Procedimiento versátil para el pretratamiento de residuos lignocelulósicos agroindustriales con vistasa la obtención de bioetanol

Resumen

El incremento del precio del petróleo y la incertidumbre sobre el suministro estable del mismo, unido al deterioro del medio ambiente, han motivado un creciente interés por los biocombustibles en la búsqueda de nuevas fuentes energéticas. El bioetanol constituye una de las fuentes de energía renovable más utilizadas en la actualidad, reconociéndose sus ventajas desde el punto de vista medioambiental. Una de las vías para su obtención es a partir de la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosas contenidas en materiales lignocelulósicos como los desechos sólidos municipales y los residuos de diferentes cosechas y podas. La generación de grandes volúmenes de residuos agrícolas e industriales y su necesario tratamiento, unido a la disponibilidad y bajo costo de los mismos, plantean la potencialidad de ser utilizados como materia prima para la producción de bioetanol. El proceso de conversión enzimática de los polisacáridos a azúcares fermentables es el más estudiado en la actualidad, debido a sus ventajas y posibilidades de ser mejorado. Los principales obstáculos tecnológicos y económicos que limitan la obtención de etanol lignocelulósico por la vía enzimática, son la baja digestibilidad de los materiales lignocelulósicos y el precio elevado de las enzimas. Los factores que afectan la susceptibilidad al ataque enzimático incluyen la cristalinidad de la celulosa, la protección que ejercen tanto las hemicelulosas como la lignina y, en menor medida, la superficie accesible de la celulosa y el grado de acetilación de las hemicelulosas. Esta resistencia a la acción enzimática hace necesario un tratamiento previo de la biomasa con el objetivo de alterar su estructura, facilitando posteriormente la acción de las enzimas. En los últimos años se han estudiado diferentes pretratamientos para la producción de etanol a partir de materiales lignocelulósicos, cuyos resultados dependen de las características del método y de la biomasa empleada. Sin embargo, las etapas de pretratamiento e hidrólisis enzimática continúan siendo las más costosas del proceso y los investigadores coinciden en la dificultad de hallar un pretratamiento universal. La presente investigación aborda el estudio de diferentes pretratamientos con vistas a proponer un procedimiento que permita pretratar e hidrolizar diferentes residuos lignocelulósicos agroindustriales en una misma instalación. Para ello, se evalúan las potencialidades de uso del polvo de tabaco, la cáscara de arroz y las pajas de soja y arroz para la producción de bioetanol atendiendo a su composición lignocelulósica. También, se examinan los efectos de los pretratamientos ácido, alcalino, alcalino-oxidante, ozonólisis y la asistencia por ultrasonido y microonda, sobre la remoción de carbohidratos y el contenido de azúcares reductores en la fase líquida resultante. La selección del pretratamiento más eficaz en cada residuo se realiza considerando la cantidad de azúcares reductores obtenidos en la etapa de hidrólisis enzimática, el consumo de reactivos químicos y de energía, el costo del equipamiento y la generación de daños medioambientales. El polvo de tabaco resultó ser un material inadecuado para la producción de bioetanol debido a sus pequeñas cantidades de polisacáridos. Los pretratamientos estudiados a la presión ambiental, 30ºC de temperatura, sin agitación mecánica y concentraciones relativamente bajas de reactivos químicos fueron los más eficaces. La aplicación de 2% de peróxido de hidrógeno en la cáscara de arroz permitió alcanzar un rendimiento enzimático del 68,9%, mientras que en las pajas de soja y arroz el empleo de 0,5% de hidróxido de sodio produce rendimientos del 85,1% y 91,2%, respectivamente. Estos pretratamientos disuelven cantidades relativamente pequeñas de carbohidratos y no son efectivos para remover la lignina. Además, se estudia la influencia de la carga enzimática sobre la digestión independiente y en la mezcla de los tres residuos pretratados. Los resultados ponen de manifiesto una influencia estadísticamente significativa en ambos casos bajo las condiciones estudiadas, y evidencian que con iguales cargas enzimáticas se obtienen cantidades de azúcares reductores similares al digerir durante 72 h los materiales independientes o mezclados. Se propone un procedimiento versátil para el pretratamiento y la hidrólisis enzimática de los residuos agroindustriales a partir de los resultados obtenidos. El mismo es un proceso discontinuo que consta de tres etapas y utiliza solo la fracción sólida proveniente del pretratamiento para la producción de bioetanol. Inicialmente se plantea moler el residuo agroindustrial. Posteriormente, llevar a cabo el pretratamiento que involucra de forma alternativa al método alcalino-oxidante con peróxido de hidrógeno y al alcalino con hidróxido de sodio, ambos a 30ºC. Finalmente, efectuar la hidrólisis enzimática de forma independiente o mezclando los residuos pretratados, mediante la dosificación de un cóctel enzimático compuesto por las enzimas celulasa, xilanasa y ß-glucosidasa.