Pretratamiento de extrusión reactiva para la producción de bioetanol a partir de paja de cebada

Resumen

Este trabajo se enmarca en el desarrollo de procesos biológicos para la producción de bioetanol como combustible alternativo a partir de biomasa lignocelulósica, concretamente de paja de cebada. El estudio se centra en la etapa de pretratamiento de la biomasa y tiene como objetivo estudiar la aplicación de un tratamiento prometedor basado en un proceso termo-mecánico, que puede suponer una alternativa viable a otros pretratamientos convencionales y un avance en lo que se refiere a la integración de las distintas etapas del proceso de producción de etanol. Así, a lo largo de los diferentes capítulos de este trabajo se desarrolla un pretratamiento de extrusión con agentes químicos y biológicos de la paja de cebada, desde las etapas iniciales de puesta punto del equipo y selección de rangos de operación, hasta la máxima integración que supone la introducción de enzimas dentro del extrusor, pasando por la definición, evaluación y optimización de diferentes configuraciones intermedias del proceso. La efectividad del pretratamiento de extrusión en las diferentes estrategias estudiadas se evalúa determinando la producción de azúcares a partir de los sustratos de paja de cebada extrusada, en ensayos de laboratorio de hidrólisis enzimática (HE) con enzimas comerciales. Igualmente, se evalúa el potencial de producción de etanol en estos sustratos mediante ensayos de licuefacción más sacarificación y fermentación simultáneas (LSFS) con el microorganismo Saccharomyces cerevisiae. En una primera fase de la investigación se definió un proceso de extrusión con NaOH, filtración dentro del extrusor y una etapa posterior de lavado para la neutralización del sustrato pretratado. Los sustratos extrusados producidos en esta configuración presentaban un mayor contenido en carbohidratos y una digestibilidad enzimática mejorada respecto de la paja de cebada sin tratar. En esta configuración se optimizaron las variables de operación, temperatura (T) y relación de NaOH a biomasa de paja de cebada (%p/p, R), siguiendo un diseño de experimentos factorial 23, con el fin de maximizar el rendimiento de hidrólisis enzimática (RHE) en base a la glucosa. Para ello, se llevaron a cabo ensayos de HE con enzimas comerciales (Cellic CTec + Cellic HTec, proporción 9:1 en base al contenido en proteínas, adición de 10 mg prot/g extusado) a 50ºC durante 72h, y se determinó la liberación de glucosa. El máximo rendimiento calculado tomando como base la glucosa potencial fue un 89% del teórico, en las condiciones óptimas de 68ºC de temperatura y una relación R = 6%. A continuación se sustituyó la etapa de lavado externa por una neutralización con H3PO4 diluido dentro el extrusor, evaluándose el efecto de incluir o no una etapa de filtración dentro del extrusor. Por una parte, se estudiaron los cambios producidos en la composición de la biomasa tras la extrusión en relación a la materia prima. Por otra parte, se estudió el potencial de producción de azúcares y etanol de los extrusados producidos en esta configuración a 68ºC y 8%R, en ensayos de HE y LSFS a distintas cargas de sólidos. Las enzimas utilizadas fueron Cellic CTec2 y Cellic HTec2, mezcladas en una proporción 9:1 en base al contenido en proteínas, y se añadieron 20 mg de proteína de la mezcla por cada gramo de extrusado seco. Los ensayos de HE se realizaron como se describió anteriormente y los de LSFS se llevaron a cabo mediante incubación del extrusado con las enzimas a 50ºC durante 24h, tras las que se realizó la inoculación con S. cerevisiae (1 g/L) y se incubó durante 72h adicionales a 35ºC. En esta configuración con neutralización integrada se alcanzaron RHE de glucano del 63% del teórico y de xilano del 60% del teórico a las 48h, en ensayos con una concentración de sólidos del 20% p/v. En estas mismas condiciones de carga de sólidos, la producción de etanol mediante LSFS dio como resultado una concentración de 25 g/L de etanol. Esta configuración se ensayó satisfactoriamente en una planta piloto de capacidad máxima 100 kg/h de biomasa, si bien al pasar a una escala mayor se produjeron algunos cambios en el balance de materia del proceso. En una última etapa de desarrollo del pretratamiento, se propuso una configuración en la que, tras la extrusión alcalina y posterior neutralización, se llevó a cabo en el material extrusado una extrusión con el cóctel de enzimas comerciales Cellic CTec2 suplementado con Cellic HTec 2 (carga de enzimas añadida 40 mg prot/ g extrusado seco). Los materiales producidos (bioextrusados) resultaron tener una fracción soluble incrementada respecto de los extrusados alcalinos neutralizados y presentaron una alta capacidad de producción de azúcares, principalmente en forma de oligómeros. Se estudió la producción de azúcares por incubación de estos sustratos a 50ºC durante 72h y la producción de etanol mediante ensayos de LSFS, a diferentes cargas de sólidos, siendo la mejor opción una carga del 20% p/v de sólidos. En estas condiciones, los mejores resultados fueron 38 g glucosa total y 18 g xilosa total/100 g bioextrusado seco (producción en monómeros y oligómeros) a las 24h de incubación, y 30 g/L de etanol a las 72h tras la inoculación. De cara a futuros estudios queda pendiente el diseño de una mezcla enzimática específica que consiga aumentar el rendimiento de producción de azúcares monoméricos de los bioextrusados, mediante la adición de enzimas accesorias. Por último, se llevó a cabo la simulación de una planta de producción de bioetanol cuyo planteamiento incluye una etapa de pretratamiento por bioextrusión de paja de cebada, una etapa de producción de azúcares y fermentación de los mismos mediante LSFS, y una etapa de separación y recuperación del bioetanol mediante un tren de destilación y una deshidratación por tamices moleculares. Como alternativa para el uso de las corrientes residuales, éstas se aprovecharon para la producción de energía, bien por combustión (residuo sólido) o por digestión anaerobia (aguas residuales). Se estableció un caso base utilizando los resultados experimentales del trabajo realizado y, con fines comparativos, se contemplaron cuatro escenarios alternativos: i) aumento de la capacidad de la planta, ii) co-fermentación de glucosa y xilosa con Zymomonas mobilis, iii) aumento de la carga de sólidos en la LSFS, y iv) combinación de los dos casos anteriores. En general, los resultados de la simulación del caso base y los distintos escenarios analizados están dentro del rango de otros procesos descritos en la bibliografía, que emplean diferentes pretratamientos, en cuanto al balance de materia (producción de etanol del caso base 199 L/t biomasa). Estos resultados indican que el proceso es potencialmente escalable, si bien el área de energía y consumo de agua deben ser optimizados para poder asegurar su viabilidad. ¿ Bibliografía Aden, A.; Ruth, M.; Ibsen, K.; Jechura, J.; Neeves, K.; Sheehan, J.; Wallace, B.; Slayton, A., y Lukas, J. Lignocellulosic biomass to ethanol process design and economics utilizing co-current dilute-acid prehydrolysis and enzymatic hydrolysis for corn stover. National Renewable Energy Laboratory: Golden (CO, USA). 2002. Technical report No. NREL/TP-510-32438. Agbor, V. B.; Cicek, N.; Sparling, R.; Berlin, A., y Levin, D. B. Biomass pretreatment: Fundamentals towards application. Biotechnology Advances. 2011, núm. 29, p. 675-85. Alvira, P.; Tomás-Pejó, E.; Ballesteros, M., y Negro, M.J. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology. 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