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Articulo de referencia

biomasa lignocelulósica

El bagazo , componente de la caña de azúcar rico en lignina, es una forma de biomasa lignocelulósica. Su combustión contribuye a la generación de energía del ingenio azucarero. ...

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El bagazo , componente de la caña de azúcar rico en lignina, es una forma de biomasa lignocelulósica. Su combustión contribuye a la generación de energía del ingenio azucarero. En esta fotografía, el bagazo se encuentra bajo el plástico azul. Ubicación: Proserpine, Queensland .

La lignocelulosa se refiere a la materia seca vegetal ( biomasa ), también llamada biomasa lignocelulósica. Es la materia prima más abundante en la Tierra para la producción de biocombustibles . Está compuesta por dos tipos de polímeros de carbohidratos, celulosa y hemicelulosa , y un polímero rico en aromáticos llamado lignina . [ 1 ] Cualquier biomasa rica en celulosa, hemicelulosa y lignina se conoce comúnmente como biomasa lignocelulósica. [ 2 ] Cada componente tiene un comportamiento químico distinto. Al ser un compuesto de tres componentes muy diferentes, el procesamiento de la lignocelulosa es un desafío. La resistencia desarrollada a la degradación o incluso a la separación se denomina recalcitrancia. Superar esta recalcitrancia para producir productos útiles y de alto valor requiere una combinación de calor, productos químicos, enzimas y microorganismos. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Estos polímeros que contienen carbohidratos contienen diferentes monómeros de azúcar (azúcares de seis y cinco carbonos) y están unidos covalentemente a la lignina.

La biomasa lignocelulósica se puede clasificar en términos generales como biomasa virgen, biomasa residual y cultivos energéticos . La biomasa virgen incluye plantas. La biomasa residual se produce como subproducto de bajo valor en diversos sectores industriales, como la agricultura ( rastrojo de maíz , bagazo de caña de azúcar , paja , etc.) y la silvicultura ( desechos de aserraderos y fábricas de papel ). Los cultivos energéticos son cultivos con un alto rendimiento de biomasa lignocelulósica, producida como materia prima para la producción de biocombustibles de segunda generación; ejemplos de ello son el pasto varilla ( Panicum virgatum ) y el pasto elefante . Los biocombustibles generados a partir de estos cultivos energéticos son fuentes de energía sostenible. [ 7 ] [ 8 ]

Composición química

El xilano es una forma de hemicelulosa que se encuentra en la madera dura. [ 9 ]

La lignocelulosa consta de tres componentes, cada uno con propiedades que plantean desafíos para las aplicaciones comerciales. [ 10 ]

  • La lignina es un polímero heterogéneo y altamente reticulado, similar a las resinas de fenol-formaldehído . Se deriva de 3 a 4 monómeros, cuya proporción varía según la especie. La reticulación es extensa. Rica en compuestos aromáticos, la lignina es hidrofóbica y relativamente rígida. Confiere integridad estructural a las plantas. Debido a su heterogeneidad y resistencia, su valor se mide casi exclusivamente como combustible.
  • La hemicelulosa está compuesta de polisacáridos ramificados. Un problema particular es que la hemicelulosa está unida covalentemente a la lignina, generalmente a través del componente de ácido ferúlico de la lignina. Esto dificulta la extracción de los azúcares necesarios para su conversión en biocombustibles. [ 11 ] Después de la celulosa, la hemicelulosa es la segunda fuente más abundante de carbohidratos en una planta. [ 12 ]
  • La celulosa es un homopolímero de glucosa. Es muy poco soluble en la mayoría de los disolventes, por lo que la glucosa se extrae mediante degradación química y biológica lograda por enzimas celulolíticas. [ 12 ] Esta extracción se facilita por el hecho de que las cadenas de celulosa están integradas en el componente de lignina-hemicelulosa, pero no unidas covalentemente a él.

Cultivos energéticos específicos

El miscanthus es un cultivo energético, conocido por su alta eficiencia (crecimiento rápido) en la conversión de la radiación solar en biomasa.

Muchos cultivos son de interés por su capacidad para proporcionar altos rendimientos de biomasa. Algunos se pueden cosechar varias veces al año. Entre ellos se incluyen los álamos y el Miscanthus giganteus . El principal cultivo energético es la caña de azúcar , que es fuente de sacarosa, fácilmente fermentable, y del bagazo, un subproducto lignocelulósico .

Solicitud

Industria de la pulpa y el papel

La biomasa lignocelulósica es la materia prima para la industria de la pulpa y el papel . En este proceso, la lignina y la hemicelulosa se separan del material vegetal, dejando el componente fibroso de celulosa para su procesamiento en la producción de papel, o "celulosa química". Durante el proceso de pulpa, la mayor parte de la lignina se elimina y se descarga como material de desecho en forma de efluente/aguas residuales, para luego ser utilizada como combustible de bajo valor para generar electricidad y calor. Parte de la lignina de los residuos de papel se utiliza alternativamente como lignosulfonatos y ligninas sulfonadas. [ 13 ]

Azúcar

En principio, la demanda mundial actual de azúcar podría satisfacerse reconvirtiendo las fábricas de pulpa y papel para la producción de azúcar lignocelulósica, lo que la convierte en un alimento resiliente prometedor . [ 14 ]

Biocombustibles

combustión directa

La biomasa lignocelulósica, en forma de leña , tiene una larga historia como fuente de energía. Más recientemente, la paja y otras formas de biomasa lignocelulósica se han utilizado para la generación de electricidad en forma de combustibles sin comprimir (balas) y comprimidos (pellets). La peletización permite transportar el combustible de forma económica a mayores distancias. Los pellets de primera generación están limitados a una tasa de co-combustión del 15 % en las modernas plantas IGCC . [ 15 ]

El pretratamiento antes de la peletización modifica las propiedades físicas y químicas del combustible de biomasa. La torrefacción (una pirólisis suave) aumenta la densidad energética de la paja y la vuelve hidrofóbica. Los pellets resultantes tienen propiedades de combustible similares a las del carbón. [ 16 ]

Conversión

Desde mediados del siglo XX, ha aumentado el interés por la biomasa como precursora de combustibles líquidos . En concreto, la fermentación de biomasa lignocelulósica para producir etanol [ 17 ] es una vía atractiva para obtener combustibles que complementan los combustibles fósiles . A largo plazo, la biomasa puede ser una fuente de energía neutra en carbono . Sin embargo, dependiendo de su origen, no será neutra en carbono a corto plazo. Por ejemplo, si la biomasa proviene de árboles, el tiempo necesario para que el árbol vuelva a crecer (del orden de décadas) provocará un aumento neto de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre tras la combustión del etanol lignocelulósico. No obstante, si se utiliza material leñoso procedente de residuos de cultivos anuales, el combustible podría considerarse neutro en carbono. Además del etanol, muchos otros combustibles derivados de la lignocelulosa son de interés potencial, como el butanol , el dimetilfurano y la gamma-valerolactona [ 18 ] .

Etanol

Una barrera para la producción de etanol a partir de biomasa es que los azúcares necesarios para la fermentación están atrapados dentro de la lignocelulosa. La lignocelulosa ha evolucionado para resistir la degradación y para conferir estabilidad hidrolítica y robustez estructural a las paredes celulares de las plantas. Esta robustez o "recalcitrancia" se atribuye al entrecruzamiento entre los polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) y la lignina a través de enlaces éster y éter . [ 19 ] Los enlaces éster surgen entre los azúcares oxidados, los ácidos urónicos y las funcionalidades de fenoles y fenilpropanoles de la lignina. Para extraer los azúcares fermentables, primero se deben separar las celulosas de la lignina y luego usar métodos ácidos o enzimáticos para hidrolizar las celulosas recién liberadas y descomponerlas en monosacáridos simples. Otro desafío para la fermentación de biomasa es el alto porcentaje de pentosas en la hemicelulosa, como la xilosa o azúcar de madera. A diferencia de las hexosas como la glucosa, las pentosas son difíciles de fermentar. Los problemas que presentan las fracciones de lignina y hemicelulosa son el foco de gran parte de la investigación actual.

Un amplio sector de la investigación sobre la explotación de la biomasa lignocelulósica como materia prima para el bioetanol se centra particularmente en el hongo Trichoderma reesei , conocido por sus capacidades celulolíticas. Se están explorando múltiples vías, incluyendo el diseño de un cóctel optimizado de celulasas y hemicelulasas aisladas de T. reesei , así como la mejora de cepas basada en ingeniería genética para permitir que el hongo simplemente se coloque en presencia de biomasa lignocelulósica y descomponga la materia en monómeros de D -glucosa . [ 20 ] Los métodos de mejora de cepas han dado lugar a cepas capaces de producir significativamente más celulasas que el aislado original QM6a; se sabe que ciertas cepas industriales producen hasta 100 g de celulasa por litro de hongo, lo que permite la extracción máxima de azúcares de la biomasa lignocelulósica. Estos azúcares pueden luego fermentarse, dando lugar al bioetanol.

Metano

La producción de metano a partir de biomasa lignocelulósica se puede lograr mediante digestión anaeróbica , un proceso puramente biológico. Se puede utilizar un pretratamiento para eliminar algunos enlaces cruzados, facilitando así la digestión de la biomasa por los microorganismos. [ 21 ] Una combinación ( consorcio ) de microorganismos puede superar las barreras restantes y aprovechar el material. [ 22 ] [ 23 ]

Biodiesel
Otros combustibles

Investigación

Algunos productos químicos pueden obtenerse de la biomasa lignocelulósica. Casi todos se derivan de los azúcares obtenidos por hidrólisis del componente de celulosa. [ 24 ]

La biomasa lignocelulósica se ha considerado en la producción de materiales biocompuestos como paneles de partículas, compuestos de madera y plástico, y compuestos de cemento/ geopolímero de madera. Si bien la producción de materiales biocompuestos depende principalmente de los recursos de madera, en países con menor cobertura forestal o en países donde los recursos de madera ya se están sobreexplotando, es posible utilizar fuentes alternativas de biomasa, como plantas invasoras, residuos agrícolas y de aserraderos, para la creación de nuevos compuestos "verdes". [ 25 ] Los biocompuestos producidos con biomasa lignocelulósica como alternativa a los materiales convencionales están atrayendo la atención porque son renovables y más baratos, pero también porque se ajustan perfectamente a la política de "utilización en cascada" de los recursos.

Referencias

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  2. ↑ Zhou, Chun-Hui; Xia, Xi; Lin, Chun-Xiang; Tong, Dong-Shen; Beltramini, Jorge (2011-10-17). "Conversión catalítica de biomasa lignocelulósica en productos químicos finos y combustibles" . Chemical Society Reviews . 40 (11): 5588– 5617. doi : 10.1039/C1CS15124J . ISSN 1460-4744 . PMID 21863197 .  
  3. ↑ Y. Sun, J. Cheng (2002). "Hidrólisis de materiales lignocelulósicos para la producción de etanol: una revisión". Bioresour. Technol . 83 (1): 1– 11. doi : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . PMID 12058826 . 
  4. ↑ E. Palmqvist; B. Hahn-Hagerdal (2000). "Fermentación de hidrolizados lignocelulósicos. II: inhibidores y mecanismos de inhibición". Bioresour. Technol . 74 : 25-33. doi : 10.1016/S0960-8524(99)00161-3 .
  5. ↑ P. Alvira; E. Tomas-Pejo; M. Ballesteros; MJ Negro (2010). "Tecnologías de pretratamiento para un proceso eficiente de producción de bioetanol basado en hidrólisis enzimática: una revisión". Bioresour. Technol . 101 (13): 4851– 4861. doi : 10.1016/j.biortech.2009.11.093 . PMID 20042329 . 
  6. ↑ DM Alonso; JQ Bond; JA Dumesic (2010). "Conversión catalítica de biomasa a biocombustibles". Green Chem . 12 (9): 1493-1513. doi : 10.1039/c004654j .
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