Chen, R., Zhu, S., Chen, C., Cheng, B., Chen, J., y Wu, Y. (2014). «Reactivación del proceso de hidrólisis ácida de material lignocelulósico en biorrefinería», BioRes. 9(2), 1824-1827.
Abstract
La hidrólisis ácida del material lignocelulósico (LM) es uno de los subprocesos más ampliamente estudiados e importantes en la biorrefinería de LM. Después de la hidrólisis ácida, la LM puede convertirse en varios biocombustibles, bioquímicos y biomateriales a través de métodos químicos o bioquímicos. Sin embargo, la hidrólisis ácida convencional de la LM no se considera un proceso rentable y respetuoso con el medio ambiente porque presenta inconvenientes como las dificultades en la recuperación del ácido, la corrosión del equipo y los residuos químicos derivados de la neutralización del ácido y la eliminación de los productos de degradación de la LM. El uso de líquidos iónicos y ácidos sólidos durante la hidrólisis de LM ha proporcionado posibles herramientas técnicas para superar estos problemas y ha dado nueva vida al proceso de hidrólisis ácida de LM en la biorrefinería. Este editorial discutirá el papel del proceso de hidrólisis ácida LM en la biorrefinería LM, proporcionará un análisis del proceso de hidrólisis ácida LM convencional, y discutirá brevemente los nuevos desarrollos en el proceso de ácido LM.
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Reviviendo el proceso de hidrólisis ácida de material lignocelulósico en la biorrefinería
Rui Chen,a Shengdong Zhu,b,* Cunwu Chen,a Bo Cheng,b Jie Chen,b y Yuanxin Wu b
La hidrólisis ácida del material lignocelulósico (LM) es uno de los subprocesos más ampliamente estudiados e importantes en la biorrefinería de LM. Después de la hidrólisis ácida, la LM puede convertirse en varios biocombustibles, bioquímicos y biomateriales a través de métodos químicos o bioquímicos. Sin embargo, la hidrólisis ácida convencional de la LM no se considera un proceso rentable y respetuoso con el medio ambiente porque presenta inconvenientes como las dificultades en la recuperación del ácido, la corrosión del equipo y los residuos químicos derivados de la neutralización del ácido y la eliminación de los productos de degradación de la LM. El uso de líquidos iónicos y ácidos sólidos durante la hidrólisis de LM ha proporcionado posibles herramientas técnicas para superar estos problemas y ha dado nueva vida al proceso de hidrólisis ácida de LM en la biorrefinería. Este editorial discutirá el papel del proceso de hidrólisis ácida de LM en la biorrefinería de LM, proporcionará un análisis del proceso convencional de hidrólisis ácida de LM, y discutirá brevemente los nuevos desarrollos en el proceso de ácido de LM.
Palabras clave: Proceso de hidrólisis ácida; Material lignocelulósico; Biorrefinería
Información de contacto: a: College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, West Anhui University, Lu’an 237012, PR China; b: Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education, Hubei Key Laboratory of Novel Chemical Reactor and Green Chemical Technology, School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, PR China;
* Corresponding author: [email protected]
Función del proceso de hidrólisis ácida de la LM en la biorrefinería
Las crecientes demandas de energía y las preocupaciones medioambientales, junto con la disminución de las reservas de combustibles fósiles, han hecho que se trabaje cada vez más en el desarrollo de una tecnología de plataforma de biorrefinería conveniente y eficiente para convertir el material lignocelulósico (LM) en biocombustibles, productos químicos valiosos y biomateriales (Cheng y Zhu 2009). El material lignocelulósico es una mezcla compleja de celulosa, hemicelulosa y lignina que está estrechamente unida por interacciones físicas y químicas. El proceso de hidrólisis ácida de la LM puede descomponer eficazmente su compleja estructura, fraccionar sus componentes y convertir su celulosa y hemicelulosa en monoazúcares (hexosas y pentosas), que pueden convertirse en diversos biocombustibles y productos bioquímicos mediante métodos bioquímicos y químicos. El proceso de hidrólisis ácida de la LM puede ser un punto de entrada en un esquema de biorrefinería de la LM (Rinaldi y Schuth 2009). Después de la hidrólisis ácida de la LM, los monoazúcares obtenidos como fuente de carbono pueden ser fermentados a muchos productos, incluyendo etanol, butanol, ácidos orgánicos y disolventes (Fig. 1). También pueden transformarse químicamente en importantes compuestos de plataforma de biorrefinería, como la xilosa, el furfural, el 5-hidroximetil furfural y el ácido levulínico, que pueden convertirse en una serie de biocombustibles, productos químicos valiosos y biomateriales. La lignina obtenida puede utilizarse como aditivo para el cemento, incinerarse como combustible para la electricidad o transformarse en productos químicos finos, por ejemplo, aglutinantes naturales y adhesivos.
Fig. 1. Esquema de biorrefinería de LM basado en el proceso de hidrólisis ácida de LM
Análisis del proceso convencional de hidrólisis ácida de LM
La hidrólisis ácida de LM para la producción de etanol y productos químicos tiene una historia de casi 100 años (Taherdazeh y Karimi 2007). La hidrólisis ácida convencional de la LM incluye dos tipos de procesos: el proceso de hidrólisis ácida diluida y el proceso de hidrólisis ácida concentrada. El proceso de hidrólisis ácida diluida suele funcionar a alta temperatura y presión. El proceso Scholler es un proceso típico de hidrólisis ácida diluida. En este proceso se utiliza un 0,5% de ácido sulfúrico y se opera a 170 oC bajo 20 bares durante aproximadamente 45 minutos. El rendimiento de los monoazúcares en el hidrolizado es sólo de aproximadamente el 50% porque se forma una gran cantidad de subproductos. Con el fin de mejorar este proceso, se han realizado algunos esfuerzos para aumentar el rendimiento de los monoazúcares en el hidrolizado y su productividad. Por ejemplo, se ha desarrollado el sistema de hidrólisis en dos etapas y la operación de hidrólisis continua. A pesar de estos avances, el proceso de hidrólisis ácida diluida sigue presentando deficiencias, como la fuerte corrosión de los equipos, las duras condiciones de funcionamiento y el bajo rendimiento de los monoazúcares en el hidrolizado. El proceso de hidrólisis ácida concentrada suele funcionar a temperatura ambiente con ácido mineral concentrado. El proceso Bergius es un proceso típico de hidrólisis concentrada. El proceso de hidrólisis concentrada siempre tiene un alto rendimiento de monoazúcares en el hidrolizado. Su principal problema es la fuerte corrosión del equipo y la inadecuada recuperación del ácido. Aunque se han tomado algunas medidas para resolver estos problemas, por ejemplo utilizando HCl gaseoso o HF anhidro para facilitar la recuperación del ácido, estos problemas siguen existiendo. Además, es necesario neutralizar y desintoxicar el hidrolizado antes de utilizarlo para producir etanol, tanto si procede del proceso de hidrólisis ácida diluida como del proceso de hidrólisis ácida concentrada. Esto aumentará su coste de proceso y causará algunos problemas medioambientales. Basándose en este análisis, está claro que el proceso convencional de hidrólisis ácida de LM, ya sea el proceso de hidrólisis ácida diluida o el proceso de hidrólisis ácida concentrada, tiene sus propios inconvenientes para convertirse en un proceso rentable y respetuoso con el medio ambiente en la biorrefinería de LM.
Nuevos desarrollos en el proceso de hidrólisis ácida de LM
Para superar las deficiencias del proceso convencional de hidrólisis de LM, se han adoptado algunas nuevas tecnologías. Entre ellas, el uso de líquidos iónicos y ácidos sólidos es el más prometedor (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012; Li et al. 2008; Wang et al. 2011). Los líquidos iónicos son un grupo de sales orgánicas recientemente investigadas que existen como líquidos a temperaturas relativamente bajas (<100 oC). Debido a su presión de vapor no detectable y a su gran estabilidad química y térmica, se les suele llamar «disolventes verdes». Una serie de estudios ha demostrado que la LM o algunos de sus componentes pueden disolverse en líquidos iónicos hidrofílicos a base de imidazolio, como el cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio, el cloruro de 1-alil-3-metilimidazolio, el cloruro de 1-bencil-3-metilimidazolio y el acetato de 1-etil-3-metilimidazolio (Zhu et al. 2006). Cuando la LM puede disolverse completamente en líquidos iónicos, el proceso de hidrólisis ácida de la LM en líquidos iónicos es una reacción homogénea. En comparación con el proceso de hidrólisis ácida diluida convencional, la hidrólisis ácida de LM en líquidos iónicos puede llevarse a cabo en condiciones suaves. En comparación con el proceso convencional de hidrólisis ácida concentrada, la hidrólisis ácida de LM en líquidos iónicos sólo necesita una cantidad mínima de ácido. Esto puede reducir en gran medida la corrosión del equipo y el coste del proceso. También es un proceso más respetuoso con el medio ambiente. Cuando la LM sólo puede disolverse parcialmente en líquidos iónicos, el proceso de hidrólisis ácida de la LM en líquidos iónicos sigue siendo una reacción heterogénea. Sin embargo, algunos componentes de la LM disueltos en los líquidos iónicos cambian su estructura, lo que conduce a un proceso de hidrólisis ácida de la LM relativamente más rápido (Tadesse y Luque 2011). Por lo tanto, el uso de líquidos iónicos proporciona nuevas oportunidades para mejorar el proceso de hidrólisis de LM convencional.
Además de los líquidos iónicos, el uso de ácidos sólidos es otra opción para mejorar el proceso de hidrólisis ácida de LM convencional. En comparación con los ácidos minerales utilizados en el proceso de hidrólisis ácida LM convencional, los ácidos sólidos se recuperan fácilmente del hidrolizado y también son menos corrosivos para el equipo; por tanto, reducen el coste del proceso y son más respetuosos con el medio ambiente. Los ácidos sólidos comúnmente utilizados en el proceso de hidrólisis LM pueden agruparse en cinco tipos: Zeolitas de forma H, óxidos de metales de transición, resinas de intercambio catiónico, ácidos sólidos soportados y compuestos heteropolares. Entre ellos, el ácido sólido carbonoso se considera uno de los más prometedores porque proporciona un buen acceso de la LM a los sitios ácidos de los grupos SO3H, lo que hace que tenga una alta actividad y selectividad. En los últimos años, los estudios de investigación han demostrado que las nuevas tecnologías, como las microondas, la ultrasonificación y la nanotecnología, pueden mejorar en gran medida la actividad y la selectividad durante la hidrólisis ácida sólida de la LM (Guo et al. 2012; Jiang et al. 2012). Aunque el uso de líquidos iónicos y ácidos sólidos presenta estas ventajas, todavía hay grandes retos en cuanto a su uso a escala industrial. En el caso de la tecnología de líquidos iónicos, se necesita más investigación para entender el mecanismo de hidrólisis de los ácidos LM en los líquidos iónicos, y para entender cómo reducir su coste de síntesis, para aumentar la eficiencia de la separación de los líquidos iónicos con los monoazúcares en el hidrolizado, y cómo reciclar los líquidos iónicos. En cuanto a la tecnología de los ácidos sólidos, hay que seguir trabajando en el diseño de ácidos sólidos que tengan una alta actividad, estabilidad y selectividad. Sobre la base de los recientes avances en este campo, es razonable esperar que en un futuro próximo se establezca un proceso de hidrólisis ácida LM industrial eficiente y económicamente viable en la biorrefinería.
RECIBIMIENTO
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China No.21176196, Lu’an City Orientation Commissioned the West Anhui University Project No.201310376001, y West Anhui University Outstanding Young Talent Foundation WXYQ1306.
REFERENCIAS CITADAS
Cheng, S., y Zhu, S. (2009). «Lignocellulosic feedstock biorefinery – the future of the chemical and energy industry», BioResources 4(2), 456-457.
Guo, F., Fang, Z., Xu, C. C., Smith Jr, R. L. (2012). «Solid acid mediated hydrolysis of biomass for producing biofuels», Prog. Energy Combust. Sci. 38(5), 672-690.
Jiang, Y., Li, X., Wang, X., Meng, L., Wang, H., Peng, G., Wang, X., y Mu, X. (2012). «Sacarificación efectiva de la biomasa lignocelulósica sobre el ácido sólido derivado de la hidrólisis bajo irradiación de microondas», Green Chem. 14, 2162-2167.
Li, C., Wang Q., y Zhao Z. (2008). «Ácido en líquido iónico: An efficient system for hydrolysis of lignocellulose», Green Chem. 10(2), 177-182.
Rinaldi, R., y Schuth, F. (2009). «Acid hydrolysis of cellulose as entry point into biorefinery schemes,» ChemSusChem. 2, 1096-1107.
Tadesse, H., y Luque, R. (2011). «Advances on biomass pretreatment using ionic liquid: an overview», Energy Environ. Sci. 4, 3913-3929.
Taherdazeh, M. J., y Karimi, K. (2007). «Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review», BioResources 2(3), 472-499.