Pretratamiento de material lignocelulósico para la producción de bioetanol de origen agrícola

Transcripción

1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología Pretratamiento de material lignocelulósico para la producción de bioetanol de origen agrícola Ricardo Pezoa Conte Estudiante de Magister en Ingeniería Química M. E. Lienqueo Contreras Profesora guía del tema de tesis Santiago, 2 de diciembre de 2009

2 Contenido Bioetanol Pretratamiento Líquidos iónicos Objetivos Materiales y métodos Resultados y discusión Conclusiones

3 Bioetanol: combustible renovable

4 Materia vegetal Pretratamiento Sacarificación

5 Pretratamiento

6 Pretratamientos Tipos Mecánicos Molienda Físico-químicos Explosión a vapor (AFEX, SO 2, CO 2 ) Químicos Hidrólisis ácida diluida y concentrada Hidrólisis alcalina Organosolv Biológicos Hongos de pudrición blanca

7 Líquidos iónicos (LI) Propiedades Sales orgánicas Punto de fusión < 100 C Presión de vapor muy baja LI y material lignocelulósico LI derivados del imidazolio disuelven celulosa LI serían capaces de romper la matriz de lignina

8 Objetivo Determinar los valores máximos de etanol por gramo de materia prima tratada que se pueden producir al procesar residuos agrícolas (maíz y trigo) con un proceso que incluya un pretratamiento con ácido diluido, uno de ácido diluido seguido de otro alcalino y uno con líquidos iónicos, todos seguidos de una hidrólisis con celulasas comerciales.

9 Objetivos específicos Determinar si un pretratamiento con hidrólisis ácida diluida ayuda a la hidrólisis enzimática a nivel de mayor liberación de azúcares reductores, versus una hidrólisis enzimática de residuos de maíz y trigo sin pretratar, determinando las condiciones de operación que liberan las máximas cantidades de azúcares y monosacáridos después de la sacarificación. Determinar si la adición de un pretratamiento básico diluido a residuos de maíz y trigo, previamente tratados con ácido diluido,ayudaalaremocióndelignina,yjuntoconellomejora la liberación de azúcares después de la sacarificación.

10 Objetivos específicos Determinar condiciones de operación que liberan las máximas cantidades de azúcares reductores, glucosa y xilosa para el pretratamiento de residuos de maíz y trigo con los líquidos iónicos, a nivel de temperatura y tiempo de reacción en el proceso global, es decir, en el pretratamiento más los liberados en la hidrólisis enzimática. Evaluar ventajas y desventajas de utilizar un pretratamiento con líquidos iónicos y otro en base a soluciones ácidas y/o alcalinas diluidas.

11 Materiales Material lignocelulósico Desechos de trigo (+2,3-8,0 mm) Desechos de maíz (+2,3-8,0 mm) Líquido iónico Cloruro de 1-etil-3- metilimidazolio ([EMIM + ][Cl - ]) Sacarificación Celulasa(Celluclast 1.5L, Novo, Co) Celobiasa(Novozyme 188, Novo, Co) Desechos de maíz [EMIM + ][Cl - ] Desechos de Trigo

12 Metodología: Preparación material Cosecha Molienda Secado en frío

13 Metodología: Hidrólisis ácida Autoclave Análisis DNS líquido líquido Sacarificación Neutralización Filtrado sólido Secado en frío

14 Metodología: Líquidos iónicos GC: Cromatografía de gases Baño térmico Análisis DNS y kits Análisis de azúcares GC Lavado y filtrado sólido Secado en frío Sacarificación

15 Metodología Hidrólisis ácida y alcalina Ácido sulfúrico: 0,50, 0,75 y 1,00%v/v Hidróxido de sodio: 2,0% p/v Carga material: 5,0% p/v Tiempos calentamiento: 30 min Tiempo hidrólisis: 30 y 60 min Pretratamiento con LI Líquido iónico: [EMIM + ][Cl - ] Carga material: 5,0% p/p Temperatura: 80, 121 y 150 C Tiempos: 30 y 60 min

16 Metodología Hidrólisis enzimática Carga material: 5,0% p/v Buffer acetato de sodio 50mM,pH4,8 Tiempo:72 96h Cargaenzimática Celulasas:23FPU/gdeMS Celobiasa:35CBU/gdeMS Muestras:6,24,48,72y96h

17 Resultados

18 Pretratamiento ácido y alcalino

19 Efecto del pretratamiento ácido en residuos de trigo rendimiento 53% rendimiento 16%

20 Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores liberados para residuos de maíz en pretratamiento

21 Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores totales liberados para residuos de maíz rendimiento 38%

22 Efecto de la concentración de ácido y tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares reductores totales liberados para residuos de trigo

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

24 Lignina solubilizada en pretratamientos ácido y alcalino

25 Cinética de hidrólisis enzimática de residuos de maíz con pretratamientos ácido y alcalino Azúcares reductores [mg g/g de material seco] ,50 % 0,75 % 100 1,00 % 1,00 % + pret alk Tiempo hidrólisis enzimática [h]

26 Expresiones cinéticas para la hidrólisis enzimática de material pretratado con ácido sulfúrico por 60 min ( ) 2 1 exp{ 0, t} [ Azred] [ H SO ] 200 [ H SO ] ( ) = ( ) 2 1 exp{ 0, t} [ Azred] [ H SO ] 168 [ H SO ] ( ) = [H 2 SO 4 ]: 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

27 Cinética de hidrólisis enzimática de residuos de trigo con pretratamientos ácido y alcalino Azúcares reuctores [mg/ /g de material seco] Tiempo hidrólisis enzimática [h] 0,50 % 0,75 % 1,00 % 1,00 % + pret alk

28 Procesamiento de residuos agrícolas vía pretratamientos ácido/alcalinos

29 Pretratamiento con [EMIM + ][Cl - ]

30 Efecto de la temperatura del pretratamiento en los niveles de azúcares liberados en H.E. de material pretratadocon [EMIM + ][Cl - ] por 60 min rendimiento 46% rendimiento 48%

31 Efecto del tiempo de pretratamiento en los niveles de azúcares liberados en H.E. de material pretratadocon [EMIM + ][Cl - ] a 150 C

32 Niveles de azúcares totales liberados en pretratamiento con LI y en hidrólisis enzimática rendimiento 55% rendimiento 49%

33 Cinética de H.E. de residuos de maíz pretratados con [EMIM + ][Cl - ] a distintas temperaturas y tiempos de pretratamiento Azúcares reductores[mg g/g de material seco] Tiempo hidrólisis enzimática [h] 80 C, 60 min 121 C, 60 min 150 C, 60 min 150 C, 30 min

34 Cinética de H.E. de residuos de trigo pretratados con [EMIM + ][Cl - ] a distintas temperaturas y tiempos de pretratamiento Azúcares reductores[mg g/g de material seco] Tiempo hidrólisis enzimática [h] 80 C, 60 min 121 C, 60 min 150 C, 60 min 150 C, 30 min

35 Expresiones cinéticas para la hidrólisis enzimática de material pretratadocon [EMIM + ][Cl - ] por 60 min [ ] { } Azred = exp exp{ 0, 161 t} 8,314 T ( ) [ ] { } Azred = exp exp{ 0, 156 t} 8,314 T ( ) T : temperatura en pretratamiento ( C) t : tiempo de hidrólisis enzimática (0 y 72 h) Expresiones condicionadas a la carga enzimática suministrada en la sacarificación

36 Procesamiento de residuos agrícolas vía pretratamiento con líquidos iónicos

37 Producción de etanol estimada Pretratamiento Producción de etanol [g etanol/g material seco] Solvente en pretratamiento Temp [ C] Residuos de maíz Residuos de trigo [EMIM + ][Cl - ] 150 0,164 0,142 [H 2 SO 4 ] 1,00% v/v 121 0,133 0,191 [H 2 SO 4 ] 1,00% v/v - [NaOH] 2,00% p/v 121 0,146 0,179 Considerando rendimiento etanol/azúcar de 0,413 g de etanol/g de azúcarreductor,fuente:sahab.,itenl.,cottam.ywuy.(2005).dilute acid pretreatment, enzymatic saccharification and fermentation of wheat straw to ethanol. Process Biochemestry 40:

38 Conclusiones Se demostró que todos los pretratamientos logran una mayor liberación de azúcares en la sacarificación, respecto a lo que se libera con material sin pretratar. Para residuos de maíz se logra liberar un 49% de los azúcares teóricos con un pretratamiento con [EMIM + ][Cl - ], mientras que para residuos de trigo se libera un 53% con un pretratamiento con ácido sulfúrico diluido. Se logra una notable aceleración de la hidrólisis enzimática con la adición de un pretratamiento alcalino, y cuando el materialespretratadocon[emim + ][Cl - ].

39 Conclusiones Se lograron establecer modelos cinéticos de la hidrólisis enzimática de material pretratado, los cuales son muy útiles para predecir el comportamiento de la reacción en el tiempo.

40 Preguntas?

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