Fraccionamiento de aserrín de pino destinado a una biorrefinería forestal

Abstract

El cuidado del medio ambiente se ha transformado en un factor que agrega valor a la producción industrial, haciéndola más competitiva mediante la utilización de recursos renovables y tecnologías avanzadas. La biorrefinería forestal procesa biomasa lignocelulósica proveniente de la industrialización de la madera (aserrín, viruta, trozos de madera) para producir energía, productos químicos y biomateriales, en forma similar a las refinerías de petróleo. El aserrín de pino y eucalipto es uno de los principales desechos de la industrialización primaria de la madera. Esta industria es muy importante en la región Noreste de Argentina (Región NEA). Se estima que el 50% de la madera industrialmente procesada se convierte en 2 millones de toneladas secas al año de residuos que no están siendo adecuadamente aprovechados. La aplicación del concepto de biorrefinería involucra cuatro etapas básicas: fraccionamiento, purificación del sólido, separación y purificación de los componentes del líquido y elaboración de subproductos. El fraccionamiento consiste en la separación de los componentes principales de la biomasa en una forma química adecuada para que puedan ser aprovechados. Esta etapa constituye uno de los principales costos del proceso, y por lo tanto, el mayor obstáculo a superar es encontrar métodos eficientes y rentables de fraccionamiento. La Hipótesis de trabajo es que se puede realizar el aprovechamiento integral de materiales lignocelulósicos, específicamente, de aserrín de pino de la región NEA, para obtener productos de alto valor, aplicando procesos de fraccionamiento rentables y de baja contaminación. El objetivo general de esta tesis doctoral consiste en aplicar el concepto de biorrefinería a los residuos generados en la industrialización primaria de pino mediante el diseño y optimización de un proceso de fraccionamiento secuencial de la biomasa, para el aprovechamiento integral de todos los componentes del residuo. Para esto se diseñó una secuencia de fraccionamiento de tres etapas: alcalina (remoción de extractivos) - ácida (extracción de hemicelulosas) - alcalina (deslignificación). El estudio de cada etapa involucró un diseño de experimentos para evaluar la influencia de la temperatura, tiempo y concentración de reactivos en el proceso. En vistas a la aplicación del material a la producción de bioetanol se evaluó la influencia de cada etapa sobre la hidrólisis enzimática. Se realizó la optimización de la primera etapa alcalina suave para encontrar las condiciones que maximizan la remoción de extractivos en el aserrín y minimizan la disolución de los carbohidratos estructurales. El máximo rendimiento de extracción (91% con respecto al contenido inicial) se logró a los 90ºC, 5% bs (sobre base seca) de NaOH y 60 minutos. Se evaluaron dos tecnologías como alternativas de la etapa ácida de extracción de hemicelulosas: hidrólisis ácida diluida (HAD) y explosión de vapor (EV). Se llevó a cabo la optimización de ambas etapas para maximizar la remoción de azúcares hemicelulócicos minimizando la degradación de celulosa. La extracción de las hemicelulosas resulto más efectiva con el proceso de EV, ya que se alcanzaron rendimientos más altos de remoción de hemicelulosas (92 a 200ºC, 3% bs H2SO4 y 5 min). En la hidrólisis con ácido diluido, el rendimiento máximo alcanzado fue de 57% con respecto al contenido inicial a 150ºC, 30 min y 7,5 g/L H2SO4. Con el objetivo de extraer la lignina y mejorar el rendimiento de la hidrólisis enzimática se evaluaron cuatro procesos deslignificantes: soda/antraquinona (soda/AQ), organosolv alcalino, peróxido de hidrógeno alcalino y oxígeno alcalino. El rendimiento de deslignificación obtenido con los procesos soda/AQ y organosolv alcalino fue superior al 60%. Los procesos oxidativos (peróxido de hidrógeno y O2) no permitieron alcanzar un grado de deslignificación significativo. Se evaluó el efecto de la secuencia de fraccionamiento sobre la hidrólisis enzimática (HE). La susceptibilidad de la celulosa a la hidrólisis enzimática no aumentó significativamente a pesar de la remoción de las hemicelulosas. El rendimiento de la HE del aserrín pre-extraído en álcali y tratado con HAD diluida fue de 7,5% de glucosa a las 72 h. El tratamiento con explosión de vapor permite alcanzar mayores rendimientos de glucosa en la HE (24% a las 72 h) pero continúa siendo bajo. La mejora de la digestibilidad enzimática de materiales tratados con EV es atribuida a tres factores principales: el incremento de área superficial causado por la fragmentación de las fibras, el incremento de la porosidad debido a la hidrólisis y remoción de las hemicelulosas y el incremento de la porosidad debido a la redistribución de la lignina El máximo rendimiento (36%) de la HE se alcanza posterior a la etapa con oxígeno a pesar del alto contenido de lignina de este material (44,2% bs de lignina) mientras que la degradación de celulosa es baja en comparación a los otros procesos de deslignificación. En conclusión, la secuencia de fraccionamiento más adecuada para el aserrín de pino de acuerdo a los resultados de este trabajo, consiste en la aplicación de una etapa alcalina (90ºC, 1 h y 5 % de NaOH sobre base seca) de desresinación, seguida de una etapa de explosión de vapor (200ºC, 3% H2SO4 bs y 5 min) para extraer las hemicelulosas y un post tratamiento con oxígeno en medio alcalino. El material lignocelulósico resultante tiene gran potencial para la producción de bioetanol dado su alto contenido de hexosas. En el marco de una biorrefinería, los componentes disueltos en los licores tendrían que ser separados y purificados para lo producción de subproductos.