Esquemas de biorrefinería propuestos para el aprovechamiento del bagazo de

En base a los resultados obtenidos de la Parte I, se seleccionó el esquema para producir xilitol debido a la potencialidad su mercado y su alto valor agregado (su valor comercial es el más elevado de los productos seleccionados a partir de xilosa). Los resultados

57 obtenidos a partir de los esquemas propuestos en el apartado 3.2 se muestran en el apartado 4.1.

Tabla 3.3. Condiciones operacionales de los diferentes escenarios y los factores de escala

de los mismos.

Etapa Condiciones de proceso Factor de escala

Producción de xilitol

Autohidrólisis 162 °C; 2 h; RLS: 7:1 [179], [203] 0,6-0,78 [108], [167] Evaporación Hasta alcanzar 100 g/L de xilanos [179] 0,5-0,7 [108], [204] Poshidrólisis 120 °C; 1 h; 3 % H2SO4 [68] 0,6-0,78 [108], [167]

Adsorción Carbón activado (34 g/L) y resinas de

intercambio [179] 0,7 [14]

Fermentación 35 °C; pH 5–7; 40 h [195] 0,6-0,8 [108], [167] Adsorción Carbón activado (20 g/L) [197] 0,7 [14] Evaporación Hasta alcanzar 400 g/L de xilitol [179] 0,5-0,7 [108], [204] Cristalización Desde −20 °C a 8 °C en 4 ciclos [197] 0,37 [108]

Jarabe de xilosa

Autohidrólisis 162 °C; 2 h; RLS: 7:1 [179], [203] 0,6-0,78 [108], [167] Poshidrólisis 120 °C; 1 h; 3 % H2SO4 [68] 0,6-0,78 [108], [167]

Adsorción Carbón activado (34 g/L) y resinas de

intercambio [179] 0,7 [14]

Evaporación Hasta alcanzar 381 g/L de jarabe de xilosa. 0,5-0,7 [108], [204]

Furfural

Autohidrólisis 162 °C; 2 h; RLS: 7:1 [179], [203] 0,6-0,78 [108], [167] Deshidratación 170 °C, 4 % de H2SO4 y rendimiento de 75 %

[192] 0,6-0,78 [108], [167]

Destilación 98 °C; furfural con un 99 % de pureza.[192] 0,6-0,7 [108], [167]

Valorización del sólido residual

MDF Tratado con vapor (170 °C), refinado, mezclado

con urea (9 %) y prensado. [200]. 0,38-0,9[167] Energía

eléctrica

Se quema para producir vapor a alta presión y enviado a turbinas para generación de corriente alterna. [21].

58 En esta segunda parte del análisis, se propone valorizar la fracción liquida concentrada en xilosa mediante la producción de xilitol y aprovechar la fracción sólida mediante la producción de etanol y pellets con el objetivo de analizar la viabilidad técnica y económica de estos esquemas de biorrefinería a pequeña escala, como se mencionó en el apartado 2.10.2.4, la biorrefinería de pequeña escala se considera aquella en la que es factible producir productos de alto valor agregado con una capacidad de producción relativamente baja.

Figura 3.3. Diagrama de bloques simplificado para los procesos involucrados en los tres

escenarios estudiados.

Como una estrategia para reducir el consumo energético en la autohidrólisis y evaporación en la producción de xilitol del esquema propuesto en la Parte I se propuso

59 emplear una relación líquido sólido de 5,5:1. Esta consideración se adoptó teniendo en cuenta un estudio previo realizado por el grupo en el cual se muestra, que el proceso de autohidrólisis de bagazo realizados en las mismas condiciones de tiempo y temperatura pero con una reducción en la relación líquido-sólido de 9 y 6, la pérdida de peso debido a la solubilización de los componentes es similar [152]. En la industria de pulpa celulósica, el pulpado químico se suele realizar a relaciones líquido-sólido aún menores a 5,5 alcanzando los rendimientos requeridos.

3.3.1 Selección de los productos a obtener

La selección de productos para la Parte II se realizó analizando los resultados obtenidos en la Parte I. Además de la producción de xilitol (analizada en la Parte I), se seleccionaron dos alternativas de valorización del sólido residual del proceso de autohidrólisis, los cuales se detallan en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4. Productos seleccionados a partir del bagazo de caña de azúcar. Parte II.

Fracción Producto

Hemicelulosas Xilitol

Celulosa Etanol

Sólido residual del pretratamiento de autohidrólisis

Pellets

3.3.2 Diseño de la biorrefinería 3.3.2.1 Esquema general

Al igual que en el apartado 3.2.2.2, se elaboró un esquema para el aprovechamiento licor residual de la autohidrólisis, rico en xilosa, para la producción de xilitol, empleando una relación líquido-sólido de 5,5:1 con la finalidad de reducir el consumo energético. La temperatura y el tiempo óptimos para maximizar la extracción de xilanos, minimizando los requerimientos de energía, se estimaron a partir del modelo desarrollado previamente (apartado 3.2.2.1).

Para el sólido residual de la autohidrólisis se propusieron los siguientes productos: producir pellets o etanol con la finalidad de comercializarlos en el mercado local.

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3.3.2.2 Escenario 1 - Producción de etanol

La hidrólisis enzimática del material lignocelulósico generalmente depende de la composición inicial del material, los métodos de pretratamiento empleados y las enzimas utilizadas para la sacarificación de celulosa a glucosa. La deslignificación alcalina aumenta la superficie interna de la celulosa, disminuye el grado de polimerización y la cristalinidad y rompe la estructura de lignina [205]. La deslignificación organosolv (alcalina o ácida) se lleva a cabo a temperaturas más altas que el proceso a la soda [68]. Esto significa un aumento importante del consumo de energía y la necesidad de contar con condiciones de seguridad estrictas. El tratamiento de autohidrólisis seguido de la deslignificación alcalina ha mostrado una conversión de celulosa a etanol (alrededor del 90 %) similar al tratamiento de explosión de vapor seguido de la deslignificación alcalina [206]. La deslignificación alcalina fue seleccionada para eliminar la lignina después de la autohidrólisis, con el fin de aumentar el rendimiento de la hidrólisis enzimática debido a su eficiencia y bajo costo [72], [135]. La deslignificación alcalina se basa en tres grupos de reacciones: fragmentación, degradación y disolución, y condensación de la lignina [36].

El sólido residual de la autohidrólisis es deslignificado con un proceso a la soda (NaOH) para obtener una pulpa no blanqueada. Posteriormente, la pulpa se lava en contracorriente en filtros de vacío que se utilizan generalmente en la industria de la pulpa y el papel. El agua de lavado que contiene lignina, otros sólidos orgánicos disueltos y NaOH se concentra en evaporadores junto con el licor negro.

En el caso de las biorrefinerías integradas en el ingenio azucarero o en la industria del papel, esta corriente concentrada se puede quemar en una caldera de recuperación para producir energía o vapor de proceso. Un ejemplo de esta alternativa es Ledesma S.A.A.I. (Argentina), que procesa más de 3,5 millones de toneladas de caña de azúcar al año (2014) para producir azúcar, etanol y celulosa y papel celulósico. Otra alternativa es la recuperación de lignina por precipitación a pH < 3, que es la opción menos atractiva porque el mercado la lignina y su precio son difíciles de predecir. En el presente estudio, para el proceso de deslignificación se seleccionaron las condiciones de tiempo, temperatura y carga alcalina (10 % sobre bagazo seco) propuestas por Soares y Gouveia

61 [135]. Para este tratamiento se adoptó una relación de líquido-sólido de 4:1, que es habitual en la industria de la pulpa [207].

Posteriormente, la fracción celulósica del sólido deslignificado se hidroliza enzimáticamente a glucosa y se fermenta a etanol mediante una sacarificación y fermentación simultáneas (SFS) [205]. Las condiciones del proceso de SFS se seleccionaron de Soares et al., [135] con una relación sólido-líquido de 9:1 durante 48 horas. Las enzimas y los nutrientes se agregan primero a 50 °C para hidrolizar la celulosa durante 6 horas, y luego la temperatura se baja a 37 °C y se agregan la levadura y los nutrientes para convertir la glucosa a etanol. El etanol se recupera mediante una secuencia de separación convencional, que consta de dos columnas de destilación. Finalmente, se emplean columnas de tamiz molecular corriente abajo para obtener etanol anhidro.

3.3.2.3 Escenario 2 – Producción de pellets

El proceso para la producción de pellets a partir del sólido residual del tratamiento de autohidrólisis del bagazo de caña fue seleccionado de referencias literarias actualizadas [208], [209]. Este proceso comprende el secado del sólido residual, la molienda para reducir el tamaño de partícula, el pelletizado, el enfriamiento (solidificación y el fortalecimiento de los pellets) para proporcionar resistencia y durabilidad a los gránulos, y finalmente, se tamiza a través de un tamiz vibrante para eliminar material fino. El material fino se recupera introduciéndolo nuevamente en el proceso de pelletizado. Después del tamizado, los pellets están listos para ser envasados.

El poder calorífico de los pellets se determinó a partir del poder calorífico superior (PCS) del sólido residual después del tratamiento de autohidrólisis usando la siguiente Ecuación [210]:

PCS (MJ/kg) = 0,1736 x Ce + 0,2663 x L + 0,3219 x E Ecuación 3.6

Donde Ce, L y E son el porcentaje en peso sobre la base de biomasa seca de polisacáridos (celulosa y hemicelulosas), lignina y extractos, respectivamente.

62 Los principales parámetros de operación de los procesos de conversión utilizados para evaluar la viabilidad de una biorrefinería a pequeña escala para la producción de xilitol combinado con la producción alternativa de etanol o pellets se muestran en la Tabla 3.5.