Influencia del pretratamiento de residuos forestoindustriales sobre la producción de bioetanol

Abstract

El interés global por el uso y la producción de biocombustibles ha crecido significativamente en la última década enfocado en la reducción de gases de efecto invernadero. Existen políticas nacionales e internacionales que contemplan subsidios y exención de impuestos, así como directivas respecto a las mezclas que influyen en la producción de biocombustibles. Una biorrefinería forestal puede procesar residuos lignocelulósicos (aserrín, corteza, trozos de madera) para producir energía, productos químicos y biomateriales, análogamente a las refinerías de petróleo. En la región Noreste de Argentina (NEA) la industria de la madera es muy importante y el aserrín (de pino y eucaliptus) es uno de los principales desechos de su industrialización primaria. Se estima que hay 1,5 millones de toneladas secas al año de residuos que no son debidamente aprovechados. La producción de bioetanol de segunda generación a partir de la celulosa (presente en el residuo lignocelulósico) involucra tres etapas básicas: fraccionamiento o pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación. La primera etapa tiene como objetivo extraer hemicelulosas y lignina, evitando la formación de subproductos inhibidores para la hidrólisis y/o fermentación y abrir la estructura del material para mejorar la accesibilidad a los componentes restantes (principalmente celulosa) en las posteriores etapas de procesamiento. Las enzimas (empleadas en la hidrólisis) y el substrato (material pretratado) son los principales factores que influyen en la hidrólisis enzimática, directamente relacionada con el pretratamiento al cual es sometido el material. La hipótesis de este trabajo es que la calidad del material fibroso (específicamente, celulosa de diferente calidad y pureza proveniente de aserrines pretratados) tiene influencia sobre su conversión a bioetanol. El objetivo general de este trabajo es encontrar los requisitos de calidad que debe poseer el material lignocelulósico pretratado para maximizar la conversión a bioetanol mediante procesos técnicamente viables y económicamente y ambientalmente sostenibles. Para esto se empleó aserrín de pino sometido a diferentes pretratamientos, como ser: desresinación alcalina, hidrólisis ácida diluida, soda-AQ (antraquinona), soda-AQ-oxígeno, Kraft-AQ, explosión de vapor (EV, con o sin lavado alcalino posterior), soda-etanol, soda, etanol y combinaciones de algunos de los tratamientos mencionados. El aserrín sin pretratar también fue sometido a hidrólisis enzimática. Luego de determinar la digestibilidad de los materiales, se seleccionaron ocho muestras (en base a su composición química y rendimiento de la hidrólisis enzimática) y se evaluó su cristalinidad y porosidad, por medio de rayos X y termoporosimetría, respectivamente. Todos los pretratamientos aplicados aumentaron el rendimiento de la hidrólisis enzimática (digestibilidad) frente a la hidrólisis del aserrín sin pretratamiento. Los pretratamientos realizados para extraer hemicelulosas o extractivos, como hidrólisis ácida diluida, explosión de vapor y desresinación alcalina, no mejoraron significativamente la digestibilidad. El máximo rendimiento alcanzado fue del 25% a las 72 h con EV, demostrando que la extracción de hemicelulosas participa con un rol menor en la digestibilidad. Por el contrario, los tratamientos fuertemente alcalinos que promovieron mayor remoción de lignina, mejoraron la accesibilidad del material a la acción enzimática. En concordancia, se obtuvieron altos valores de cristalinidad de la celulosa (IC alrededor de 75-76%). Los ensayos de termoporosimetría mostraron que los pretratamientos aumentaron el número de poros pero no su diámetro. El orden de porosidades fue: aserrín sin pretratamiento <Kraft AQ <EV <NaOH AQAQ<<NaOH-EtOH<<NaOHAQ O22. La porosidad, que aumentó tanto con la extracción de hemicelulosas como de lignina, no mostró una clara influencia en la digestibilidad. Se pueden encontrar dos tendencias de la digestibilidad en función del contenido de lignina del material pretratado I) lineal negativa, basada en la remoción de lignina (R2≈0,95) y II) lineal positiva, basada en la extracción de hemicelulosas (R2≈0,94). Además se encuentra una tendencia lineal positiva de la digestibilidad en función del contenido de glucanos del material (R2≈0,86). Considerando una regresión múltiple, el modelo resultante incluye tanto el contenido de lignina como el producto entre lignina y hemicelulosas, ambos con influencia negativa sobre la digestibilidad (R2≈0,95). La fermentación (con Saccharomyces cerevisiae) de los hidrolizados seleccionados, indicó ausenciade inhibidores del proceso fermentativo. El rendimiento al final de la fermentación varió entre 88 y 93%. En la mayoría de los casos estos valores se alcanzaron las 30h, mostrando que los hidrolizados son viables para el proceso de fermentación empleado. El requisito de calidad que debe poseer un material lignocelulósico pretratado es fundamentalmente un bajo contenido de lignina, mientras que el contenido de hemicelulosas influye significativamente solo por interacción con la lignina. Considerando los resultados observados, la mejor opción es aplicar directamente un tratamiento alcalino deslignificante sobre el aserrín para luego sacarificarlo.

The global interest for the use and production of biofuels has significantly increased in the last decade, with special focus on the reduction of greenhouse gases emission. There are national and international policies which include subsidies and taxes exemption as well as directives regarding the mixtures that influence the production of biofuels. A forest biorefinery can process lignocellulosic waste (sawdust, bark, wood chip) to produce energy, chemical products and biomaterials, similar to petroleum refineries. In the Northeast region of Argentina (NEA), the wood industry is very important and sawdust (mainly from pine and eucalyptus) is one of the main wastes of its primary industrialization. It is estimated that there are 1.5 million dry tons per year of waste that are not properly used. The production of second generation bioethanol from cellulose (present in the lignocellulosic waste) involves three basic stages: fractionation or pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. The aim of the first stage is to extract hemicelluloses and lignin, avoiding the formation of inhibitory by-products for hydrolysis and / or fermentation and to open the structure of the material to improve the accessibility to the remaining components (mainly cellulose) during the downstream processes.The enzymes (used in hydrolysis) and the substrate (pretreated material) are the main factors that influence the enzymatic hydrolysis, being the last one closely relatedto the pretreatment to which the material is subjected. The hypothesis of this work is that the quality of the fibrous material (specifically, cellulose of different quality and purity from pre-treated sawdust) has an influence on its conversion to bioethanol. The general objective of this work is to find the quality requirements that the lignocellulosic pretreated material must have to maximize their conversion to bioethanol, using processes technically viable and economically and environmentally sustainable. For this purpose pine sawdust was used and subjected to different pretreatments, such as alkaline deresination, diluted acid hydrolysis, soda-AQ (anthraquinone), soda-AQ-oxygen, Kraft-AQ, steam explosion (SE, with and without a posterior alkaline wash), soda-ethanol, soda, ethanol and a combination of some treatments. The untreated sawdust was also subjected to enzymatic hydrolysis. After determining the digestibility of the materials, eight samples were selected (based on their chemical composition and enzymatic hydrolysis yield) and their crystallinity and porosity were evaluated by means of X-rays and thermoporosimetry respectively. All studied pretreatments increased the enzymatic hydrolysisyield (digestibility) when compared to the hydrolysis of sawdust without pretreatment. The pretreatments accomplished to extract hemicelluloses or extractives as diluted acid hydrolysis, steam explosion, and alkaline deresination did not significantly improve the digestibility. The maximum yield reached was 25% at 72 h with EV, demonstrating that the extraction of hemicelluloses plays a minor role in digestibility. On the contrary, strongly alkaline treatments, which promoted greater lignin removal, improved the accessibility of the material to the enzymatic action. In agreement, high values of crystallinity index (CrI of around 75-76%) were obtained. The thermoporosity studies showed that all pretreatments increased the number of pores but not their diameter. The order found was: sawdust without pretreatment <KraftKraft--AQAQ<EV<NaOHNaOH--AQAQ<<NaOH-EtOH<<NaOHNaOH--AQAQ--OO22. The porosity, which increased with the extraction of both hemicelluloses and lignin, did not show a clear influence on the digestibility. Two tendencies were found with respect to the digestibility of the pretreated material: I) negative linear, based on the removal of lignin (R2≈0.95) and II) positive linear, based on the extraction of hemicelluloses (R2≈0.94). There is also a positive lineal tendency between digestibility and glucans content in the material (R2≈0.86). Using multiple regression, the resultant model considers both lignin content and the product between lignin content and hemicelluloses, with negative influence on the digestibility (R ≈0.95). The fermentation (with Saccharomyces cerevisiae) of the selected hydrolysates indicated that inhibitors of the fermentationwere not presentin any case. The yield at the end of the fermentation varied between 88 and 93%. In most cases, these values were reached at 30h, showing that the hydrolysates are viable for the fermentation process used. The quality requirement that a pretreated lignocellulosic material must have is basically a low lignin content, whereas the content of hemicelluloses is significant only by its interaction with lignin. Considering the observed results, the best choice is to directly apply an alkaline delignifying treatment on the sawdust and then proceed to saccharify it.