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Pretratamiento de material lignocelulósico para la producción de
bioetanol de origen agrícola
Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y MatemáticasDepartamento de Ingeniería Química y Biotecnología
bioetanol de origen agrícola
Ricardo Pezoa ConteEstudiante de Magister en Ingeniería Química
Santiago, 2 de diciembre de 2009
M. E. Lienqueo ContrerasProfesora guía del tema de tesis
Contenido
• Bioetanol
• Pretratamiento
• Líquidos iónicos• Líquidos iónicos
• Objetivos
• Materiales y métodos
• Resultados y discusión
• Conclusiones
Pretratamientos
Tipos
• Mecánicos– Molienda
• Físico-químicos• Físico-químicos– Explosión a vapor (AFEX, SO2, CO2)
• Químicos– Hidrólisis ácida diluida y
concentrada
– Hidrólisis alcalina
– Organosolv
• Biológicos– Hongos de pudrición blanca
Líquidos iónicos (LI)
Propiedades
• Sales orgánicas
• Punto de fusión < 100°C• Punto de fusión < 100°C
• Presión de vapor muy baja
LI y material lignocelulósico
• LI derivados del imidazoliodisuelven celulosa
• LI serían capaces de romperla matriz de lignina
Objetivo
• Determinar los valores máximos de etanol porgramo de materia prima tratada que se puedenproducir al procesar residuos agrícolas (maíz ytrigo) con un proceso que incluya unpretratamiento con ácido diluido, uno de ácidopretratamiento con ácido diluido, uno de ácidodiluido seguido de otro alcalino y uno conlíquidos iónicos, todos seguidos de una hidrólisiscon celulasas comerciales.
Objetivos específicos
• Determinar si un pretratamiento con hidrólisis ácida diluidaayuda a la hidrólisis enzimática a nivel de mayor liberación deazúcares reductores, versus una hidrólisis enzimática deresiduos de maíz y trigo sin pretratar, determinando lasresiduos de maíz y trigo sin pretratar, determinando lascondiciones de operación que liberan las máximas cantidadesde azúcares y monosacáridos después de la sacarificación.
• Determinar si la adición de un pretratamiento básico diluido aresiduos de maíz y trigo, previamente tratados con ácidodiluido, ayuda a la remoción de lignina, y junto con ello mejorala liberación de azúcares después de la sacarificación.
Objetivos específicos
• Determinar condiciones de operación que liberan las máximascantidades de azúcares reductores, glucosa y xilosa para elpretratamiento de residuos de maíz y trigo con los líquidosiónicos, a nivel de temperatura y tiempo de reacción en eliónicos, a nivel de temperatura y tiempo de reacción en elproceso global, es decir, en el pretratamiento más losliberados en la hidrólisis enzimática.
• Evaluar ventajas y desventajas de utilizar un pretratamientocon líquidos iónicos y otro en base a soluciones ácidas y/oalcalinas diluidas.
Materiales
• Material lignocelulósico– Desechos de trigo (+2,3-8,0 mm)
– Desechos de maíz (+2,3-8,0 mm)
• Líquido iónico• Líquido iónico– Cloruro de 1-etil-3-
metilimidazolio ([EMIM+][Cl-])
• Sacarificación– Celulasa (Celluclast
1.5L, Novo, Co)
– Celobiasa (Novozyme
188, Novo, Co)
Desechos de TrigoDesechos de maíz
[EMIM+][Cl-]
Metodología: Hidrólisis ácida
líquido
Autoclave
Neutralización Filtrado
Sacarificación
sólido
Secado en frío
Análisis DNS
líquido
líquido
Metodología: Líquidos iónicos
Análisis de
GC: Cromatografía de gases
Análisis DNS y kits
Baño térmico
Lavado y filtrado Sacarificación
sólido
Análisis de
azúcares GCAnálisis DNS y kits
Secado en frío
Metodología
Hidrólisis ácida y alcalina
• Ácido sulfúrico: 0,50 , 0,75 y1,00 % v/v
Pretratamiento con LI
• Líquido iónico: [EMIM+][Cl-]
• Carga material: 5,0% p/p1,00 % v/v
• Hidróxido de sodio: 2,0%p/v
• Carga material: 5,0% p/v
• Tiempos calentamiento: 30min
• Tiempo hidrólisis: 30 y 60min
• Carga material: 5,0% p/p
• Temperatura: 80, 121 y 150°C
• Tiempos: 30 y 60 min
Metodología
Hidrólisis enzimática
• Carga material: 5,0% p/v
• Buffer acetato de sodio• Buffer acetato de sodio50 mM, pH 4,8
• Tiempo: 72 – 96 h
• Carga enzimática– Celulasas: 23 FPU/g de MS
– Celobiasa: 35 CBU/g de MS
• Muestras: 6, 24, 48, 72 y 96 h
Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores
liberados para residuos de maíz en pretratamiento
Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores totales
liberados para residuos de maíz
rendimiento
38%
Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores totales
liberados para residuos de trigo
Cinética de hidrólisis enzimática de residuos de maíz con pretratamientos ácido y alcalino
150
200
250
Azú
care
s re
du
cto
res
[mg
/g d
e m
ate
ria
l se
co]
0,50 %
0
50
100
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Azú
care
s re
du
cto
res
[mg
/g d
e m
ate
ria
l se
co]
Tiempo hidrólisis enzimática [h]
0,50 %
0,75 %
1,00 %
1,00 % + pret alk
Expresiones cinéticas para la hidrólisis enzimática de material pretratado con ácido sulfúrico por 60 min
[ ] [ ] [ ]( ) { }( )tSOHSOHredAz ⋅−−⋅⋅−⋅+= 033,0exp1200318452
4242
[ ] [ ] [ ]( ) { }( )tSOHSOHredAz ⋅−−⋅⋅−⋅+= 031,0exp1168302802
4242
[H2SO4]: concentración de ácido sulfúrico en pretratamiento (0,50 – 1,00 % v/v)t : tiempo de hidrólisis enzimática (0 y 96 h)Expresiones condicionadas a la carga enzimática suministrada en la sacarificación
Cinética de hidrólisis enzimática de residuos de trigo con pretratamientos ácido y alcalino
200
250
300
Azú
care
s re
uct
ore
s [m
g/g
de
ma
teri
al
seco
]
0,50 %
0
50
100
150
0 20 40 60 80 100
Azú
care
s re
uct
ore
s [m
g/g
de
ma
teri
al
seco
]
Tiempo hidrólisis enzimática [h]
0,50 %
0,75 %
1,00 %
1,00 % + pret alk
Efecto de la temperatura del pretratamiento en los niveles de azúcares liberados en H.E. de material pretratado con
[EMIM+][Cl-] por 60 min
rendimiento
46%
rendimiento
48%
Efecto del tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares liberados en H.E. de material pretratado con [EMIM+][Cl-] a 150°C
Niveles de azúcares totales liberados en pretratamiento con LI y en hidrólisis enzimática
rendimiento
55%rendimiento
49%
Cinética de H.E. de residuos de maíz pretratados con [EMIM+][Cl-] a distintas temperaturas y tiempos de pretratamiento
250
300
350
400
450
[mg
/g d
e m
ate
ria
l se
co]
80°C, 60 min
0
50
100
150
200
250
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Azú
care
sre
du
cto
res
[mg
/g d
e m
ate
ria
l
Tiempo hidrólisis enzimática [h]
80°C, 60 min
121°C, 60 min
150°C, 60 min
150°C, 30 min
Cinética de H.E. de residuos de trigo pretratados con [EMIM+][Cl-] a distintas temperaturas y tiempos de pretratamiento
250
300
350
400
[mg
/g d
e m
ate
ria
l se
co]
80°C, 60 min
0
50
100
150
200
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Azú
care
sre
du
cto
res
[mg
/g d
e m
ate
ria
l
Tiempo hidrólisis enzimática [h]
80°C, 60 min
121°C, 60 min
150°C, 60 min
150°C, 30 min
Expresiones cinéticas para la hidrólisis enzimática de material pretratado con [EMIM+][Cl-] por 60 min
[ ] { } { }( )tT
redAz ⋅−−⋅⋅
−⋅= 161,0exp1314,8
329.16exp807.35
[ ] { } { }( )tT
redAz ⋅−−⋅⋅
−⋅= 156,0exp1314,8
315.15exp392.20
T : temperatura en pretratamiento (80 – 150°C)t : tiempo de hidrólisis enzimática (0 y 72 h)Expresiones condicionadas a la carga enzimática suministrada en la sacarificación
Producción de etanol estimada
PretratamientoProducción de etanol
[g etanol/g material seco]
Solvente en pretratamientoTemp
[°C]
Residuos de
maíz
Residuos
de trigo[°C] maíz de trigo
[EMIM+][Cl-] 150 0,164 0,142
[H2SO4] 1,00% v/v 121 0,133 0,191
[H2SO4] 1,00% v/v - [NaOH]
2,00% p/v121 0,146 0,179
Considerando rendimiento etanol/azúcar de 0,413 g de etanol/g deazúcar reductor, fuente: Saha B., Iten L., Cotta M. y Wu Y. (2005). Diluteacid pretreatment, enzymatic saccharification and fermentation ofwheat straw to ethanol. Process Biochemestry 40: 3693-3700
Conclusiones
• Se demostró que todos los pretratamientos logran una mayorliberación de azúcares en la sacarificación, respecto a lo quese libera con material sin pretratar.
• Para residuos de maíz se logra liberar un 49% de los azúcaresteóricos con un pretratamiento con [EMIM+][Cl-], mientrasque para residuos de trigo se libera un 53% con unpretratamiento con ácido sulfúrico diluido.
• Se logra una notable aceleración de la hidrólisis enzimáticacon la adición de un pretratamiento alcalino, y cuando elmaterial es pretratado con [EMIM+][Cl-].
Conclusiones
• Se lograron establecer modelos cinéticos de la hidrólisisenzimática de material pretratado, los cuales son muy útilespara predecir el comportamiento de la reacción en el tiempo.