avances en biotecnología de hemicelulosa para producción de etanol gabriel j. vargas betancur...

Avances en Biotecnología de Avances en Biotecnología de Hemicelulosa para Producción de Hemicelulosa para Producción de

EtanolEtanol

Gabriel J. Vargas BetancurGabriel J. Vargas BetancurPh.D. en procesos Bioquìmicos

Líder de I+D – Cementos Argos

Agosto de 2014

BIOMASAS RESIDUALESBIOMASAS RESIDUALES

Residuos orgánicos no aprovechados en procesos agrícolas o industriales que poseen potencial para ser utilizados aplicando tecnologías racionales.

BIOMASAS RESIDUALESBIOMASAS RESIDUALES

Residuos orgánicos no aprovechados en procesos agrícolas o industriales que poseen potencial para ser utilizados aplicando tecnologías racionales.

Residuos AgroindustrialesMateriales Lignocelulósicos

Hemicelulosa

Como utilizar???

““BIOREFINERÍA”BIOREFINERÍA”

Aplicación de conceptos propios de refinería utilizando biomasas como matriz energética en lugar del petróleo

Aplicación de múltiples etapas para o utilización integral de biomasas con el objetivo de producir diversos compuestos de interés industrial.

Beneficios de Tecnologías de Beneficios de Tecnologías de Conversión de Biomasas Conversión de Biomasas

ResidualesResiduales

Abundantes y baratas;

Oportunidad para el desarrollo de industrial basada en el concepto de “BIOREFINERÍA”;

Reducción de las emisiones gaseosas que causan el efecto de invernadero;

Por definición son tecnologías limpias;

Promueven beneficios macroeconómicos para las comunidades rurales y para la Sociedad como un todo;

Están inseridas en el contexto de Desarrollo Sustentable.

Composición Básica de Composición Básica de

Materiales LignocelulósicosMateriales Lignocelulósicos

Celulosa

HemicelulosaLignina

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa

Fonte: Shleser (1994)

Celulosa

HemicelulosaLignina

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa




Celulosa

O

OHHO

CH2

O

H

O O

H2CO

H

OHOOH O

OHHO

CH2

O

H

O O

H2CO

H

OHHO

OO

CH2

OH

HO OH

O

OO

HO

CH2

OH

O H

O CH2

OH

HOOH

O

Celobiose

Celobiosa

Puentes de hidrógeno

intermolecular

Puentes de hidrógenointramolecular

Pereira (1991)



Celulosa

HemicelulosaLignina

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa




LigninaMacromolécula aromática compleja e hidrofóbica de enlaces cruzados, derivada de la polimerización deshidrogenativa de tres alcoholes. Poder calórico 3,5 veces mayor a el bagazo.

CH2OH

H3CO

HOCH2OH

H3CO

HO

H3CO

CH2OH

HO

alcohol trans-coniferílico alcohol trans-sinapílico

alcohol trans-para-cumarílico

Peñuela (2004)



O

OCH3

H2CO

CO

CHCH

CH

O

H2COH

H2COH

O

CH

CH

CH2OH

O

CH3O OCH3

HC HC

HC

CH2OHO

CH2

H3CO OCH3

OH

OHC

CH2OH

CHO

OCH3

OCH3

O

H2COH

CO

CH

H3CO

O CH

CH

CH2OH

CH3O OCH3

O

CH

CH2OH

CHO

OCH3

H3CO

HC

CH2OH

CH

CH3OOH

OCH3 O

CH COOHHOCH

CO

HC

CH2OH

O

O

CH

CO

CH2OH

CH3OO CH

HC

CH2OH

O

CH3O OCH3

OH

OCH3

CH

HC

CH2OH

OCH3

O CH

HC

O

CH CHOHOCH2

CH3O

CH2O

COHCHOCH2

O

OCH3CH3O

HOHC

HC

HOH2C

OCH3

O CH

HC

OCH3

CH2OH

O

OCH3

HC O

HC

HOH2C

OH

CH

CH

CHO

OOCH3CH3O

HC

HC

H2C

OCH2

CH

CHO

OCH3CH2O

O CH

CH

CH2OH

O

OCH3CH3OOH

CH3O

HC O

HC

HOH2C

CH

HC

CH2OH

OCH3

HC

HC

CH2OH

CH3O OCH3

O-

CH

CH2OH

HC

OH

OCH3

a1

CH2

HC

CH3O OCH3

O-

CH

CH2

OH

OCH3

CH2H2C

O

a5

Alcohol trans coniferílico

Alcohol cumárico

Alcohol sinafílico





Celulosa

HemicelulosaLignina

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa


HemicelulosaCombinación de polisacáridos de baja masa molecular, principalmente Xilanas, Arabinoxilanas, Glucouranoxilanas y también Arabinoglucouranoxilanas, Glucomananas, Galactoglucomananas, Arabinogalactanas.

Composición HemicelulosaComposición Hemicelulosa

furanose

Grupo Acetil

Grupo Acetil

Xilobiosa

-Arabinofuranosa

Ácido Glucurínico Ácido Glucurónico

H

H

OHH

OH

H

H

OO

OCH3

H

OHH

OHH

O

OOHO

H

OCH3

H

O

H

H OH

OH

OHO

H

H

OH

H

H

OH

H

OHH

OHH

O

OOHO

H

OCH3

H

H

OHH

H

H

OO

H

H

OHH

OH

H

H

OO

H

H

H

H

OH

OO

H

H

OHH

H

OH

OO

H

H

OHH

H

H

OO

H

H

H

H

OH

OO

OCH3

H

H

OHH

OH

H

H

OO

H

H

OHH

OH

H

H

OO

D’almeida (1998)

Hemicelulosa – monómeros constituyentes

Composición HemicelulosaComposición Hemicelulosa

D’almeida (1998)

-D-Manosa

OH

OH

H

OH

OH

HH

OH

CH2OH

H

-D-Xilosa

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

H

H

-D-Glucosa

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

-D-Galactosa

OOH

H

H

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

-L-Arabinosa

(Furanosa)

OH

CH2OH

OH

OHO

O

OH

HOH

H

H

HH

HO

OH

H

Ácido -D-

Galactourónico

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

COOH

H

Ácido -D-Glucourónico

OOH

H

H

OH

H

OHH

OH

COOH

H

Ácido -D-4-o-Metilglucourónico

O

H

OHH

OH

COOH

HH

H3CO

H

OH

-L-Arabinosa

(Piranosa)

Sung & Cheng (2002); Pandey et all. (2000).

Composición (%) Fuente

Celulosa Hemicelulosa Lignina Otros Cenizas

Bagazo de caña 33-36 28-30 18-20 4-6 2-4,8

Follaje de arroz 32-37 19-24 9-13 4-5 12-18

Mazorca de maíz 34-36 16-24 15-19 2-6 2-4

Follaje de trigo 30-33 22-28 14-18 3-7 3-7

Follaje de sorgo 34-36 25-26 25-26 - -

Papel impreso 40-55 25-40 18-30 - -

Maderas ~50 ~20 15-20 hasta 10 hasta 5





(Singh et. al., 2014)



Mazorca

de Maíz

Follaje

de Trigo

Follaje

de Arroz

Bagazo

de Caña

Semilla de

algodónPapel

Residuos Urbanos

Carbohidratos (%)

glucosa 39,0 36,6 41,0 38,1 20,0 64,4 40,0

manosa 0,3 0,8 1,8 n.a. 4,1 16,6 8,0

galactosa 0,8 4,4 0,4 1,1 0,1 n.a. n.a.

xilosa 14,8 19,2 14,8 24,3 4,6 4,6 14,0

arabinosa 4,2 4,4 4,5 4,5 4,3 0,5 4,0

No - carbohidratos (%)

lignina 15,1 14,5 9,9 18,4 17,6 21,0 20,0

cenizas 4,3 9,6 4,4 4,8 14,8 0,4 1,0

proteína 4,0 4,0 n.a. 4,0 4,0 n.a. n.a.

Celulosa y Hemicelulosa

Son solubles en álcalisEs insoluble en álcalis

Son atacadas rápidamente por ácido inorgánico diluido a temperatura moderada

Es atacada lentamente por ácido inorgánico diluido a alta temperatura

Presenta solamente regiones amorfas

Presenta regiones cristalinas y amorfas

No forma fibrasForma fibras

Bajo grado de polimerización (100 a 200 unidades)

Alto grado de polimerización (8000 a 14000 unidades)

Consiste en varias unidades de pentosas e hexosas

Consiste en unidades repetitivas celobiosa con enlaces β 1-4

HEMICELULOSAHEMICELULOSACELULOSACELULOSA

Potencial Tecnológico de Potencial Tecnológico de


CONVERSIÓN

QUÍMICA

Polioles

Glicoles

Furfural

Metil etil cetona

Etileno

Propileno, etc

PRETRATAMIENTO:

Mecánico

Termomecánico

Termoquímico (alcalino o ácido)

HIDRÓLISIS

QUÍM. O ENZ.

LIGNINA

HEMICELULOSA

PARCIALMENTE

HIDROLISADA

GP: 2-10

MATERIAL LIGNOCELULÓSICO

HIDRÓLISIS

QUÍM. OU ENZ.

CONVERSIÓN QUÍMICA

Emulsificantes, Dispersantes, Secuestrantes,

Ligantes, Aromáticos etc.

CONVERSIÓN

BIOLÓGICA

Combustibles

Solventes

Ácidos orgánicos

Polioles

Dioles

Bio-polímeros

Enzimas, etc

CELULOSA

HIDROLISADA

C6

HEMICELULOSA

HIDROLISADA

C5 y C6

Combustible

Disponibilización de los Monómeros Disponibilización de los Monómeros de la Hemicelulosade la Hemicelulosa

Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Químicos:

Hidrólisis Ácida

Ozonólisis

Hidrólisis Alcalina

Deslignificación Oxidativa

Proceso Organosolv


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida

Etapa netamente mecánica para disminuir el tamaño de partícula

Utilizada como etapa previa

No hay separación selectiva de fracciones


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida

Descomposición térmica

No hay separación selectiva de fracciones

Los monómeros son fragmentados a moléculas simples

Utilizado para obtención de alquitrán

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Compresión con vapor de agua y descompresión rápida

Liberación de Xilosa 10%, Xilo-oligosacáridos (GP 2-10) 90%

Aumento de la digestibilidad

Liberación de ácido acético y ácidos urónicos

Araújo Neto (1992)

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2, SO2

Compresión con vapor de agua y descompresión rápida usando catalizadorusando catalizador

Liberación de Xilosa aumentada, Mayor hidrólisis y separación de derivados de lignina


AFLEX

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2, SO2

Compresión con vapor de agua y descompresión rápida usando catalizadorusando catalizador

Liberación de Xilosa aumentada, Mayor hidrólisis


Formación de ácidos correspondientes

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Utilizado para separar selectivamente lignina de la matriz sólida


Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Utilizado para separar selectivamente lignina de la matriz sólida

Hidroliza la fracción hemicelulósica

Aumento de la digestibilidad por la reducción de la cristalinidad de la celulosa

Es necesario el uso de grandes cantidades de hidróxido

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Utiliza enzimas peroxidasas en presencia de H2O2 para degradación de lignina


Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Es utilizada una mezcla de ácido y solvente orgánico (principalmente etanol)

Separación selectiva de lignina y hemicelulosa por rompimiento de enlaces internos

Químicos:

Ozonólisis



Proceso Organosolv

Hidrólisis Ácida


Físicos:

Trituración

Pirólisis

Físico-Químicos:

Explosión a vapor

(Autohirólisis)

Explosión - amonio

Explosión - CO2

Tratamiento térmico donde la hidrólisis es catalizada con ácidos

Hidrólisis 100%

Formación de Inhibidores

Pre-tratamientos y ventajasPre-tratamientos y ventajas

(Girio et. al., 2010)

Variables Relevantes en la Hidrólisis Ácida

Altas concentraciones de XilosaAltas concentraciones de XilosaElevadas eficiencias de hidrólisisElevadas eficiencias de hidrólisis

Baja formación de inhibidoresBaja formación de inhibidores

Concentración de Ácido

hasta 10% (v/v)

Tipo de Ácido

HH22SOSO44, , H3PO4, HCl, HNO3

Relación Sólido:líquido

1:20 – 1:2

Tiempo de Exposición

Temperatura

Entre 98°C y 270°C

Producción de Inhibidores Durante Producción de Inhibidores Durante la Hidrólisis Ácidala Hidrólisis Ácida

Parajó et al. (1998)

Furfural

CHOHOH2C

Celulosa

Ácido p-hidroxibenzóicoÁcido m-hidroxibenzóicoÁcido vanilínico Ácido siríngicop-hidroxibenzaldehido VanilinaÁcido cinámico SiringaldehidoÁlcohol coniferílico Álcohol sinapílico

Lignina

Hidroximetil furfural

Ácido acético e Acetalhdeído

CHO

OH

O

Hemicelulosa

H

O

Avances en Hidrólisis Ácida

Optimización de las condiciones relevantes en hidrólisis ácida:Delineamiento central compuesto.

Niveles

Variables Inferior Superior

Temperatura (°C) 111 121

Tiempo (min) 20 40

Rel. Sol:liq (g:mL) 1:7 1:2

Con. H2SO4 (%vv) 1 3

Vargas (2005)


Vargas (2005)

Superficies de Respuesta

Xilosa98,79,7 g/L

Xilosa107,8 g/L

25,0 g/L (Lin et. al., 2012)


POLIOLESXilitol

ArabitolGlicerol

ÁCIDOS ORGÁNICOSÁcido acéticoÁcido láctico

Ácido succínicoÁcido butírico

COMBUSTIBLES Y SOLVENTES

EtanolButanol

2,3 butanodiolAcetonaPropanol

1,2 propanodiol

SCP – Proteína Unicelular

Metano

Xilosa isomerasaXilanasas

Blazej & Biely (1987)

Potencial Biotecnológico Potencial Biotecnológico de la Xilosade la Xilosa

POLIOLESXilitol

ArabitolGlicerol




EtanolEtanolButanol


1,2 propanodiol


Metano




PORQUE ETANOL? PORQUE ETANOL?

El precio del petróleo alcanzó niveles que inviabilizan el crecimiento autosustentable de países en desarrollo;

Existe un creciente interés por fuentes renovables de energía;

Necesidad de dar valor agregado a biomasas residuales, cuja generación tiende a aumentar;

Posibilidad de incrementar la producción de etanol sin aumentar las areas de cultivo o competir con cultivo de alimentos;

O preço do barril de petróleo ultrapassou US$ 78,44 (o equivalente a cerca de R$ 168,83) na Bolsa de Londres nesta segunda-feira, depois do anúncio de que a BP (British Petroleum) terá de fechar um dos maiores campos dos Estados Unidos devido a um vazamento em um oleoduto

Preço do barril de petróleo ultrapassa US$ 78

Importancia del Bioetanol e su producción a partir Importancia del Bioetanol e su producción a partir de Residuos Lignocelulósicosde Residuos Lignocelulósicos

Commodity de alta pureza;

Fácil transporte e almacenamiento;

Fácilmente miscible con agua;

Bajo peligro de explosión;

Fácilmente oxidable;

Puede ser utilizado como bloco de construcción en

procesos químicos e bioquímicos (Biotecnología).

Ventajas IndustrialesVentajas Industriales

ETANOLETANOL

Somavilla & Gomes Neto (2005)

EtanolEtanol

CombustibleCombustible

Aditivo para Aditivo para GasolinaGasolina

Solvente

Perfumes

Cosméticos

Barnices

Fármacos

Detergentes

Tintas

Revestimientos Productos derivados

EtanoaminasEtilaminas

Glicoles Éteres de glicoles

Ésteres de acetato

Etilpropenoato Biotransformación

Limpiadores

Tintas

Fibras de poliéster

Anticongelante

Polímeros acrílicos Fármacos

Adhesivos

Tintas

Saborizante

Solvente de resinas

Fibras de poliéster

Aminoácidos

Acido acético

Vitaminas

Surfactante

Fármacos

Cosméticos

Purificación de gás

Bebidas

Aplicaciones – bloco de construcciónAplicaciones – bloco de construcción

Fairbanks (2005); MAPA (2006); Gazeta Mercantil (mar 2007);World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007)

Brasil

USA

0

4

8

12

16

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

Pro

du

cció

n d

e E

tan

ol

(billo

nes lit

ros)

5454%

36%36%

2006

1818,1

17,3

Producción Brasileña y Norte Americana de Etanol

20102010

Brasil: Brasil: 336 plantas en 336 plantas en operación + 73 plantas operación + 73 plantas en construcción (BUS$ en construcción (BUS$ 14,6)14,6)

USA: USA: 114 plantas en 114 plantas en operación + 80 plantas operación + 80 plantas en construcción (BUS$ en construcción (BUS$ 16)16)

Fairbanks (2005); MAPA (2006); Gazeta Mercantil (mar 2007);World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007)

Producción Brasileña y Norte Americana de Etanol

20102010

Brasil: Brasil: 336 plantas en 336 plantas en operación + 73 Usinas operación + 73 Usinas en construcción (BUS$ en construcción (BUS$ 14,6)14,6)

USA: USA: 114 plantas en 114 plantas en operación + 80 Usinas operación + 80 Usinas en construcción (BUS$ en construcción (BUS$ 16)16)

Panorama de la ProducciónPanorama de la Producción Mundial de EtanolMundial de Etanol

Renewable Fuels Assosiation (2014) - Reporte para el año de 2013

CO2

Caldo

Bagazo

Líquido

CélulasCaldera

Vapor

Electricidad

Adecuación de azúcares

Caña de azúcar

Trituración o difusión

Clarificación

BioconversiónBioconversión

Separación de fases Secado

Ración animal

Etanol Etanol HidratadoHidratado

Destilación

Deshidratación

Etanol AnhidroEtanol Anhidro

Viñaza

Materias primas

tradicionales

Caña de azúcar (Brasil)

Pereira Jr. (1991), Vargas (2005)

Tecnología para la Producción de EtanolTecnología para la Producción de Etanol

Sólido residual

CO2

Caldo

Líquido

Células


Caña de azúcar


Clarificación



Ración animal

Cocimiento

Trituración

Material amiláceo


Destilación

Hidrólisis

Deshidratación


Viñaza

Nuevastecnologías

Materias primas

tradicionales


Maíz (Estados Unidos)

Pereira Jr. (1991), Vargas (2005)


Bagazo

Caldera

Vapor

Electricidad

Sólido residual

CO2

Caldo

Bagazo

Líquido

Células

Materiallignocelulósico

Trituración

Pretratamiento

Sólidoresidual

Caldera

Vapor

Electricidad


Caña de azúcar


Clarificación



Ración animal

Cocimiento

Trituración

Material amiláceo


Destilación

Hidrólisis

Deshidratación


Viñaza

Nuevastecnologías

Nuevastecnologías

Materias primas tradicionales


US$ 0,20/L

Maíz (Estados Unidos)

US$ 0,47/L

Europa

US$ 0,53/L

Nuevas alternativas

Materiales

lignocelulósicosPereira Jr. (1991), Vargas (2005)


Proceso de Producción de EtanolProceso de Producción de Etanol

Estrategia de corrientes separadasEstrategia de corrientes separadas

PretratamientoPretratamiento Hidrólisis de Celulosa

Material Lignicelulósico

Hidrólisis de Hemicelulosa

Fermentación C5

Fermentación C6

Recuperaciónde Etanol

Destoxificación


Grado de severidad – Optimización del pre-tratamiento ácidoGrado de severidad – Optimización del pre-tratamiento ácido

40

50

60

70

80

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0Grado de severidad

Efi

cie

ncia

de h

idró

lisis

(%

)


Nivel alto Nivel baixo No significativa

etanol/xilitol

Nível recomendado

Variáble de Respuesta para el Proceso hidrolítico

Objetivo Concentración

ácido Relación

S:L Tiempo

Concentración de xilose Maximizar

Eficiencia de hidrólisis Maximizar

Concentración de ácido acético Minimizar

Concentración de Furfural Minimizar

Concentración de 5-HMF Minimizar

Concentración de polifenles Minimizar

Variábles de Respuesta para la Fermentabilidad de hidrolisados

Concentracion de Etanol Maximizar

Concentración de Xilitol Minimizar

Relación Maximizar




Condiciones Condiciones evaluadas

Concen. Ácido (% v/v) 1,09

Rel. S:L (g:mL) 1:2,8

Tiempo (min) 27

VariábleValores

predichosResultados

Experimentales

Conc. Xilosa (g/L) 54,61 ±4,20 50,13

Eficiencia de Hidrólisis (%)

66,40 ±4,84 60,24

Polifenles (mg/L) 1,92 ±0,39 1,18

Conc. Ácido Acético (g/L) 5,65 ±0,64 6,04

Conc. HMF (g/L) 0,05 ±0,01 0,09

Conc. Furfural (g/L) 0,48 ±0,02 0,55

Conc. de Etanol (g/L) (20,58 ±0,80) 19,05

Conc. de Xilitol (g/L) 2,77 ±0,49 2,86

Etanol/xilitol (g/g) 5,61 ±0,26 6,66

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40

Tempo (horas)

Ma

ss

a c

elu

lar,

xilo

se

(g

/L)

0

5

10

15

20E

tan

ol,

xili

tol (

g/L

)

Xilose

Massa celular

Etanol

Xilitol






Fermentación C5

Fermentación C6


Destoxificación

Procesos de destoxificaciónProcesos de destoxificación:

Arrastre por vapor

Extracción con éter

Evaporación al vació

Extracción con acetato de etila

Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado

Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5

Mallas molecularResina de intercambio catiónico

Resinas de lecho mixtoResinas catiónicas/aniónicas



Destoxificación


Arrastre por vapor










Destoxificación

Remoción de compuestos volátiles

furfural, fenoles, ácido acético


Arrastre por vapor










Destoxificación

Remoción de Furfurales


Arrastre por vapor










Destoxificación

Remoción de ácido acético


Arrastre por vapor










Destoxificación

Remoción de productos generados por la degradación de lignina


Arrastre por vapor










Destoxificación

Reducción de la concentración de ácido acético

Pérdida azúcares


Arrastre por vapor










Destoxificación

“Overliming”

Precipitación de acetato, metales pesados, taninos, furfurales, terpenos y fenoles


Arrastre por vapor










Destoxificación

Remoción parcial de ácido acético, furfurales, lignina soluble e iones

Involucran altos costos



Destoxificación

ACLIMATACIÓNACLIMATACIÓN

8

9

10

11

12

13

14

0 20 40 60 80

Tempo (h)

Bio

massa

(g/L

)

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80Tempo (h)

Xilo

se

(g/L

)



Destoxificación

ACLIMATACIÓNACLIMATACIÓN

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80Tempo (h)

Eta

nol (

g/L

)



Destoxificación






Fermentación C5

Fermentación C6


Destoxificación


Estrategia de corrientes separadasEstrategia de corrientes separadas – Metabolismo C5

Fermentación C5

3 C5H10O5 5 C2H5OH + 5 CO2

1g 0,511 g 0,489 g

Bioquímica del Metabolismo

XR: xilosa redutasa; XD: xilitol deshidrogenasa; XI: xilosa isomerasa

NAD+ NADHNADPH NADP+

XILOSA XILITOL XILULOSA XR XD

XI


Estrategia de corrientes separadasEstrategia de corrientes separadas – Metabolismo C5

Fermentación C5

D-xilulosa-5P

Ciclo oxidativo (Regeneración de NADPH)

Reacción no oxidativa - conversión de pentosas fosfato en triosas y hexosas fosfato

Vía Embden-Meyerhoff-Parnas

Gliceraldehído-3P Frutosa-6P

Etanol + CO2Piruvato

NADH NAD+

AnaerobiosisAerobiosis

Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos

Vía de las Pentosas-Fosfato.

D-xilulosa

ATP ADP

Xilulosa quinasa

Parajó et al. (1998)

Regeneración de NAD+ e ATP


Estrategia de corrientes separadasEstrategia de corrientes separadasFermentación por Pichia stipítis

Fermentación C5

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40

Tempo (h)

Xilo

se,

Ara

bin

ose

e G

licose

(g/L

)

0

10

20

30

40

50

Bio

mass

a,

Eta

nol e X

ilito

l (g

/L)

Xilose

Glicose

Arabinose

Xilitol

Etanol

Biomassa


Estrategia de corrientes separadasEstrategia de corrientes separadasFermentación por Pichia stipítis

Fermentación C5

Linhagem *S o

(g/L) Tempo

(h) Etan ol (g/L)

Y P/S (g/g)

QP (g/L.h)

R eferencia

P. stipitis CBS 5773 43,0 20 16,3 0,38 0,82 Parekh (1987)

P. stipitis CBS 5776 54, 0 72 12, 3 0, 23 0, 19 Bjorling (1989)

P. stipitis CBS 5776 50, 0 72 18, 0 0, 36 0, 25 Bjorling (1989)

P. stipitis CBS 5774 149,5 70 58 ,6 0,41 0,85 Brito (2000)

P. stipitis NRRLY - 7124 67,5 100 18,0 0,35 0,18 Nigam (2002)

P. stipitis NRRLY - 7124 56,7 46 20,2 0,41 0,44 Mussato (2004)

P. stipitis CBS 5774 (a) 60,1 27 25,8 0,38 0,97 Vargas (2005)

P. stipitis CBS 5774 (b) 82,3 55 34,8 0,48 0,63 Vargas (2005)

P. stipitis CBS 5774 (c) 120,1 36 38,9 0,32 1,10 Vargas (2005)



Fermentación C5






Fermentación C5

Fermentación C6







Fermentación C5

Fermentación C6


Proceso SSFProceso SSF

Fermentación y Etanol de hidrolizado de hemicesulosa no destoxificado utilizando Pichia stipitis floculante

QQPP=0.8 g/L.h=0.8 g/L.h QQPP=1.8 g/L.h=1.8 g/L.h

Fermentación alcohólica de celulosa hidrolizada enzimaticamente por proceso SSF con Saccharomyces cerevisiae

Etanol de “jugo” de caña Etanol de “jugo” de caña (sacarosa) (sacarosa) Q QPP= 5 a 8 g/L.h= 5 a 8 g/L.h

Producción de etanol a partir de Producción de etanol a partir de hemicelulosa y celulosahemicelulosa y celulosa

70 g/L EtOH

35 g/L EtOH

Peñuela, 2011

Producción de etanol a partir de Producción de etanol a partir de hemicelulosa y celulosahemicelulosa y celulosa

Maeda et. al., 2013

SSF Fed bathSSF Fed bath

Co-

Fermentación

De C5 y C6


PerspectivasPerspectivas

Cofermentación de Hexosas y PentosasCofermentación de Hexosas y Pentosas




Fermentación C5

Fermentación C6



PerspectivasPerspectivas

Bioproceso Consolidado (CBP)Bioproceso Consolidado (CBP)


Co-

Fermentación

De C5 y C6




Producción de enzimas,

Hidrólisis de Hemicelulosa y Celulosa,

Cofermentación de C5 y C6

POLIOLESXilitol

ArabitolGlicerol




EtanolButanol


1,2 propanodiol


Metano




Propiedades del xilitol:

Estabilidad química e microbiológica;

Agente descongestionante;

Tratamiento de la osteoporosis, diabetes, obesidad;

Poder endulzante;

Causa sensación de frescura;

No causa caries dental y adicionalmente potencializa varios

mecanismos naturales de defensa contra la caries;

Combate la bacteria Streptococcus pneumoniae, a

principal causante de infección en el oído medio y sinusitis.


Hidrólisis

Hidrogenación catalítica

Destoxificación

H2

Catalizador ácido o Biológico

Separación y purificación

Xilitol

Conversión Biotecnológica

Enzimas y/o microorganismos

Xilana de material lignocelulósico

Separación y purificación

Productos de Reacción

Purificación de xilosa

Xilosa en solución

Ruta Química Ruta Biotecnológica


POLIOLESXilitol

ArabitolGlicerol




EtanolButanol


1,2 propanodiol


Metano




Ácido Succínico

Estimuladores de crecimiento

Substitutos de sal

Acidificantes

Solventes verdes

Productos farmacéuticos

Detergentes y

surfactantes

Inhibidores de corrosión

Ácido adípico

Poliéster 4,4 Ésteres

Solventes

1,4-Butanediol

2-Pirrolidiona

-Butirolactona

Dimetil/Dietil Succinato

Tetrahidrofuranos

Ácido4-Aminobutanóico

Maleimida Anhídrido maléico

Ácido málico Ácido fumárico

Ácido maléico

Ácido Aspártico

Ácido itacónico

Succinimida

Hidroxisuccinimida

Especialidades


HidrólisisFermentación

Etanol

FermentaciónÁc. succínico

Recuperación de productos

Xilosa

Azúcares

Etanol

Ácido succínico

Materiallignocelulósico

CO2

Proteína


POLIOLESXilitol

ArabitolGlicerol




EtanolButanol


1,2 propanodiol


Metano




XILANASASXILANASASPropiedades de Endo-xilanasas de

mesofílicos y termofílicos

MM (KDa) 23-160

T (oC) óptima 40-75

pI 3,3-10,0

pH óptimo 2,0-9,0

Propiedades de -xilosidasas de mesofílicos y termofílicos

MM (KDa) 85-225

T (oC) óptima 45-70

pI 4,0-6,0

pH óptimo 5,5-7,0


Aplicaciones Industriales de Xilanasas

• Sector de Papel & Celulosa:Sector de Papel & Celulosa:

Reducción del impacto ambiental

• Sector Alimenticio:Sector Alimenticio:

Aumento da extracción de aceites comestibles;

Mejora a maleabilidad de la masa de productos de panificación y galletería;

Aumenta la digestibilidad de raciones para animales;

Mejora la clarificación de jugos.


Celulosa

Retos Tecnológicos aliados al desarrollo de Retos Tecnológicos aliados al desarrollo de

del concepto de BIOREFINERÍAdel concepto de BIOREFINERÍA

HemicelulosaLignina

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2

Lignina

Celulosa

Hemicelulosa




Etanol de tercera generación



Etanol de tercera generación

Maria Enquist-Newman et. al., 2014

Avances en Biotecnología de Avances en Biotecnología de Hemicelulosa para Producción de Hemicelulosa para Producción de

EtanolEtanol

Gabriel J. Vargas BetancurGabriel J. Vargas BetancurPh.D. en procesos Bioquìmicos

Líder de I+D – Cementos Argos

Agosto de 2014

avances en biotecnología de hemicelulosa para producción de etanol gabriel j. vargas betancur...

Documents