UNIVERSIDAD DEL ZULIA INSTITUTO ZULIANO DE INVESTIGACIONES TECNOLÓGICAS VENEZUELA SIADEB
Co-‐producción sustentable de alimentos, biocombusEbles y químicos a parEr de materia lignocelulósica tratada con álcalis: La propuesta venezolana para una biorefinería
Dr. Alexis Ferrer
Venezuela
Importaciones: maíz, soya, azúcar, etanol Uso de materiales lignocelulósicos: bagazo, hojas y cogollos de caña de azúcar, paja de arroz, hojas de yuca, lemna, paja de maíz. U"lización de subproductos, residuos o desechos Fuente renovable de azúcares fermentables de bajo costo Balance de CO2 Seguridad alimentaria SusEtución de la importación de maíz, soya, azúcar, etanol.
Biorefinerías Aprovechamiento de los materiales lignocelulósicos: Alimentos para rumiantes Proteínas
Pretratamiento del sustrato
(cerdos, aves, peces, humanos) Fibras Otros
Azúcares
Etanol
Almidón Lignina Grasa
Surfactantes Biodiesel
Composición
Potencial
NREL, Van Soest. Lignina. FTIR. DRIFT. Enlaces entre lignina y hemicelulosa (éster y éter). Limitaciones
Cristalinidad XRD. FTIR. Efecto plastificante. SEM. Grado de acetilación de la hemicelulosa. AcH por GLC. MW. Sensibilidad de las proteínas a temperaturas elevadas y a oxidantes, ácidos y álcalis fuertes
Es necesario: Producir enzimas
Pretratar el material
Extraer proteĂnas
Hidrolizar
Recuperar productos
Fermentar
Pretratamientos para aumentar la suscepEbilidad del material vegetal (%H, carga, L/S, T, t, P, tamaño) Físicos: Molienda
Químicos:
Ácido diluido, tratamiento alcalino, deslignificación oxidaEva , oxidación húmeda, uso de organosolventes
Biológicos: Uso de microorganismos
Físico-‐químicos: Explosión con vapor (SO2, H2SO4) AFEX Tratamientos PDA amoniacales Extras: Combinaciones, detoxificaciones, adiEvos. L
Tratamientos alcalinos Hidróxido de sodio: t, lavado,
impacto ambiental, degradación de aminoácidos Hidróxido de calcio Hidróxido de amonio
Enlaces covalentes Epo éster y éter en complejos lignina-‐carbohidrato Arabinixilano
O
HO
OH O
O HO
OH
HO
O O
OH
O
OH
O Ácido ferúlico
OH O
O
OH
Enlace Éster
OMe OMe
Lignina
O
Enlace Éter O H
Lignina
O O
OH O
O OH Unidad Xilosa
OMe O
OH OH
O OMe
O
1.-‐ Ruptura de enlaces "po éster O -
O R
- O- H
R¥ +
O
C
R
O
C O
R¥
R
O
C
O
H
- O-
R¥
R
C
O -
+
H O R¥
O -
H
2.-‐ Solubilización parcial de hemicelulosa y lignina H O
HO O
H H H
CH3
H
O
O
H O H HO
cadena central de D-xilopiranosa H H
H
O
O
H
H O H HO
H H H
O O
H O
H
O
H
H
O OH H HO
H
OH -
H
H H
O
O
H
H O H HO
H H
O
H
O
H O
H
H H
O
H
OH H
H
OH H
H
OH OCH3
-OOC H
H
H
HO H
O
OH
H
-OOC H
OH
OH H
H
OH OH
O
H O
O
C
CH2 H
O
-
OCH3
Lignina Â
USOS POTENCIALES DE LA LIGNINA Y SUS DERIVADOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA
Potenciales productos
Dispersante de asfaltenos CH 2
H H 3C
Emulsionantes
OH
Modificación estructural CH 3O
Desemulsionantes
H
OH Lignina o fracción lígnica
Dispersantes en lodos Lignosulfonatos
Hidrogenación de D-glucosa en medio bifásico-acuoso catalizada por RuCl2(PPh3)3. Catalizador
Tiempo (horas)
pH
% Conversión
RuCl2(PPh3)3
4
-----
15,00
RuCl2(PPh3)3
24
3,98
76,23
Tratamiento de Presurización y Despresurización Amoniacal (PDA) !
Doble acción
! Temperaturas 60-100°C ! Rápido (2-5 min) ! No hay efluentes que tratar ! Recuperación del amoníaco
Planta piloto PDA 8 kg/h
Material vegetal crudo
Material vegetal tratado con PDA
Efectos del tratamiento amoniacal Digestibilidad de las fibras: alimento para rumiantes
Extractabilidad, solubilidad y disponibilidad de las proteínas: alimento para cerdos, aves y peces. Liberación de los lípidos biodiesel Factibilidad de producir azúcares: alimento liquido para cerdos, ácidos, etanol
Eliminaci贸n y reciclaje de materiales y residuos agroindustriales Paja de arroz
Pasto elefante enano
Plumas
Pasto guinea
Bagazo de caña de azúcar
Lemna sp.
Hojas de yuca
Composición de materiales lignocelulósicos (% ms) y cambios en la composición debido al pretratamiento amoniacal Material
S
Bagazo de caña Alfalfa Maní forrajero Pasto elefante enano Paja de arroz
H
L
C
11.1
24
11.1
49.3
17.6
16.8
9.4
36.8
62.9
11.5
5.9
19.7
71.8
5.3
4.7
16.3
51.7
21.1
6.2
21
64.1
9.0
5.9
21.4
31.4
33.0
3.7
32
48.2
16.2
2.6
32.9
22.1
27.6
5.1
45.2
47.2
11.4
4.1
45
ΔS
ΔH
ΔL
ΔC
58.6
-‐30.0
-‐15.3
-‐25.4
14.1
-‐53.9
-‐19.7
-‐17.3
24.0
-‐57.3
-‐4.8
1.9
53.5
-‐50.9
-‐29.7
2.8
113.6
-‐58.7
-‐19.6
-‐0.4
S: solubles. H: hemicellulosa. L: lignina. C: celulosa. Δ: cambio %.
Metodología Experimental
Caracterización de la biomasa Análisis < Humedad < Celulosa, hemicelulosa y lignina (Goering y van Soest, 1970, NREL) < Cenizas < Proteína cruda, proteína verdadera, perfil de aa < Cristalinidad y cambio en grupos funcionales DRX FTIR < Microscopía electrónica de barrido
Metodología Experimental
Análisis estructural: Difracción de rayos X, FTIR, SEM
Perkin Elmer FTIR
Bruker modelo D8
MEB modelo 200F Quanta
Metodología Experimental
Perfil de azúcares y áminoácidos por HPLC
Etanol y ácido acéEco. GC. Agilent serie 1200
Agilent 6890N
M0
a
% Transmitancia
% Transmitancia
M0
80 M1 78 M2 76 74 72 70 1716 M3 68 66 64 62 60 58 M4 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 1596 1508 900 1664 34 1316 1232 32 30 1156 28 26 1100 1048 24 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 Número de onda (cm-1 )
800 700
600
80 78 M5 76 74 72 70 M6 1716 68 66 64 M7 62 60 M8 58 56 54 52 50 48 46 44 42 1596 1508 1664 40 1316 38 1232 36 900 34 32 30 1156 28 26 1100 1048 24 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900
b
800
700
600
Número de onda (cm-1 )
Espectros de FTIR de (a) BNT, BT1, BT2, BT3, BT4 y (b) BNT, BT5, BT6, BT7,
BT8
1664 cm-‐1 Ion carboxilato 1596 cm-‐1 C=C Lignina 1508 cm-‐1 C-‐H 1048 cm-‐1 C-‐O-‐C anillo de piranosa esqueletal 900 cm-‐1 enlaces β-‐glicosídicos ⇒ Celulosa I
Efecto del tratamiento amoniacal sobre la cristalinidad del bagazo de caña de azúcar 3000 2500
Intensidad
2000 1500 1000 500 0
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 2θ I002
Iam
Difractograma de la celulosa microcristalina
Segal y col., 1959:
⎡ I − I ⎤ ⎡ I ⎤ CrI = ⎢ 002 am ⎥ x100 = ⎢1 − am ⎥ x100 ⎣ I 002 ⎦ ⎣ I 002 ⎦
Digestibilidad ruminal in situ de la paja de arroz tratada con amonĂaco a diferentes contenidos de humedad
48 h 24 h
Digestibilidad ruminal de la materia seca de materiales tratados y no tratados
Material Pasto elefante enano
NT
T
Δ (%)
59.6
84.2
41.3
Alfalfa
75.9
82.4
8.6
Maní forrajero
66.6
74.7
12.2
Paja de arroz Heno de paja guinea
30.0
67.3
124.3
48.2
63.0
30.7
lemna
72.0
92.1
27.9
Bagazo de caña
33.0
62.0
87.9
maíz
Pasto verde (Adiós sequía)
Azúcares reductores (mg/g MS)
Producción de azúcares a diferentes dosis de enzimas 300 250 200 150 100 50 0
0
20
40
Tiempo (h)
60
80
Efecto de la carga de amoníaco y humedad sobre la producción de azúcares
mg de glucosa/g m.s.
150 120 90 60 50 30
30 NT Humedad, %
0 NT
0,25 0,5 1 1,25 Carga de amoníaco, kg/kg m.s.
Efecto de la carga de amoníaco y la humedad sobre la producción de azúcares por hidrólisis enzimáEca del bagazo de caña usando una dosis de enzima de 2 UI/g m.s. y concentración de sustrato de 2,5 % p/v por 72 h.
ü El tratamiento amoniacal BT4 incrementó el rendimiento de azúcares 2,23 veces ü Tratamientos efec"vos: BT4>BT3>BT8
200
a
150
118,71
100 50
21,94
mg azúcar/g m.s.
mg azúcar/g m.s.
200
b
170,73
150 100
48,09
50 0
0 0
6
12
18 24
30
36
42
48 54
6
12
18
24
30
36
42
48
54
Tiempo, h
Tiempo, h Xilosa
0
Glucosa
CinéEca de la hidrólisis enzimáEca para los azúcares individuales del bagazo de caña de azúcar. Condiciones: dosis de enzimas de 5 UI/ g m.s. y 5% concentración de sólidos. a) BNT y b) BT4.
§ Aumento del contenido de glucosa: 45% § Aumento del contenido de xilosa: 115% § Glucosa es el 80% de los azúcares totales
Conversión de polisacáridos en azúcares reductores mediante
hidrólisis enzimáEca de materiales no tratados y tratados con PDA Material
Conversión (%) No tratado
Tratado
18
95
Paja de arroz
32,5
85,4
Maní forrajero
19,6
65,3
Alfalfa
26,4
79,4
Fibra de maíz
31,4
88,2
Follaje de yuca*
16,7
64,7
Bagazo de la caña de azúcar*
21,8
62
32
88
Pasto elefante enano
Lemna obscura*
*: Condiciones no opEmizadas. Correlaciones?
Rendimiento de extracción de proteínas citoplásmicas en materiales no tratados y tratados con PDA Material
Rendimiento de extracción (%) No tratado (NT)
Contenido proteico del concentrado T (%, b,s,)
Tratado (T)
Pasto elefante enano
11,7
52,7
36
Follaje de yuca
20
38,2
36,4
36,1
87,2
44
L e m n obscura*
a
*: proteína total. Calidad?
Etanol-‐Glucosa equivalente, g/L
Etanol-Glucosa equivalente, g/L
7
5,6
6 5 4 3 2 1 0 0
12 24 36 48 60 72 84 96 108
8 7
6
6
b
5 4 3 2 1 0 0
12 24 36 48 60 72 84 96 108
Tiempo, h
Tiempo, h
SSF
c
Etanol-‐Glucosa equivalente, g/L
a
8
8 7 6 5 4 3 2 1 0
7,36
0
12 24 36 48 60 72 84 96 108
Tiempo, h Etanol
Glucosa
CinéEca de la SSF del bagazo tratado con amoníaco uElizando: a) Saccharomyces cerevisiae ATCC 4921, b) Kluyveromyces marxianus ATCC 8252 y c) Kluyveromyces marxianus CECT 10875.
Resultados y Discusión
SSF vs SHF Tabla 16. Comparación de rendimiento de etanol y Eempo de la SHF y SFF uElizando K marxianus CECT 10875
Parámetros Rendimiento de etanol, % Tiempo, h
BNT
BT
SHF
SSF
SHF
SSF
26,30
39,76
43,22
71,26
72
48
96
72
ü Aumento del rendimiento: 51% para BNT 65% para BT ü Disminución del Eempo: 24 h
Tesis terminadas 2011 y en ejecución Tesis de pregrado. 2 Lic. en Química. 8 Ing. Químicos. 1 Ing. Mecánico. Tesis de maestría. 3 Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Tesis de doctorado. 1 Ciencia y Tecnología de Alimentos. UCV. 2 Química. Facultad de Ciencias. LUZ. 1 Ing. Ambiental. Facultad de Ingeniería. LUZ:
1 Nutrición Animal. Fac. Agronomía LUZ-‐ Universidad Politécnica de Madrid. 1 Ingeniería Química. LUZ – EPFL Suiza
Agradecimientos § Laboratorio de Instrumentación Analí"ca (LIA), FEC-‐LUZ. § Laboratorio de Gené"ca y Biología Molecular del Departamento de Biología, FEC-‐LUZ. § Centro de Inves"gaciones Energé"cas, Medioambientales y Tecnológicas. Madrid, España. § Laboratorio de Tecnología de Alimentos y Fermentación Industriales de la Facultad de Ingeniería-‐LUZ. § Ins"tuto Zuliano de Inves"gaciones Tecnológicas (INZIT). § FONACIT. Proyecto G-‐2006001120. § Agencia Suiza para la Cooperación y el Desarrollo. Proyecto SUBA.
Muchas g)acias!