Hidrólisis enzimática de materiales lignocelulósicos

Resumen

La biorrefinería surge como método de producción alternativo en el que se produce la sustitución de las materias primas fósiles no renovables por biomasa. Dentro de los diferentes tipos de biomasa que este tipo de industrias emplean, destaca en los últimos años por su importancia la utilización de biomasa lignocelulósica para la obtención de productos de valor añadido así como de energía, o bien por su consumo directo o bien en forma de combustible. La biomasa lignocelulósica se compone, fundamentalmente, de tres biopolímeros: celulosa, hemicelulosa y lignina. Si bien es posible aprovechar cada una de estas fracciones, la presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de la obtención de los monosacáridos obtenidos de la degradación de la celulosa en su mayor parte, y de la hemicelulosa en menor medida. Aunque existen diferentes procesos posibles para la obtención de estos azúcares fundamentales, entre los que destaca la glucosa, este trabajo hace hincapié en el aprovechamiento del material lignocelulósico mediante el empleo de una secuencia de tres etapas: pretratamiento del material lignocelulósico, hidrólisis enzimática del material pretratado y su posterior fermentación para obtener los productos finales. Una de las etapas más importantes en este proceso es la hidrólisis enzimática. Este proceso, conocido también como sacarificación, se lleva a cabo mediante el empleo de cócteles enzimáticos complejos, en cuya composición se pueden distinguir cuatro tipos diferentes de enzimas: endoglucanasas, exoglucanasas o celobiohidrolasas, betaglucosidasas y enzimas auxiliares. La acción conjunta de estas enzimas permite la despolimerización de la celulosa y la liberación de los azúcares que la constituyen. El presente trabajo evaluará los diferentes fenómenos asociados a la reacción enzimática, haciendo mención especial sobre el efecto de la transferencia de materia en la citada reacción así como en el análisis de los fenómenos involucrados durante la sacarificación y su posterior modelización cinética. El trabajo se dividió en dos partes diferenciadas. En primer lugar, se analizó y modeló la hidrólisis enzimática de un sólido (paja de maíz pretratada) y un cóctel enzimático industrial (Zylase, de Abengoa), empleando reactores tipo tanque agitado para llevar a cabo el proceso. Tras estos experimentos, se determinó el efecto de la transferencia de materia, de la posible inhibición de la actividad enzimática causada por los compuestos presentes, y se propuso un modelo cinético empírico de tipo fractal para la descripción de la evolución del proceso. En la segunda parte del mismo, se planteó la descripción de la hidrólisis enzimática como un proceso en dos etapas: despolimerización del sólido y posterior conversión de celobiosa en glucosa. En primer lugar se describió la etapa final (conversión de la celobiosa en glucosa), y el efecto de la temperatura sobre la misma, y finalmente se propuso un modelo conjunto en el que se estudiaba ambas etapas acopladas entre sí. De los resultados obtenidos se obtuvo un modelo robusto capaz de describir el comportamiento no sólo del sistema de reacción sobre el que se desarrolló, sino que fue capaz también de reproducir los resultados obtenidos para otros sólidos lignocelulósicos. Por lo tanto, se puede concluir del trabajo obtenido, que la hidrólisis enzimática de residuo lignocelulósico es un proceso complejo muy influenciado por la transferencia de materia. Si bien es difícil su estudio fenomenológico, las herramientas aplicadas para el desarrollo del presente trabajo permitieron profundizar de una manera directa en el conocimiento del comportamiento del sistema, pudiéndose alcanzar una mejora sustancial en el mismo.