Autohidrólisis y deslignificación organosolv de madera de Pinus radiata para la recuperación de hemicelulosas y lignina con aprovechamiento de la fracción celulósica por vía enzimática

Resumen

La disminución de las reservas de combustibles fósiles y la creciente inquietud por el cambio climático están llevando a considerar nuevas fuentes de energía y productos químicos. Una de las alternativas más prometedoras es la biomasa y sus materiales derivados, enmarcándose su aprovechamiento dentro del concepto de biorrefinería. La biomasa renovable más abundante y disponible a nivel mundial es la lignocelulósica, presentando como principal ventaja la no competencia con el suministro de alimentos. Sin embargo, una de sus desventajas es su naturaleza recalcitrante para ser convertida a productos de valor añadido. Para superar este inconveniente, se han estudiado diferentes pretratamientos para conseguir su fraccionamiento en sus componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina, y que puedan ser utilizados como precursores en biocombustibles y otros productos químicos. Estos pretratamientos se clasifican según su naturaleza en físicos, químicos, físicoquímicos y biológicos. Para aprovechar los beneficios que ofrecen de manera individual y minimizar sus inconvenientes, se están planteando los pretratamientos combinados o secuenciales. En ellos, los materiales lignocelulósicos se someten a dos etapas de tratamiento previas a su hidrólisis enzimática, durante la cual, la celulosa presente en los sólidos tratados se despolimeriza a glucosa. El objetivo de esta tesis doctoral es el estudio del fraccionamiento de una madera de conífera, Pinus radiata, mediante un tratamiento secuencial autohidrólisis organosolv para recuperar de forma selectiva hemicelulosas y lignina, y evaluar la conversión de la celulosa del sólido resultante a glucosa mediante una etapa de hidrólisis enzimática. La autohidrólisis permite la extracción selectiva de las hemicelulosas, mediante un proceso realizado sin la adición de catalizador, resultando atractivo desde el punto de vista medioambiental y económico. Por otro lado, el tratamiento organosolv favorece la separación y la recuperación de una lignina de alta pureza, resultando eficaz para el tratamiento de materiales lignocelulósicos con un alto contenido en lignina, como la madera empleada. Finalmente, el sólido tratado rico en celulosa se utiliza como sustrato para la etapa de hidrólisis enzimática para obtener glucosa. El trabajo experimental de esta tesis se encuentra dividido en tres bloques. En el primer bloque se ha analizado el efecto de la temperatura y el tiempo empleados en la autohidrólisis sobre la extracción de hemicelulosas de la madera de pino. En el segundo, se ha evaluado la influencia de la concentración de etanol, el tiempo y la temperatura del proceso organosolv sobre la deslignificación de la madera. Finalmente, se ha completado el trabajo estudiando un proceso secuencial con estos tratamientos, utilizando el sólido final obtenido como sustrato en la hidrólisis enzimática. Además, se ha estudiado la posible mejora de incorporar un catalizador ácido en el proceso organosolv. Las fases obtenidas en los experimentos se han caracterizado mediante el empleo de diferentes técnicas analíticas. Para las fases sólidas, se ha determinado el contenido en carbohidratos y lignina, así como su estabilidad térmica y sus grupos funcionales. Las fases líquidas se han analizado empleando la cromatografía de líquidos de alta resolución para identificar y cuantificar los compuestos presentes en ellas. También, se han determinado los pesos moleculares promedios y la estabilidad térmica de la lignina recuperada en el proceso organosolv. A partir de los resultados obtenidos, se ha planteado un proceso de fraccionamiento de la madera que permite la recuperación parcial de las hemicelulosas, junto con una buena deslignificación del sólido y un buen rendimiento de hidrólisis enzimática.