BIOCONVERSIÓN DE HEMICELULOSAQuímica Orgánica III

Alumna: Ana María MéndezDoctora: Betty Matsuhiro Y.

Universidad de Santiago de ChileFacultad de Química y Biología

Licenciatura en Química

En la actualidad, la biomasa lignocelulósica y en especial los subproductos agroindustriales han dejado de ser productos de desecho-problema, para convertirse en materia prima potencial para diversos procesos tanto de tipo agrícola como industrial, siendo la producción de alcohol uno de los mas importantes. Sin embargo, han sido y son muchos los limitantes que se han presentado en torno a la obtención de etanol a partir de este tipo de materiales, debido a su estructura lignocelulosa de compleja degradación. Por ello, han surgido diversidad de trabajos e investigaciones, que abarcan distintas problemáticas y proponen alternativas de solución y aportes enormes que poco a poco han abierto el camino hacia la explotación de la biomasa lignocelulósica para este fin. El presente seminario, muestra el potencial uso para biocombustibles (etanol), describiendo las características de las materias primas en cuestión, su estructura, las etapas (pre-tratamiento, hidrolisis, detoxificación y fermentación), al igual que los avances microbiológicos que han logrado para la incursión de los mismos en algunas de las etapas del proceso.

Resumen

IntroducciónEn la actualidad la generación de alternativas energéticas distintas a las ya convencionales obtenidas principalmente de la explotación del petróleo, ha con llevado al uso de materias primas naturales dando lugar a los llamados biocombustibles dentro de los cuales destaca el bioetanol. Ello ha surgido a raíz de la necesidad de proteger el medio ambiente, preservar los recursos tanto renovables como no renovables y maximizar el potencial uso de productos agrícolas, y en especial de los subproductos que estos generan al someterlos a distintos procesos agroindustriales, cuya disposición final es un gran problema ambiental. De estos subproductos o residuos en su mayoría corresponden a biomasa lignocelulósica rica en polímeros de celulosa y hemicelulosa entre 75-80%, los cuales pese a su dificultosa degradación, es posible mediante procesos químicos, físicos y/o biológicos desdoblarlos a azucares monosacáridos para su posterior conversión a etanol. Entre sus aplicaciones esta la deslignificación de la pulpa de la madera para hacer el papel, aclaración de jugos y la mejora de la consistencia de la cerveza.

IntroducciónDonde las enzimas que se degeneran o ayudan a degenerar la hemicelulosa actúan como blanqueador en la industria del papel, lo que hace más pequeño el consumo de cloro ambientalmente poco amistoso. Por ejemplo la Xilanasa libre de celulosa puede facilitar la remoción de lignina de pulpa de madera sin cualquier efecto dañino. En esta presentación se realizará una revisión de la bioconversión de hemicelulosa, siendo los Xilanos los más abundantes, peor en particular los arabinoxilanos que se presentan en diversos residuos agrícolas como la cascarilla del arroz, el bagazo de la caña de azúcar, rastrojo de la paja, trigo y fibra de maíz en otros para la conversión en etanol, xilitol y 2,3-butanodiol.

Compuestos principalmente de tres tipos diferentes de polímeros, celulosa, hemicelulosa y lignina, envueltos en una compleja estructura.Este tipo de materiales son los mas abundantes en la naturaleza.

Caracterización de Subproductos de Biomasa Lignocelulósica

LA CELULOSA Está formada por subunidades de D-Glucosa, unidades por β-1,4 glicosídicos, siendo un polisacárido homogéneo de gran importancia en la fermentación. Es la base estructural en las plantas ya que forma parte de los tejidos de sostén, siendo insoluble en agua, y originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. Por ejemplo la pared de una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa; la madera un 50 %, mientras que el ejemplo más puro de celulosa es el algodón con un porcentaje mayor al 90%.Siendo la celulosa la biomolécula orgánica más abundante ya que forma la mayor parte de la biomasa terrestre.

Caracterización de Subproductos de Biomasa Lignocelulósica

LA LIGNINA es un heteropolímero amorfo que no es soluble en agua, lo que hace que su degradación sea muy complicada. La lignina realiza múltiples funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, posee un importante papel en el transporte interno de agua y nutriente. Proporciona rigidez a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera, creando un material que es notablemente resistente a los impactos, compresiones y flexiones. Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared celular.

Qué es la Hemicelulosa?• Las hemicelulosas son polímeros

heterogéneos de pentosas (xilosa, arabinosa), hexosas (la manosa, la glucosa, la galactosa), y ácidos de azúcar. A diferencia de la celulosa, las hemicelulosas no son químicamente homogéneas. Las hemicelulosas de la madera dura contienen en su mayor parte a xilanos, mientras que las hemicelulosas de la madera blanda contienen en su mayor parte a glucomananos. En donde los Xilanos pueden ser categorizados como lineal como el homoxilano, también esta el arabinoxilano, glucuronoxilano y glucuronoarabinoxilano.

Por ejemplo Xilanos dependiendo de la fuente tales como hierbas, cereales y maderas, ya sea dura o blanda digieren en su composición. En la madera abedul de xilano y xilosa contiene un 89,3%, el 1% de arabinosa, 1,4% de Glucosa y 8,3% de acido anhidrourónico.

En la madera del pino insigne, las hemicelulosas, que forman parte de la matriz, junto a la lignina, donde reside la celulosa, representan entre un 27 y un 29% de la misma, mientras que en la corteza solo alcanzan un 15%. Las proporciones de esta molécula varían dependiendo de la edad y variabilidad de las especies cultivadas y mejoradas.

Estructura Las hemicelulosas son polímeros heterogéneos s de baja masa molecular, asociados a las celulosas en el tejido vegetal, por lo que muchos de ellos son componentes estructurales de la pared celular.

Existen hemicelulosas en las plantas que no forman parte de la pared celular, por lo tanto no son componentes estructurales siendo solubles en agua y muchas de ellas no se conoce su función definida en el árbol.

El Xilema del salvado de arroz contiene un 46% de Xilosa, 44,9% de arabinosa, 6,1% de galactosa, 1,9% de Glucosa y 1,1% de ác. anhidrourónico. El arabinoxilano de trigo contiene 65,8% de Xilosa, 33,5% de arabinosa, manosa 0,1%, Galactosa 0,1% y 0,3% de Glucosa. Alrededor del 80% de la cadena principal de Xilano, es altamente sustituido por cadenas laterales monoméricas de arabinosa o ác. Glucurónico ligados a restos de Xilosa. En la madera blanda están los heteroxilanos, y residuos de arabinofuranosil esterificados con ácidos p-cumáricos y ác. ferúlicos. Y en madera dura, el 60-70% de los residuos de Xilosa son acetilados, siendo el grado de polimerización de maderas duras de xilanos mayor que en maderas blandas.

Estructura

Estructura esquemática de heteroxilano de fibra de maíz.

Modelo para las paredes celulares de fibra de maíz.

Composición de biomasa lignocelulósica agrícola

Pretratamiento de la Hemicelulosa

Esta etapa es indispensable para el procesamiento de biomasa lignocelulósica. Incluye diversos residuos agrícolas (paja, cáscaras, tallos, etc.), residuos de la industria de papel, variando la composición de estos materiales. El componente principal es la celulosa (35-50%), seguido de hemicelulosa (20-35%) y lignina (10-25%). La biomasa lignocelulósica complementa la hidrólisis enzimática y posibilita la obtención de altos rendimientos. Se hace necesario principalmente porque la lignina en las paredes celulares de la planta forma unas barreras contra el ataque enzimático. Un pretratamiento ideal reduce el contenido de lignina y disminuye la cristalinidad de la celulosa

Pretratamiento Mecánico

Trituración mecánica: Molienda para reducción de partícula del tamaño de malla inferior a 40, tiene un efecto mínimo en los rendimientos de la hidrolisis, así como la tasa de hidrolisis de la biomasa.

Ultrasonido: Es una técnica empleada para extraer lignina y hemicelulosa, se emplea este método a 25°C y diferentes periodos de tiempo entre 10 a 60 min., encontrando que el mejor tiempo de residencia fue de 30 min.; sin embargo, su efecto sobre la biomasa es muy superficial comparado con métodos como el pretratamiento con H2O2.

Pretratamiento Térmicos

En este tipo de pretratamiento la materia prima es calentada en un rango de 150 a 180.C, donde la hemicelulosa y seguida a ella la lignina son solubilizadas. Temperaturas superiores a 180 .C solubiliza la hemicelulosa. Durante los procesos térmicos una parte de la hemicelulosa es hidrolizada y forma ácidos, estos son asumidos como catalizadores para hidrolizar la hemicelulosa.

Explosión por vapor: La materia prima se somete a temperaturas entre 160-260.C, mediante la inyección directa de vapor saturado, por un intervalo de tiempo entre 1 y 10 minutos. Seguidamente se lleva el producto a una rápida descompresión hasta presión atmosférica. Como resultado se obtiene biomasa con alteraciones físicas (desagregación y ruptura de las fibras), y químicas (despolimerización y rotura de enlaces) y una celulosa mas accesible a la hidrolisis enzimática. Las variables a controlar en este tipo de procedimiento son la temperatura, el tiempo de residencia, el tamaño de partícula, y la humedad.

Pretratamiento Térmicos

Agua liquida a alta temperatura (LHW): En este proceso se somete la biomasa al efecto de agua caliente a una temperatura entre 170 – 230°C por un tiempo de 46 min. El objetivo de este pretratamiento es solubilizar principalmente la hemicelulosa de la celulosa para hacerla mas accesible y evitar la formación de inhibidores. Para evitar la formación de inhibidores, el pH debe mantenerse entre el 4 y 7 durante el pretratamiento. Mantener el pH entre 4 y 7 minimiza la formación de monosacáridos y, por lo tanto, también la formación de productos degradación que puede seguir catalizando la hidrolisis del material celulósico durante el pretratamiento.

Pretratamiento Físico-Químicos

Proceso de explosión de fibra con amoniaco (AFEX): El pretratamiento con amoniaco se realiza con cargas de amoniaco en torno a 1:1 (amoniaco kg/kg peso biomasa seca) a temperaturas que van desde la temperatura ambiente con una duración de 10 a 60 días, a temperaturas de hasta 120 .C, con una duración de varios minutos. También se da un aumento de seis veces la hidrolisis enzimática y un rendimiento de 2,5 veces el rendimiento a etanoldespués de este pretratamiento.

Explosión con CO2: Se lleva a cabo con alta presión y altas temperaturas dehasta 200 .C, con una duración de varios minutos. Este pretratamiento producelíquidos que pueden ser ácidos, estos ácidos hidrolizan especialmente la hemicelulosa.

Pretratamiento Químicos

Hidrolisis acida: Es un proceso químico que emplea catalizadores ácidos paratransformar las cadenas de polisacáridos que forman la biomasa (hemicelulosa y celulosa) en sus monómeros elementales. Este tipo de hidrolisis utiliza diferentes clases de ácidos: sulfuroso, clorhídrico, sulfúrico, fosfórico, nítrico y fórmico. Siendo solamente usados a nivel industrial los ácidos clorhídrico y sulfúrico. Los métodos industriales de hidrolisis acida se agrupan en dos tipos: los que emplean ácidos concentrados (10-30%), trabajan a bajas temperaturas (170-190.C) y mayor tiempo de residencia; y los que utilizan ácidos diluidos (1-5%), a temperaturas mas altas (160-240.C), y tiempo de reacción de 6-12 segundos.. La hemicelulosa puede ser sometida a reacciones hidroliticas produciendo monómeros, como furfural, HMF y otros productos. Durante el pretratamiento ácido la lignina es rápidamente condensada y precipitada en ambientes ácidos.

Pretratamiento Químicos

Oxidación húmeda: Un pretratamiento oxidativo consiste en la adición de uncompuesto oxidante, como el peróxido de hidrogeno o acido peracetico a labiomasa, que esta sumergida en el agua. Durante el pretratamiento oxidativopuede tener lugar reacciones como sustitución electrofilica, el desplazamientode cadenas laterales, rompimientos de vínculos de alquil, aril, eter o de nucleosaromáticos.

Hidrolisis con álcalis: Se lleva a cabo con NaOH diluido donde se sumerge elmaterial lignocelulósico, a 60.C por 24 horas, produciendo un hinchamiento dela biomasa, teniendo lugar reacciones como solvatación y saponificación. Estoprovoca un estado de inflamación de la biomasa, lo que la hace mas accesiblepara enzimas y bacterias. Disoluciones de álcalis fuertes dan lugar a hidrolisisalcalina, degradación y descomposición de polisacáridos y rompimiento de radicales finales. La perdida de polisacáridos es causada principalmente por el rompimiento de radicales finales y reacciones hidroliticas.

Pretratamiento Químicos

Tratamiento con solventes orgánicos: En el proceso, un compuesto orgánico oacuoso se mezcla con un acido inorgánico (HCl o H2SO4), este se utiliza pararomper el interior de la lignina y puentes de hemicelulosa. Se emplean disolventes orgánicos como metanol, etanol, acetona, etilenglicol, trietilenglicol y alcohol tetrahidrofurfurilico. Ácidos orgánicos como oxálico, acetilsalicilico ysalicilico también puede ser utilizados como catalizadores en el proceso. A temperaturas altas (por encima de 185 °C), el uso de catalizadores es innecesario para la deslignificación.

Denominado así porque su aplicación busca eliminar todas aquellas substancias que pudieron formarse durante el sometimiento de la materia prima al pre-tratamiento y la hidrolisis enzimática, y que resultan toxicas e inhibitorias en la fermentación. Dichas substancias suelen formarse debido a las altas temperaturas y condiciones acidas en las que se desarrollan las anteriores etapas. De igual manera, busca evitar la formación de otras substancias durante el proceso de fermentación que afecte laproducción de etanol.

Detoxificación

Existen distintas clasificaciones que agrupan este tipo de sustancias inhibidoras, los principales tres grupos: derivados del furano (generados a partir de la hidrolisis de hemicelulosa), ácidos alifáticos de bajo peso molecular (degradación de furanos) y derivados fenólicos (provenientes de la degradaciónde la lignina). Cualquiera de estas clasificaciones es valida, ya que reúnentodos los compuestos tóxicos conocidos en este tipo de proceso.

De todos estos los mas reconocidos son el furfural formado a partir de la degradación de las pentosas (xilosa y arabinosa) y el hidroximetil furfural (HMF), formado como consecuencia de la degradación de las hexosas (glucosa, manosa y galactosa).

Inhibidores

Hidrólisis enzimática

Proceso catalizado por enzimas denominadas celulasas, cuyo propósito es la degradación de la celulosa (los autores). El uso del pre-tratamiento como se explicaba anteriormente, facilita el desarrollo de esta etapa. Cabe destacar que en la mayoría de procesos existe un primordial interés por los azucares provenientes de la celulosa, sin embargo, la tendencia actual es el aprovechamiento integral de la biomasa, y en especial de otros azucares como las pentosas, provenientes de la hemicelulosa, conllevando al uso de enzimas que actúen sobre dichas substancias como es el caso de las xilanasas y las xilasas.

Para el caso de la hemicelulosa esta corresponde a un heteropolisacárido, ya quesus ramificaciones están compuestas por mas de un tipo de monómero o polisacáridos como es el caso de la xilosa (principal constituyente), arabinosa, galactosa, manosa, glucosa y acido glucorónico, a su vez unidos por un solo tipo de monosacáridos unidos por enlaces β (1-4), que forman cadena lineal ramificada. Entre los cuales destacan la glucosa, la galactosa o la fructosa (dependiendo del tipo de material a emplear. Por ello, con el fin de aprovechar la fracción de hemicelulosa se suelen emplear enzimas tales como xilasas, xilanasas,α-l –arabinofuranosidasa, β-xylosidasa, entre otras.

• La biodegradación total del xilano requiere endo-β-1,4-xilanasa, β-xilosidasa y varias enzimas accesorias, que son necesarias para la hidrólisis de diversos xilanos sustituidos.

• Las cadenas laterales debe escindirse antes de la cadena principal de xilano y así pueden ser completamente hidrolizado.

• Aunque la estructura de xilano es más compleja que la celulosa y requiere varias enzimas diferentes con especificidades diferentes para la hidrólisis completa, el polisacárido no forma estrechamente empaquetados estructuras cristalinas como la celulosa y es por lo tanto más accesible a la hidrólisis enzimática.

• El procedimiento que arroja mejores resultados en la sacarificación enzimática de la hemicelulosa implica el pretratamiento de fibra de maíz (15% de sólidos, w / v) con ácido diluido (0,5% H2S04, v / v) a 121 cc por 1 h, la neutralización a pH 5,0, a continuación, sacarificación del material de fibra de maíz pretratado con celulasa comercial y preparaciones β-glucosidasa.Este procedimiento no generó inhibidores tales como furfural y HME. Por lo tanto, un tratamiento previo con ácido diluido a una temperatura relativamente baja para minimizar la formación de compuestos inhibidores, seguido por sacarificación enzimática de la porción celulósica, es un excelente proceso viable para la generación fermentable azúcares de la fibra de maíz.

La producción de etanol combustible a partir de la hemicelulosa hidrolizado

La utilización de los azúcares de hemicelulosa es esencial para la conversión eficiente y rentable de material lignocelulósico en combustible etanol. En el año 2002. Más de 2 mil millones de galones de etanol se produjeron, principalmente, por la fermentación de maíz almidón. La demanda de etanol combustible se espera que aumente muy fuertemente como una alternativa más segura al metil terciario butil éter (MTBE), el aditivo más común a gasolina utilizada para proporcionar una combustión más limpia, ya que el MTBE se ha encontrado que contamina las aguas subterránea. Varios residuos lignocelulósicos y subproductos agrícolas pueden servir como materia prima de bajo costo para producción de etanol combustible.

La producción de etanol combustible a partir de la hemicelulosa hidrolizado

La mezcla de azúcar puede contener cualquier combinación de xilosa, arabinosa, glucosa, galactosa, manosa, fucosa y la ramnosa dependiendo de la fuente.

Las levaduras Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida y shehate tienen la capacidad para fermentar la xilosa a etanol.

Sin embargo. xilosa puede convertirse en xilulosa utilizando la enzima xilosa isomerasa y levaduras tradicionales puede fermentar xilulosa al etanol, aunque el proceso no es rentable.

Algunas bacterias. como la Escherichia coli. Klebsiella. Envinia. Lactobacillus. Bacillus. y clostridios. puede utilizar azúcares variadas, pero solo producen una limitada cantidad de, etanol. Estas bacterias generalmente producen ácidos mixtos (acetato, lactato, succinato de propionato, etc)

El xilitol. Un azúcar de cinco carbonos alcohol. Ha atraído mucho atención debido a su potencial uso como un alimento natural edulcorante. Un reductor de caries dental. Y un sustituto de azúcar para los diabéticos. En la actualidad se produce por reducción químicaen condiciones alcalinas de la xilosa derivado principalmente de hidrolizado de madera

La mayor parte de xilitol producida se consume en diversos productos alimentarios, tales como goma de mascar, caramelos, refrescos y helados, ya que da una agradable sensación de frescura.

Algunas levaduras conocidas para producir xilitol son: Candida boidini, Guillermondii Candida, Candida tropicalis, Candida parapsilosis, y Debaryomyces hansenii.

La producción de xilitol a partir de la hemicelulosa hidrolizado

Para obtener mayor la productividad de xilitol, hidrolizados tratados se concentró por evaporación a vacío en un rotavapor para proporcionar mayor concentración de xilosa inicial. La tasa de xilitol aumento de la producción al aumentar la concentración inicial de xilosa

Mayerhoff evaluaron 30 cepas diferentes de levadura que pertenecen a cuatro géneros diferentes (Candida, Debaryolllyces, Hansenula y Pichia) para la producción de xilitol a partir de la paja de arroz. El mejor desempeño fue Candida mogii.

La producción de xilitol a partir de la hemicelulosa hidrolizado

2,3-butanodiol. También conocido como 2,3-butileno glicol (2,3-BD) es un material de alimentación químico valioso debido a su aplicación como un disolvente de combustible, líquido, y como un precursor de muchos polímeros sintéticos y resinas También tiene uso como un aditivo de combustible líquido. La deshidratación de los 2,3-BD produce el disolvente industrial como la metil etil cetona, que es mucho más adecuado como un combustible debido a su punto de ebullición bajo. Otro producto de la deshidratación es el 1,3- butanedieno, que es el material de partida para la síntesis caucho.

Durante la Segunda Guerra Mundial, fue necesario para la conversión de 1,3-butanedieno. Metil etil cetona puede ser hidrogenado para producir isómeros alto octanaje adecuado de alta calidad de los combustibles de aviación.

El alto punto de ebullición de 2,3-BD, su alta afinidad por el agua, y las sustancias disueltas y sólidas de la fermentación hacen difícil del 2,3-BD estar purificado.

producción de 2,3-butanodiol a partir de hidrolizado de hemicelulosa

Importancia Industrial de la Hemicelulosa

La conversión de la hemicelulosa en el valor agregado útil de productos por las rutas enzimáticas y / o de fermentación tiene fuerte promesa para el uso de una variedad de residuos agrícolas para fines prácticos. Algunos de los emergentes métodos de pretratamiento, tales como peróxido alcalino y AFEX con enzimas u otros medios con el fin de producir azúcares fermentables.  Con el desarrollo de un adecuado método de tratamiento previo, minimizando la formación de compuestos inhibidores de microorganismos fermentativos y con la combinación adecuada de enzimas.

Muchas investigaciones se deben hacer para desarrollar un pretratamiento eficiente y rentable, para la conversión de hemicelulosa a escala industrial, de una manera competitiva en costos.

Observaciones finales