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

Bioetanol: combustible renovable

Materia vegetal

Pretratamiento

Sacarificación

Pretratamiento

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: Preparación material

Cosecha

Molienda

Secado en frío

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

Resultados Resultados

Pretratamiento ácido y alcalino

Efecto del pretratamiento ácido en residuos de trigo

rendimiento

53%

rendimiento

16%

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

Efecto de adición de pretratamiento alcalino en la liberación de azúcares reductores

Lignina solubilizada en pretratamientos ácido y alcalino

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

Procesamiento de residuos agrícolas vía pretratamientos ácido/alcalinos

Pretratamiento con [EMIM+][Cl-]

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

Procesamiento de residuos agrícolas vía pretratamiento con líquidos iónicos

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.

¿Preguntas?¿Preguntas?