Bioetanol a partir de materiales lignocelulosicos

Camila Torres1, Diana Chaparro2, Tatiana Vargas3

RESUMEN

En la actualidad se ha podido evidenciar grandes cambios climáticos que han afectado el entorno en forma significativa. Gran parte de esta problemática es debido al uso de combustibles fósiles como el petróleo, gas, y carbón que generan la emisión de gases tóxicos provocando así el efecto invernadero, entre otros fenómenos; por lo cual se necesita estudiar diferentes alternativas de energía que pueda sustentar la gran demanda poblacional y que reduzca la contaminación ambiental. Al considerar el consumo desmedido de este recurso no renovable, se ha propuesto como alternativa la producción de bioetanol buscado ser más eficiente y rentable a partir de implementación de subproductos agroindustriales.

PALABRAS CLAVE: renovable, bioetanol, eficiencia.

ASTRACT

Today has been able to demonstrate major climate changes that have affected the environment in a meaningful way. Much of this problem is due to the use of fossil fuels such as oil, gas, and coal that cause the emission of toxic gases causing the greenhouse effect, among other phenomena; which requires studying different alternatives of energy which will be able to sustain the large demand population and to reduce environmental pollution. In considering the wasteful consumption of this non-renewable resource, has been proposed as an alternative production of bioethanol strived to become more efficient and profitable from implementation of agro-industrial by-products.

KEY WORDS: Renewable, bioethanol, efficiency

1 Facultad de ingeniería. Universidad de América. 2 Facultad de ingeniería. Universidad de América. Dianapao.1994@gmail.com3 Facultad de ingeniería. Universidad de América.

INTRODUCCION

La necesidad de generar nuevas alternativas energéticas ha logrado que se usen materias primas naturales para la formación de biocombustibles en este caso el bioetanol, con el fin de minimizar los riesgos ambientales y conservar los recursos naturales renovables y no renovables. La utilización de productos agrícolas y en esencial los subproductos que estos generan al someterlos en distintos procesos agroindustriales, cuya disposición final es un problema ambiental. De estos subproductos y residuos la gran mayoría corresponde a biomasa lignocelulosa rica en polímeros de celulosa y hemicelulosa entre 75-80% de la cual es compleja su degradación, sin embargo a partir de procesos químicos, físicos o biológicos se desdoblan a azucares monosacáridos para luego llevarlos a etanol.4

Es importante tener en cuenta que para el proceso de fermentación de estos azucares, se deben utilizar procesos viables y rentables en su elaboración, materia prima, economía e implementación de microorganismos, hongos o bacterias modificadas para su producción. Este bioetanol obtenido es de segunda generación, ya que el de primera generación es obtenido a partir de la caña de azúcar, remolacha o granos de cereales quienes constituyen el sustento alimenticio humano y animal; además su disponibilidad es limitada.

OBTENCION DEL ETANOL DE SEGUNDA GENERACION

I. reducción tamaño, si es necesario

II. pretratamiento,

III. hidrólisis de celulosa y hemicelulosa,

IV. fermentación,

V. recuperación y purificación del bioetanol

Estas etapas pueden llevarse a cabo mediante distintas configuraciones de proceso y dentro de cada una de ellas, existen múltiples alternativas.

4 Riaño, A. S., Morales, A. G., Hernández, J. M., & Barrero, C. Producción de bioetanol a partir de subproductos agroindustriales lignocelulósicos.

Fig. 1 Esquema de las etapas de obtención del bioetanol de segunda generación (2G)

¿QUE ES BIOETANOL?

Es un alcohol que se obtiene a partir de la destilación de los carbohidratos provenientes de materia orgánica, principalmente de cereales (maíz, trigo, cebada, centeno), cultivos con alta composición de azúcares (remolacha dulce, caña de azúcar) materia prima de residuos de procesos industriales, agrícolas o forestales con un alto contenido de biomasa y otros producidos específicamente para su obtención5

ORIGEN DE LA LIGNOCELULOSICA

Para conocer la formación y composición especifica de la biomasa lignocelulosica, se debe conocer que es biomasa. Se define biomasa como el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la materia orgánica. Como dicha materia procede de procesos fotosintéticos es de uso renovable, la energía que se utiliza de forma periódica y sin límite de tiempo. Sin embargo hay tres divisiones de la materia orgánica según su origen, la biomasa vegetal, la animal y artificial. La biomasa lignocelulosica se encuentra dentro de la biomasa vegetal enfocándose en los productos agrícolas ricos en almidón, proteínas y azúcares.

5 Biokit Motor, S.L (Empresa española), http://www.biokitmotor.com/info/bioetanol

COMPOSICION DE LA BIOMASA LIGNOCELULOSICA

La mayoría de los materiales lignocelulosicos están compuestos por polímeros, celulosa (C6H 10O5¿¿n, hemicelulosa (C5H 8O4 ¿¿m y lignina (C9H 10O3(OCH3 ¿¿¿0.9−1.7)n con una estructura compleja siendo los más

abundantes en la naturaleza. (Wegener, 1984). La composición típica de la biomasa lignocelulósica se puede definir con una proporción en peso del 48% C, 6% H y 45% O, siendo la materia inorgánica el componente minoritario, aunque dicha composición es variable dependiendo de la procedencia y de los factores medioambientales (Reinoso, 2004) La ventaja del uso de esta biomasa es que es renovable y biodegradable, al ser el resultado de un proceso de fotosíntesis no requiere de una fuente alterna de energía para su optimización siendo un combustible auto sostenible, eficiente, amigable con el medio ambiente y de aprovechamiento solar.

Fig.2. Estructura de la lignocelulosa. La celulosa, la hemicelulosa y la lignina forman estructuras llamadas microfibrillas, organizadas en macro fibras que regulan la estabilidad de la pared celular de las plantas (Rubin, 2008)

CELULOSA

Compuesta por subunidades de D-glucosa de enlaces glucósido siendo un monosacárido representativo en la fermentación. Posee dos estructuras, cristalina (organizada), amorfa (corto alcance).Sus cepas son “empaquetados” denominados fibrilla de celulosa quienes son independientes y se encuentran unidas débilmente por hidrógenos(Laureano-Perez, 2005)

HEMICELULOSACarbohidrato compuestos por polímeros como pentosas (5 carbonos), hexosas (6 carbonos), como lo es la xilosa, arabinosa, manosa, glucosa, galactosa, azúcar y ácidos entrelazadas por enlaces glucósido (Palacio,1956) sirve como un medio de comunicación entre la lignina y las fibras de celulosa dándole rigidez a estas (Laureano-Perez, 2005)

LIGNINAHeteropolimero amorfo que no es soluble en agua y ópticamente inactivo, por lo cual es complicada su degradación; esta consta de tres unidades diferentes de fenilpropano (p- coumaril, coniferil, y sinapil alcohol) que se mantienen unidos por enlaces diferentes

La proporción de los componentes varía dependiendo del tipo de material lignocelulósico como puede observarse en la tabla 1.

TRANSFORMACION DE LOS SUBPRODUCTOS DE BIOMASA LIGNOCELULOSICA

Etapa donde se hace necesaria la hidrolisis enzimática para romper la barrera que forma la lignina en la pared celular de la planta, aumentar el área superficial, reducir la cantidad de lignina y disminuir la cristalinidad de la celulosa. (Chowdary,2001)

PRETRATAMIENTOS

El pretratamiento es una etapa definitiva en el proceso de obtención de bioetanol debido a la compleja estructura de la biomasa lignocelulósica

MECANICO

Trituración mecánica: molienda para reducción de la partícula (tamaño) (Holtzapple, 2000), efecto mínimo en el rendimiento de hidrolisis.

Ultrasonido: extracción de lignina y hemicelulosa a 25 °C, su efecto sobre la biomasa es superficial comparado con otros métodos.

TERMICO

La materia prima es calentada menor a 180 °C donde la hemicelulosa y la lignina son solubilizadas (Bobleter, 1994), si la temperatura aumenta se solubiliza la hemicelulosa (Eickner, 1970), una parte de la hemicelulosa es hidrolizada y forma ácidos, estos son consumidos por los catalizadores (Saddler, 1996).

Explosión por vapor: la materia prima se somete a temperaturas entre 160-260°C,con inyección directa de vapor saturado, se somete a una descompresión, como resultado se obtiene biomasa con alteraciones físicas (degradación y ruptura de fibras) y químicas (despolimerización y ruptura de enlaces) y así una celulosa accesible a hidrolisis enzimática (Murray, 1996)

Agua líquida a alta temperatura: se somete la biomasa a una temperatura de 170-230°C por 46 min, el objetivo principal es solubilizar la celulosa para

hacerla más accesible y evitar la formación de inhibidores manteniendo el pH entre 4 y 7.

FISICO-QUIMICO

Explosión con CO2: se lleva a cabo con altas presiones y temperaturas, en el cual se producen líquidos que pueden hacer ácidos los cuales se hidrolizan, especialmente la celulosa

QUIMICO

Hidrolisis acida: se utilizan catalizadores ácidos para transformar las cadenas de polisacáridos que forman la biomasa en sus monómeros elementales, se emplean ácidos como sulfuroso, clorhídrico, fosfórico, nítrico, y fórmico (Galbe y Zacchi, 2002)

Oxidación húmeda: consiste en la adición de un compuesto oxidante como el peróxido de hidrogeno a la biomasa que se encuentra sumergida en agua, hay se dan reacciones como la sustitución electrofilia, desplazamiento de la cadena lateral, etc. (Shiraishi, 2001)

Hidrolisis con álcali: se lleva a cabo con NaOH diluido donde se sumerge el material lignocelulosico a 60°C, produciendo una hinchazón en la biomasa dando lugar a reacciones como la solvatación, y saponificación. La inflamación de esta la hace más accesible a enzimas y bacterias; estas disoluciones fuertes dan lugar a hidrolisis alcalina, degradación y descomposición

Tratamiento con solventes orgánicos: se mezcla un compuesto orgánico con un ácido inorgánico para romper el interior de la lignina y puentes de hemicelulosa. Se emplean disolventes orgánicos como el metanol, etanol, acetona, etilenglicol, etc. Ácidos orgánicos como oxálico quienes también pueden ser utilizados como catalizadores. (Cardona, 2005)

BIOLOGICO

El material lignocelulosico se somete a la acción de determinadas enzimas o microorganismos, el objetivo es degradar la lignina y la hemicelulosa eliminando la barreras que protegen la celulosa y haciéndola más accesible al ataque enzimático, por lo que se hace necesario como primero el tratamiento con hongos y luego con enzimas

Tratamiento con hongos: se utilizan hongos de podredumbre como marrón, blanco y suave para degradar la lignina y hemicelulosa. La podredumbre marrón ataca la celulosa, mientras que la blanca y la suave ataca tanto la celulosa como la lignina. Los hongos de pudrición blanca (basidiomicetos) son los más eficaces. (al., 1987)

Tratamiento con bio-solventes orgánicos: se emplean hongos y solventes orgánicos, primero para permitir la hidrolisis en la hemicelulosa y segundo para la descomposición de la red de lignina. (Itoh, 2003)

HIDROLISIS ENZIMATICA

Una vez realizado el pretratamiento a la materia prima, se procede a hidrolizar los azucares fermentables, para ello se realizan diferentes técnicas como la hidrolisis acida (ácidos diluidos o concentrados) y la hidrolisis enzimática. En el caso de la hidrolisis acida no es recomendable su utilización ya que se ve afectada por la corrosión, lo cual no sería rentable. Por tanto se implementara la hidrolisis enzimática que se encuentra en condiciones de 45-50°C de temperatura y pH (4-5) óptimo para las enzimas que hidrolizan la celulosa y la hemicelulosa.

FERMENTACION

La fermentación alcohólica es un proceso biológico mediante el cual microorganismos transforman los azucares para obtener como producto final alcohol en forma de etanol y dióxido de carbono. Este proceso se realiza en ausencia de aire (anaerobio)6

6 Practica de laboratorio, crecimiento de microorganismos en cultivo batch, bioprocesos, Adriana Suezca.

Esta etapa consiste en transformar los azucares liberados en la etapa de hidrolisis enzimática del etanol y dióxido de carbono por medio de microorganismos o levaduras, los microorganismos pueden ser cepas que metabolicen azucares de 6 carbonos y de 5 carbonos con el fin de aprovechar el sustrato presente en el medio.7

Fig. 3 Diagrama general para la producción de etanol a partir de materiales lignocelulósicos

7 Escuela de ingenierías industriales

CONCLUSIONES

Se pudo identificar que los desechos agroindustriales que contienen biomasa lignocelulosica generan un gran aporte económico debido a su bajo costo. además de ser una gran solución al problema de su desecho, su implementación para la producción de bioetanol, la hace eco amigable con el medio ambiente

Se pudo observar los diferentes pretratamientos que pueden ser aplicados a la biomasa lignocelulosica para la obtención del bioetanol, donde se puede observar que estas ofrecen grandes beneficios ambientales, además de reducir la cantidad de materia optimizando la producción y ofrecer un potencial económico más rentable.

BIBLIOGRAFIA

Franco, A. G., Yépes, P. N. M., & Sánchez, H. A. V. (2009). Pretratamientos de la celulosa y biomasa para la sacarificación. Scientia et Technica, 2(42).

Riaño, A. S., Morales, A. G., Hernández, J. M., & Barrero, C. R. (2010). Producción de bioetanol a partir de subproductos agroindustriales lignocelulósicos. Tumbaga, 1(5), 61-91.

Bellido Díez, C. (2014). Obtención de bioetanol 2G a partir de hidrolizados de paja de trigo: Fermentación conjunta de los Penta y Hexa carbohidratos con Pichia stpitis.

Enlaces

Tesis doctoral, Universidad de ingenierías industriales https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/4556/1/TESIS501-140301.pdf

PDF – Producción de bioetanol https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/4556/1/TESIS501- 140301.pdf

Conversión de bioetanol, http://www.biokitmotor.com/info/bioetanol