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Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas
utilizando el proceso organosolv
Sahra Nathalíe Rincón Rincón
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Bogotá D.C., Colombia
2020
Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas
utilizando el proceso organosolv
Sahra Nathalíe Rincón Rincón
Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Ingeniería Ambiental
Director:
PhD., Ing. Carlos Alberto Guerrero Fajardo
Línea de Investigación:
Procesos sostenibles
Grupo de Investigación:
Aprovechamiento Energético de Recursos Naturales - APRENA
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Bogotá D.C., Colombia
2020
“Donde haya un árbol que plantar, plántalo tú.
Donde haya un error que enmendar,
enmiéndalo tú. Donde haya un esfuerzo que
todos esquivan, hazlo tú. Sé tú el que aparta
la piedra del camino”.
Gabriela Mistral.
Agradecimientos
A Dios, por ser mi pilar y darme la sabiduría y el valor necesarios para afrontar los
momentos en que creí desfallecer.
A mis padres, por ser la columna vertebral de mi vida. Por entregar su vida por mi
hermana y por mí, por apoyarnos e impulsarnos a ser mejores cada día.
A mi hermana y su esposo, por su voz de aliento. Sus palabras llenas de amor y fe
fueron de gran consuelo y aprendizaje.
A Pipe, mi vida, por darme su amor, apoyo, dedicación y paciencia en este tiempo. Por
tantos momentos bonitos que hemos vivido, pero también por los tiempos difíciles que
hemos superado, los cuales nos unen y nos hacen más fuertes.
A mi director, el profesor Carlos Alberto Guerrero por su acompañamiento a lo largo del
desarrollo de este trabajo. Por sus consejos, asesorías y por siempre estar dispuesto a
resolver mis dudas.
Al grupo de investigación Aprovechamiento Energético de Recursos Naturales APRENA,
en especial a mis compañeros Néstor Mendieta, Jonathan Parra, Carolina Rodríguez,
William Cortés, Paula Cantor y César Franco, por su paciente escucha y ayudar a aclarar
todas mis dudas, pero también por bridarme su amistad y tantos momentos de charlas y
risas. A mi amiga Yuri, por siempre escucharme y transmitirme su energía positiva.
Al Centro de Bio Sistemas de la Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, en especial
al Ing. Hugo Escobar y a la Ing. Adriana Zamudio por la donación de la materia prima.
Al profesor Juan Carlos Serrato por su apoyo, ayuda y enseñanza en el manejo del
HPLC. Gracias por su paciencia conmigo.
Por último, a los laboratoristas de la Facultad de Ciencias, gracias por su constante
amabilidad y por siempre estar prestos a ayudarme.
A todos, mil gracias.
Resumen y Abstract V
Resumen
La agroindustria es una de las actividades económicas que más se ha consolidado en el
país en los últimos años, debido a que promueve la inversión extranjera. Esto es posible
gracias a la variedad de climas y riqueza de ecosistemas que posee Colombia. La
floricultura es uno los sectores más importantes, pues Colombia está posicionado como
el segundo país exportador de flores a nivel mundial y la rosa es la principal especie
exportada. No obstante, el proceso productivo de la rosa genera una cantidad
considerable de residuos, que en muchos casos origina impactos ambientales negativos
al no ser utilizados. Por tal razón, la valorización de la biomasa de tallos de rosas a
través del proceso organosolv ofrece una alternativa más allá de la producción de
abonos orgánicos.
El objetivo de este trabajo de maestría fue evaluar la obtención de azúcares y lignina a
partir de biomasa lignocelulósica proveniente de cultivos de rosas utilizando el proceso
organosolv. Para esto, se realizó una caracterización de la biomasa por medio de un
análisis próximo, análisis último y análisis composicional. El proceso organosolv se
desarrolló utilizando un diseño experimental factorial multinivel en donde se evaluaron
tres factores, temperatura (130 °C y 200 °C), tiempo (30 min y 90 min) y tipo de solvente
(etanol – agua (1:1), glicerol – agua (1:1) y etanol – agua – glicerol (1:2:1)). Por último, se
evaluó el rendimiento de azúcares y deslignificación de la biomasa, así como la
obtención de lignina organosolv y los subproductos 5-HMF y furfural. El rendimiento de
azúcares, 5-HMF y furfural en las fracciones líquidas y en los hidrolizados de las
fracciones sólidas se midieron por medio de HPLC. El contenido de lignina soluble en
ácido (LSA) se cuantificó por medio de espectrofotometría UV-Vis, mientras que la
lignina insoluble en ácido (LIA) se determinó mediante análisis gravimétrico. El proceso
organosolv realizado con una mezcla de etanol – agua (1:1) a 200 °C durante 30 min
resultó en una mayor deslignificación y rendimiento de lignina organosolv con un 91%
(p/p) y 11% (p/p) respectivamente. El aumento del tiempo de reacción de 30 min a 90
VI Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
min con la misma temperatura y sistema de co-solvente resultó en una mayor
recuperación de glucosa en la fracción sólida con un porcentaje del 71% (p/p), mientras
que la mayor solubilización de xilosa (60% (p/p)) se presentó con la mezcla glicerol –
agua (1:1) a 200 °C durante 30 min.
Palabras clave: Valorización de biomasa lignocelulósica, residuos de tallos de
rosas, proceso organosolv.
Abstract
The agroindustry in Colombia is one of the most consolidated economic activities in
recent years because it promotes foreign investment. This is possible thanks to the
variety of climates and wealth of ecosystems in the country. Floriculture is one of the
most important sectors since Colombia is positioned as the second flower exporting
country worldwide and the rose is the main exported species. However, the rose’s
production process generates a considerable amount of waste, which in many occasions
causes negative environmental impacts when these are not used. For this reason, rose
stalks valorization through organosolv process offers an alternative beyond the
production of organic fertilizers.
The objective of this thesis was to evaluate the obtaining of sugars and lignin from
lignocellulosic biomass of rose crops using the organosolv process. For this, a biomass
characterization was carried out by means of proximate analysis, elemental analysis and
compositional analysis. The organosolv process was developed using a multilevel
factorial experimental design, where three factors were evaluated: temperature (130 °C
and 200 °C), time (30 min and 90 min) and type of solvent (ethanol – water (1:1), glycerol
– water (1:1) and ethanol – water – glycerol (1:2:1)). Finally, sugars yield and biomass
delignification were evaluated as well as the obtaining of organosolv lignin and 5-HMF
Resumen y Abstract VII
and furfural by-products. The yield of sugars, 5-HMF and furfural in the liquid fractions
and in the hydrolysates of the solid fractions were measured by means of HPLC. Acid
soluble lignin content (ASL) was quantified through UV-Vis spectroscopy while acid
insoluble lignin (AIL) was determined by means of gravimetric analysis. The organosolv
process carried out with an ethanol – water mixture (1:1) at 200 °C for 30 min resulted in
a higher delignification and organosolv lignin yield with 91 wt% and 11 wt% respectively.
The increase in the reaction time from 30 min to 90 min with the same temperature and
co-solvent system resulted in a greater glucose recovery in the solid fraction with 71 wt%,
while the highest xylose solubilization (60 wt%) was presented with the glycerol – water
mixture (1:1) at 200 °C for 30 min.
Keywords: Lignocellulosic biomass valorization, rose’s stalk waste, organosolv
process.
VIII Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
IX Contenido
Contenido
Pág.
Resumen .......................................................................................................................... V
Abstract........................................................................................................................... VI
Lista de figuras ............................................................................................................... XI
Lista de tablas .............................................................................................................. XIII
Lista de Símbolos y abreviaturas ............................................................................... XIV
Introducción .................................................................................................................... 1
1. Capítulo 1. Marco teórico ......................................................................................... 3 1.1. Floricultura en Colombia..................................................................................... 3 1.2. Composición de la biomasa lignocelulósica........................................................ 3 1.3. Biomasa de rosas............................................................................................... 7 1.4. Pretratamientos de la biomasa ........................................................................... 9
2. Capítulo 2. Proceso organosolv ............................................................................ 17 2.1. Contexto del proceso organosolv ..................................................................... 17 2.2. Antecedentes del proceso organosolv .............................................................. 21 2.3. Condiciones del proceso organosolv ................................................................ 24 2.3.1. Solvente .......................................................................................................... 24 2.3.2. Catalizador ...................................................................................................... 26 2.3.3. Temperatura .................................................................................................... 28 2.3.4. Tiempo ............................................................................................................ 29 2.3.5. Relación sólido a líquido .................................................................................. 29 2.4. Deslignificación en el proceso organosolv ........................................................ 30
3. Capítulo 3. Objetivos y metodología ..................................................................... 37 3.1. Objetivos .......................................................................................................... 37 3.1.1. Objetivo General ............................................................................................. 37 3.1.2. Objetivos Específicos ...................................................................................... 37 3.2. Metodología ..................................................................................................... 37 3.2.1. Fase 1: Pretratamiento primario de la biomasa ............................................... 40 3.2.2. Fase 2: Caracterización de la biomasa ............................................................ 42 3.2.3. Fase 3: Transformación de la biomasa ............................................................ 49 3.2.4. Fase 4: Evaluación de la obtención de azúcares y lignina ............................... 53
X Contenido
4. Capítulo 4. Resultados y discusión .......................................................................57 4.1. Pretratamiento primario de la biomasa .............................................................. 57 4.2. Caracterización de la biomasa .......................................................................... 57 4.3. Evaluación de la obtención de azúcares y lignina ............................................. 59 4.3.1. Deslignificación y obtención de lignina organosolv en la biomasa de tallos de rosas… ....................................................................................................................... 59 4.3.2. Obtención de azúcares en la biomasa de tallos de rosas ................................ 69 4.4. Evaluación de las mejores condiciones del proceso ......................................... 83
5. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................91 5.1. Conclusiones .................................................................................................... 91 5.2. Recomendaciones ............................................................................................ 92
A. Anexo A: Análisis último de la biomasa de tallos de rosas .................................95
B. Anexo B: Análisis de cromatografía en HPLC ......................................................96
Bibliografía ................................................................................................................... 101
XI Contenido
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1: Estructura de la celulosa ............................................................................... 4
Figura 1-2: Unidades de disacáridos de la hemicelulosa. a) β-(1,4)- glucano, b) β-(1,4)-
xilano, c) β-(1,4)- glucomanano, d) β-(1,4)- manano......................................................... 5
Figura 1-3: Monómeros primarios de la lignina. a) Alcohol p-cumarílico (p-hidroxifenilo -
H), b) Alcohol coniferílico (Guayacilo - G), c) Alcohol sinapílico (Siringilo - S) .................. 6
Figura 1-4: Unión entre los componentes hemicelulosa y lignina de biomasa proveniente
de paja de trigo................................................................................................................. 7
Figura 1-5: Composición general de biomasa lignocelulósica .......................................... 8
Figura 1-6: Esquema de pretratamiento de biomasa lignocelulósica ............................. 10
Figura 1-7: Compuestos obtenidos a partir de celulosa y hemicelulosa ......................... 15
Figura 1-8: Procesos de transformación de la lignina .................................................... 16
Figura 2-1: Pretratamiento organosolv de biomasa lignocelulósica ............................... 18
Figura 2-2: Hidrólisis de celulosa ................................................................................... 19
Figura 2-3: Síntesis de 5-HMF ....................................................................................... 19
Figura 2-4: Biorrefinería de biomasa lignocelulósica en dos etapas utilizando solventes
orgánicos ........................................................................................................................ 20
Figura 2-5: Estructura de la lignina con sus principales enlaces: β-O-4´, β-5, β-β´, α-O-4´,
4-O-5´, 5-5 y β-1´............................................................................................................ 31
Figura 2-6: Mecanismo de ruptura solvolítica de α-O-aril éter a través de un intermedio
de metiluro de quinona ................................................................................................... 32
Figura 2-7: Mecanismo de ruptura solvolítica de α-O-aril éter por sustitución nucleofílica
....................................................................................................................................... 33
Figura 2-8: Formación de un carbocatión bencílico en lignina bajo condiciones ácidas . 33
Figura 2-9: Mecanismo de ruptura de enlaces β-O-aril éter en lignina a través de la
formación de cetonas de Hibbert .................................................................................... 34
Figura 2-10: Mecanismo de ruptura solvolítica de enlaces β-O-aril éter en lignina a través
de la eliminación de formaldehído .................................................................................. 35
Figura 2-11: Reacción de condensación de la lignina .................................................... 36
Figura 3-1: Cultivo de rosas del Centro de Biosistemas de la Universidad Jorge Tadeo
Lozano. Rosas variedad Charlotte.................................................................................. 39
Figura 3-2: Biomasa de tallos de rosas recién cortada .................................................. 39
Figura 3-3: Proceso de secado de biomasa tallos de rosas ........................................... 40
Figura 3-4: Molino de cuchillas y tamaño de partícula obtenido ..................................... 41
XII Contenido
Figura 3-5: Tamizadora utilizada en el pretratamiento primario ...................................... 41
Figura 3-6: Procedimiento de extracción con agua ........................................................ 45
Figura 3-7: Reactor de acero inoxidable tipo batch utilizado en el proceso organosolv.
Modelo FCF-1L 316SS ................................................................................................... 51
Figura 3-8: Diagrama de flujo proceso organosolv ......................................................... 52
Figura 3-9: Fracciones resultantes del proceso organosolv a 200 °C ............................. 52
Figura 3-10: Fracciones resultantes del proceso organosolv a 130 °C ........................... 53
Figura 4-1: Rendimiento de deslignificación en la biomasa tratada ................................ 63
Figura 4-2: Modelo bifásico de deslignificación en el proceso organosolv ...................... 65
Figura 4-3: Balance de masa de lignina total ................................................................. 66
Figura 4-4: Efecto de la concentración de etanol en la solubilidad de lignina ................. 67
Figura 4-5: Rendimiento de xilosa recuperada a 200 °C ................................................ 69
Figura 4-6: Porcentaje de furfural obtenido a 200 °C ..................................................... 71
Figura 4-7: Rendimiento de xilosa recuperada a 130 °C ................................................ 73
Figura 4-8: Modelo cinético más simple para la hidrólisis de xilano. Modelo de Saeman.
(s): sólido, (ac): acuoso ................................................................................................... 75
Figura 4-9: Modelo de reacción bifásica para la hidrólisis de xilano ............................... 75
Figura 4-10: Hidrólisis de xilano mediante la formación de xilo-oligómeros .................... 76
Figura 4-11: Solubilización de la hemicelulosa desde el lumen celular hasta la laminilla
media .............................................................................................................................. 77
Figura 4-12: Rendimiento de glucosa recuperada a 200 °C ........................................... 78
Figura 4-13: Porcentaje de 5-HMF obtenido a 200 °C .................................................... 80
Figura 4-14: Rendimiento de glucosa recuperada a 130 °C ........................................... 82
Figura 4-15: Diagrama de Pareto estandarizado para la recuperación de glucosa ......... 85
Figura 4-16: Superficie de respuesta para la recuperación de glucosa .......................... 86
Figura 4-17: Diagrama de Pareto estandarizado para la solubilización de la xilosa ....... 87
Figura 4-18: Superficie de respuesta para la solubilización de xilosa ............................. 87
Figura 4-19: Diagrama de Pareto estandarizado para la deslignificación ....................... 89
Figura 4-20: Superficie de respuesta para la deslignificación ......................................... 89
Figura B-1: Curva de calibración de glucosa .................................................................. 98
Figura B-2: Curva de calibración de xilosa ..................................................................... 98
Figura B-3: Curva de calibración de 5-HMF ................................................................... 99
Figura B-4: Curva de calibración de furfural ................................................................... 99
XIII Contenido
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1-1: Caracterización elemental de biomasa de rosas ............................................. 8
Tabla 1-2: Caracterización composicional de biomasa de rosas ...................................... 9
Tabla 1-3: Pretratamientos de biomasa lignocelulósica .................................................. 11
Tabla 3-1: Diseño de experimentos proceso organosolv ................................................ 49
Tabla 4-1: Caracterización de biomasa de tallos de rosas ............................................. 57
Tabla 4-2: Composición de otras biomasas lignocelulósicas .......................................... 58
Tabla 4-3: Análisis elemental de la biomasa de tallos de rosas ...................................... 59
Tabla 4-4: Composición de lignina en las fracciones resultantes ................................... 59
Tabla 4-5: Porcentaje de deslignificación en el proceso organosolv ............................... 60
Tabla 4-6: Factor de severidad combinado para las diferentes condiciones del proceso 62
Tabla 4-7: Composición de lignina organosolv ............................................................... 68
Tabla 4-8: Balance de masa de xilosa recuperada en experimentos a 200 °C ............... 72
Tabla 4-9: Balance de masa de xilosa recuperada en experimentos a 130 °C ............... 74
Tabla 4-10: Balance de masa de glucosa recuperada en experimentos a 200 °C .......... 81
Tabla 4-11: Balance de masa de glucosa recuperada en experimentos a 130 °C .......... 83
Tabla 4-12: Análisis de varianza para la recuperación de glucosa ................................. 84
Tabla 4-13: Análisis de varianza para la solubilización de xilosa .................................... 86
Tabla 4-14: Análisis de varianza para la deslignificación ................................................ 88
Tabla B-1: Patrones utilizados y tiempos de retención en HPLC ................................... 97
XIV Contenido
Lista de Símbolos y abreviaturas
Símbolos con letras latinas
Símbolo Término Unidad SI Definición
A Masa de la muestra perdida % Ec. 3.5 C CC
Contenido de cenizas Concentración del catalizador
% %
Ec. 3.3 Ec. 3.17
CE Contenido de celulosa % Ec. 3.11 CM Contenido de monosacáridos % Ec. 3.10 D Factor de dilución Ec. 3.9
D̅ Diámetro mm Ec. 3.1
DL Porcentaje de deslignificación % Ec. 3.15 E FSC
Contenido de extraíbles Factor de severidad combinado
%
Ec. 3.7 Ec. 3.17
G Contenido de glucosa % Ec. 3.11 H Contenido de humedad % Ec. 3.2 HE Contenido de hemicelulosa % Ec. 3.12 L Lignina g Ec. 3.15 l Longitud de la celda cm Ec. 3.9 LIA Contenido de lignina insoluble en ácido % Ec. 3.8 LSA Contenido de lignina soluble en ácido % Ec. 3.9 m Masa g ms Masa seca g MV Contenido de material volátil % Ec. 3.6 R Porcentaje de recuperación de
monosacáridos % Ec. 3.13, 3.14
R0 ST
Factor de severidad Sólidos totales
%
Ec. 3.16 Ec. 3.4
UVabs Absorbancia Ec. 3.9 V Volumen mL X Contenido de xilosa % Ec. 3.12 T Temperatura °C t Tiempo min xi Fracción en masa Ec. 3.1 [m] Concentración de monosacáridos mg/mL Ec. 3.10
XV Contenido
Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI Definición
Absortividad L/g cm Ec. 3.9
Subíndices Subíndice Término
bst cc cs ct e fl fs h mbst mc575 mf mfl mfs mh mi mibs
Biomasa sin tratar Cenizas + crisol Crisol seco Crisol con tapa Entrada Fracción líquida Fracción sólida Hidrolizado Monosacárido en biomasa sin tratar Muestra calcinada a 575 °C Muestra final Monosacárido en fracción líquida Monosacárido en fracción sólida tratada Masa para hidrólisis Muestra inicial Muestra inicial en base seca
mle mp
Muestra libre de extraíbles Muestra perdida
ms ms105 pi s w
Muestra seca Muestra seca a 105 °C Partículas en el incremento Salida Masa media
Superíndices Superíndice Término
n Constante para ácido sulfúrico
Abreviaturas Abreviatura Término
bt DANE DOE FL
Billones de toneladas Departamento Administrativo Nacional de Estadística Diseño de experimentos Fracción líquida
XVI Contenido
FS ha 5-HMF HPLC LIA LO LSA mb/d mboe/d rpm ST
Fracción sólida hectáreas Hidroximetilfurfural High Performance Liquid Chromatography (Cromatografía líquida de alta eficacia) Lignina insoluble en ácido Lignina organosolv Lignina soluble en ácido Millones de barriles al día Millones de barriles equivalentes de petróleo al día Revoluciones por minuto Sólidos totales
TS Tipo de solvente
Introducción
Actualmente los combustibles fósiles son la principal fuente para la generación de
energía, combustibles y otros productos industriales. En Colombia, la oferta de energía
primaria está compuesta principalmente por el carbón y el petróleo, con un porcentaje de
participación del 77%, mientras que el 23% restante está conformado por la
hidroelectricidad, el gas natural y fuentes de energía renovables no convencionales como
el bagazo, la leña y biocombustibles (Unidad de Planeación Minero Energética, 2019). A
nivel mundial, la demanda de petróleo en el año 2018 fue de 98,6 mb/d (millones de
barriles por día) y se prevé que aumente en 12 mb/d al 2040 llegando a los 110,6 mb/d
(Organization of the Petroleum Exporting Countries, 2019), como consecuencia del
incremento de la población y la economía. El uso indiscriminado de estos combustibles
fósiles no sólo genera su agotamiento sino también graves afectaciones al ambiente. Un
ejemplo de esto es la emisión de gases de efecto invernadero, específicamente el CO2,
cuyas emisiones para el año 2040 llegarán a más de 38 mt (millones de toneladas), más
de 4 mt que las emitidas en 2018 (Organization of the Petroleum Exporting Countries,
2019).
No obstante, cabe rescatar que en los últimos años han surgido otras fuentes de energía,
como una alternativa para la generación de electricidad, biocombustibles y productos
químicos sin degradar de forma intensiva el ambiente y aprovechando los recursos que
brinda la naturaleza. Dentro de las energías renovables se encuentra la biomasa, cuya
demanda a nivel mundial en el año 2018 fue de 27,5 mboe/d (millones de barriles
equivalentes de petróleo por día) y se estima que se utilicen aproximadamente 35
mboe/d en el 2040 (Organization of the Petroleum Exporting Countries, 2019). La
biomasa lignocelulósica incluye residuos de cosechas, cultivos energéticos, pastos,
residuos de madera, residuos forestales y residuos municipales (Y. D. Singh, Mahanta, &
Bora, 2017), con un alto potencial para ser aprovechados debido a su contenido de
celulosa, hemicelulosa y lignina.
2 Introducción
Colombia es el segundo país exportador de flores en el mundo y la rosa es la principal
especie exportada, con una participación en valor de US $189 millones y en toneladas de
25 941, equivalentes al 22,9% y 19% respectivamente, según el boletín de exportaciones
de flores cortadas de enero a junio de 2019 (Asociación Colombiana de Exportadores de
Flores, 2019). Al ser la rosa la especie preferida tanto a nivel nacional como
internacional, su área de siembra es la de mayor envergadura (Asociación Colombiana
de Exportadores de Flores, 2018). Sin embargo, es importante señalar que la floricultura
genera alrededor de 0,8 a 1 toneladas de residuos vegetales por semana dependiendo
del tipo de flor sembrada y el ciclo productivo (Asociación Colombiana de Exportadores
de Flores, 2010). En el proceso productivo de rosas, las etapas que más generan
desechos vegetales son poscosecha, descabece y corte de improductivos (Arévalo Celis,
2006).
Con el objetivo de aprovechar el potencial lignocelulósico que tienen estos residuos se
seleccionaron los tallos de rosas para evaluar la obtención de azúcares y lignina
utilizando el proceso organosolv. Este proceso presenta diferentes ventajas tales como el
fraccionamiento de la biomasa lignocelulósica en sus componentes celulosa,
hemicelulosa y lignina con una alta pureza, recuperación del solvente y reutilización del
mismo, además de ser un proceso con bajas emisiones de CO2 y SO2 en comparación
con otros procesos como el Kraft y sulfito (K. Zhang, Pei, & Wang, 2016).
Este documento se desarrolla en cuatro capítulos. En el primero se encuentra un marco
teórico cuyo fin es proporcionar información relevante sobre el desarrollo de la floricultura
en Colombia, así como la composición de la biomasa lignocelulósica y los diferentes
pretratamientos utilizados. En el segundo capítulo se da un contexto del proceso
organosolv, los antecedentes y algunas investigaciones que se han realizado en este
campo, al igual que las condiciones y la reacción de deslignificación de este proceso. En
el tercer capítulo, se presentan los objetivos del trabajo final y la metodología que se llevó
a cabo. En el cuarto capítulo se muestran los resultados y discusión de los mismos.
Finalmente, se dan a conocer las conclusiones y hallazgos del trabajo, así como algunas
recomendaciones para investigaciones futuras.
1. Capítulo 1. Marco teórico
1.1. Floricultura en Colombia
Colombia es conocida por su variedad de ecosistemas y climas, confiriéndole así gran
diversidad de especies animales y vegetales. Esto permite que sea el segundo
exportador de flores a nivel mundial, después de Holanda, además de ser el primer
exportador de claveles y el primer proveedor de los Estados Unidos (Procolombia, 2019).
En enero de 2018, en el país se sembraron 7532 hectáreas de flores, siendo la rosa
(34,6%), la hortensia (19,6%), el crisantemo (11,8%), el clavel (11,7%) y la alstroemeria
(5,2%) las principales especies cultivadas. En el mismo mes se exportaron un total de
21 417 toneladas de flores representadas en $USD 114 469 985, de las cuales 3890
toneladas correspondían a la rosa, equivalentes a un 21,3% en valor, convirtiéndola así
en la especie No. 1 en ser exportada.
Entre los años 2004 y 2018 se generó un aumento del 88,81% en hectáreas producidas.
Cundinamarca, en especial la sabana de Bogotá y Antioquia representan el 99,4% del
total de la producción nacional, con un porcentaje del 67% y 32,4% respectivamente
(Asociación Colombiana de Exportadores de Flores, 2018). Por tal motivo, la floricultura
es un sector intensivo de mano de obra, que genera una fuente de empleo permanente
tanto directo como indirecto. En 2018 generó más de 140 000 empleos rurales formales
directos, especialmente a madres cabeza de familia (Procolombia, 2019).
1.2. Composición de la biomasa lignocelulósica
Se entiende como biomasa a la fracción biodegradable de los productos, desechos y
residuos de origen biológico procedentes de actividades agrarias (incluidas las
sustancias de origen vegetal y animal), de la silvicultura y de las industrias conexas,
incluidas la pesca y la acuicultura, así como la fracción biodegradable de los residuos
4 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
industriales y municipales (Parlamento Europeo y Consejo de la Unión Europea, 2009).
La biomasa está compuesta en su mayoría por celulosa, hemicelulosa y lignina.
▪ Celulosa: Compuesto orgánico de fórmula (C6H10O5)n. El grado de polimerización, n,
oscila entre 10 000 y 15 000, siendo n dependiente de la materia prima fuente de
celulosa (Moon, Martini, Nairn, Simonsen, & Youngblood, 2011). Es el polímero
natural más abundante de la biosfera y el principal componente de la biomasa
lignocelulósica. Se considera una fuente casi inagotable de materia prima para la
generación de productos amigables con el ambiente (Klemm, Heublein, Fink, &
Bohn, 2005). La celulosa es un polisacárido que consiste en una cadena lineal de D-
glucosa unida entre sí por enlaces glucosídicos β-(1,4)- y puentes de hidrógeno intra
e intermoleculares para formar fibras de celulosa. Es insoluble en agua y en la
mayoría de solventes orgánicos. Es el componente fundamental de la pared celular
de las plantas y se encuentra en una proporción de 35% – 50% en peso de materia
seca (Haghighi Mood et al., 2013). La figura 1-1 muestra la estructura de la celulosa,
en donde se puede apreciar la unión de moléculas de β-D-glucosa por medio de
enlaces β-(1,4)-O glucosídicos y su estructura lineal o fibrosa mediante puentes de
hidrógeno (Poletto, Pistor, & Zattera, 2013).
Figura 1-1: Estructura de la celulosa
OO
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
HO
OH
O
O
OH
OO
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
OO
O
OH OH
H
C1
C3
C4
C6
C5
C2
HO
HO
C4
5C
5
C6
HO
5
C3
HO3
C2
C1
O
n1 4
enlaces glucosídicos -(1,4)-
Capítulo 1 5
▪ Hemicelulosa: De fórmula (C5H8O4)m, es un biopolímero ramificado heterogéneo que
contiene pentosas (β-D-xilosa, α-L-arabinosa), hexosas (β-D-manosa, β-D-glucosa,
α-D-galactosa) y/o ácidos urónicos (ácidos α-D-glucurónico, α-D-4-O-metil-
galacturónico y α-D-galacturónico). Debido a su estructura amorfa (con cadena
lateral corta) y a su bajo peso molecular, la hemicelulosa es relativamente fácil de
hidrolizar (Haghighi Mood et al., 2013). Los xilanos y glucomananos son los
principales polisacáridos de la hemicelulosa, siendo los primeros los más
abundantes. Los xilanos son los principales componentes de la hemicelulosa de las
paredes celulares secundarias y constituyen alrededor del 20% – 35% en peso de
materia seca en biomasas de maderas duras y plantas herbáceas. En algunos
tejidos de cereales y gramíneas, pueden representar hasta un 50% en peso seco.
Las hemicelulosas de tipo manano como los glucomananos y galactoglucomananos
son los principales componentes hemicelulósicos de la pared celular secundaria de
maderas blandas, mientras que en maderas duras se encuentran en cantidades
menores (Gírio et al., 2010). Las hemicelulosas están unidas a la celulosa por
puentes de hidrógeno y a la lignina por enlaces covalentes (Ravindran & Jaiswal,
2016). La figura 1-2 muestra la estructura de diferentes disacáridos presentes en la
hemicelulosa, las cuales se caracterizan por una cadena principal ligada a β-(1,4)-
con una configuración ecuatorial en C1 y C4 (Scheller & Ulvskov, 2010).
Figura 1-2: Unidades de disacáridos de la hemicelulosa. a) β-(1,4)- glucano, b) β-
(1,4)- xilano, c) β-(1,4)- glucomanano, d) β-(1,4)- manano
OO
O
OO
O
OO
O
OO
O
a) b)
c) d)
▪ Lignina: Es el segundo polímero natural más abundante en el planeta, y la fuente
renovable más importante de compuestos aromáticos. El contenido de lignina varía
dependiendo del tipo de materia prima. La fracción de lignina más alta se encuentra
6 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
normalmente en maderas blandas, en una proporción de 25% – 32% en peso de
materia seca, mientras que en maderas duras es ligeramente menor con un 18% –
25% en peso seco. En pajas y pastos, el contenido de lignina es incluso menor que
en las maderas duras y casi no se encuentra en musgos y algas verdes. La lignina
actúa como protector de los polisacáridos debido a que es difícil de degradar. De los
tres polímeros principales en las plantas, la lignina tiene la composición y estructura
más compleja y heterogénea. Se forma a partir de unidades de fenilpropanoides que
están sustituidas en varias posiciones, unidas por enlaces éter y C – C (Abdelaziz et
al., 2016). La lignina se compone de tres monómeros fenilpropanólicos básicos
conocidos como monolignoles: alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y alcohol
sinapílico (figura 1-3). Cuando las unidades que se originaron a partir de los
monolignoles se incorporan al polímero de lignina, se denominan unidades
p-hidroxifenilo, guayacilo y siringilo, respectivamente (Figueiredo, Lintinen, Hirvonen,
Kostiainen, & Santos, 2018).
Figura 1-3: Monómeros primarios de la lignina. a) Alcohol p-cumarílico (p-
hidroxifenilo - H), b) Alcohol coniferílico (Guayacilo - G), c) Alcohol sinapílico
(Siringilo - S)
OH
OH
a) b) c)
OH
OH
OCH3
OH
OH
OCH3H3CO
Por otra parte, en la figura 1-4 se presenta un ejemplo de la unión entre la hemicelulosa y
la lignina en la biomasa de paja de trigo. Allí se muestra una representación esquemática
de los enlaces éster y éter predominantes en la unión de estos dos compuestos (Pérez
Jiménez, 2008).
Capítulo 1 7
Figura 1-4: Unión entre los componentes hemicelulosa y lignina de biomasa proveniente
de paja de trigo
CO
O
HOH
H
H
O
CH3
O
OO
H
HO
CH3
O
OO
HOH
H
H
O
CH3
O
H
OO
OH
H
O
CH3
O
OO
H
H O
CH3O
H
O
O
OH
OH
H
CH2O
O
OH
OHHO
C
O
CH
CH
OCH3
O
CH2CH
CH2
OH
H3CO
O
Lignina
OO
Cadena de -D-Xilano
−L-arabinofuranosa
éster enlace 30%
éter enlace 70%
1.3. Biomasa de rosas
Las biomasas lignocelulósicas se caracterizan por estar compuestas principalmente de
celulosa, hemicelulosa y lignina. En cantidades menores se encuentran cenizas, pectina,
sales y minerales (Ravindran & Jaiswal, 2016). La figura 1-5 muestra la proporción
general de cada uno de estos componentes.
8 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 1-5: Composición general de biomasa lignocelulósica
En las tablas 1-1 y 1-2 se presentan las caracterizaciones elemental y composicional de
residuos de tallos y hojas de rosas (Rosa spp.) provenientes del municipio de Tocancipá,
Cundinamarca (Quevedo Hidalgo, 2011). Esta biomasa se caracteriza por tener un bajo
contenido de hemicelulosa en comparación con otros tallos o residuos agroindustriales.
Tabla 1-1: Caracterización elemental de biomasa de rosas
Componente Proporción
Nitrógeno total (%) 1,64
Fósforo total (%) 0,18
Calcio (%) 0,78
Potasio (%) 0,88
Magnesio (%) 0,19
Cobre (mg/kg) 8,99
Hierro (mg/kg) 256
Manganeso (mg/kg) 86,3
Zinc (mg/kg) 82,3
Boro (mg/kg) 66,2
Carbono (%) 42,42
Celulosa Hemicelulosa Lignina Cenizas y otros
35-50%
15-20%
15-20%
20-35%
Capítulo 1 9
Tabla 1-2: Caracterización composicional de biomasa de rosas
Componente Proporción
Celulosa (%)1 42,9
Hemicelulosa (%)1 5,7
Lignina (%)1 14,8
Humedad (%) 10,5
1 B.S. Base seca
1.4. Pretratamientos de la biomasa
El pretratamiento de la biomasa es un proceso indispensable para su transformación a
biocombustibles y/o productos químicos, debido a los componentes de celulosa,
hemicelulosa y lignina que esta posee. La complejidad de la biomasa lignocelulósica
define el tipo de pretratamiento a realizar. La finalidad de un pretratamiento es romper el
complejo lignocelulósico de manera eficiente (figura 1-6), de tal forma que se remueva la
lignina en una forma reutilizable y se descristalicen las fibras de la celulosa (Haghighi
Mood et al., 2013). De igual manera, se busca reducir la limitación del transporte de
masa del catalizador químico o biológico a utilizar posteriormente, con el fin de generar
gran cantidad de azúcares para ser convertidos en productos químicos (Morone, Apte, &
Pandey, 2015). Además, la aplicación de un pretratamiento permite que se incremente el
área superficial y la porosidad de la biomasa, aumentando de esta manera la efectividad
de una posterior hidrólisis de la celulosa (Ravindran & Jaiswal, 2016).
10 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Celulosa
Hemicelulosa
Lignina
Figura 1-6: Esquema de pretratamiento de biomasa lignocelulósica
Los pretratamientos pueden ser físicos, químicos, físicoquímicos y biológicos. En la tabla
1-3 se muestra la clasificación de los pretratamientos de la biomasa. De igual manera, se
presentan algunas ventajas y desventajas del uso de cada pretratamiento.
Pretratamiento
Capítulo 1 11
Tabla 1-3: Pretratamientos de biomasa lignocelulósica
Tipo de
pretratamiento Características Proceso Ventajas Desventajas Referencias
Físico
Se utilizan
principalmente
para reducir el
tamaño de
partícula e
incrementar el
área superficial
para un efectivo
tratamiento
posterior de la
biomasa
lignocelulósica.
Astillado Disminuye la cristalinidad
de la celulosa. No genera
materiales tóxicos.
Alto consumo de energía. (Hu et al., 2014; Zhu,
Wang, Pan, & Gleisner,
2009) Molienda
Extrusión Duración del proceso es
corto. Baja formación de
compuestos inhibidores.
Alto consumo de energía. (Karunanithy &
Muthukumarappan, 2011;
Yoo, Alavi, Vadlani, &
Amanor-Boadu, 2011)
Microondas
Duración del proceso es
corto. Requiere menos
energía.
Alto costo. (Cheng, Su, Zhou, Song,
& Cen, 2011; Ma, Liu,
Chen, Wu, & Yu, 2009)
Congelación
Bajo impacto ambiental
negativo, uso de
productos químicos
menos peligrosos.
Alto costo. (Chang et al., 2011)
Químico
Usa agentes
químicos o
solventes para
fraccionar los
componentes de
la biomasa.
Pretratamiento
con ácido diluido
El proceso es rápido y no
se requiere reciclar el
ácido.
Requiere de altas temperaturas y
presiones. Formación de
inhibidores.
(Lenihan et al., 2010;
Montané, Salvadó,
Torras, & Farriol, 2002)
Pretratamiento
con ácido
concentrado
Alta conversión de
azúcares.
Ácidos concentrados son
altamente tóxicos y corrosivos.
Requiere reactores que sean
resistentes a la corrosión. Alto
costo.
(M. O. Jang & Choi, 2018;
Wijaya et al., 2014)
12 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el proceso organosolv
Tabla 1-3: (Continuación)
Tipo de
pretratamiento Características Proceso Ventajas Desventajas Referencias
Químico
Usa agentes
químicos o
solventes para
fraccionar los
componentes de
la biomasa.
Pretratamiento
alcalino
Eficiente remoción de lignina y
hemicelulosa. Incremento del área
superficial para los sitios de reacción
para hidrólisis posteriores.
Duración del proceso es
largo, formación de sales
irrecuperables.
(Park & Kim, 2012;
Shahabazuddin et
al., 2018)
Proceso
organosolv
Se obtienen las fracciones de
celulosa, hemicelulosa y lignina con
alta pureza.
Recuperación del solvente.
Alto costo (en algunos
casos). Inflamabilidad y
volatilidad (según el solvente
que se utilice).
(Choi et al., 2019;
Salapa,
Katsimpouras,
Topakas, & Sidiras,
2017)
Pretratamientos
con líquidos
iónicos (LI)
Reduce la cristalinidad de la celulosa.
Condiciones de operación
moderadas.
Alto costo. Los LI se vuelven
más viscosos durante el
proceso generando
dificultades en su uso. La
mayoría de los LI son
tóxicos para las enzimas
hidrolíticas.
(Alayoubi et al.,
2020; Yuan et al.,
2017)
Ozonólisis
Remueve la lignina de forma efectiva.
No produce residuos tóxicos para
procesos posteriores. Las reacciones
se llevan a cabo a temperatura
ambiente y presión atmosférica.
Se requiere gran cantidad de
ozono, aumentando los
costos del proceso.
(Mulakhudair,
Hanotu, &
Zimmerman, 2017;
Orduña Ortega et
al., 2020)
Capítulo 1 13
Tabla 1-3: (Continuación)
Tipo de
pretratamiento Características Proceso Ventajas Desventajas Referencias
Fisicoquímico
Estos tipos de
pretratamientos
dependen de las
condiciones de
proceso y
compuestos químicos
utilizados que afectan
las propiedades
físicas y químicas de
la biomasa.
Explosión por vapor
Degradación de hemicelulosa.
Bajo consumo de energía.
Ningún costo ambiental o de
reciclaje.
Degradación incompleta de
la lignina. Destrucción
parcial de la celulosa.
Generación de subproductos
tóxicos. Requiere de altas
temperaturas y presiones.
(Kataria, Mol,
Schulten, Happel, &
Mussatto, 2017;
Lizasoain et al.,
2016)
Oxidación húmeda
La hemicelulosa es solubilizada
mientras que la celulosa se
encuentra en la fracción sólida
con baja formación de
inhibidores.
Requiere de altas
temperaturas y presiones.
Alto costo.
(An et al., 2019;
Banerjee et al.,
2009)
Explosión de fibra
con amoniaco
Incremento del área superficial
de la celulosa. No hay
formación de inhibidores.
Requiere de altas presiones.
Ineficiencia del proceso
cuando la biomasa tiene un
alto contenido de lignina. Se
debe recuperar y reciclar el
amoniaco para evitar
impactos ambientales
negativos.
(Chundawat et al.,
2012; J. M. Lee,
Jameel, & Venditti,
2010)
14 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el proceso organosolv
Tabla 1-3: (Continuación)
Tipo de
pretratamiento Características Proceso Ventajas Desventajas Referencias
Fisicoquímico
Estos tipos de
pretratamientos
dependen de las
condiciones de
proceso y
compuestos químicos
utilizados que afectan
las propiedades
físicas y químicas de
la biomasa.
Agua caliente
No requiere de reactores
resistentes a la corrosión.
Solubiliza la mayoría de la
hemicelulosa y por lo tanto
incrementa la digestibilidad de
la celulosa. Baja formación de
inhibidores.
Requiere de altas
temperaturas y presiones.
(H. R. Lee, Lee,
Lee, Kazlauskas,
& Park, 2017;
Wells, Drielak,
Surendra, &
Kumar Khanal,
2020)
Explosión con CO2
Aumenta el área superficial de
la celulosa. Baja formación de
inhibidores. No es tóxico y ni
inflamable.
Requiere altas presiones. (Alinia, Zabihi,
Esmaeilzadeh, &
Kalajahi, 2010; M.
jiao Zhao et al.,
2019)
Biológico
Aunque son procesos
lentos poseen
especificidad de
acción.
Pretratamiento con
hongos
Bajo consumo de energía.
Degrada la hemicelulosa y
lignina. Proceso amigable con
el ambiente.
Tiempo de pretratamiento
muy largo. La tasa de
hidrólisis es baja.
(Larran et al.,
2015; P. Singh et
al., 2008)
Capítulo 1 15
No existe un pretratamiento específico para cada biomasa, pues el uso de estos depende
del objetivo que se quiera lograr (producción de biocombustibles o de productos
químicos), así como del tipo de materia prima que se tenga ya que su composición varía
de acuerdo con cada material.
Los azúcares y lignina extraídos de los pretratamientos de biomasas lignocelulósicas
permiten obtener biocombustibles y productos químicos de valor agregado. Entre los
principales biocombustibles se encuentran bioetanol, biobutanol, biohidrógeno,
biometanol y biometano (Kumari & Singh, 2018). Por su parte, los productos químicos
pueden derivarse tanto de fuentes de carbohidratos como de la lignina. Compuestos
plataforma como 5-HMF y furfural son obtenidos a través de la deshidratación de
azúcares C5 y C6 respectivamente. Polialcoholes como sorbitol y xilitol se producen por la
hidrogenación de glucosa y xilosa (Chávez-Sifontes, 2019; Kumar & Sharma, 2017). En
la figura 1-7 se presenta los diferentes compuestos que se pueden obtener a partir de la
celulosa y hemicelulosa.
Figura 1-7: Compuestos obtenidos a partir de celulosa y hemicelulosa
O
O
H
Furfural
O
OH
O
Ac. levulínico
OHOH
OHOH
OH
Xilitol
O
OH
NH2
OH
O
Ac. glutámico
O
O
HOH
5-HMF
OHOHOH
O
O OOH
Ac. cítrico
OH
OHOH
OHOH O
OH
Ac. D-glucónico
OH
OHOH
OH OH
OH
Sorbitol
L-lisina
O
NH2
NH2 OH
OHOH
OO
Ac. malónico
O
OH
Ac. propanoico
O
OH
OH
Ac. L-láctico
OHOH
OH
Glicerol
O
NH2
OH OH
L-serina
O
HO
HO
Acetol
OHOH
O
OHO
Ac. málico
OHOH
O
O
Ac. succínico
Celulosa
Hemicelulosa
C5
C6
C4
C3
O
NH2
CH3
OH
OH
Treonina
16 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
La lignina ha sido utilizada desde tiempos antiguos para generar calor. En los últimos
tiempos ha sido una fuente de productos valiosos como compuestos fenólicos (figura 1-8)
(Kumar & Sharma, 2017; Sifontes & Domine, 2013). Específicamente, la lignina obtenida
del proceso organosolv se caracteriza por su alta pureza, debido a que posee un bajo
contenido de carbohidratos. Esta puede ser usada como precursor para la generación de
productos químicos como vainilla, fenol y etileno, y puede ser convertida a fibras de
carbono de alto valor (Y. H. P. Zhang, 2008). Otras aplicaciones a gran escala incluyen
dispersantes, agentes acondicionadores del suelo, adsorbentes y adhesivos. Como
fuente de energía, la lignina organosolv tiene un valor de calentamiento mayor de 26
MJ/kg y, tras la combustión, puede proveer una energía superior a la requerida para el
proceso y para la destilación de etanol (Sannigrahi & Ragauskas, 2013).
Figura 1-8: Procesos de transformación de la lignina
OH
OH
O
OCH 3
OH
OH
OCH 3
O
OHOH
OCH 3
O
OH
O
H3CO
O
O
OCH 3
O
OH
OH
OCH 3
O
OH
PROCESOS
BIOLÓGICOS
PROCESOSTÉRMICOS
PROCESOS
ÁCIDO/BASE
PROCESOS
REDOX
CONVERSIÓN
MICROBIANA
OXIDACIÓN
ENZIMÁTICA
vainillina, ácidos ferúlico
cumárico y otros
lignina oxidada para
pinturas y recubrimientos
PIRÓLISIS
RÁPIDA
TERMÓLISIS
ac. acético, fenol,
metano, CO
acetileno
etileno
TRATAMIENTO
CON ÁLCALIS
HIDRÓLISIS
ac. fenólicos
catecol
fenol y fenoles
sustituidos
HIDROGENACIÓN OXIDACIÓN
fenoles y cresoles
vainillina
sulfuro de dimetilo
dimetil sulfóxido
2. Capítulo 2. Proceso organosolv
2.1. Contexto del proceso organosolv
El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica utilizando el proceso organosolv ha
venido creciendo en las últimas décadas debido a sus ventajas inherentes tales como el
fraccionamiento de sus componentes celulosa, hemicelulosa y lignina con alta pureza,
así como la recuperación del solvente y la reutilización del mismo.
Las ventajas que presenta este proceso son:
▪ El pretratamiento con solventes orgánicos permite una separación de celulosa con
alta pureza y con una menor degradación.
▪ La lignina de alta calidad obtenida del pretratamiento de la biomasa con solventes
orgánicos puede ser usada como precursores químicos de alto valor para diferentes
aplicaciones industriales, tales como adhesivos y resinas específicas para
recubrimientos, construcción, lubricantes, etc.
▪ El pretratamiento con solventes orgánicos demuestra una eficiencia más alta para el
fraccionamiento de la hemicelulosa comparado con tratamientos convencionales.
▪ Los solventes orgánicos utilizados en el pretratamiento pueden ser recuperados por
medio de una destilación. De igual manera, se pueden reciclar para un posterior
pretratamiento.
▪ Este proceso permite una utilización más eficiente de la materia prima sin generar
contaminación al aire o al agua comparado con los procesos convencionales para la
obtención de pulpa proveniente de material lignocelulósico como el proceso Kraft y
sulfito (K. Zhang et al., 2016).
En el proceso organosolv, ocurre la ruptura de los enlaces internos de la lignina y la
hemicelulosa, separando la biomasa lignocelulósica en sus fracciones macromoleculares
18 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
principales que son celulosa, hemicelulosa y lignina. Dicha separación ocurre de la
siguiente manera:
i. El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica se lleva a cabo con un solvente
orgánico a una temperatura, presión y tiempo específicos, con o sin catalizador. Este
proceso degrada la mayoría de la lignina y la hemicelulosa en pequeños fragmentos
de peso molecular bajo, que se disuelven en la fracción líquida. Por su parte, la
celulosa permanece en la fracción sólida después de una filtración, la cual es
altamente susceptible de hidrólisis y fermentación.
ii. Posteriormente, se realiza una destilación de la fracción líquida para recuperar el
solvente. El licor negro es diluido, precipitado y secado para obtener la lignina
organosolv, con un alto potencial para diferentes aplicaciones industriales. El líquido
resultante de dicha operación es rico en hemicelulosa (xilosa y otros compuestos)
que también tiene usos industriales (K. Zhang et al., 2016).
La figura 2-1 muestra un diagrama de flujo general del pretratamiento de biomasa
lignocelulósica utilizando el proceso organosolv.
Figura 2-1: Pretratamiento organosolv de biomasa lignocelulósica
Pretratamiento
organosolv
Pretratamiento
organosolv
Biomasa
lignocelulósica
Fracción
sólida
Fracción
líquidaRecuperación
del solvente
Recuperación
del solvente
Hidrólisis/
Fermentación
Hidrólisis/
FermentaciónBiocombustibles
Bioproductos químicos
Sólido
Líquido
Lignina
Xilosa
Otros
químicos
El mecanismo de fraccionamiento de la biomasa lignocelulósica con solventes orgánicos
comprende tres reacciones químicas que son:
i. Reacción de la lignina: En este proceso la principal reacción es la ruptura de los
enlaces α- y β- aril éter. Los enlaces α-aril éter son más fáciles de degradar que los
enlaces β-aril éter. Estos últimos necesitan de condiciones de proceso más severas
para su ruptura (M.-F. Li, Sun, Xu, & Sun, 2012). Se han estudiado tres diferentes
Capítulo 2 19
vías para la reacción del rompimiento de los enlaces α-aril éter, estas serán
explicadas en el numeral 2.4
ii. Degradación de carbohidratos: En esta reacción los enlaces glicosídicos son
hidrolizados en oligosacáridos y monosacáridos según las condiciones del proceso.
En condiciones suaves, la degradación de carbohidratos se produce principalmente
en la región amorfa, lo que conduce a la remoción de hemicelulosa y celulosa
amorfa. La celulosa en la región cristalina es resistente a la degradación (K. Zhang et
al., 2016). En la figura 2-2 se presenta la hidrólisis de la celulosa hacia oligómeros
(β-1,4 glucanos) y posteriormente hacia glucosa (Morales De La Rosa, 2015).
Figura 2-2: Hidrólisis de celulosa
O H
OH
H
H
HOH
H
OH
O
OH
OH
H
H
HOH
H
OH
Celulosa
Hidrólisis Oligómeros
solubles
Hidrólisis
O
H
OH
H
H
H
OH
H
OH
OH
OH
Glucosa
iii. Deshidratación de monosacáridos: Los monosacáridos resultantes de la segunda
reacción son deshidratados para generar furfural de las pentosas y 5-HMF de las
hexosas. Además, el furfural y el 5-HMF pueden degradarse aún más y formar ácido
fórmico y ácido levulínico, respectivamente. El contenido de furfural y 5-HMF
aumentan cuando las condiciones del proceso organosolv son más severas (M.-F. Li
et al., 2012; Morales De La Rosa, 2015). La síntesis de 5-HMF a partir de glucosa se
puede observar en la figura 2-3.
Figura 2-3: Síntesis de 5-HMF
20 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Al observar los mecanismos de reacción del fraccionamiento de biomasa utilizando el
proceso organosolv, se puede precisar que este método brinda una oportunidad de
aprovechamiento integral de diversos residuos lignocelulósicos. En consecuencia, en los
últimos años ha surgido el interés por la creación de biorrefinerías, debido a que estas
tienen el potencial de generar biocombustibles como producto primario y derivados
bioquímicos de alto valor agregado como subproductos. La figura 2-4 muestra la
biorrefinería de biomasa lignocelulósica en dos etapas. En la primera etapa, el proceso
organosolv separa el material lignocelulósico en tres componentes de alta pureza con el
fin de superar la complejidad de diferentes estructuras y composiciones. En la segunda
etapa, la celulosa y hemicelulosa son materias primas ideales para la producción de
biocombustibles como bioetanol y biobutanol. La celulosa también se puede emplear
para la producción de pulpa para papel, seda y otros productos modificados. Además, la
hemicelulosa es fácilmente convertida a xilitol, que contiene el dulce de la sacarosa para
el consumo de diabéticos sin insulina adicional. La lignina puede hacer combustión para
generar calor y electricidad. De igual manera, se puede procesar a fenoles y estireno,
derivados bioquímicos de alto valor para adhesivos específicos y plastificantes de
concreto, entre otros productos (K. Zhang et al., 2016).
Figura 2-4: Biorrefinería de biomasa lignocelulósica en dos etapas utilizando solventes
orgánicos
Capítulo 2 21
2.2. Antecedentes del proceso organosolv
El pretratamiento de biomasa lignocelulósica con solventes orgánicos se ha venido
desarrollando desde el año 1893, cuando Klason utilizó etanol y ácido clorhídrico para
separar la madera en sus componentes y estudiar la estructura de la lignina y
carbohidratos (Klason, P, 1893). Posteriormente, en 1918 Pauly y otros investigadores
emplearon ácido fórmico y ácido acético para deslignificar la madera y caracterizar sus
principales componentes (Pauly, H, 1918). Diferentes solventes orgánicos como
alcoholes, fenol, acetona, ácido propanoico, dioxano, algunas aminas, ésteres,
formaldehído, cloroetanol, ya sean puros o en solución acuosa y en presencia o ausencia
de ácidos, bases o sales como catalizador han sido usados para deslignificar materiales
lignocelulósicos (M.-F. Li et al., 2012).
En 1980, se empezaron a investigar diferentes procesos de pulpa que utilizando los
solventes previamente mencionados como una alternativa para el proceso clásico de
pulpa en el campo de la industria del papel. La principal ventaja de esta técnica
denominada pulpa - organosolv fue una mayor eficiencia en el uso de materias primas de
una manera ambientalmente amigable, en comparación con los inconvenientes del
proceso clásico de pulpa como malos olores, bajos rendimientos, alta contaminación,
deficiente blanqueamiento de la pulpa y altos costos de inversión (M.-F. Li et al., 2012).
En 1992, el proceso denominado Organocell que emplea una mezcla de metanol - agua
con adición de NaOH y el proceso de pulpa de sulfito alcalino antraquinona metanol por
sus siglas en inglés ASAM, fueron operados por primera vez a gran escala (M.-F. Li et
al., 2012). Por su parte, el proceso de pulpa con ácidos orgánicos como ácido acético
denominado Acetosolv y ácido fórmico denominado Milox, en presencia de peróxido de
hidrógeno fueron operados a escala piloto. Algunos de estos procesos fueron empleados
para obtener diferentes productos tales como, celulosa hidrolizable, azúcares y lignina de
alta calidad distinta de la pulpa con el fin de explotar todo el potencial de las materias
primas (M.-F. Li et al., 2012).
En los últimos años, estos procesos han sido modificados para la generación de
biocombustibles y/o bioproductos químicos. Una gran variedad de solventes orgánicos
como alcoholes de alto y bajo punto de ebullición, ácidos orgánicos y cetonas han sido
empleados dentro del proceso organosolv para el aprovechamiento de residuos
22 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
lignocelulósicos. A continuación, se presentan algunas investigaciones llevadas a cabo
en este campo.
En el estudio desarrollado por Salapa y colaboradores (2017), tenían como objetivo
realizar el pretratamiento organosolv a la paja de trigo para la producción de etanol. Para
esto utilizaron cinco solventes (etanol, metanol, butanol, acetona y dietilenglicol) y H2SO4
como catalizador. El procedimiento se llevó a cabo a 160 °C y 180 °C durante 20 min o
40 min, ejecutando 20 experimentos. El solvente que realizó la máxima conversión de
celulosa (89,23% en masa) fue el etanol a 180 °C por 40 min, así como también obtuvo el
mayor rendimiento de etanol producido (67,24% en masa). No obstante, el pretratamiento
de la biomasa con dietilenglicol también obtuvo una conversión de celulosa del 77,02%
en masa y un rendimiento de etanol producido de 65,28% en masa. En cuanto al grado
de deslignificación, el ensayo con acetona a 180 °C y 40 min presentó el mayor
porcentaje de remoción de lignina (~70%), observando que se requieren condiciones de
pretratamiento moderadas a severas para obtener una buena remoción de este polímero
(Salapa et al., 2017).
Ebrahimi y colaboradores (2017), estudiaron el efecto del pretratamiento organosolv con
glicerol acuoso acidificado (AAG) y carbonato de glicerol acidificado (AGC) sobre la
digestibilidad enzimática y la producción de bioetanol con cascarilla de arroz. El
pretratamiento se llevó a cabo a 90 °C y 130 °C durante 15, 30 y 60 min y a dos
diferentes porcentajes en peso de agua (10% y 20%). El proceso con AGC presentó un
mayor grado de deslignificación de 55,8% en comparación con el proceso con AAG que
obtuvo un 21,21% de deslignificación. Se observa que a mayor tiempo de reacción en el
proceso AGC el porcentaje de deslignificación es mayor, sin embargo, esto influye en
una menor recuperación de glucano. El máximo rendimiento de digestibilidad de glucano
fue de 78,2% y 69,7% para los pretratamientos con AGC y AAG respectivamente, estos
se alcanzaron a una proporción de agua en peso del 10% a 90 °C y 130 °C durante 60
min, utilizando celulasa por 72 horas. Además, la sacarificación y fermentación
simultánea fue conducida anaeróbicamente a 37 °C con Saccharomyces cerevisiae, 5%
p/v de glucano y 10 FPU/g (unidades de papel filtro/g) de glucano de celulasa,
alcanzando concentraciones de etanol de hasta 11,58 g/L y 8,84 g/L con AGC y AAG
Capítulo 2 23
respectivamente, luego de tres días de incubación (Ebrahimi, Villaflores, Ordono, &
Caparanga, 2017).
Los autores Asadi y Zilouei (2017), utilizaron etanol como solvente en el proceso
organosolv para pretratar tamo de arroz y producir biohidrógeno. Por medio de un diseño
de experimentos de superficie de respuesta analizaron el efecto de tres variables en el
rendimiento de biohidrógeno, la biomasa residual y la recuperación de lignina después
del pretratamiento. Las tres variables fueron: temperatura (120 °C – 180 °C),
concentración de etanol (45% – 75% (v/v)) y tiempo de residencia (30 min – 90 min). El
máximo rendimiento de biohidrógeno fue de 19,73 mL/g de tamo, obtenido con una
concentración de etanol del 45% (v/v), 180 °C y 30 minutos. Esta investigación muestra
que, en condiciones de pretratamiento moderadas a severas, la lignina se degrada en
pequeñas fracciones y luego se disuelve en la fase líquida, aumentando la remoción de
lignina. Además, como resultado de la hidrólisis de la lignina y la hemicelulosa, la
celulosa se convierte en el principal componente de la fracción sólida (Asadi & Zilouei,
2017).
Romaní y colaboradores (2016), fraccionaron la madera Eucalyptus globulus en sus
componentes por medio del proceso organosolv a 200 °C durante 69 minutos con una
mezcla glicerol - agua al 56% (p/p). Un 99% de celulosa se mantuvo en la biomasa
tratada y el 65% de la lignina fue solubilizada. La lignina precipitada fue caracterizada en
su composición química y comportamiento térmico, mostrando características similares a
la lignina comercial. Para la producción de etanol lignocelulósico se llevó a cabo un
diseño de experimentos factorial (32) en donde las variables independientes fueron
relación enzima–sustrato (RES= 8-16 FPU/g) y relación líquido–sólido (RLS= 3–9 (p/p)) y
las variables de respuesta fueron concentración de etanol obtenido a las 120 horas de
fermentación, conversión de celulosa a etanol y productividad. Una alta concentración de
etanol fue obtenida de la biomasa pretratada (94 g/L), correspondiente al 77% de
conversión de celulosa, a una relación enzima-sustrato de 16 FPU/g y una RLS=3
usando una cepa de Saccharomyces cerevisiae industrial y termotolerante (Romaní,
Ruiz, Teixeira, & Domingues, 2016).
Los autores Ostovareh y colaboradores (2015), realizaron la conversión de tallos de
sorgo dulce a biogás y etanol por medio del pretratamiento organosolv. Este proceso se
24 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
llevó a cabo a diferentes temperaturas, en un rango de 100 °C a 160 °C, usando una
mezcla de etanol-agua al 50% o 70% (v/v) de etanol, con un tiempo de reacción de 30
minutos. En algunos experimentos utilizaron 1% de H2SO4 (p/p) por gramo de biomasa
como catalizador. Las fracciones sólida y líquida resultantes del pretratamiento se
sometieron a digestión anaeróbica durante 50 días. El máximo rendimiento de biometano
se logró de la mezcla entre la fracción sólida y líquida, el cual fue de 278 mL CH4/g de
sólidos volátiles, correspondiente al 92% de rendimiento. En cuanto a la obtención de
azúcares, el rendimiento más alto fue del 77%, obtenido después del pretratamiento
organosolv con 50% etanol y 1% de H2SO4 a 140 °C. El máximo rendimiento de etanol (a
partir de la fracción líquida) fue del 65,7% después del pretratamiento con 50% de etanol
a 100°C y en ausencia de H2SO4. Por último, los autores concluyen que el pretratamiento
organosolv a elevadas temperaturas contribuye a la remoción de lignina y hemicelulosa,
así como a la reducción de la cristalinidad de la celulosa (Ostovareh, Karimi, & Zamani,
2015).
2.3. Condiciones del proceso organosolv
Condiciones del proceso organosolv como solvente, catalizador, temperatura, tiempo y
relación sólido a líquido deben ser definidas para lograr una efectiva remoción de lignina
y hemicelulosa. Es importante mencionar que dependiendo del objetivo de la
investigación o del producto que se desea obtener, así mismo dependerá la selección de
las condiciones del proceso. A continuación, se hace referencia de cada una de estas,
así como su efecto en el proceso organosolv.
2.3.1. Solvente
La función del solvente en el proceso es disolver las pequeñas fracciones de lignina y
hemicelulosa. Alcoholes de alto y bajo punto de ebullición como propilenglicol,
etilenglicol, glicerol, etanol, metanol, propanol o butanol han sido utilizados en el proceso
organosolv. De igual manera, se han empleado ácidos orgánicos tales como ácido
fórmico o ácido acético; cetonas como acetona y otros solventes como fenol, dioxano y
gamma-valerolactona (Meng et al., 2020; Sannigrahi & Ragauskas, 2013; Tsegaye,
Balomajumder, & Roy, 2020).
Capítulo 2 25
Entre los solventes más usados se encuentra el etanol debido a su bajo costo y toxicidad,
fácil recuperación y reutilización, miscibilidad con agua y buena solubilidad de la lignina.
El proceso organosolv - etanol tiende a remover selectivamente la lignina y hemicelulosa
y mantener la mayor parte de la celulosa en la fracción sólida para una posterior hidrólisis
enzimática (X. Zhao, Li, Wu, & Liu, 2017). El glicerol, también ha mostrado ser un
solvente eficiente debido a su estructura química polar. Entre las ventajas que tiene el
uso del glicerol se encuentran que es un compuesto ampliamente disponible ya que se
obtiene grandes cantidades como subproducto de la industria oleoquímica, p.ej. en la
producción de biodiesel, no es tóxico y puede ser utilizado a presión atmosférica incluso
a elevadas temperaturas. Además, tiene un bajo impacto ambiental debido a su ausencia
de toxicidad y fácil biodegradabilidad (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018). La desventaja de
este solvente es que su recuperación es difícil, lo que además implica un alto consumo
de energía.
Las principales reacciones que suceden en el proceso organosolv con solventes son: i)
hidrólisis de los enlaces internos de la lignina y enlaces de lignina-hemicelulosa, lo que
resulta en la solubilización de la hemicelulosa y lignina mediante el rompimiento de los
enlaces éster del ácido 4-O-metilglucurónico a los α-carbono de la lignina y el
rompimiento de enlaces α y β-O-aril éter respectivamente; ii) hidrólisis de los enlaces
glicosídicos en hemicelulosa y con menos frecuencia en celulosa, con el grado de
degradación de la celulosa en función de la severidad del proceso; iii) degradación
catalizada por ácido de los monosacáridos a furfural, 5-HMF y productos de degradación
adicionales como ácido levulínico, y ácido fórmico y iv) reacciones de condensación de la
lignina (especialmente en el proceso organosolv catalizado por ácido) (Sannigrahi &
Ragauskas, 2013; F. F. Sun et al., 2015).
En cuanto a la concentración del solvente, este ha sido utilizado como un sistema de
solvente único, sin embargo, la capacidad de ruptura de enlaces y la deslignificación es
mucho menor en comparación a un sistema co-solvente (Jiang, Zhao, & Hu, 2018). Por
tanto, en el proceso organosolv, el solvente orgánico es mezclado con agua para dar
concentraciones típicas de solvente entre 35% - 70% (p/p) (Borand & Karaosmanoǧlu,
2018).
26 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Asadi y Zilouei (2017), encontraron que cuando el etanol se encontraba lo
suficientemente disponible en la disolución, la solubilización de la lignina no era limitante,
pero a una alta concentración de solvente, la concentración de iones hidronio en la
solución disminuía y, como consecuencia, la deslignificación y la hidrólisis de
carbohidratos se reducían por una menor actividad del agua. También se ha reportado
que concentraciones de etanol superiores al 70% (p/p) conducen a una disminución en la
solubilidad de la lignina en mezclas de etanol - agua (Asadi & Zilouei, 2017).
La lignina tiende a ser miscible con solventes con un parámetro de solubilidad similar.
Para mezclas etanol - agua, al incrementar la concentración de etanol hasta
aproximadamente un 70% (p/p), su parámetro de solubilidad se acerca más al de la
lignina, mientras que por encima de esta concentración, el parámetro de solubilidad
disminuye (Ni & Hu, 1995). Por otro lado, al tener una alta concentración de etanol, se
necesita más agua para diluir la solución y precipitar la lignina, especialmente en
condiciones de proceso más severas que producen pequeños fragmentos de lignina que
son muy solubles (Asadi & Zilouei, 2017).
2.3.2. Catalizador
La adición de catalizadores en el proceso organosolv ha sido investigada en los últimos
años debido a su efectividad en la hidrólisis de la hemicelulosa y en la ruptura de enlaces
de la lignina (Ferreira & Taherzadeh, 2020). Catalizadores ácidos minerales como H2SO4,
HCl, H3PO4; ácidos orgánicos como CH2O2, CH3COOH, C2H2O4; bases como NaOH,
CaCl2; y otros catalizadores alternativos como AlCl3, H2O2, MgCl2 han sido utilizados en
el proceso organosolv (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018).
Los catalizadores ácidos, en especial el H2SO4 son los más empleados dada su alta
reactividad y eficiencia. Sin embargo, tienen algunas desventajas como su toxicidad y
naturaleza corrosiva por lo que requieren equipos con seguridad adicional, esto implica
un aumento de costos en la etapa de inversión. Por su parte, para una efectiva
deslignificación en el proceso organosolv, usando NaOH como catalizador, se necesita
una mayor concentración de esta base en comparación con catalizadores ácidos.
Además, la producción de sal en el reactor puede representar un problema (Borand &
Capítulo 2 27
Karaosmanoǧlu, 2018). También es importante destacar que catalizadores ácidos
orgánicos como el ácido fórmico y el ácido acético presentan una ventaja frente a los
demás catalizadores, y es que estos pueden ser generados in situ a partir de muchos
procesos de conversión de biomasa, ya que estos activan el sistema de autocatálisis
exclusivamente a partir de esta materia prima, haciendo de esta manera un uso completo
de los residuos lignocelulósicos (Jiang et al., 2018).
En un estudio previo se evaluó la actividad de diferentes catalizadores para deslignificar
paja de trigo. Los catalizadores utilizados fueron ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido
nítrico, ácido ortofosfórico, ácido fórmico, ácido acético glacial, ácido oxálico 2-hidrato,
cloruro de calcio anhidro, cloruro de aluminio anhidro y cloruro de hierro (III) anhidro, a
una concentración de 0,001 N junto con etanol al 50% (v/v) como solvente orgánico. En
este estudio encontraron que el máximo rendimiento de deslignificación con respecto al
peso de lignina inicial (61,17%) fue realizado por el ácido clorhídrico mientras que el
mayor rendimiento de pulpa con respecto a la materia prima seca (64,53%) se encontró
con el ácido fórmico. No obstante, el ácido sulfúrico fue el que presentó un mejor balance
entre el rendimiento de pulpa y el porcentaje de deslignificación, con un 56,07% y
60,64% respectivamente. Lo que se concluye de esta investigación es que el uso de
ácidos minerales como catalizadores incrementan el grado de deslignificación de la
biomasa, sin embargo, pueden reducir el rendimiento de celulosa y hemicelulosa. Por el
contrario, los catalizadores básicos no contribuyen de manera ideal a la remoción de
lignina, pues sus rendimientos son menores con respecto a los ácidos (de la Torre,
Moral, Hernandez, Cabeza, & Tijero, 2013).
Se han investigado concentraciones de hasta 1,5% (p/p) por gramo de biomasa seca. La
concentración del catalizador afecta el rendimiento de remoción de lignina y de
conversión enzimática. A una baja concentración se reduce su eficiencia, sin embargo, a
una muy alta concentración se puede conducir a la producción de inhibidores como
furfural, 5-HMF, ácido levulínico, entre otros, afectando una posterior conversión
enzimática de glucosa (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018).
28 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
2.3.3. Temperatura
La temperatura es uno de los parámetros de mayor importancia en el proceso
organosolv. Se ha encontrado que a bajas temperaturas el grado de deslignificación
disminuye, mientras que a altas temperaturas se conduce a la formación de compuestos
inhibidores (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018).
Quesada y colaboradores (2010), estudiaron el efecto de la temperatura en la
deslignificación de cáscaras de almendras hidrolizadas. Realizaron el proceso organosolv
con mezclas de agua - dioxano, agua - etanol y agua - acetona como solventes, con
rangos de temperatura de 150 °C hasta 230 °C. La mejor extracción de lignina para los
tres solventes se encontró a 210 °C, con rendimientos de deslignificación del 79%, 73% y
87% (p/p) para acetona, etanol y dioxano respectivamente. Esto indica que, a
temperaturas más altas, la eficiencia de la deslignificación en la biomasa aumenta, por lo
que la solubilidad de la lignina depende en gran medida de la temperatura (Quesada-
Medina, López-Cremades, & Olivares-Carrillo, 2010).
No obstante, también se han realizado estudios con temperaturas menores. Choi y
colaboradores (2019), realizaron el proceso organosolv a la biomasa de eucalipto a
140 °C durante 10 min usando 1% (p/v) de H2SO4 como catalizador y etanol como
solvente. Este proceso resultó en un 51,5% y 84,2% de remoción de lignina y
hemicelulosa de la fracción sólida respectivamente, mientras que el 97,6% de la celulosa
se mantuvo en el sólido. Además, estas condiciones del proceso condujeron a la
obtención de lignina organosolv, con un rendimiento del 10,4% con respecto al peso seco
de la materia prima (Choi et al., 2019).
Para solventes volátiles, como cetonas o solventes con bajo punto de ebullición, las altas
temperaturas incrementan la presión de reacción, lo que aumenta la solubilidad de la
lignina (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018). Se ha encontrado que la temperatura óptima
para solventes con bajo punto de ebullición y cetonas se encuentra en el rango de
180 °C a 200 °C, para solventes con alto punto de ebullición la temperatura adecuada
está entre 200 °C a 220 °C mientras que para ácidos orgánicos bajo condiciones
presurizadas se encuentra entre 90 °C a 110 °C (Borand & Karaosmanoǧlu, 2018).
Capítulo 2 29
2.3.4. Tiempo
El tiempo de reacción se define como el tiempo durante el cual el solvente y la biomasa
interactúan en el reactor y depende de las condiciones de proceso. Se han investigado
tiempos entre 15 minutos y 5 horas dentro del proceso organosolv (Borand &
Karaosmanoǧlu, 2018).
En un estudio se realizó la deslignificación de bagazo de caña de azúcar usando mezclas
de glicerol – agua para la producción de pulpas para sacarificación. En este proceso uno
de los factores experimentales fue el tiempo, evaluando rangos de 23 min a 277 min. Se
evidenció que el mayor rendimiento de pulpa y deslignificación fue obtenido a 150 min,
los cuales fueron de 54,4% y 81,4% respectivamente. En el análisis del diseño de
experimentos, para todas las respuestas medidas, encontraron que el efecto más
significativo del proceso fue por cambios en la temperatura de reacción lineal, mientras
que el segundo efecto más significativo sobre las respuestas fue causado por el tiempo
de reacción lineal. Por otra parte, se observó que al incrementar el tiempo de reacción se
produjo un mayor grado de deslignificación. Por último, concluyen que para obtener
óptimos resultados del proceso organosolv con glicerol, el cual requiere de una alta
deslignificación y celulosa residual, es necesario además de una alta proporción de
glicerol en el licor de pulpa y una alta temperatura, también es necesario un tiempo de
reacción intermedio (60 min - 150 min). Tiempos de reacción intermedios son importantes
si se desea conservar la fracción celulósica (Pereira, Alves, Marabezi, & Da Silva, 2011).
En diversas publicaciones se ha señalado que tiempos de reacción intermedios a largos
incrementan el rendimiento de deslignificación. Para condiciones de reacción
presurizadas, el tiempo óptimo parece ser de una hora mientras que para condiciones a
presión atmosférica, tres horas se presenta como el mejor tiempo (Borand &
Karaosmanoǧlu, 2018).
2.3.5. Relación sólido a líquido
La relación sólido a líquido (RSL) se refiere a la cantidad de biomasa que se encuentra
en la fase líquida compuesta por la mezcla entre solvente y agua. Rangos de 1:3 hasta
30 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
1:30 (p/p) han sido investigados en el proceso organosolv (Asadi & Zilouei, 2017; Martín-
Sampedro et al., 2019; Mou & Wu, 2016; Schmetz et al., 2016).
En un estudio se evaluó el efecto de la RSL en el fraccionamiento del bagazo de caña de
azúcar. Las relaciones estudiadas fueron 1:3, 1:6 y 1:9 (p/v) dando como resultado una
mayor deslignificación de biomasa con RSL 1:9 (p/v). De acuerdo con este y otros
estudios la relación sólido a líquido más adecuada para una efectiva deslignificación y
conversión enzimática de glucosa se encuentra entre 1:7 y 1:15 (p/p) (Vallejos, Zambon,
Area, & da silva Curvelo, 2015).
Durante el proceso organosolv, el solvente se evapora y ejerce presión sobre los sólidos
involucrados en la reacción, por tanto, una baja RSL crea una presión más alta, lo que
ayuda a la descomposición de la biomasa lignocelulósica (Borand & Karaosmanoǧlu,
2018).
2.4. Deslignificación en el proceso organosolv
Los principales enlaces entre los monómeros de la lignina son los enlaces éter β-O-4´
que constituyen más del 50% de las estructuras de enlace de la lignina y es un objetivo
crucial para la mayoría de los mecanismos de degradación. Otros enlaces que
representan porcentajes más pequeños incluyen β-5 fenilcumarano, β-β´ resinol, α-O-4´
éter, 4-O-5´ difenil éter, 5-5 bifenilo y β-1´ difenilmetano (Figueiredo et al., 2018; Joffres
et al., 2013). En la figura 2-5 se muestra un ejemplo de la estructura de lignina con sus
principales enlaces.
Capítulo 2 31
Figura 2-5: Estructura de la lignina con sus principales enlaces: β-O-4´, β-5, β-β´, α-O-4´,
4-O-5´, 5-5 y β-1´
O
OMe
O
MeO
O
O
OH
OMe
OH
O
O
MeO
O
OH
O
OH
OH
OHO
OMe
OHOH
OH
OH
O
OMe
OMe
OH
OH
O
O
O
MeO
OMe
O
OH
O
OMeMeO
OHO
OH
H
GG
G
H
G
H
G
H
S
H
S
H
G
G
4-O-5
−
−−
−
−−
−
−
O
O
O
O
El proceso organosolv da como resultado la solubilización de la lignina en el solvente, del
cual se precipita bajando el pH de la solución para su posterior recuperación en una
fracción separada. La lignina precipitada y recuperada se denominada lignina organosolv.
Al incrementar la severidad de las condiciones del proceso, una mayor proporción de
lignina en la biomasa es recuperada como lignina organosolv, que tiene un contenido
fenólico más alto debido al rompimiento de enlaces α- y β-aril éter entre las unidades de
lignina, lo que conduce a la formación de nuevas unidades fenólicas. El aumento de
temperatura y concentración de ácido contribuyen a la disminución de la distribución del
peso molecular y polidispersidad de la lignina organosolv. Por el contrario, el incremento
en la concentración de solvente como etanol, produce una lignina organosolv con un
peso molecular más alto debido al reducido rompimiento de enlaces aril éter (α y β). Por
su parte, el tiempo de reacción no tiene un efecto significativo en el peso molecular de la
lignina organosolv (Xu, Sun, Sun, Fowler, & Baird, 2006).
32 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Durante el proceso organosolv, la degradación de lignina se lleva a cabo principalmente
por el rompimiento de los enlaces aril éter, siendo los enlaces α-O-aril éter los más
fáciles de romper, especialmente cuando ocurren en una unidad estructural de lignina
que contiene un grupo hidroxilo fenólico libre en la posición para (McDonough, 1993). Por
su parte, los enlaces β-O-aril éter necesitan de condiciones de proceso más severas para
su ruptura, especialmente a concentraciones de ácido más altas. Se han propuesto
diferentes vías para la reacción de ruptura de los enlaces α-O-aril éter, las cuales
incluyen (Brosse, Hazwan Hussin, & Abdul Rahim, 2017; McDonough, 1993):
1. División solvolítica de los enlaces α-O-aril éter a través de un intermedio de
metiluro de quinona (figura 2-6).
Figura 2-6: Mecanismo de ruptura solvolítica de α-O-aril éter a través de un intermedio
de metiluro de quinona
- R''OH
O
R'H
OCH3
HB
OH
OCH3
R'
OH
OCH3
R' O
R''
B
B= OH, OCH3, etc.
2. Ruptura solvolítica por sustitución nucleofílica en la posición bencílica por un
mecanismo SN2 (figura 2-7).
Capítulo 2 33
Figura 2-7: Mecanismo de ruptura solvolítica de α-O-aril éter por sustitución nucleofílica
OR
OCH3
R' O
R''
HB
H +
OR
OCH3
R' O
R''
H
HB
- R''OH
-H
OR
OCH3
R'B
R= H o CH3
B= OH, OCH3, etc.
+
+
3. Formación de un carbocatión bencílico bajo condiciones ácidas (figura 2-8).
Figura 2-8: Formación de un carbocatión bencílico en lignina bajo condiciones ácidas
OR
OCH3
R'O
R''
H+
OR
OCH3
R'O
R
H
OR
OCH3
R'
R= H o CH3
++
Por su parte, los enlaces β-O-aril éter pueden romperse homolíticamente con la pérdida
de grupos Ɣ-metilol (como formaldehído), que más tarde dan lugar a la formación de
estilbenos. De igual manera, el rompimiento de enlaces β-O-aril éter también puede
generar la formación de cetonas de Hibbert (Brosse et al., 2017). En la figura 2-9 se
presenta el mecanismo de rompimiento de los enlaces β-O-aril éter a través de la
formación de cetonas de Hibbert durante la hidrólisis acida de la lignina (Miles-Barrett et
al., 2016).
34 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 2-9: Mecanismo de ruptura de enlaces β-O-aril éter en lignina a través de la
formación de cetonas de Hibbert
OLignina
OH
OH
O OH
OHO
O
O
H+
OLignina
OH
O+
OH
O
H
H
O
O
OLignina
OH
O OH
O
O:
:
O
O
OLignina
OH
O OHOH
O OH
O
Cetona de Hibbert unida a lignina
Cetona de Hibbert Cadena de lignina
O
+
O
OLignina
OH
O+
OH
O+
OH2
:
:
H+
: O
:
H+
O
H2O
:
:O
O
OLignina
OH
O+
OH
O+
OH
H
OHH
H+
O
O
O
:
:
-H+
O
Capítulo 2 35
Adicionalmente, la figura 2-10 muestra el rompimiento solvolítico de los enlaces β-O-aril
éter por un mecanismo que implica la eliminación de formaldehído (Yáñez-S et al., 2014).
Figura 2-10: Mecanismo de ruptura solvolítica de enlaces β-O-aril éter en lignina a través
de la eliminación de formaldehído
R= CH3O o H
OLignina
R OCH3
OH
OH
O
OCH3
Lignina
-aril éter (-O-4')
OLignina
R OCH3
H2 O+
O
O
H
OCH3
Lignina
H+
OLignina
R OCH3
O
OCH3
Lignina
H+
OLignina
R OCH3
O+
OCH3
Lignina
H
OLignina
R OCH3
O H
OLignina
R OCH3
H
O
+
OCH3
OH
Lignina
+ CH2O + H2O
La condensación de la lignina puede ocurrir bajo condiciones severas de proceso
(normalmente en condiciones ácidas), esto resulta ser contraproducente para la
deslignificación. En tal situación, la condensación de la lignina sucede cuando el
intermedio de carbocatión bencílico interactúa con el átomo de carbono rico en
electrones de una unidad de lignina vecina (figura 2-11). La condensación de lignina
conduce a la formación de fracciones de lignina de alto peso molecular que no son
solubles en el solvente, lo que dificulta su recuperación. En proceso organosolv utilizando
solventes fenólicos, la condensación de la lignina se puede evitar mediante la reacción
de los carbocationes de bencilo por sustitución electrofílica aromática en el anillo
aromático del solvente. Esto bloquea la posición reactiva del bencilo, impidiendo que
36 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
sufra reacciones de condensación con otros fragmentos de lignina (McDonough, 1993;
Sannigrahi & Ragauskas, 2013).
Figura 2-11: Reacción de condensación de la lignina
OLignina
R OCH3
OH
OH
O
OCH3
Lignina
R= CH3O o H
H+
-H2O
OLignina
R OCH3
CH+
OH
O
Lignina
OCH 3
Condensación
OLignina
R OCH3
OH
H3CO OH
OOCH3
Lignina
Por último, es de resaltar que la lignina organosolv posee ciertas características que la
hacen atractiva para utilizarse en diversas aplicaciones. Esta tiene un mayor contenido
fenólico y carboxílico que la lignina nativa de la biomasa. En la mayoría de condiciones
de proceso, estas fracciones de lignina aislada tienen un peso molecular más bajo y, por
lo tanto, una mejor solubilidad. Además, posee un mínimo contenido de azufre y un
contenido más bajo de oxígeno que la lignina nativa de la biomasa. (Sannigrahi &
Ragauskas, 2013).
3. Capítulo 3. Objetivos y metodología
3.1. Objetivos
3.1.1. Objetivo General
Evaluar la obtención de azúcares y lignina a partir de biomasa lignocelulósica
proveniente de cultivos de rosas utilizando el proceso organosolv.
3.1.2. Objetivos Específicos
▪ Caracterizar la biomasa de rosas con respecto a su composición estructural
(contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina), composición química por medio de
análisis último (elementos básicos de la biomasa tales como C, H, O, N) y contenido
de humedad, cenizas y material volátil por medio de análisis próximo.
▪ Desarrollar el proceso de transformación de la biomasa utilizando la técnica de
organosolv e identificar las diferentes fracciones: celulosa, hemicelulosa y lignina.
▪ Evaluar el rendimiento de azúcares y lignina obtenidos del proceso organosolv en las
fracciones resultantes.
3.2. Metodología
La metodología de este trabajo final se llevó a cabo en cuatro fases, las cuales se
muestran a continuación:
38 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Fase 1: Pretratamiento primario de la biomasa
▪ Secado
▪ Molienda
▪ Tamizado
Fase 2: Caracterización de la biomasa
▪ Análisis próximo
▪ Análisis último
▪ Análisis estructural
Fase 3: Transformación de la biomasa
▪ Diseño de experimentos
▪ Proceso organosolv
Fase 4: Evaluación de la obtención de azúcares y lignina
▪ Cuantificación de azúcares
▪ Cuantificación de lignina
▪ Determinación de las mejores condiciones del proceso
Para este proyecto se utilizaron residuos de tallos de rosas de variedad Charlotte,
donados por el Centro de Biosistemas de la Universidad Jorge Tadeo Lozano. Cabe
mencionar que es un cultivo con fines netamente investigativos por lo que los productos
fitosanitarios son empleados en menor escala en comparación con los cultivos
comerciales. En la figura 3-1 se puede apreciar el cultivo de rosas del que se obtuvo la
materia prima objeto de trabajo.
Capítulo 3 39
Figura 3-1: Cultivo de rosas del Centro de Biosistemas de la Universidad Jorge Tadeo
Lozano. Rosas variedad Charlotte
Por su parte, en la figura 3-2 se muestra la materia prima recién cortada utilizada para la
caracterización y posterior transformación por medio del proceso organosolv.
Figura 3-2: Biomasa de tallos de rosas recién cortada
40 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
3.2.1. Fase 1: Pretratamiento primario de la biomasa
El secado, molienda y tamizado de la biomasa de tallos de rosas se realizó siguiendo el
reporte técnico NREL/TP 510-42620 Preparación de muestras para análisis
composicional. Este protocolo describe una forma reproducible de convertir una variedad
de muestras de biomasa en material uniforme adecuado para análisis composicional
(Hames et al., 2008).
El secado de la materia prima se llevó a cabo en un horno de convección a 40 °C durante
48 horas y hasta peso constante. En la figura 3-3 se puede observar el proceso de
secado y la biomasa seca, en donde se redujo su contenido de humedad por debajo de
un 10%.
Figura 3-3: Proceso de secado de biomasa tallos de rosas
La molienda de la materia prima se realizó en un molino de cuchillas con una criba de
1 mm de diámetro. La figura 3-4 presenta el molino utilizado y el tamaño de partícula
obtenido.
Capítulo 3 41
Figura 3-4: Molino de cuchillas y tamaño de partícula obtenido
Por último, el proceso de tamizado de la materia prima se llevó a cabo utilizando los
tamices ASTM de malla No. 18, 20, 35, 50, 60 y 80. Para el proceso organosolv el
tamaño de partícula se determinó como una variable fija, por lo que los lotes de las
mallas +35 (0,5 mm) y -80 (<0,18 mm) fueron combinados. El material resultante en las
mallas +18 y +20 fueron rechazados. La figura 3-5 muestra la tamizadora utilizada.
Figura 3-5: Tamizadora utilizada en el pretratamiento primario
42 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Por su parte, el diámetro medio de masa de la materia prima se calculó por medio de la
ecuación (3.1).
D̅w = ∑ xiD̅pi
n
i=1
(3.1)
Donde:
D̅w = Diámetro medio de masa, mm
xi = Fracción en masa
D̅pi = Diámetro de partículas en el incremento, mm
El material seco, molido y tamizado fue puesto en bolsas de plástico con cierre hermético
y almacenado en un lugar oscuro y seco hasta su uso.
3.2.2. Fase 2: Caracterización de la biomasa
La caracterización de la biomasa de tallos de rosas se llevó a cabo por medio del análisis
próximo, análisis último y análisis estructural.
▪ Análisis próximo: Este análisis proporciona el contenido de humedad, de cenizas y
de material volátil presentes en los residuos de tallos de rosas.
El contenido de humedad se realizó siguiendo el reporte técnico NREL/TP-510-
42621 Determinación de sólidos totales en biomasa y sólidos disueltos totales en
muestras de procesos líquidos (Sluiter, Hames, Hyman, et al., 2008). Para este
procedimiento la biomasa fue puesta en una mufla a 105 °C ± 3 °C hasta peso
constante. Este análisis se realizó por triplicado. El cálculo para determinar el
porcentaje de humedad en la biomasa de tallos de rosas se muestra en la ecuación
3.2.
H = 100 − ((mcs + ms − mcs)
mmi∗ 100) (3.2)
Capítulo 3 43
Donde:
H = Contenido de humedad, %
mcs = Masa del crisol seco, g
mms = Masa de la muestra seca, g
mmi = Masa de la muestra de inicial, g
El contenido de cenizas se llevó a cabo siguiendo el reporte técnico NREL/TP-510-42622
Determinación de cenizas en biomasa (Sluiter, Hames, Ruiz, et al., 2008). Este
procedimiento mide el contenido mineral y otra materia inorgánica en la biomasa y se
expresa como el porcentaje de residuo que queda después de una oxidación seca a
575 °C. Este análisis se realizó por triplicado. La fórmula para determinar el porcentaje de
cenizas (porcentaje en peso seco) se muestra en la ecuación 3.3.
C =mcc − mcs
mmibs∗ 100 (3.3)
Donde:
C = Contenido de cenizas, %
mcc = Masa de cenizas + crisol, g
mcs = Masa del crisol seco, g
mmibs = Masa de la muestra inicial en base seca, g
La masa de la muestra inicial en base seca se calcula de la siguiente manera:
mmibs =mmi ∗ %ST
100 (3.4)
Donde:
mmi = Masa de la muestra inicial, g
%ST = Porcentaje de sólidos totales, % (100 − H)
El contenido de material volátil se efectuó siguiendo el método ASTM International E872-
82 Método de prueba estándar para material volátil en el análisis de partículas de
combustibles de madera (ASTM INTERNATIONAL, 2013). Este procedimiento se realizó
44 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
colocando la biomasa en crisoles de cromo níquel con tapa en una mufla a 950 °C
durante 7 min. Este análisis se realizó por triplicado.
La ecuación 3.5 muestra el cálculo del porcentaje de pérdida de masa en el proceso.
mmp = 100 ∗(mmi − mmf)
(mmi − mct)= A (3.5)
Donde:
mmp = Masa perdida en la muestra, %
mmi = Masa de la muestra inicial, g
mmf = Masa de la muestra final, g
mct = Masa del crisol con tapa, g
El porcentaje de material volátil se calculó mediante la ecuación 3.6.
MV = A − H (3.6)
Donde:
MV = Contenido de material volátil, %
A = Masa perdida en la muestra, %
H = Contenido de humedad, %
▪ Análisis último: Este análisis tiene como propósito determinar el porcentaje de
elementos básicos que compone la biomasa, tales como carbono, hidrógeno,
nitrógeno, azufre y oxígeno. Dicho análisis fue realizado por la Coordinación de
Extensión y Servicios del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la
Universidad Nacional de Colombia (Anexo A). Esta técnica se basó en la completa e
instantánea oxidación de la muestra por medio de una combustión con oxígeno puro
a una temperatura aproximada de 1000 °C. Los diferentes productos de combustión
CO2, H2O, N2 y SOx fueron transportados mediante el gas portador (He) a través de
un reactor de reducción y después selectivamente separados en columnas
específicas, para ser luego desorbidos térmicamente. Finalmente, los gases pasaron
de forma separada por un detector de conductividad térmica que suministra una
Capítulo 3 45
señal proporcional a la concentración de cada uno de los componentes individuales
de la mezcla. El equipo utilizado fue un Thermo Flash 2000, con una temperatura en
el reactor de 950 °C y flujo de He y O2 de 140 mL/min y 250 mL/min
respectivamente, con una columna de separación PTFE con longitud de 200 cm, OD
6mm, ID 5mm a una temperatura de 65 °C (Coordinación de extensión y servicios,
2019).
▪ Análisis estructural: Este análisis tiene como finalidad determinar el contenido de
celulosa, hemicelulosa y lignina presente en la biomasa. No obstante, dicho análisis
es adecuado para muestras que no contienen extraíbles, por lo cual, este último
procedimiento fue realizado en la biomasa de tallos de rosas previo análisis
estructural, siguiendo el reporte técnico NREL/TP-510-42619 (Sluiter, Ruiz, Scarlata,
Sluiter, & Templeton, 2008).
La determinación de extraíbles tiene como propósito retirar el material no estructural
de la biomasa con el fin de evitar interferencias en análisis posteriores. En la
extracción con agua se eliminan compuestos inorgánicos, azúcares no estructurales,
material nitrogenado, entre otros. Los compuestos inorgánicos en el material soluble
en agua pueden provenir tanto de la biomasa como de cualquier componente soluble
que esté asociado con ella, como el suelo o fertilizantes (Sluiter, Ruiz, et al., 2008).
La determinación de extraíbles en los tallos de rosas se realizó con agua (figura 3-6)
y el tiempo de reflujo fue de 24 horas en donde se garantizó cuatro ciclos de sifón
por hora. Este análisis se realizó por duplicado.
Figura 3-6: Procedimiento de extracción con agua
46 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
El contenido de extraíbles en la biomasa de tallos de rosas (porcentaje en peso seco) se
calculó con la ecuación 3.7.
E =mmibs − mmle
mmibs∗ 100 (3.7)
Donde:
E = Contenido de extraíbles, %
mmibs = Masa de la muestra inicial en base seca, g
mmle = Masa de la muestra libre de extraíbles, g
El análisis estructural se llevó a cabo siguiendo el reporte técnico NREL/TP-510-42618
Determinación de carbohidratos estructurales y lignina en biomasa (Sluiter et al., 2012).
Una muestra seca de 300 mg libre de extraíbles fue dispuesta en un frasco Schott Duran
e hidrolizada con H2SO4 al 72% (p/p) en un baño de agua a 30 °C ± 3 °C durante 1 hora.
Posteriormente fue diluida al 4% adicionando 84 mL de agua desionizada y puesta en
una autoclave a 121 °C por 1 hora. Finalmente, la muestra hidrolizada se filtró al vacío,
en donde el residuo que quedó en el papel filtro, identificado como lignina insoluble en
ácido (LIA) fue cuantificado por gravimetría, secando la muestra a 105 °C y luego
calcinándola a 575 °C. Este análisis fue realizado por duplicado. En la ecuación 3.8 se
indica como se calculó la LIA.
LIA =mms105 − mmc575
mmibs∗ 100 (3.8)
Donde:
LIA = Contenido de lignina insoluble en ácido, %
mms105 = Masa de la muestra seca a 105 °C, g
mmc575 = Masa de la muestra calcinada a 575 °C, g
mmibs = Masa de la muestra inicial en base seca, g
Por su parte, el hidrolizado fue analizado para lignina soluble en ácido (LSA) y azúcares.
El análisis de la LSA se llevó a cabo dentro de las seis horas posteriores a la hidrólisis.
Capítulo 3 47
Para determinar el porcentaje de LSA primero se ejecutó un blanco con agua
desionizada en un espectrofotómetro UV-Vis. Posteriormente, a una alícuota del
hidrolizado se le midió la absorbancia a una longitud de onda de 240 nm utilizando una
celda de cuarzo de 1 cm de longitud. La muestra fue diluida con agua desionizada para
llevar la absorbancia a un rango de 0,7 – 1,0. Este análisis fue realizado por duplicado. El
porcentaje de LSA se calculó con la siguiente ecuación:
LSA =UVabs ∗ Vh ∗ D
ɛ ∗ mmibs ∗ l∗ 100 (3.9)
Donde:
LSA = Contenido de lignina soluble en ácido, %
UVabs = Absorbancia medida a 240 nm
Vh = Volumen del hidrolizado, 86,73 mL
D = Factor de dilución, D =Vmuestra+Vdiluyente
Vmuestra
ɛ = Absortividad a la longitud de onda específica, 25 L/g cm
mmibs = Masa de la muestra inicial en base seca, g
l = Longitud de la celda, 1 cm
Por último, el contenido de carbohidratos estructurales se determinó mediante la
cuantificación de monosacáridos presentes en la biomasa de tallos de rosas. Para el
caso de la celulosa, se calculó cuantificando la glucosa en la biomasa extraída, y la
hemicelulosa se calculó cuantificando la xilosa. La determinación de estos azúcares se
llevó a cabo diluyendo el hidrolizado con agua desionizada a una relación 1:1, y
posteriormente se analizó a través de cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC). El
equipo empleado para el análisis HPLC fue un cromatógrafo Thermo Scientific Ultimate
3000 con índice de refracción y la columna utilizada fue una Shodex SH1821. La fase
móvil fue H2SO4 0,005 M con un flujo de 0,5 mL/min, la temperatura del horno fue de
60 °C y la del índice de refracción de 40 °C. Este análisis se realizó por duplicado. Para
calcular la concentración de estos azúcares, previamente se elaboraron curvas de
calibración con patrones de grado analítico (ver Anexo B).
48 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
El contenido de glucosa y xilosa (porcentaje en peso seco) en la biomasa de tallos de
rosas se calculó con la siguiente ecuación:
CM =[m] ∗ Vh
mmibs∗ 100 (3.10)
Donde:
CM = Contenido de cada uno de los monosacáridos, %
[m] = Concentración de monosacáridos determinado en HPLC, mg/mL
Vh = Volumen del hidrolizado, mL
mmibs = Masa de la muestra inicial en base seca, g
Adicionalmente, para calcular el contenido de celulosa y hemicelulosa en la biomasa de
tallos de rosas se utilizó el factor de relación entre la concentración de glucosa y celulosa
y la relación entre la xilosa y hemicelulosa, cuyos factores son 0,9 y 0,88,
respectivamente.
Por tanto, los contenidos de celulosa y hemicelulosa (porcentaje en peso seco) se
calcularon con las siguientes ecuaciones:
CE = G ∗ 0,9 (3.11)
Donde:
CE = Contenido de celulosa, %
G = Contenido de glucosa, % (p/p)
HE = X ∗ 0,88 (3.12)
Donde:
HE = Contenido de hemicelulosa, %
X = Contenido de xilosa, % (p/p)
Capítulo 3 49
3.2.3. Fase 3: Transformación de la biomasa
La transformación de los residuos de tallos de rosas utilizando el proceso organosolv se
llevó a cabo utilizando la metodología de un diseño de experimentos.
▪ Diseño de experimentos (DOE): Se realizó un diseño experimental por medio del
programa Statgraphics Centurion XVII con el fin de ejecutar diferentes ensayos para
la transformación de la biomasa con solventes orgánicos (etanol, glicerol y una
mezcla de estos dos). Los factores experimentales fueron tipo de solvente,
temperatura y tiempo. La clase de diseño que se utilizó fue factorial multinivel, con
tres niveles en el factor experimental tipo de solvente y dos niveles en los factores
experimentales temperatura y tiempo. Se empleó esta clase de diseño ya que
contiene todas las combinaciones de los diferentes niveles de los factores
experimentales, con el fin de determinar cuál de estos optimizan la respuesta. Al
ejecutar el diseño de experimentos seleccionado se generaron 12 ensayos, que se
muestran en la tabla 3-1.
Tabla 3-1: Diseño de experimentos proceso organosolv
Exp TS T t
1 EtOH - A (1:1) 130 90
2 GY - A (1:1) 130 90
3 GY - A (1:1) 200 30
4 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 30
5 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 90
6 EtOH - A (1:1) 200 90
7 GY - A (1:1) 200 90
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90
9 EtOH - A (1:1) 200 30
10 GY - A (1:1) 130 30
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30
12 EtOH - A (1:1) 130 30
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol
Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T: Temperatura (°C), t: Tiempo (min)
50 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Los solventes y su concentración, así como los rangos de temperatura y tiempo
seleccionados para hacer el diseño de experimentos fueron elegidos según los mejores
resultados de diversas investigaciones sobre diferentes materiales lignocelulósicos
utilizando el proceso organosolv.
▪ Proceso organosolv: Los solventes utilizados fueron etanol debido a su bajo costo,
total miscibilidad con agua, fácil recuperación y una mayor obtención de azúcares
con respecto a otros solventes y glicerol ya que a pesar de que tiene un alto punto
de ebullición no requiere de altas presiones, además no es tóxico, es de bajo costo y
es el principal subproducto en la producción de biodiesel (Thoresen, Matsakas,
Rova, & Christakopoulos, 2020; K. Zhang et al., 2016).
El proceso organosolv se llevó a cabo de la siguiente manera: En un reactor de alta
presión de acero inoxidable (figura 3-7) se mezclaron 24 g de biomasa de tallos de
rosas (peso seco) con 240 g de una disolución de etanol – agua (1:1), glicerol – agua
(1:1) o etanol – agua – glicerol (1:2:1) según diseño de experimentos y 0,5% (p/p) de
ácido sulfúrico por gramo de biomasa seca como catalizador, de tal manera que se
mantuvo una relación sólido a líquido de 1:10. La presión de trabajo en los
tratamientos siempre se mantuvo constante a 24 bares, presurizando el sistema con
nitrógeno cuando fue necesario. Con el fin de conservar la presión constante en
todos los experimentos, fue necesario realizar los ensayos 2 y 10 con 30 g de
biomasa y 300 g de la disolución glicerol – agua (1:1) manteniendo la relación sólido
a líquido 1:10.
Después de alcanzar la temperatura deseada 130 °C o 200 °C, la mezcla se
mantuvo a dicha temperatura durante el tiempo estipulado en el DOE 30 o 90 min,
con agitación continua de 400 rpm. Una vez se completó la reacción, el reactor fue
enfriado por medio de refrigeración. Posteriormente, el material tratado fue filtrado al
vacío.
La fracción sólida resultante (FS) se lavó con agua desionizada a 60 °C y después
fue secada a 45 °C durante 48 horas para una posterior hidrólisis y cuantificación de
azúcares y lignina soluble e insoluble. Por su parte, una alícuota de 50 mL de la
Capítulo 3 51
fracción líquida (FL) fue separada para cuantificar azúcares, 5-HMF, furfural y lignina
soluble en ácido. La FL restante fue diluida con tres volúmenes de agua de lavado
de la FS y centrifugada a 7500 rpm por 10 min con el fin de precipitar la lignina
organosolv (LO).
La LO se dispuso en un crisol de porcelana y se secó a 45 °C durante 48 horas,
después fue hidrolizada para cuantificar la lignina soluble e insoluble. Finalmente, las
fracciones líquidas resultantes del proceso organosolv y los hidrolizados de las
fracciones sólidas se congelaron en botellas de vidrio color ámbar hasta su uso para
la cuantificación de azúcares, 5-HMF y furfural. Estos análisis se realizaron en un
tiempo máximo de dos semanas después de haber realizado los experimentos.
Figura 3-7: Reactor de acero inoxidable tipo batch utilizado en el proceso organosolv.
Modelo FCF-1L 316SS
En la figura 3-8 se muestra el diagrama de flujo general del proceso organosolv.
Volante
Controlador de temperatura y agitación
Motor
Cubierta del reactor
Agitador
Manómetro
Reactor
Manta de calentamiento
52 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 3-8: Diagrama de flujo proceso organosolv
Biomasa de
tallos de rosas
Biomasa de
tallos de rosas
Proceso
organosolv
Proceso
organosolv
Diseño de experimentos
factorial multinivel
Diseño de experimentos
factorial multinivelH2SO4 0,5% (p/p) por g de
biomasa seca
H2SO4 0,5% (p/p) por g de
biomasa seca
Filtración al
vacío
Filtración al
vacío
Relación sólido a líquido 1:10Relación sólido a líquido 1:10
Agitación continua
400 rpm
Agitación continua
400 rpm
Fracción líquidaFracción líquidaFracción sólidaFracción sólida
CelulosaCelulosa
LigninaLigninaHemicelulosaHemicelulosa
HidrólisisHidrólisis
Cuantificación
de azúcares
Cuantificación
de azúcares
Cuantificación
de azúcares
Cuantificación
de azúcares
Cuantificación
de lignina
soluble
Cuantificación
de lignina
soluble
Cuantificación
de lignina
organosolv
Cuantificación
de lignina
organosolv
- Etanol - agua (1:1)
- Glicerol - agua (1:1)
- Etanol - agua - glicerol (1:2:1)
- Etanol - agua (1:1)
- Glicerol - agua (1:1)
- Etanol - agua - glicerol (1:2:1)
Cuantificación de
lignina soluble e
insoluble
Cuantificación de
lignina soluble e
insoluble
SubproductosSubproductos
Cuantificación de
5-HMF y furfural
Cuantificación de
5-HMF y furfural
En las figuras 3-9 y 3-10 se muestran las fracciones resultantes del proceso organosolv a
200 °C y 130 °C respectivamente. Allí se presentan las fracciones líquidas (FL) y sólidas
(FS), así como la lignina organosolv (LO).
Figura 3-9: Fracciones resultantes del proceso organosolv a 200 °C
FL FS LO
Capítulo 3 53
Figura 3-10: Fracciones resultantes del proceso organosolv a 130 °C
3.2.4. Fase 4: Evaluación de la obtención de azúcares y lignina
Los siguientes procedimientos fueron realizados para evaluar la obtención de azúcares y
lignina del proceso organosolv.
▪ Cuantificación de azúcares: Se realizó la cuantificación de glucosa y xilosa tanto
de las fracciones líquidas como de los hidrolizados de las fracciones sólidas
obtenidos de la transformación de biomasa de tallos de rosas, por medio de
HPLC. De igual manera se cuantificaron los compuestos 5-HMF y furfural en las
muestras tratadas. Para la cuantificación de azúcares de las fracciones sólidas se
realizó el mismo procedimiento descrito previamente en el análisis estructural de
la materia prima, siguiendo el protocolo NREL/TP-510-42618 (Sluiter et al., 2012).
Las fracciones líquidas fueron diluidas con agua desionizada filtrada a una
relación 1:1. En el Anexo B se detalla cómo se prepararon las muestras para ser
eluidas en el HPLC.
El rendimiento de azúcares en las fracciones sólidas y líquidas obtenidos después
del proceso organosolv se calculó por medio del porcentaje de recuperación de
glucosa y xilosa con respecto al contenido inicial de estos monosacáridos en la
biomasa sin tratar. Las ecuaciones 3.13 y 3.14 muestran cómo se calculó el
porcentaje de recuperación de azúcares en las fracciones sólidas y fracciones
líquidas respectivamente.
FL FS
54 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Rfs =mmfs
mmbst∗ 100 (3.13)
Donde:
Rfs = Porcentaje de recuperación de monosacáridos en fracción sólida, %
mmfs = Masa del monosacárido en la fracción sólida tratada, g
mmbst = Masa del monosacárido en biomasa sin tratar, g
Rfl =mmfl
mmbst∗ 100 (3.14)
Donde:
Rfl = Porcentaje de recuperación de monosacáridos en fracción líquida, %
mmfl = Masa del monosacárido en la fracción líquida, g
mmbst = Masa del monosacárido en biomasa sin tratar, g
▪ Cuantificación de lignina: La cuantificación de LIA en las fracciones sólidas y en
las ligninas organosolv, así como la LSA en las fracciones líquidas y en los
hidrolizados de las fracciones sólidas y de las ligninas organosolv, se realizó
siguiendo el procedimiento descrito previamente en el análisis estructural de la
materia prima (Sluiter et al., 2012). Las ecuaciones 3.8 y 3.9 muestran el cálculo
de LIA y LSA respectivamente.
El porcentaje de deslignificación de la biomasa se calculó utilizando la siguiente
ecuación:
DL =Lbst − Lfs
Lbst∗ 100 (3.15)
Donde:
DL = Porcentaje de deslignificación en la biomasa tratada, %
Lbst = Lignina en la biomasa sin tratar, g
Lfs = Lignina en la fracción sólida tratada, g
Capítulo 3 55
▪ Determinación de las mejores condiciones del proceso: Una vez realizado el
proceso organosolv con los diferentes ensayos del DOE y cuantificados los
azúcares y lignina resultantes de cada ensayo, se procedió a evaluar cuáles
fueron las mejores condiciones del proceso en las que se obtuvo el mayor
rendimiento de deslignificación y de glucosa recuperada en la fracción sólida, así
como el mayor porcentaje de xilosa solubilizada en la fracción líquida.
56 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
4. Capítulo 4. Resultados y discusión
4.1. Pretratamiento primario de la biomasa
Luego de haber realizado el pretratamiento primario a la biomasa de tallos de rosas, el
contenido de humedad se redujo de un 66,12% a un 4,25%, esto con el fin de evitar la
descomposición de la materia prima y garantizar su adecuado almacenamiento para la
posterior caracterización y desarrollo del proceso organosolv. El diámetro medio de la
biomasa con la que se realizó el trabajo de investigación fue de 0,25 mm.
4.2. Caracterización de la biomasa
La composición de la biomasa de tallos de rosas antes del proceso organosolv se
presenta en la tabla 4-1.
Tabla 4-1: Caracterización de biomasa de tallos de rosas
Componente Contenido (% en base seca)
Carbohidratos (como polisacáridos)
Celulosa
Hemicelulosa
23,78
11,42
Carbohidratos (como monosacáridos)
Glucosa
Xilosa
26,42
12,98
Lignina total
Lignina insoluble en ácido
Lignina soluble en ácido
25,62
19,61
6,01
Extraíbles acuosos 10,67
Proteínas 7,16
Cenizas 3,45
Otros (pectina, sales, minerales, etc.) 17,91
58 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Como se observa en la tabla 4-1, la composición de la biomasa objeto de estudio sin
tratar es de 26,42% de glucosa y 12,98% de xilosa, mostrando su potencial de
aprovechamiento. El porcentaje de lignina total fue de 25,62%, contenido típico para este
tipo de materiales, ya que las funciones de los tallos son dar resistencia y rigidez a las
plantas, además de permitir el transporte de agua y otras sustancias a las hojas a través
del sistema vascular, funciones que son otorgadas en gran parte por la lignina
(Figueiredo et al., 2018).
En la tabla 4-2 se puede apreciar que la composición de la biomasa lignocelulósica varía
de acuerdo con el tipo de materia prima. Al comparar el análisis estructural de los tallos
de rosas con las biomasas presentadas en la tabla 4-2, se observa que su contenido de
lignina es similar, mientras que el contenido de celulosa y hemicelulosa de la biomasa de
estudio se encuentra en menores proporciones. Las condiciones del suelo y del lugar de
cultivo, así como las variables en el proceso de crecimiento de las plantas pueden
generar un cambio en la composición de las materias primas.
Tabla 4-2: Composición de otras biomasas lignocelulósicas
Biomasa
lignocelulósica Celulosa Hemicelulosa Lignina Referencia
Tallos de girasol 34,10 24,40 26,80
(Hesami, Zilouei,
Karimi, &
Asadinezhad, 2015)
Tallos de maíz 34,65 21,37 20,51 (Cai et al., 2016)
Tallos de tabaco 35,60 22,80 24,10 (D. Sun et al., 2020)
Tallos de sorgo 24,20 22,58 27,80 (Dahunsi et al.,
2019)
Tallos de
algodón 36,40 13,70 25,50
(Semerci & Güler,
2018)
Por otra parte, en la tabla 4-3 se presenta el análisis elemental de la biomasa de tallos de
rosas. En esta materia prima no se encontró presencia de azufre. De igual manera, el
contenido de material volátil de la biomasa fue de 74,61% y el porcentaje de carbono fijo
de 17,70%.
Capítulo 4 59
Tabla 4-3: Análisis elemental de la biomasa de tallos de rosas
Elemento Contenido (%) (p/p)
Carbono 44,95
Hidrógeno 5,79
Nitrógeno 1,15
Azufre -
Oxígeno 48,11
4.3. Evaluación de la obtención de azúcares y lignina
4.3.1. Deslignificación y obtención de lignina organosolv en la biomasa de tallos de rosas
Los resultados que se muestran en la tabla 4-4 indican el contenido de lignina que
permaneció en la fracción sólida (enlaces de lignina que no fueron rotos en el proceso
organosolv), así como el que fue solubilizado. Igualmente, se presentan los resultados de
la obtención de lignina organosolv.
Tabla 4-4: Composición de lignina en las fracciones resultantes
Exp Condiciones del proceso
LFS LFL LO TS T t
1 EtOH - A (1:1) 130 90 16,16 0,09 -
2 GY - A (1:1) 130 90 15,48 0,06 -
3 GY - A (1:1) 200 30 6,47 0,08 3,00
4 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 30 14,25 0,05 -
5 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 90 14,26 0,08 -
6 EtOH - A (1:1) 200 90 3,32 0,12 10,33
7 GY - A (1:1) 200 90 8,97 0,13 3,22
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90 4,74 0,12 5,53
9 EtOH - A (1:1) 200 30 2,38 0,13 11,32
10 GY - A (1:1) 130 30 14,22 0,08 -
60 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Tabla 4-4: (Continuación)
Exp Condiciones del proceso
LFS LFL LO TS T t
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30 5,93 0,09 3,76
12 EtOH - A (1:1) 130 30 16,10 0,05 -
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol, Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T:
Temperatura (°C), t: Tiempo (min), LFS: Lignina en fracción sólida % (p/p), LFL: Lignina en
fracción líquida % (p/p), LO: Lignina organosolv % (p/p).
En la tabla 4-4 se puede observar que el contenido de lignina que permaneció en las
fracciones sólidas resultantes del proceso organosolv llevado a cabo a 200 °C, se
encuentra entre un 2% a un 9%, indicando que entre el 9% al 35% del contenido de
lignina inicial no se logró separar de la materia prima (tabla 4-5). Por su parte, el
contenido de lignina que quedó en las fracciones sólidas de los procesos realizados a
130 °C se encuentra entre un 14% a un 16%, señalando que entre el 55% al 63% del
contenido de lignina inicial no se separó de la biomasa original (tabla 4-5). Esto
representa un menor rendimiento de deslignificación a 130 °C, en donde posiblemente
los enlaces α-O-aril éter de la lignina fueron rotos, debido a que son fácilmente
degradables a temperaturas más bajas, sin embargo, los enlaces β-O-aril éter que
representan más del 50% de las estructuras de enlace de la lignina requieren de
condiciones de proceso más severas para su ruptura. En condiciones de temperatura y
ácido más elevadas, los enlaces β-O-aril éter son rotos, siendo el paso determinante de
la reacción en la deslignificación de la biomasa (Figueiredo et al., 2018; M.-F. Li et al.,
2012; Zhou, Lei, Li, & Jiang, 2018).
Tabla 4-5: Porcentaje de deslignificación en el proceso organosolv
Exp Condiciones del proceso
mLbst1 mLFS LMP DL
TS T t
1 EtOH - A (1:1) 130 90 5,89 3,71 63,08 36,92
2 GY - A (1:1) 130 90 7,36 4,45 60,44 39,56
3 GY - A (1:1) 200 30 5,89 1,49 25,25 74,75
4 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 30 5,89 3,28 55,64 44,36
5 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 90 5,89 3,28 55,64 44,36
Capítulo 4 61
Tabla 4-5: (Continuación)
Exp Condiciones del proceso
mLbst1 mLFS LMP DL
TS T t
6 EtOH - A (1:1) 200 90 5,89 0,76 12,95 87,05
7 GY - A (1:1) 200 90 5,89 2,06 34,99 65,01
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90 5,89 1,09 18,50 81,50
9 EtOH - A (1:1) 200 30 5,89 0,55 9,30 90,70
10 GY - A (1:1) 130 30 7,36 4,08 55,49 44,51
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30 5,89 1,36 23,14 76,86
12 EtOH - A (1:1) 130 30 5,89 3,70 62,84 37,16
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol, Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T:
Temperatura (°C), t: Tiempo (min), mLbst: Masa de lignina en biomasa sin tratar (g), mLFS:
Masa de lignina en fracción sólida tratada (g), LMP: Porcentaje de lignina que no se logró
separar de la materia prima % (p/p), DL: Porcentaje de deslignificación % (p/p).
1 En los experimentos 2 y 10 la biomasa de entrada corresponde a 30 g, manteniendo la
relación sólido – líquido 1:10.
Algunas investigaciones del proceso organosolv con disolventes como etanol a diferentes
condiciones de temperatura y tiempo, han definido un factor que funciona como indicativo
para predecir el rendimiento de deslignificación. Este factor describe la severidad del
proceso en función del tiempo y la temperatura de reacción, pero además tiene en cuenta
el efecto de la concentración del catalizador, ya sea ácido o básico. Dicho factor es
denominado factor de severidad combinado (FSC), el cual se calculó para este estudio
mediante las ecuaciones 3.16 y 3.17 (Goh, Tan, Lee, & Brosse, 2011; Z. Zhang, Harrison,
Rackemann, Doherty, & O’Hara, 2016).
R0 = Log (t ∗ exp (T (t) − 100
14,75)) (3.16)
Donde:
R0 = Factor de severidad
t = Tiempo de reacción, min
T = Temperatura de reacción, °C
100 °C = Temperatura de referencia
62 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
FSC = R0 ∗ CCn (3.17)
Donde:
FSC = Factor de severidad combinado
R0 = Factor de severidad
CC = Concentración del catalizador (% en peso)
n = Constante para ácido sulfúrico, 0,849
El FSC para las diferentes condiciones del proceso organosolv en la biomasa de tallos de
rosas se muestra en la tabla 4-6:
Tabla 4-6: Factor de severidad combinado para las diferentes condiciones del proceso
Temperatura (°C) Tiempo (t) FSC
130 30 1,31
130 90 1,58
200 30 2,45
200 90 2,72
Se ha demostrado en diferentes estudios que el incremento del FSC resulta en una
mayor deslignificación y que la fracción líquida rica en solvente actúa como un efectivo
solubilizante de la lignina (Goh et al., 2011; Teramoto, Lee, & Endo, 2008). Goh y
colaboradores (2011), reportaron que al aumentar la severidad del proceso se reduce el
contenido de lignina insoluble en la fracción sólida, en donde para los factores de
severidad más altos 2,0 < FSC < 2,45, el porcentaje de deslignificación fue del
70% – 80%, recuperando la lignina removida como lignina organosolv y lignina soluble en
la fracción líquida (Goh et al., 2011). Por otra parte, Hochegger y colaboradores (2019),
evaluaron la influencia de las condiciones del proceso organosolv - etanol en las
propiedades fisicoquímicas de la lignina organosolv proveniente de la biomasa de alerce
europeo. Allí reportaron que existe una correlación directa entre la cantidad de enlaces
β-aril éter rotos y el aumento de la severidad del proceso. De igual manera, encontraron
que el potencial antirradical y el contenido de grupos hidroxilo fenólicos aumentaron con
el incremento de la temperatura de reacción y la carga del catalizador, mientras que el
contenido de grupos hidroxilo alifáticos y el peso molecular promedio disminuyeron con el
Capítulo 4 63
incremento de la severidad del proceso (Hochegger, Cottyn-Boitte, Cézard, Schober, &
Mittelbach, 2019).
En la figura 4-1 se presenta el rendimiento de deslignificación de cada uno de los
experimentos, las barras de color azul representan los procesos llevados a cabo a 130 °C
mientras que las barras de color naranja corresponden a los procesos realizados a
200 °C. Los rendimientos de deslignificación en los experimentos a 130 °C, con los
factores de severidad más bajos 1,31 < FSC < 1,58 (tabla 4-6), fueron del 37% al 45%.
Estos resultados son congruentes con diferentes estudios en donde han reportado
porcentajes de deslignificación de 33% y 58% a una temperatura de 130 °C con H2SO4
como catalizador (S. K. Jang et al., 2016; Koo et al., 2011).
Figura 4-1: Rendimiento de deslignificación en la biomasa tratada
Por el contrario, la deslignificación en la biomasa de tallos de rosas tuvo un rendimiento
mayor cuando el proceso organosolv se realizó a 200 °C y el factor de severidad fue más
alto 2,45 < FSC < 2,72 (tabla 4-6), alcanzando hasta un 90,70%. Si bien es cierto que la
adición de catalizadores ácidos promueve la ruptura de los enlaces aril éter, en este
estudio fue la temperatura la que jugó el papel más importante en la remoción de lignina,
pues todos los experimentos se llevaron a cabo con la misma concentración de H2SO4.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
De
slig
nific
ació
n (
%)
Experimento
64 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
En investigaciones previas se ha evidenciado que el incremento de la temperatura en el
proceso organosolv influye en gran medida en el aumento de la deslignificación de la
biomasa (Amiri, Karimi, & Zilouei, 2014; S. K. Jang et al., 2016; H. Y. Kim, Jeong, Lee,
Choi, & Choi, 2015).
Por consiguiente, se considera que la temperatura es uno de los parámetros más
significativos en el proceso organosolv, y que la temperatura óptima depende del tipo de
solvente y su concentración. Utilizando biomasa de madera de álamo amarillo
(Liriodendron tulipifera) y temperaturas de reacción de 120 °C, 130 °C y 140 °C con ácido
sulfúrico como catalizador 1% (p/p), Koo y colaboradores (2011) encontraron que el
mayor porcentaje de deslignificación fue a 140 °C, sin embargo, esta no fue mayor al
45% (Koo et al., 2011). Pan y colaboradores (2007), estudiaron el efecto de la
temperatura en la deslignificación de pino lodgepole y álamo, cuyo grado de
deslignificación más alto fue encontrado a 182 °C para el pino y 195 °C para el álamo,
con un rendimiento de deslignificación del 80% y 95% respectivamente (Pan, Xie, Yu,
Lam, & Saddler, 2007). En el proceso organosolv de la madera de eucalipto utilizando
glicerol como solvente, el mayor grado de deslignificación (77,3%) se alcanzó a una
temperatura de reacción de 200 °C (Romaní, Ruiz, Pereira, Domingues, & Teixeira,
2013). En este estudio, se utilizó etanol y glicerol como solventes, y en ambos casos se
encontraron los valores más altos de deslignificación cuando el proceso organosolv se
realizó a 200 °C, lo que es congruente con lo reportado por otros investigadores.
Por otra parte, los procesos realizados a 130 °C presentaron un grado de deslignificación
mayor cuando el tiempo de reacción fue de 30 min, sin embargo, no varió de manera
significativa a los 90 min. Pan y colaboradores (2007), estudiaron el efecto de las
condiciones del proceso organosolv, temperatura, tiempo y concentración del solvente y
catalizador, en el rendimiento de deslignificación. Allí encontraron que el tiempo de
reacción y el catalizador (H2SO4) no tuvieron un efecto significativo en la deslignificación
de la biomasa, mientras que la temperatura y la concentración de etanol si fueron
determinantes (Pan et al., 2007). En cuanto a los procesos llevados a cabo a 200 °C, la
deslignificación alcanzó su mayor rendimiento con tiempos de reacción de 30 min, a
excepción de los procesos con etanol - agua - glicerol (1:2:1) en donde la máxima
deslignificación fue de 81,50% a los 90 min. La disminución en la deslignificación de la
Capítulo 4 65
biomasa de tallos de rosas incrementando el tiempo de 30 min a 90 min fue de 3,65% y
9,74% para los procesos con etanol – agua (1:1) y glicerol – agua (1:1), respectivamente.
Dicha disminución se debió probablemente a la condensación de la lignina, que ocurre en
condiciones más severas del proceso. Tal situación sucede cuando el intermedio de
carbocatión bencílico forma un enlace con un átomo de carbono rico en electrones en el
anillo aromático de otra unidad de lignina. La reacción de condensación conduce a la
formación de fracciones de lignina de mayor peso molecular que no son solubles en el
solvente, lo que dificulta la recuperación de la lignina (McDonough, 1993; Sannigrahi &
Ragauskas, 2013).
Diferentes investigadores han estudiado dos tipos de modelos cinéticos para la
solubilización de la lignina, uno homogéneo y otro heterogéneo. En el primero, la lignina
se considera como una sustancia homogénea y la solubilización de la lignina sólida es
una reacción de primer orden con respecto a la lignina residual. Sin embargo, este
modelo no se encuentra acorde con diferentes datos experimentales debido a la
heterogeneidad de la lignina durante la deslignificación. El modelo heterogéneo, conocido
como modelo bifásico supone que en la deslignificación utilizando solventes orgánicos se
presentan dos reacciones simultáneas de primer orden, una más rápida y una residual
más lenta (figura 4-2). No obstante, la relación entre la lignina fácil de reaccionar y la
lignina difícil de reaccionar depende del tipo de biomasa y de la severidad de las
condiciones del proceso (X. Zhao et al., 2017; Zhou et al., 2018).
Figura 4-2: Modelo bifásico de deslignificación en el proceso organosolv
Lignina fácil de reaccionar
Lignina disuelta Lignina condensada
Lignina difícil de reaccionar
Este modelo puede explicar como a una temperatura de reacción baja como lo es
130 °C, la reacción residual domina sobre la reacción rápida, disminuyendo de esta
manera la solubilidad de la lignina. En este caso, la relación entre la lignina fácil de
reaccionar y la lignina difícil de reaccionar, se ve considerablemente influenciada por el
cambio de temperatura.
K2
Kd1
Ke1
66 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
En la figura 4-3 se muestra el balance de masa de la lignina total distribuida en las tres
fracciones resultantes en cada uno de los experimentos. Los resultados se presentan en
porcentaje basado en peso seco de la lignina inicial.
Figura 4-3: Balance de masa de lignina total
MP: Materia prima, LO: Lignina organosolv, LFL: Lignina en fracción líquida, LFS: Lignina
en fracción sólida.
Se destaca en la figura 4-3 que el experimento 9 realizado con la disolución organosolv
etanol - agua (1:1) a una temperatura de reacción de 200 °C fue la más efectiva en la
deslignificación de la biomasa y en la generación de lignina organosolv, debido a que un
bajo porcentaje de lignina (2,38%) permaneció en la fracción sólida, tal como se observa
en las barras verdes. Se ha reportado en diversas investigaciones que una concentración
de etanol superior al 70% conduce a la disminución de la solubilidad de la lignina en
mezclas de etanol – agua, mientras que una concentración menor de etanol conlleva a
una mayor actividad del agua, aumentando la concentración de iones hidronio, lo que
promueve la hidrólisis ácida de los enlaces α- y β-éter de la lignina (Asadi & Zilouei,
2017; Pan et al., 2006; Yáñez-S et al., 2014). Además, la lignina tiende a ser miscible con
disolventes que tengan un parámetro de solubilidad similar. Ni y Hu (1995), estudiaron la
solubilidad de la lignina en mezclas de etanol – agua a diferentes concentraciones de
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 MP0
5
10
15
20
25
30
Lig
nin
a t
ota
l (%
)
Experimento
LO LFL LFS
Capítulo 4 67
etanol. Los resultados experimentales mostraron que la solubilidad de la lignina
incrementó hasta alcanzar un máximo de 0,934 a una concentración de etanol de 71,3%,
mientras que un aumento en la concentración de etanol al 95% condujo a una
disminución en el factor de solubilidad de 0,833 (Ni & Hu, 1995), tal como se observa en
la figura 4-4.
Figura 4-4: Efecto de la concentración de etanol en la solubilidad de lignina
Así mismo, cabe resaltar que los experimentos 8 y 11 que se llevaron a cabo con una
mezcla etanol – agua - glicerol a una relación (1:2:1) y 200 °C también presentaron un
rendimiento de deslignificación mayor al 75%, mientras que la disolución organosolv
glicerol – agua y 200 °C (experimentos 3 y 7) separó más del 60% de la lignina presente
en el complejo lignocelulósico de la biomasa de tallos de rosas. Por el contrario, los
experimentos 1 y 12 realizados con la mezcla etanol – agua (1:1), debido a la baja
temperatura de reacción (130 °C), presentaron el menor rendimiento de deslignificación
en el proceso organosolv ya que más del 60% de la lignina inicial permaneció en la
fracción sólida, como se aprecia en las barras verdes de la figura 4-3.
Fragmentos de lignina que no fueron recuperados en el proceso de precipitación de la
lignina organosolv, que consisten en un 9% a 16% aproximadamente, pueden
10 29 38 48 57 69 71 85 950,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Fa
cto
r d
e s
olu
bili
dad
Concentración de etanol (%)
68 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
corresponder a compuestos derivados de la lignina que se solubilizaron en la fracción
líquida y no fueron cuantificados, tales como monómeros u oligómeros de la lignina, entre
los que se encuentran vainillina, guayacol, etc. En otros estudios, se han realizado
balances de masa de lignina total en donde reportaron hasta un 10,6% de compuestos
derivados de la lignina sin recuperar (Choi et al., 2019; S. K. Jang et al., 2016).
Por otra parte, la lignina organosolv obtenida de diferentes condiciones de proceso fue
caracterizada con respecto a su composición de lignina tanto soluble como insoluble. En
la tabla 4-7 se presentan los resultados de dicha caracterización.
Tabla 4-7: Composición de lignina organosolv
Exp Condiciones del proceso
LSA LIA Lignina
total TS T t
6 EtOH - A (1:1) 200 90 0,80 93,88 94,68
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90 5,87 78,31 84,18
9 EtOH - A (1:1) 200 30 0,94 91,90 92,84
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30 4,51 83,08 87,59
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol. Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T:
Temperatura (°C), t: Tiempo (min), LSA: Lignina soluble en ácido, % (p/p), LIA: Lignina
insoluble en ácido, % (p/p), Lignina total % (p/p).
En los experimentos realizados a 130 °C, la lignina fue ligeramente disuelta, por tanto,
hubo una escasa producción de lignina organosolv. No obstante, el aumento de
temperatura de reacción a 200 °C condujo a la recuperación de LO, obteniéndose un
rendimiento máximo de 11,32%. En estudios previos se han obtenido rendimientos de LO
de 12% y 12,9% (Choi et al., 2019; S. K. Jang et al., 2016). LO de alta pureza también
fue generada a esta temperatura, alcanzando hasta un 94,68% de lignina total,
específicamente para el proceso realizado con etanol - agua a 90 min. Estos resultados
son congruentes con estudios similares, en donde han reportado porcentajes de pureza
de LO mayores al 90% (Choi et al., 2019; Schmetz et al., 2016). En condiciones de
proceso severas, la LO tiene un contenido fenólico más alto y un menor peso molecular
con respecto a la biomasa nativa debido al rompimiento de enlaces α- y β-aril éter entre
las unidades de lignina (El Hage, Brosse, Sannigrahi, & Ragauskas, 2010; Sannigrahi &
Capítulo 4 69
Ragauskas, 2013). Estas características hacen que la LO sea considerada un compuesto
de alto valor agregado para la industria, con aplicaciones comerciales como resinas,
espumas o como precursor para la generación de productos químicos como vainilla, fenol
o etileno debido a su bajo contenido de carbohidratos (Y. H. P. Zhang, 2008).
4.3.2. Obtención de azúcares en la biomasa de tallos de rosas
En el proceso organosolv los polisacáridos de celulosa y hemicelulosa son hidrolizados
en oligosacáridos y monosacáridos según las condiciones del proceso. En condiciones
moderadas, la degradación de carbohidratos se produce principalmente en la región
amorfa, lo que conduce a la remoción de hemicelulosa y celulosa amorfa. En condiciones
más severas también se generan productos químicos de valor agregado, como 5-HMF y
furfural, derivados de hexosas y pentosas respectivamente (K. Zhang et al., 2016).
En la figura 4-5 se muestra los resultados del rendimiento de xilosa (expresado en
porcentaje basado en peso seco de la xilosa inicial) recuperada tanto en la fracción sólida
como en la fracción líquida de las reacciones llevadas a cabo a 200 °C.
Figura 4-5: Rendimiento de xilosa recuperada a 200 °C
3 6 7 8 9 110
20
40
60
80
100
Re
nd
imie
nto
de
xilo
sa (
%)
Experimento
FL FS
70 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Como se observa en la figura 4-5, los experimentos realizados a 200 °C condujeron a
que la mayor parte de la hemicelulosa, compuesta principalmente por xilosa, fuera
hidrolizada en la fracción líquida, presentando un rendimiento más alto en el ensayo 3,
con una mezcla glicerol – agua y 30 min de reacción. En un estudio reciente se reportó
que una cantidad significante de xilano comenzó a ser extraída de la biomasa después
de que la temperatura de reacción alcanzara 160 °C (Bär et al., 2018). Esto indica que el
aumento de la solubilización de la hemicelulosa tiene una relación directa con el
incremento de la temperatura (Choi et al., 2019; Studer et al., 2011).
De igual manera, en diferentes investigaciones se ha estudiado el efecto del parámetro
de severidad combinado (temperatura, tiempo y dosis de catalizador) en la solubilización
de la hemicelulosa, en donde se encontró que los xilanos fueron afectados en gran parte
por el tratamiento, despolimerizados y convertidos en xilosa soluble. La cantidad de
xilanos en la fracción sólida disminuyeron constantemente con el factor de severidad
combinado, mostrando una relación lineal (Goh et al., 2011). En este estudio, la remoción
de hemicelulosa aumentó con el incremento del factor de severidad combinado,
alcanzando la mayor solubilización con el FSC de 2,45. El aumento de la temperatura de
reacción promueve que los iones hidronio puedan ser generados en los sistemas de co-
solventes (etanol-agua, glicerol-agua y etanol-agua-glicerol), resultando en una hidrólisis
selectiva de los enlaces glicosídicos de la hemicelulosa y liberando grupos acetilo y otros
ácidos de la hemicelulosa (Wang, Shen, Wen, Xiao, & Sun, 2017).
En el presente estudio, también se generó la reacción de deshidratación de xilosa en los
experimentos realizados a 200 °C, lo que condujo a la formación de furfural, tal como se
observa en la figura 4-6. Su conversión es más activa en presencia de un catalizador
ácido (Choi et al., 2019), sin embargo, en este caso el incremento de la temperatura y el
tiempo de reacción generó la degradación de xilosa, aumentando la producción de
furfural.
El máximo rendimiento de furfural (porcentaje basado en peso seco de la xilosa inicial)
fue de 8,25%, obtenido de la mezcla etanol – agua – glicerol (1:2:1) a 200 °C durante 90
min, soportando el bajo porcentaje de recuperación de xilosa en el experimento 8. Estos
resultados son consistentes con otros estudios en donde al analizar la fracción líquida del
Capítulo 4 71
proceso organosolv a 200 °C se han obtenido porcentajes de furfural de 6,3% y 7,69%
con respecto a la hemicelulosa presente en la materia prima sin tratar (Michelin,
Liebentritt, Vicente, & Teixeira, 2018; Romaní et al., 2016).
Figura 4-6: Porcentaje de furfural obtenido a 200 °C
Con respecto al factor de severidad combinado, se ha reportado una mayor degradación
de xilosa para los procesos realizados bajo condiciones severas (Choi et al., 2019; Goh
et al., 2011), lo que resulta congruente con este estudio, pues la máxima obtención de
furfural se presentó en los experimentos con el mayor factor de severidad combinado
FSC= 2,72, es decir, con la temperatura y tiempo de reacción más elevados, 200 °C y 90
min respectivamente.
En la tabla 4-8 se presenta el balance de masa de la xilosa recuperada en las fracciones
sólidas y en las fracciones líquidas, así como la obtención de furfural en cada uno de los
experimentos realizados a 200 °C.
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Experimento
72 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Tabla 4-8: Balance de masa de xilosa recuperada en experimentos a 200 °C
Exp Condiciones del proceso
mXbst mXFS RXFS mXFL RXFL OF XT TS T t
3 GY - A (1:1) 200 30 5,97 0,46 7,79 3,58 60,05 5,79 73,62
6 EtOH - A (1:1) 200 90 5,97 1,47 24,65 3,19 53,52 6,93 85,10
7 GY - A (1:1) 200 90 5,97 0,35 5,79 3,33 55,85 6,30 67,94
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90 5,97 0,50 8,33 3,06 51,25 8,25 67,83
9 EtOH - A (1:1) 200 30 5,97 1,59 26,61 3,15 52,80 3,53 82,94
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30 5,97 0,66 11,14 3,32 55,68 7,74 74,56
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol
Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T: Temperatura (°C), t: Tiempo (min), mXbst:
Masa de xilosa en biomasa sin tratar (g), mXFS: Masa de xilosa en fracción sólida (g),
RXFS: Recuperación de xilosa en fracción sólida (%), mXFL: Masa de xilosa en fracción
líquida (g), RXFL: Recuperación de xilosa en fracción líquida (%), OF: Obtención de furfural
(%), XT: Xilosa total (%).
Como se observa en la tabla 4-8, el porcentaje de recuperación de xilosa tanto en la
fracción sólida como en la fracción líquida, así como el porcentaje de furfural obtenido no
corresponde al total de xilosa en la biomasa sin tratar. Esto se debió probablemente a la
presencia de oligosacáridos de xilosa que no fueron hidrolizados o a una posible
degradación de furfural a ácido fórmico. De igual manera, es factible que bajo estas
condiciones de proceso la xilosa haya reaccionado con el furfural generándose productos
de descomposición como las huminas (Weingarten, Cho, Conner, & Huber, 2010). Sin
embargo, también pudo haber una hidrólisis incompleta en la fracción sólida lo que
conduciría a una cuantificación parcial de xilosa en el HPLC.
Por otra parte, en la figura 4-7 se presenta los resultados del rendimiento de
recuperación de xilosa (expresado en porcentaje basado en peso seco de la xilosa inicial)
en los experimentos llevados a cabo a 130 °C. Esta figura muestra el porcentaje de xilosa
recuperada tanto en la fracción sólida como en la fracción líquida.
Capítulo 4 73
Figura 4-7: Rendimiento de xilosa recuperada a 130 °C
Como se observa en la figura 4-7, a diferencia de los experimentos realizados a 200 °C,
un alto porcentaje de xilosa recuperada (63% - 88%), permaneció en la fracción sólida
tratada, indicando que gran parte de la hemicelulosa no fue hidrolizada. Se ha reportado
en investigaciones previas que el efecto de la severidad de las condiciones del proceso
organosolv en la remoción de lignina y hemicelulosa son diferentes. La disolución etanol
– agua solubiliza la lignina de forma efectiva, sin embargo, la solubilización de la
hemicelulosa es menor (Goh et al., 2011; Teramoto et al., 2008). En la investigación de
Teramoto y colaboradores (2008), se reportó que bajo el factor de severidad combinado
R’0=1,5 (200 °C y 60 min), aproximadamente el 80% de la lignina inicial fue hidrolizada en
la mezcla etanol - agua, mientras que la hemicelulosa, con el mismo parámetro de
severidad fue hidrolizada en menos de un 40% (Teramoto et al., 2008). En este estudio,
para el factor de severidad combinado FSC= 1,31 correspondiente a 130 °C y 30 min, los
sistemas de co-solventes utilizados removieron entre el 37% y el 44% de la lignina inicial
mientras que para el caso de la xilosa dichos sistemas hidrolizaron entre el 10% y el 21%
de la xilosa inicial. Para el FSC= 2,72 que comprende una temperatura y tiempo de
reacción de 200 °C y 90 min respectivamente, la remoción de lignina fue del 65% al 87%
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74 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
de la lignina inicial, mientras que la hidrólisis de la xilosa fue del 51% al 56% de la xilosa
inicial, lo cual es congruente con la investigación reportada previamente.
En la tabla 4-9 se muestra el balance de masa de la xilosa recuperada tanto en las
fracciones sólidas como en las fracciones líquidas en cada uno de los experimentos
realizados a 130 °C.
Tabla 4-9: Balance de masa de xilosa recuperada en experimentos a 130 °C
Exp Condiciones del proceso
mXbst1 mXFS RXFS mXFL RXFL OF XT
TS T t
1 EtOH - A (1:1) 130 90 5,97 4,75 79,58 1,14 19,04 - 98,62
2 GY - A (1:1) 130 90 7,46 5,04 67,57 1,15 15,41 - 82,98
4 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 30 5,97 4,58 76,78 0,66 11,12 - 87,90
5 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 90 5,97 4,73 79,23 1,22 20,38 - 99,61
10 GY - A (1:1) 130 30 7,46 4,71 63,15 1,54 20,67 - 83,82
12 EtOH - A (1:1) 130 30 5,97 5,29 88,66 0,62 10,36 - 99,02
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol
Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T: Temperatura (°C), t: Tiempo (min), mXbst:
Masa de xilosa en biomasa sin tratar (g), mXFS: Masa de xilosa en fracción sólida (g),
RXFS: Recuperación de xilosa en fracción sólida (%), mXFL: Masa de xilosa en fracción
líquida (g), RXFL: Recuperación de xilosa en fracción líquida (%), OF: Obtención de furfural
(%), XT: Xilosa total (%).
1 En los experimentos 2 y 10 la biomasa de entrada corresponde a 30 g, manteniendo la
relación sólido – líquido 1:10.
En la tabla 4-9 se observa que en las reacciones llevadas a cabo a 130 °C el rendimiento
de recuperación de xilosa total fue cercano al 100%, debido a que en estas condiciones
de proceso no se detectó la presencia de furfural. Esta tendencia es de esperar, ya que a
temperaturas superiores a 200 °C se favorece la descomposición de pentosas en sus
productos de degradación como lo es furfural o ácido fórmico (Cybulska et al., 2017). Se
ha reportado que el incremento de la temperatura resulta en una velocidad de reacción
específica mayor en las reacciones de deshidratación. En la investigación de Jing y Lu
(2007), se encontró que la velocidad de reacción específica de la reacción de
Capítulo 4 75
deshidratación de la xilosa era cinco veces mayor a 200 °C que a 180 °C, mientras que la
velocidad de reacción específica de la descomposición de furfural se duplicó (Jing & Lu,
2007).
En investigaciones previas, diferentes autores han estudiado tres modelos de reacción
para la hidrólisis de la hemicelulosa (xilano), estos tres modelos se muestran en las
figuras 4-8 a 4-10.
Figura 4-8: Modelo cinético más simple para la hidrólisis de xilano. Modelo de Saeman.
(s): sólido, (ac): acuoso
Xilano (s) xilosa (ac) productos de descomposición
La hidrólisis de xilano catalizado con ácido diluido normalmente es vista como una serie
de reacciones homogéneas e irreversibles de primer orden (figura 4-8) (Lenihan et al.,
2010; Orozco, Ahmad, Rooney, & Walker, 2007). Sin embargo, se ha considerado que
este modelo sólo es aplicable para la hidrólisis de xilano puro pero deficiente para la
hidrólisis de xilano proveniente de biomasa (R. Zhang, Lu, Sun, Wang, & Zhang, 2011; X.
Zhao, Zhou, & Liu, 2012). Por tanto, se modificó el modelo de Saeman a un modelo
bifásico (figura 4-9) que incorpora la hidrólisis de hemicelulosa como una reacción en
donde hay fracciones rápidas de hidrolizar (fáciles) y fracciones lentas de hidrolizar
(difíciles), así como la formación de productos de descomposición (Mittal, Chatterjee,
Scott, & Amidon, 2009; Montané et al., 2002; R. Zhang et al., 2011).
Figura 4-9: Modelo de reacción bifásica para la hidrólisis de xilano
Xilano rápido de reaccionar (s)
Xilosa (ac) productos de descomposición
Xilano lento de reaccionar (s)
Este modelo ha sido aplicado para describir la cinética de hidrólisis en diferentes tipos de
biomasas, no obstante, los xilo-oligómeros son generalmente ignorados pues los
consideran de corta duración (X. Zhao et al., 2012). Sin embargo, se ha demostrado en
diversos estudios que los xilo-oligómeros son detectados en la fracción líquida de
Kl
Kr
K2 K1
76 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
biomasas pretratadas, particularmente a bajas temperaturas durante el proceso de
hidrólisis (Mittal et al., 2009; Pronyk & Mazza, 2010). Por tanto, se estableció un tercer
modelo en donde el xilano se hidroliza en primer lugar a xilo-oligómeros y luego estos
son hidrolizados a xilosa (figura 4-10) (Schwiderski, Kruse, Grandl, & Dockendorf, 2014;
X. Zhao et al., 2012).
Figura 4-10: Hidrólisis de xilano mediante la formación de xilo-oligómeros
Xilano rápido
de reaccionar (s)
xilo-oligómeros Xilosa (ac) productos de
Xilano lento descomposición
de reaccionar (s)
Bajo este último modelo X. Zhao y colaboradores (2012) realizaron curvas de regresión
de la solubilización de xilano, la concentración de xilo-oligómeros y la concentración de
xilosa Vs el tiempo, a diferentes temperaturas de reacción y concentraciones de H2SO4
en la biomasa de bagazo de caña de azúcar, obteniendo coeficientes de regresión (R2)
en el rango de 0,95 – 0,995. En este estudio encontraron que la temperatura tuvo una
influencia significante en la solubilización del xilano, así como en la concentración de xilo-
oligómeros presentes en la fracción líquida, donde a altas temperaturas la concentración
de xilo-oligómeros incrementó rápidamente seguido de un fuerte decrecimiento, y
finalmente permaneció a un bajo nivel a medida que la reacción continuaba. De igual
manera, la concentración de xilosa aumentó constantemente a medida que la hidrólisis
avanzaba. A temperaturas bajas no observaron una disminución significativa de xilosa (X.
Zhao et al., 2012).
El estudio anterior explica porque en los experimentos realizados a 130 °C no se detectó
la presencia de productos de descomposición como furfural, recuperándose la fracción
líquida como xilosa. Sin embargo, como se mencionó anteriormente gran parte de la
hemicelulosa en los experimentos a 130 °C permaneció en la fracción sólida, por lo cual
se puede inferir que cuando la reacción logró la temperatura más alta (130 °C), la
hemicelulosa alcanzó su máxima solubilización y la parte que permaneció en la fracción
Kr
Kl
Capítulo 4 77
sólida es la llamada fracción lenta o difícil de reaccionar o hidrolizar (Schwiderski et al.,
2014; X. Zhao et al., 2012).
La presencia de fracciones fáciles de hidrolizar y difíciles de hidrolizar en la hemicelulosa
se debe probablemente a que la pared celular de las plantas posee una estructura
multicapa que consiste en una laminilla media, una pared primaria y una pared
secundaria. A su vez, la pared secundaria está conformada por tres capas denominadas
laminillas S1, S2 y S3 (Sticklen, 2008). La celulosa, hemicelulosa y lignina se encuentran
distribuidas es dichas capas de diferente manera, sin embargo, la mayor parte de la
hemicelulosa se encuentra en la pared secundaria (McMillan, 1994). En un estudio previo
se realizó el proceso organosolv con etanol a la madera de eucalipto, en donde por
medio de microscopía electrónica de barrido se observó que la deslignificación de la
biomasa procedía de la cavidad celular (lumen) hacia la laminilla media hasta llegar a las
esquinas de las células (Muurinen, 2000). Se puede asumir que la solubilización de la
hemicelulosa en los tallos de rosas procedió de la misma forma, desde el lumen celular,
siguiendo las laminillas de la pared secundaria S3, S2, S1, luego la pared primaria hasta
finalmente llegar a la laminilla media (figura 4-11), por lo que a ciertas condiciones de
proceso, especialmente bajas, no toda la hemicelulosa presente en cada capa pudo
hidrolizarse (X. Zhao et al., 2012). Además, cuando la hidrólisis ocurre en un sistema de
reacción sólido-líquido, la transferencia de masa y energía se puede convertir en un paso
limitante para la solubilización de la hemicelulosa (X. Zhao et al., 2012). Así mismo, el
bajo rendimiento de deslignificación en los experimentos realizados a 130 °C también
pudo ser un obstáculo para la hidrólisis de la hemicelulosa (Bensah, Kádár, & Mensah,
2019; Pan et al., 2007; X. Zhao et al., 2012).
Figura 4-11: Solubilización de la hemicelulosa desde el lumen celular hasta la laminilla
media
78 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Por otra parte, en la figura 4-12 se muestra los resultados del rendimiento de glucosa
recuperada (expresado en porcentaje basado en peso seco de la glucosa inicial) tanto en
la fracción líquida como en la fracción sólida de los experimentos realizados a 200 °C.
Figura 4-12: Rendimiento de glucosa recuperada a 200 °C
Los resultados mostrados en la figura 4-12 indican que la mayor parte de celulosa
recuperada, compuesta principalmente por glucosa, permaneció en la fracción sólida. Los
experimentos 6 y 9 realizados con una mezcla etanol – agua (1:1) presentaron el mejor
rendimiento de glucosa recuperada, hidrolizándose un porcentaje muy bajo en la fracción
líquida (tabla 4-10). Por su parte, los experimentos 3 y 7 llevados a cabo con glicerol -
agua (1:1) fueron los que tuvieron una mayor solubilización de glucosa en la fracción
líquida.
Es de esperar que la mayor parte de la celulosa permaneciera en la fracción sólida, pues
posee una mayor estabilidad con respecto a los demás componentes de la biomasa. Esto
es debido a su estructura cristalina y a que en las paredes celulares de la planta se
encuentra protegida por la hemicelulosa, pectina y lignina (Klemm et al., 2005; X. Zhao et
al., 2012). En las plantas, la celulosa nativa está compuesta de tres formas cristalinas,
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Capítulo 4 79
celulosa Iα, celulosa Iβ y celulosa para-cristalina, junto con dos formas no cristalinas,
celulosa amorfa en superficies accesibles e inaccesibles de la fibrilla (M. F. Li, Yang, &
Sun, 2016). El fraccionamiento con etanol conduce a la despolimerización y a la
disminución de la polidispersidad de la celulosa. Dado que se reduce el grado de
polimerización de la celulosa, el número de extremos reductores de la celulosa es
mejorado (M. F. Li et al., 2016; Pan, Xie, Yu, & Saddler, 2008). Algunos estudios han
indicado que el aumento en la deslignificación de la biomasa no necesariamente conduce
a un mayor rendimiento de glucosa, sino que más bien es debido a la reducción del
grado de polimerización de la celulosa (J. S. Kim, Lee, & Kim, 2016; Z. Zhang et al.,
2016). Tal situación se puede observar en el experimento 8, cuyo grado de
deslignificación fue del 82% mientras que el rendimiento de recuperación de glucosa fue
del 56%.
Es probable que la celulosa que fue hidrolizada en la fracción líquida haya sido la
celulosa amorfa pues es más fácil de degradar que la cristalina, sin embargo, como se
observa en la figura 4-12 la solubilización de celulosa no fue muy alta pues la celulosa
amorfa es aún más difícil de hidrolizar que la hemicelulosa debido a su alto grado de
polimerización (Pan et al., 2008; Salapa et al., 2017; Z. Zhang et al., 2016). Se presume
que esta fracción hidrolizada fue favorecida por la solubilización de la hemicelulosa
(Romero, Ruiz, Castro, & Moya, 2010). Sin embargo, también puede ser atribuida a la
alta temperatura de reacción y a la disminución del pH a través de la formación de ácidos
orgánicos. Durante el proceso organosolv, los ácidos orgánicos, tales como ácido acético
de los grupos acetilo, ácido fórmico y ácido levulínico de la degradación de azúcares, son
liberados y disociados en iones de hidrógeno promoviendo la hidrólisis ácida de la
celulosa a altas temperaturas (Pereira et al., 2011; Yang & Wyman, 2008).
Se ha observado en diferentes estudios que el incremento de la temperatura de reacción
resulta en una mayor hidrólisis de fibras (Choi et al., 2019; Romero et al., 2010), lo que
conduce a su vez a que la glucosa solubilizada en la fracción líquida sea deshidratada,
formándose el subproducto 5-HMF (D. E. Kim & Pan, 2010), tal como se muestra en la
figura 4-13.
80 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 4-13: Porcentaje de 5-HMF obtenido a 200 °C
La gráfica 4-13 muestra que los rendimientos más altos de 5-HMF con cada una de las
mezclas se produjeron no sólo a la temperatura más elevada, sino también en el tiempo
de reacción más largo, indicando que estas dos condiciones de proceso junto con la
interacción del H2SO4 tuvieron una alta influencia en la producción de 5-HMF. En el
estudio realizado por Kim y Pan (2010), los autores pretrataron la biomasa del árbol
álamo por medio del proceso organosolv con etanol para la generación de productos
químicos de alto valor. En dicho estudio el rendimiento máximo de glucosa a 5-HMF fue
del 7%, obtenido a la temperatura y tiempo de reacción más altos, 200 °C y 55 min
respectivamente (D. E. Kim & Pan, 2010).
Es de notar que la obtención de 5-HMF fue menor con respecto a la de furfural, debido a
que las hexosas necesitan de condiciones más severas para ser convertidas a 5-HMF
que las pentosas a furfural (D. E. Kim & Pan, 2010; H. Y. Kim et al., 2015). Por su parte,
el experimento 8 realizado con etanol - agua – glicerol (1:2:1) presentó el porcentaje de
obtención más alto de 5-HMF y furfural, por lo que esta mezcla de solventes podría ser
apropiada para la producción de compuestos plataforma.
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MF
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Experimento
Capítulo 4 81
En la tabla 4-10 se presenta el balance de masa de la glucosa recuperada en las
fracciones sólidas y en las fracciones líquidas, así como la obtención de 5-HMF en cada
uno de los experimentos realizados a 200 °C.
Tabla 4-10: Balance de masa de glucosa recuperada en experimentos a 200 °C
Exp Condiciones del proceso
mGbst mGFS RGFS mGFL RGFL O5-HMF GT TS T t
3 GY - A (1:1) 200 30 12,14 6,40 52,73 0,21 1,70 2,12 56,56
6 EtOH - A (1:1) 200 90 12,14 8,63 71,12 0,01 0,09 2,17 73,38
7 GY - A (1:1) 200 90 12,14 5,80 47,79 0,16 1,32 2,90 52,01
8 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 90 12,14 6,74 55,50 0,11 0,90 3,14 59,54
9 EtOH - A (1:1) 200 30 12,14 7,69 63,32 3E-4 2E-3 1,37 64,69
11 EtOH - A – GY (1:2:1) 200 30 12,14 7,01 57,71 0,05 0,40 2,67 60,78
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol
Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T: Temperatura (°C), t: Tiempo (min), mGbst:
Masa de glucosa en biomasa sin tratar (g), mGFS: Masa de glucosa en fracción sólida (g),
RGFS: Recuperación de glucosa en fracción sólida (%), mGFL: Masa de glucosa en fracción
líquida (g), RGFL: Recuperación de glucosa en fracción líquida (%), O5-HMF: Obtención de
5-HMF (%), GT: Glucosa total (%).
Se observa en la tabla 4-10 que el porcentaje de glucosa recuperada en la fracción sólida
y líquida, así como el porcentaje de 5-HMF no corresponde al total de glucosa en la
biomasa sin tratar, lo cual se debió posiblemente a la presencia de oligosacáridos de
glucosa que no fueron hidrolizados o a una degradación de 5-HMF a ácido levulínico. De
igual manera, debido a la reactividad del 5-HMF, este tiende a condensarse y formar
polímeros como las huminas, que pueden representar parte de la glucosa (D. E. Kim &
Pan, 2010). Sin embargo, también es posible que se haya generado una hidrólisis
incompleta de la fracción sólida, cuantificándose parcialmente la glucosa.
De otro lado, la figura 4-14 muestra los resultados del rendimiento de glucosa recuperada
(expresado en porcentaje basado en peso seco de la glucosa inicial) tanto en la fracción
líquida como en la fracción sólida de los experimentos llevados a cabo a 130 °C.
82 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 4-14: Rendimiento de glucosa recuperada a 130 °C
En la figura 4-14 se puede observar que el rendimiento de recuperación de glucosa fue
bajo principalmente en los experimentos 2 y 10 realizados con una mezcla de glicerol –
agua (1:1). Como se mencionó anteriormente, la celulosa es más difícil de hidrolizar
debido a su estructura cristalina. Además, al igual que el mecanismo de reacción de la
hemicelulosa (figura 4-10), la celulosa se hidroliza a celo-oligómeros y posteriormente a
glucosa, no obstante, la formación de celo-oligómeros es mucho más lenta que la
hidrólisis a glucosa, especialmente en condiciones de proceso moderadas, por lo que se
considera que la generación de celo-oligómeros es el paso que limita la velocidad en la
hidrólisis de la celulosa (X. Zhao et al., 2012). Esto puede explicar el bajo porcentaje de
glucosa recuperada a 130 °C (tabla 4-11), ya que probablemente la celulosa no fue
completamente hidrolizada, generando celo-oligómeros que no fueron cuantificados. Sin
embargo, también pudo haber una hidrólisis incompleta en la fracción sólida lo que
conduciría a una cuantificación parcial de glucosa en el HPLC.
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Capítulo 4 83
Tabla 4-11: Balance de masa de glucosa recuperada en experimentos a 130 °C
Exp Condiciones del proceso
mGbst1 mGFS RGFS mGFL RGFL O5-HMF GT
TS T t
1 EtOH - A (1:1) 130 90 12,14 7,22 59,42 0,81 6,68 - 66,10
2 GY - A (1:1) 130 90 15,18 2,19 14,46 0,25 1,64 - 16,10
4 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 30 12,14 4,31 35,53 0,53 4,33 - 39,87
5 EtOH - A – GY (1:2:1) 130 90 12,14 5,02 41,31 0,57 4,67 - 45,98
10 GY - A (1:1) 130 30 15,18 2,46 16,22 0,35 2,33 - 18,55
12 EtOH - A (1:1) 130 30 12,14 6,35 52,27 0,57 4,67 - 56,94
EtOH: Etanol, A: Agua, GY: Glicerol
Exp: Experimento, TS: Tipo de solvente, T: Temperatura (°C), t: Tiempo (min), mGbst:
Masa de glucosa en biomasa sin tratar (g), mGFS: Masa de glucosa en fracción sólida (g),
RGFS: Recuperación de glucosa en fracción sólida (%), mGFL: Masa de glucosa en fracción
líquida (g), RGFL: Recuperación de glucosa en fracción líquida (%), O5-HMF: Obtención de
5-HMF (%), GT: Glucosa total (%).
1 En los experimentos 2 y 10 la biomasa de entrada corresponde a 30 g, manteniendo la
relación sólido – líquido 1:10.
De igual manera, en este estudio no se observó descomposición de glucosa a 130 °C
(tabla 4-11), siendo congruente con diferentes investigaciones en donde no se detectó la
presencia de 5-HMF en el proceso organosolv realizado con glicerol a 130 °C (Z. Zhang,
Wong, Albertson, Doherty, & O’Hara, 2013) ni en proceso organosolv realizado con
etanol a 145 °C y 160 °C (H. Y. Kim et al., 2015). Es de esperar que no se haya
detectado la presencia de 5-HMF debido a la baja temperatura de reacción. En la
investigación de Lenihan y colaboradores (2010), realizaron la hidrólisis a la cáscara de
papa a diferentes temperaturas y concentraciones de catalizador (H3PO4). Allí concluyen
que la descomposición de glucosa a 5-HMF es principalmente una función de la
temperatura (Lenihan et al., 2010).
4.4. Evaluación de las mejores condiciones del proceso
Para determinar las condiciones de mayor importancia en el proceso organosolv se
realizó un análisis de varianza (ANOVA) por medio del programa Statgraphics Centurion
XVII. Este análisis incluye la tabla ANOVA, el diagrama de Pareto y la superficie de
84 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
respuesta para la recuperación de glucosa en la fracción sólida, la solubilización de xilosa
en la fracción líquida y el porcentaje de deslignificación.
En la tabla 4-12 se presenta el análisis de varianza en donde se evaluaron los efectos de
los factores experimentales sobre la recuperación de glucosa en la fracción sólida. En
esta tabla se muestra la significancia de cada factor por medio del valor-P, en el cual, si
el valor-P es menor a 0,05, el factor se considera estadísticamente significativo en el
proceso.
Tabla 4-12: Análisis de varianza para la recuperación de glucosa
Factor Suma de cuadrados Gl Cuadrado medio Razón-F Valor-P
A: Tipo de solvente 1651,11 1 1651,11 255,59 0,0001
B: Temperatura 1385,89 1 1385,89 214,53 0,0001
C: Tiempo 11,6427 1 11,6427 1,80 0,2506
AA 0,319704 1 0,319704 0,05 0,8349
AB 277,184 1 277,184 42,91 0,0028
AC 58,5903 1 58,5903 9,07 0,0395
BC 9,22253 1 9,22253 1,43 0,2982
Error total 25,8402 4 6,46004
Total 3419,8 11
Gl: Grados de libertad
Para la recuperación de glucosa en la fracción sólida se encontró que el tipo de solvente
(A), la temperatura (B), y los efectos combinados del tipo de solvente y la temperatura
(AB) y el tipo de solvente y el tiempo (AC) tuvieron un valor-P menor que 0,05, indicando
que son significativamente diferentes de cero con un nivel de confianza del 95%. El
estadístico R-cuadrado indica que el modelo, así ajustado, explica el 99,24% de la
variabilidad en la recuperación de la glucosa, mientras que el estadístico R-cuadrado
ajustado, que es más adecuado para comparar modelos con diferente número de
variables independientes, es 97,92%.
El diagrama de Pareto (figura 4-15) muestra los valores absolutos de los efectos
estandarizados desde el más grande hasta el más pequeño. Este diagrama también
Capítulo 4 85
muestra una línea de referencia (línea azul vertical) que indica cuales efectos son
estadísticamente significativos, con un intervalo de confianza del 95%.
Figura 4-15: Diagrama de Pareto estandarizado para la recuperación de glucosa
Se observa en la figura 4-15 que el tipo de solvente (A), la temperatura (B), y los efectos
combinados del tipo de solvente y la temperatura (AB) y el tipo de solvente y el tiempo
(AC) son estadísticamente significativos en la recuperación de la glucosa. Las barras de
color gris, es decir, la temperatura y el efecto combinado del tipo de solvente y
temperatura tienen un efecto positivo, indicando que estos factores producen un aumento
en la recuperación de glucosa en la fracción sólida. Las barras de color azul, que son el
tipo de solvente y el efecto combinado del tipo de solvente y el tiempo tienen un efecto
negativo, señalando que la disminución de dichos factores aumenta la recuperación de
glucosa.
La superficie de respuesta presentada en la figura 4-16 muestra la recuperación de
glucosa a diferentes temperaturas y con los tres sistemas de co-solventes utilizados.
Dichos sistemas están representados en el diseño de experimentos de la siguiente
manera: mezcla etanol – agua representada con el número 1, mezcla etanol – agua
glicerol representada con el número 1,5 y mezcla glicerol – agua representada con el
número 2, como se muestra en el eje x. Allí se observa que el aumento de la temperatura
y el sistema de co-solvente etanol – agua (1) tuvieron una mayor significancia en la
recuperación de glucosa. Por su parte, la mezcla glicerol – agua (2) mostró una menor
recuperación de glucosa en la fracción sólida tratada.
Diagrama de Pareto Estandarizada para Recuperación de celulosa
0 4 8 12 16
Efecto estandarizado
AA
BC
C:Tiempo
AC
AB
B:Temperatura
A:Tipo de solvente +-
86 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
Figura 4-16: Superficie de respuesta para la recuperación de glucosa
Para la solubilización de la xilosa en la fracción líquida se encontró que la temperatura
(B) tuvo un valor-P menor que 0,05 (tabla 4-13), indicando que es significativamente
diferente de cero con un nivel de confianza del 95%. El estadístico R-cuadrado indica que
el modelo, así ajustado, explica el 99,29% de la variabilidad en la solubilización de la
xilosa, mientras que el estadístico R-cuadrado ajustado, que es más adecuado para
comparar modelos con diferente número de variables independientes, es 98,05%.
Tabla 4-13: Análisis de varianza para la solubilización de xilosa
Factor Suma de cuadrados Gl Cuadrado medio Razón-F Valor-P
A: Tipo de solvente 33,0485 1 33,0485 4,00 0,1160
B: Temperatura 4491,91 1 4491,91 544,09 0,0000
C: Tiempo 1,89607 1 1,89607 0,23 0,6568
AA 4,89607 1 4,89607 0,59 0,4842
AB 1,05125 1 1,05125 0,13 0,7392
AC 44,4625 1 44,4625 5,39 0,0811
BC 35,329 1 35,329 4,28 0,1074
Error total 33,0235 4 8,25588
Total (corr.) 4645,62 11
Gl: Grados de libertad
Recu
pera
ció
n d
e g
luco
sa
Recuperación de glucosa0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0100,0
Superficie de Respuesta Estimada
Tiempo=60,0
11,2
1,4 1,61,8
2Tipo de solvente
130150
170190
210
Temperatura
0
20
40
60
80
Capítulo 4 87
El diagrama de Pareto en la figura 4-17 muestra que la temperatura es estadísticamente
significativa en la solubilización de la xilosa. La temperatura presenta un efecto positivo,
indicando que este factor produce un aumento en la solubilización de la xilosa en la
fracción líquida.
Figura 4-17: Diagrama de Pareto estandarizado para la solubilización de la xilosa
Se observa nuevamente en la figura 4-18 el papel determinante de la temperatura en la
solubilización de la xilosa. Sin embargo, esta no fue mayor al 60% por lo que se debe
explorar aún más en el factor temperatura o en la concentración de los sistemas de co-
solventes para incrementar el rendimiento de la solubilización de xilosa en la fracción
líquida.
Figura 4-18: Superficie de respuesta para la solubilización de xilosa
Diagrama de Pareto Estandarizada para Solubilización de hemicelulosa
0 4 8 12 16 20 24
Efecto estandarizado
AB
C:Tiempo
AA
A:Tipo de solvente
BC
AC
B:Temperatura +-
So
lub
iliz
ació
n d
e x
ilo
sa
Solubilización de xilosa0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0100,0
Superficie de Respuesta EstimadaTiempo=60,0
11,2
1,41,6
1,82
Tipo de solvente130
150170
190210
Temperatura
0
20
40
60
80
88 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
En la deslignificación (tabla 4-14) se encontró que la temperatura y el efecto combinado
del tipo de solvente y la temperatura tuvieron un valor-P menor que 0,05, indicando que
son significativamente diferentes de cero con un nivel de confianza del 95%.
Tabla 4-14: Análisis de varianza para la deslignificación
Factor Suma de cuadrados Gl Cuadrado medio Razón-F Valor-P
A: Tipo de solvente 98,0 1 98,0 6,31 0,0659
B: Temperatura 4370,08 1 4370,08 281,44 0,0001
C: Tiempo 16,1936 1 16,1936 1,04 0,3649
AA 14,2604 1 14,2604 0,92 0,3922
AB 287,76 1 287,76 18,53 0,0126
AC 14,58 1 14,58 0,94 0,3874
BC 1,05613 1 1,05613 0,07 0,8071
Error total 62,1104 4 15,5276
Total (corr.) 4864,04 11
Gl: Grados de libertad
El estadístico R-cuadrado indica que el modelo, así ajustado, explica el 98,72% de la
variabilidad en la deslignificación, mientras que el estadístico R-cuadrado ajustado, que
es más adecuado para comparar modelos con diferente número de variables
independientes, es 96,49%.
En el diagrama de Pareto de la figura 4-19 se observa la significancia de la temperatura y
el efecto combinado del tipo de solvente y la temperatura en la deslignificación. La
temperatura tiene un efecto positivo, lo que indica que este factor produce un aumento en
la deslignificación, mientras que el efecto combinado del tipo de solvente y la temperatura
tiene un efecto negativo, señalando que la disminución de la combinación de dichos
factores aumenta la deslignificación. Por tanto, es importante evaluar la concentración de
los solventes en conjunto con la temperatura de reacción para incrementar la
deslignificación de la biomasa.
Capítulo 4 89
Figura 4-19: Diagrama de Pareto estandarizado para la deslignificación
La superficie de respuesta mostrada en la figura 4-20 indica la importancia de la
temperatura en la deslignificación de la biomasa. De igual manera se observa que la
mezcla etanol – agua, identificada con el número 1 en el eje x, mostró ser el mejor
sistema para la remoción de la lignina, deslignificando hasta un 90,70% de la lignina
inicial.
Figura 4-20: Superficie de respuesta para la deslignificación
En la obtención de 5-HMF y furfural, la temperatura mostró un efecto positivo, con un
valor-P de 0,0002 y 0,0007 respectivamente, evidenciando su significancia en la
Diagrama de Pareto Estandarizada para Deslignificación
0 3 6 9 12 15 18
Efecto estandarizado
BC
AA
AC
C:Tiempo
A:Tipo de solvente
AB
B:Temperatura +-
Superficie de Respuesta EstimadaTiempo=60,0
1 1,2 1,4 1,6 1,82
Tipo de solvente130
150170
190210
Temperatura
36
56
76
96
Desli
gn
ific
ació
n
Deslignificación36,042,048,054,060,066,072,078,084,090,096,0
90 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
producción de estos compuestos. El estadístico R-cuadrado indica que el modelo, así
ajustado, explica el 97,80% y 96,05% de la variabilidad en la obtención de 5-HMF y
furfural respectivamente.
Finalmente, se observa que la temperatura siempre tuvo un efecto positivo y un valor-P
menor que 0,05, por lo que se considera que este parámetro fue el más importante y
determinante en la recuperación de azúcares y deslignificación por medio del proceso
organosolv. Por su parte, el tiempo tuvo un valor-P mayor que 0,05, indicando que este
parámetro no fue significativo en el proceso organosolv.
5. Conclusiones y recomendaciones
5.1. Conclusiones
En la caracterización de la biomasa de tallos de rosas se encontró un mayor contenido
de lignina con respecto a la celulosa y hemicelulosa, lo cual es de esperar debido a que
la función de los tallos es dar resistencia y rigidez a las plantas y permitir el transporte de
agua y otras sustancias a las hojas, funciones que son otorgadas en gran parte por la
lignina.
La temperatura de reacción desempeñó un papel muy importante en la deslignificación
de la biomasa, ya que a 130 °C el mayor rendimiento de deslignificación fue del 45%,
mientras que a 200 °C fue del 91%. Se coincide con diferentes estudios que el aumento
de la temperatura promueve la ruptura de los enlaces α- y β- aril éter de la lignina, siendo
la ruptura de los enlaces β- aril éter el paso determinante en la deslignificación de la
biomasa. Los experimentos realizados a 200 °C también permitieron obtener una lignina
organosolv de alta pureza, cuyas características hacen que sea considerada como un
compuesto de alto valor agregado de interés para la industria.
La mezcla etanol – agua a una relación (1:1) también fue relevante en la deslignificación
de la biomasa, cuya concentración junto con la temperatura de reacción permitió remover
hasta un 91% de la lignina inicial. De igual manera, este sistema mostró un mayor
rendimiento en la recuperación de glucosa en la fracción sólida. Por su parte, la mezcla
glicerol – agua mostró ser más eficiente en la solubilización de la xilosa en la fracción
líquida.
Si bien el rendimiento de deslignificación de la biomasa de tallos de rosas a 200 °C fue
menor con las mezclas glicerol – agua y etanol – agua – glicerol, estas removieron más
del 65% de la lignina en la biomasa original.
92 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
La solubilización de la hemicelulosa, compuesta principalmente por xilosa, en el proceso
organosolv tuvo una relación directa con el incremento de la temperatura de reacción, en
donde a 200 °C se hidrolizó el 60% de la xilosa inicial mientras que a 130 °C se hidrolizó
el 21% de la xilosa inicial. El aumento de la temperatura promueve la generación de
iones hidronio, lo que resulta en la hidrólisis de los enlaces glicosídicos de la
hemicelulosa.
El porcentaje de solubilización de celulosa, compuesta principalmente por glucosa, fue
bajo, lo cual es de esperar debido a su estructura cristalina y a que se encuentra
protegida por los demás componentes de la biomasa, hemicelulosa, lignina y pectina. Sin
embargo, la recuperación de glucosa especialmente en los experimentos llevados a cabo
a 130 °C fue baja, lo que se debió posiblemente a que la celulosa no fue completamente
hidrolizada, generando celo-oligómeros que no fueron cuantificados o a una hidrólisis
incompleta de la fracción sólida, cuantificando parcialmente la glucosa.
El aumento de la temperatura y el tiempo de reacción a 200 °C y 90 min
respectivamente, condujeron a la deshidratación de glucosa y xilosa, obteniéndose los
mayores porcentajes de 5-HMF y furfural. La mezcla etanol – agua – glicerol (1:2:1)
también condujo a la mayor producción de estos compuestos.
5.2. Recomendaciones
Se recomienda cuantificar el contenido de oligómeros de glucosa y xilosa presentes en la
fracción líquida, con el fin de conocer el potencial de esta fracción en un proceso
posterior. La cuantificación de los oligosacáridos se realiza por medio de una hidrólisis
con ácido sulfúrico al 4% (p/p), posteriormente se ponen las muestras en autoclave a
121 °C durante una hora y por último se determina la concentración de monosacáridos
por medio de HPLC. Para realizar este procedimiento se sugiere seguir el protocolo
NREL/TP-510-42623.
Evaluar diferentes concentraciones de las mezclas solvente – agua utilizadas, con el fin
de optimizar la recuperación de azúcares y la deslignificación por medio del proceso
organosolv.
Conclusiones y recomendaciones 93
Realizar un estudio más detallado del proceso organosolv utilizando la mezcla etanol –
agua – glicerol para la obtención de compuestos plataforma como 5-HMF y furfural.
Si la finalidad de una investigación posterior es la producción de biocombustibles, se
recomienda evaluar una temperatura menor a 200 °C, ya que a esta temperatura se
obtienen productos de degradación de los azúcares, los cuales son inhibidores en el
proceso de hidrólisis enzimática.
De acuerdo con los resultados de este trabajo se recomienda ampliar una investigación
evaluando diferentes temperaturas 130 °C < T < 200 °C, con el fin de obtener mejores
rendimientos en la producción de azúcares simples como glucosa y xilosa, una alta
deslignificación y sin la presencia de 5-HMF y furfural. Si, por el contrario, se desea
obtener altos rendimientos en la producción de 5-HMF y furfural y una alta generación de
lignina organosolv se sugiere evaluar temperaturas entre 200 °C y 220 °C. Es importante
también tener en cuenta la concentración del solvente, así como la carga del catalizador.
94 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
A. Anexo A: Análisis último de la biomasa de tallos de rosas
96 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando el
proceso organosolv
B. Anexo B: Análisis de cromatografía en HPLC
En este anexo se presenta de forma detallada la técnica de HPLC utilizada para la
cuantificación de azúcares tanto en la materia prima sin tratar como en las fracciones
líquidas y en los hidrolizados de las fracciones sólidas del proceso organosolv. Para
estas fracciones resultantes también se cuantificaron los compuestos 5-HMF y furfural.
De igual manera, se muestran las curvas de calibración con las que se calcularon las
concentraciones de los azúcares, 5-HMF y furfural.
Determinación de la técnica de HPLC
Los patrones de glucosa, xilosa, 5-HMF y furfural a diferentes concentraciones, así como
algunas fracciones resultantes del proceso organosolv fueron corridas en el HPLC
Ultimate 3000, con el fin de validar la técnica y determinar los tiempos de retención.
Finalmente, la técnica de HPLC utilizada fue: H2SO4 0,005M como fase móvil a un flujo
de 0,5 mL/min. La temperatura del horno fue de 60 °C y la del índice de refracción de
40 °C. La fase móvil previamente fue filtrada y desgasificada. El tiempo de corrida fue de
55 min.
La columna utilizada fue una Shodex Sugar SH1821, la cual es diseñada para realizar
análisis simultáneo de sacáridos y ácidos orgánicos. Esta columna separa los azúcares
neutros en modo de exclusión de tamaño y los ácidos orgánicos en modo de exclusión
de iones.
Acondicionamiento del HPLC
Para acondicionar el HPLC lo primero que se realizó fue una purga a la bomba antes de
colocar la columna. Posteriormente, el flujo se fue aumentando de a 0,1 mL/min hasta
llegar a los 0,5 mL/min. Por su parte, la temperatura del horno también se aumentó de
forma gradual de a 10 °C hasta llegar a los 60 °C, esto con el fin de evitar cambios
bruscos de presión en la columna. Una vez se estabilizaron tanto el flujo como la
Anexo B. Análisis de Cromatografía en HPLC 97
temperatura del horno se hizo una purga del índice de refracción. Por último, se dejó fluir
la fase móvil hasta que la línea base en el monitor del índice de refracción se estabilizara.
Preparación de muestras
Para garantizar una correcta vida útil de la columna, las muestras se prepararon de la
siguiente manera. El primer paso fue neutralizar las muestras con carbonato de calcio
hasta alcanzar un pH de 5-6. Posteriormente, fueron centrifugadas y una alícuota de los
sobrenadantes fueron filtrados utilizando filtros de jeringa para HPLC de tamaño de poro
de 0,22 μm marca Whatman. Finalmente, las muestras filtradas fueron depositadas en
viales de vidrio color ámbar de 1,5 mL con tapa de rosca y septas.
Preparación de patrones
En el HPLC se corrieron patrones multi-componente que contenían glucosa, xilosa,
5-HMF y furfural con seis concentraciones diferentes. Primero se preparó una solución
madre con los patrones de glucosa y xilosa. Posteriormente en un balón aforado de
10 mL se adicionó la solución madre y los estándares de 5-HMF y furfural para lograr una
concentración máxima de 1g/L en cada uno de los patrones. Finalmente, se hicieron
cinco diluciones a concentraciones de 0,8 g/L, 0,6 g/L, 0,4 g/L, 0,2 g/L y 0,1 g/L. El agua
desionizada utilizada para diluir las soluciones fue previamente filtrada con un filtro de
jeringa con un tamaño de poro de 0,22 μm marca Whatman. En la tabla B-1 se presentan
los patrones utilizados, los cuales eran de grado analítico con una pureza ≥99% y sus
respectivos tiempos de retención obtenidos en la columna utilizada en el HPLC.
Tabla B-1: Patrones utilizados y tiempos de retención en HPLC
Patrón Marca Tiempo de retención (min)
D-(+)-Glucosa Sigma Aldrich 16,627
D-(+)-Xilosa Sigma Aldrich 17,054
5-(Hidroximetil)furfural Sigma Aldrich 33,472
Furfural Sigma Aldrich 48,698
98 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando
el proceso organosolv
Curvas de calibración
Las siguientes son las curvas de calibración realizadas en el HPLC, las cuales se
elaboraron con seis niveles de concentración.
Glucosa
Figura B-1: Curva de calibración de glucosa
Xilosa
Figura B-2: Curva de calibración de xilosa
y = 5,6025x + 0,095R² = 0,9989
0
1
2
3
4
5
6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Áre
a
Concentración (g/L)
y = 6,7144x - 0,0224R² = 0,9998
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Áre
a
Concentración (g/L)
Anexo B. Análisis de Cromatografía en HPLC 99
5-HMF
Figura B-3: Curva de calibración de 5-HMF
Furfural
Figura B-4: Curva de calibración de furfural
y = 6,0338x - 0,0081R² = 0,9999
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Áre
a
Concentración (g/L)
y = 7,6685x + 0,0062R² = 1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Áre
a
Concentración (g/L)
100 Aprovechamiento de biomasa lignocelulósica proveniente de rosas utilizando
el proceso organosolv
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