Modelos de biorrefinería - La biorrefinería lignocelulósica

Fecha de publicación: 25/04/2016

Última actualización: 25/04/2016

SOBRE LA SERIE DE ENTRADAS “MODELOS DE BIORREFINERÍA”

Esta entrada pertenece a una serie llamada “Modelos de biorrefinería”. Dicha serie está dedicada a describir brevemente los modelos o conceptos de biorrefinerías avanzadas que han surgido en los últimos años o que están apareciendo actualmente. Estos modelos son representaciones simplificadas que permiten comprender de una manera sencilla la estructura y las características de un tipo general de biorrefinería. Algunos de estos modelos se refieren al tipo de materia prima mientras que otros se centran en las tecnologías involucradas. Una biorrefinería puede asimilarse a un modelo o ser el resultado de variaciones y combinaciones de varios de ellos.

Se debe tener en cuenta que, aunque son muy útiles e instructivos, estos paradigmas muestran limitaciones en la descripción y clasificación de sistemas complejos con gran nivel de integración. Para definir y describir un caso complejo, el blog recomienda el uso de la clasificación propuesta por la IEA Bionergy Task 42 (Materias primas / Productos / Plataformas / Tecnologías). Para aprender más sobre la noción general de biorrefinería y las diferentes clasificaciones de las biorrefinerías en esta sección del blog: BIOREFINERY CONCEPT.

MODELO DE BIORREFINERÍA LIGNOCELULÓSICA ^{1,2,3,4,5,6,7}

La lignocelulosa es la clase de biomasa más abundante producida por fotosíntesis y puede ser suministrada a gran escala a partir de diferentes materias primas de bajo coste como madera, restos agrícolas o residuos municipales e industriales. La conversión de estas materias primas de “naturaleza seca” en diversos bienes (biocombustibles, productos químicos sostenibles y biomateriales) tiene cada vez más importancia debido a su abundancia y variedad, a su condición renovable  a la buena posición de los productos obtenidos en los mercados tradicionales. Además, no existe competición directa con las cadenas alimentarias en la utilización de cultivos lignocelulósicos o de residuos. Entre los modelos de biorrefinerías industriales a gran escala, el modelo de biorrefinería lignocelulósica en sus diferentes formas es el más prometedor.

Químicamente, la lignocelulosa es un composite natural compuesto por tres fracciones químicas primarias: hemicelulosa (polímero formado predominantemente por pentosas), celulosa (un polímero de la glucosa) y lignina (un polímero de fenoles). Las estructuras y composiciones de estos biopolímeros varían de manera notable según la especie vegetal y las condiciones de crecimiento. La celulosa se une a la hemicelulosa y a la lignina a través de puentes de hidrógeno, mientras que la hemicelulosa y la lignina se unen entre ellas por enlaces covalentes. Esta densa y compleja estructura espacial hace difícil su uso directo, por lo tanto, un pretratamiento es necesario para lograr una conversión eficiente.

Figura 1. Composición de la biomasa lignocelulósica (extraída de la Referencia 3)

Teniendo en cuenta los dos párrafos introductorios anteriores, se describirán a continuación el modelo de biorrefinería lignocelulósica y sus características. Las biorrefinerías que procesan biomasa lignocelulósica pueden seguir dos rutas principales de proceso: termoquímica y bioquímica. La mayoría de las referencias usan el término biorrefinería lignocelulósica para referirse a modelos relacionados con la segunda ruta y esta entrada se centra únicamente en esa segunda ruta. Las rutas termoquímicas para transformar materias primas lignocelulósicas y de otros tipos serán tratadas en otras entradas de esta serie. Las principales características de la ruta bioquímica se resumen en la siguiente ficha.

Ficha de la biorrefinería lignocelulósica (ruta bioquímica)
Materias primas	Cultivos lignocelulósicos: madera, Miscanthus, chopos y sauces de rotación corta… Residuos lignocelulósicos: residuos agrícolas (paja, bagazo, residuos de maíz…), serrín, residuos municipales…
Refino primario	Un pretratamiento efectivo es una condición indispensable para que las operaciones posteriores se lleven a cabo con éxito. Puede incluir procesos físicos, bioquímicos o termoquímicos que permiten “romper” la parte recalcitrante de la biomasa. Existen varias tecnologías para llevar a cabo esa “rotura”: •   Fraccionamiento enzimático. Se usan sistemas enzimáticos, específicamente desarrollados para cada materia prima, para transformar los polímeros celulósicos y hemicelulósicos en carbohidratos monoméricos fermentables. •   Hidrólisis con agua caliente o ácida. •   Explosión con vapor o amoníaco. •   Tratamiento alcalino. •   Proceso “Organosolv”.
Corrientes principales	Después del refino primario, pueden aparecer dos escenarios: (1) La conversión enzimática da lugar a una corriente de azúcares fermentables (procedente de celulosas y hemicelulosas) y una corriente de lignina. (2) El fraccionamiento de las materias primas lignocelulósicas genera tres corrientes: celulosa, hemicelulosa y lignina.
Rutas de valorización y productos de los azúcares fermentables (escenario 1)	•   Fermentación. Los azúcares fermentables (plataforma de azúcares C5/C6) puede ser enviada directamente hacia la zona de producción biotecnológica para obtener etanol y otros alcoholes, biopolímeros, ácidos orgánicos, aminoácidos y otros bioproductos.
Rutas de valorización y productos de la celulosa (escenario 2)	•   Hidrólisis enzimática y fermentación La celulosa puede ser hidrolizada para producir azúcares que posteriormente sean usados como un sustrato de fermentación (mismos productos finales que el punto previo). Se requieren tres tipos de actividad enzimática para la hidrólisis de celulosa a glucosa: endocelulasa, exocelulasa y β-glucosidasa. •   Pulpeo químico. Para obtener pasta y papel.
Rutas de valorización y productos de la hemicelulosa (escenario 2)	•   Hidrólisis enzimática, fermentación y otros métodos químicos. La fracción de hemicelulosa separada contiene carbohidratos digeridos en mayor o menor medida. Debido a que su composición varía con la fuente de biomasa, se requiere un preparado enzimático específico para cada tipo de materia prima. Los carbohidratos monoméricos (como la xilosa) son separados y luego refinados por fermentación. Otros compuestos valiosos (ácido acético, furfural…) pueden ser extraídos y procesados químicamente.
Rutas de valorización y productos de la lignina (escenarios 1 y 2)	•   Fabricación de productos de fibra (biocomposites). •   Degradación selectiva a compuestos aromáticos monoméricos y diméricos. •   Producción de aglomerantes y adhesivos. Por ejemplo, se está estudiando el uso de derivados de la lignina como una potencial alternativa a las resinas de formaldehído utilizadas en los tableros. •   Rutas termoquímicas (combustion, gasificación…). Producción de bioenergía y biocombustibles.

Figura 2. Esquema con los productos que pueden obtenerse de las diferentes fracciones de la biomasa lignocelulósica (extraído de la Referencia 5)

BIORREFINERÍAS A ESCALA COMERCIAL

Actualmente, el mayor exponente de los modelos de biorrefinerías lignocelulósicas es la biorrefinería de etanol celulósico. En los últimos años, se han puesto en marcha las primeras instalaciones a escala comercial en Italia, Brasil y USA. Varios proyectos están en proceso de construcción o en planificación. Se puede encontrar más información en los siguientes enlaces:

•    Biorrefinerías de etanol celulósico - La 2ª generación está en marcha.

•    Noticias sobre biorrefinerías de etanol celulósico.

Hasta ahora, el énfasis se ha puesto en la producción de etanol. En los próximos años, se tendrán que realizar grandes esfuerzos para instalar nuevas plantas que aprovechen mejor el potencial que esconde el modelo de la biorrefinería celulósica. Uno de los puntos más importantes será la valorización de la lignina para la obtención de productos de alto valor añadido.

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REFERENCIAS

1 B. Kamm, M. Kamm: “Principles of biorefineries”. Appl Microbiol Biotechnol (2004) 64: 137–145.

2 “The European Biorefinery 2030 Vision”. Star-COLI BRI -Strategic Targets for 2020 – Collaboration Initiative on Biorefineries.

3 T.G. Rials: “The Lignocellulosic Biorefinery: Vision and Implementation”. Presented at American Institute of Chemical Engineers Knoxville-Oak Ridge Section Meeting, 15 February 2007.

4 “Biorefineries Roadmap as part of the German Federal Government action plans for the material and energetic utilisation of renewable raw materials”. May 2012.

5 “Biorrefinerías. Situación Actual y Perspectivas de Futuro”. Genoma España /CIEMAT.

6 A. Limayema, S.C. Ricke: “Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspectives, potential issues and future prospects”. Progress in Energy and Combustion Science, 38 (2012), 449-467.

7 J.H. Reith, R. van Ree, R. Capote, R.R. Bakker, P.J. de Wild, F. Monot, B. Estrine, A.V. Bridgwater, A. Agostini: “Lignocellulosic feedstock biorefinery for co-production of chemicals, transportation fuels, electricity and heat”. Presented at International Workshop on Biorefinery, 22 June 2009, Madrid.