etapa de hidrólisis, muestra una transformación completa del residuo lignocelulósico, el cual será caracterizado para precisar su contenido de carbohidratos.

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Referencias

[1] Cámara de Diputados, H. congreso de la Unión, Centro de Estudios de la Finanzas Publicas, CEFP/045/2002, “La Industria Alcoholera de México ante la Apertura Comercial”, Poder Legislativo, Diciembre (2002)

[2] Oyvind Vessia, Per Finden, Oyvind Skreiberg, “Biofuels from lignocellulosic material”, Technology, Potential cost, Norwegian University of Science and Technology, , Faculty of information technology, mathematics and electrical engineering , Department of electrical engineering, Autumn, Trondheim. (2005)

[3] Ralph P. Overend, “Biomass Conversion Technologies”, National Renewable Energy Laboratory, Golden Coloado 80401, USA. Ralph_overend@nrel.gov

[4] Lynd Lr, Weimer PJ, van Zyl WH: “Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology”. Microbiology molecular biology review, 66:506-57 (2002)

[5] James S. Han, “Properties of non Wood Fibers”, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison WI 53705-2398.USA, (1998)

[6] Lee R Lind, Willem H van Zyl, John E McBride, Mark Laser, “Consolidated bioprocessing of cellulosic biomass: update”, Current Opinion in Biotechnology, 16:577-583 (2005)

[7] Nathan Mosier, Charles Wyman, Bruce Dale, Richard Elander, Y.Y. Lee, Mark Holtzapple, M. Ladish, “Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass”, Bioresource Technology 96: 673-686(2005)

[8] Melvin P. Tucker, Kyong H. Kim, Mildred M. Newman, Quang A. Nguyen, “Effects of temperature and moisture on dilute-acid steam explosion pretreatment of corn stover and cellulase enzyme digestibility”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Volumes 105, number13 spring (2003)

[9] Bjerre Anne B., Olesen Bjerring A. Fernqvist Thomas, Ploger Annete, Schmidt Annete, “Pretreatment of Wheat Straw using combined wet oxidation and alkaline hydrolysis resulting in convertible cellulose and hemicellulose”, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 49, Pp.568-577 (1996)

[10] Daniel J. Schell, Jody Farmer, Millie Newman, James D. McMillan, “Dilute-Sulfuric acid pretreatment of Corn Stover in pilot scale reactor”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 105-108, (2003)

[11] Qian Xiang, Y.Y.Lee, Par O Petersson, Robert W. Torget, “Heterogeneous Aspects of acid hydrolysis of α cellulose”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 105-108, (2003)

[12] Qian Xiang, Y.Y.Lee, Robert W. Torget, “Kinetics of glucose decomposition during dilute-acid hydrolysis of lignocellulosic biomass”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 113-116, (2004)

[13] Robert W. Torget, Nandan Padukone, Christos Htazis, “Hydrolysis and fractionation of lignocellulosic biomass”, United States Patent Number 6,022,419, Feb. 8, (2000)

[14] Robert W. Torget, Kiran L. Kadam, “Prehydrolysis of lignocellulose”, United States Patent number 5,503, 996, Apr. 2 , (1996)

[15] “New solvent supercritical fluid”, Kobe Steel ltd., http//www. Kobelco.co.jp [16] Yukihiko Matsumura, “Biomass conversion using supercritical water and hydrothermal

treatment”, Hiroshima University Japan, Department of mechanical system engineering, Biomass project research center, Biomass Workshop, Tsukuba (2005)

[17] Gary A Aurand, “Super critical Fluid Processing for Renewable Energy”, The University of Iowa, Department of Chemical and Biochemical engineering, (2005)

[18] Tarun K. Ghose, at al., “Ezimatic Saccharification of cellulose”, United States Patent Number, 3,642,580, Feb., 5, (1972)

[19] Charles R. Wilke, et.al., “Conversion of Cellulosic materials to sugars”, United States Patent Number, 3,972,775, Aug. 3, (1976)

[20] A.Aden, M. Ruth, K. Ibsen, J. Hechura, K. Neeeves, J. Sheehan, B. Wallace, et.al. “Laboratory Analytical Procedures”, National Renewable Energy Laboratory, (2001)

[21] A.Aden, M. Ruth, K. Ibsen, J. Hechura, K. Neeeves, J. Sheehan, B. Wallace, et.al. “Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover”, National Renewable Energy Laboratory, June, (2002)

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