PRETRATAMIENTO DE RESIDUOS LIGNOCELULÓSICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

DAGNINO, ELIANA PAOLA; DIAZ, ANTONIA; MORALES, WALTER GUSTAVO; CHAMORRO, ESTER RAMONA; ROMANO, SILVIA DANIELA; AREA, MARÍA CRISTINA

Buenos Aires

Congreso; XXVIII Congreso Argentino de Química, 4º Workshop de Química Medicinal; 2010

Asociación Química Argentina

Introducción Muchos procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial generan como residuos materiales ricos en celulosa. Éstos, por lo general, no tienen valor comercial y además pueden provocar problemas ambientales durante su eliminación o almacenamiento. Los residuos lignocelulósicos ofrecen mayor potencial para la producción de bioetanol que los materiales ricos en sacarosa y almidón debido esencialmente a que su principal componente estructural es la celulosa, carbohidrato susceptible de ser sacarificado y posteriormente fermentado para la obtención de bioetanol. Además, no compiten con la industria alimenticia y reducen la contaminación. La desventaja es que es necesario realizar una etapa de pretratamiento para mejorar los rendimientos de la hidrólisis. Los residuos lignocelulósicos están constituidos por tres polímeros estructurales: celulosa, hemicelulosa y lignina. Contienen además, una serie de compuestos de bajo peso molecular solubles en agua o solventes orgánicos y pequeños contenidos de proteínas y sales minerales. La proporción de estos componentes varía con el tipo de residuo, con las condiciones de obtención y almacenamiento, entre otras. La celulosa constituye la estructura básica o esqueleto de la pared celular de las fibras vegetales, entremezclada con el resto de polisacáridos y lignina. Aproximadamente la mitad del peso de los materiales lignocelulósicos está formado por celulosa. Ésta es insoluble en agua, es higroscópica y sus grupos hidroxilos libres tienen una fuerte afinidad por los solventes polares y pueden disolverse en ellos. En la estructura de la celulosa se alternan zonas cristalinas con zonas amorfas y en su conjunto constituyen el elemento básico de todos los materiales celulósicos: la fibrilla elemental. Las microfibrillas de celulosa, grupo de fibrillas elementales, están embebidas en una matriz compuesta principalmente por lignina y hemicelulosas. Las hemicelulosas son carbohidratos de estructura compleja, compuestas por pentosas (xilosa y arabinosa), hexosas (manosa, glucosa y galactosa) y ácidos urónicos. El componente dominante de las hemicelulosas en plantas agrícolas es la xilosa. Las hemicelulosas tienen menor peso molecular que la celulosa, presentan una estructura ramificada con cadenas laterales cortas y sirven como conexión entre la lignina y las fibras de celulosa otorgándole a la red celular mayor rigidez. Por su carácter amorfo son más reactivas que la celulosa. La lignina es el tercer polímero más abundante en la naturaleza. Es un heteropolímero amorfo tridimensional y su función principal es dar a la planta apoyo estructural, impermeabilidad y resistencia contra el ataque microbiano y estrés oxidativo. Además, actúa como agente permanente de unión entre las células. Es insoluble en agua y termoplástica. Existe una gran variedad de pretratamientos físicos, químicos, bilógicos y combinaciones de estos para eliminar los impedimentos estructurales de acceso a la celulosa en los materiales lignocelulósicos y con ello, lograr el aumento del rendimiento de la etapa de hidrólisis. El objetivo de este trabajo es realizar ensayos de pretratamiento de cascarilla de arroz con soluciones ácidas diluidas en función de la variación de concentración de solución de ácido sulfúrico y tiempo de tratamiento. Materiales y métodos Se impregnaron muestras de cascarilla de arroz con soluciones ácidas diluidas (ácido sulfúrico al 0-0,5-1% p/v) en una mezcla de 5% p/v de sólidos y se las sometió a presiones de vapor de 5 bar. El pretratamiento se realizó en autoclave, a intervalos de 10, 20 y 30 minutos, con una posterior descompresión rápida. Luego se filtraron los sólidos al vacío y se lavaron con agua destilada. Todos los ensayos fueron realizados por duplicado y se analizaron un total de 18 muestras. Se realizó la caracterización química de la materia prima sin tratar y posterior al pretratamiento. La determinación de azúcares (glucosa, xilosa, arabinosa), ácidos orgánicos (fórmico y acético) y productos de degradación (furfural), se realizó mediante cromatografía líquida HPLC, utilizando una columna AMINEX-HPX87H (BIO-RAD) con las siguientes condiciones cromatográficas: - Eluyente: H2SO4 4 mM - Flujo: 0,6 mL/min - Temperatura: 35ºC - Detector: Índice de refracción y Arreglo de diodos La lignina se cuantificó como lignina klason siguiendo procedimientos estándares del National Renewable Energy Laboratory (NREL). Resultados La composición química de la cascarilla de arroz en estado crudo fue: carbohidratos 67,98%, lignina Klason 12,37%, cenizas 15,99% y extractivos 4,69% (sobre base seca). El análisis del liquido residual exhibió un aumento en el contenido de glucosa de 0,415 g/L (pretratado con solución al 0% p/v por 20 min) a 8,367 g/L (0,5% p/v, 10 min), mientras que utilizando soluciones de 0,5% por 30 min y 1% en todos los tiempos, el contenido de glucosa varió solo en 0,777 g/L. Esto se debe a que con soluciones diluidas de ácido se hidrolizan las hemicelulosas y solo las partes amorfas de la celulosa. El contenido en el líquido residual de xilosa (principal componente de las hemicelulosas) aumentó desde 0,179 g/L (0% p/v, 10 min) a 7,715 g/L (0,5% p/v, 10 min) con concentraciones superiores se observó una disminución de xilosa hasta 4,357 g/l pretratada con solución ácida de 1% p/v, 30 min. Esta disminución fue acompañada por la formación de furfural, desde concentraciones no detectables hasta 0,808 g/L en el tratamiento más severo (1% p/v por 30 min). Comportamientos similares se observaron con los ácidos acético (de 0 a 0,92 g/L) y fórmico (de 0 a 0,364 g/L). El contenido de carbohidratos en el sólido pretratado sufrió un leve aumento en función a la concentración de ácido y el tiempo de tratamiento. La fracción de lignina no se modificó, pero pudo observarse un aumento debido a que el porcentaje en el sólido en base al peso seco aumenta por la disminución del contenido de hemicelulosas. Conclusiones Como respuesta al pretratamiento con soluciones diluidas de ácido sulfúrico se halla un aumento en la hidrólisis de hemicelulosas y una posible hidrólisis parcial de la celulosa amorfa. Se espera que estos resultados se reflejen con un aumento en el rendimiento de hidrólisis, ya que de esta forma se obtiene un material más poroso, con mayor área superficial para el ataque enzimático. La optimización de esta etapa involucraría concentraciones y tiempos mayores.