2.4 Pretratamiento para el proceso de extracción
2.4.2 Pretratamiento de extracción fisicoquímico
Esta categoría incluye en su gran mayoría tecnologías de pretratamientos como explosión de vapor, agua caliente liquida, explosión de fibra de amoníaco (AFEX) y dióxido de carbono (C02) (Agbor et al., 2011).
2.4.2.1 Explosión de vapor
El pretratamiento de explosión de vapor es principalmente una reacción de autohidrólisis química que quita hasta cierto punto la hemicelulosa y lignina. Las variables importantes en el pretratamiento de explosión de vapor; es el tiempo, temperatura, tamaño de particula y el contenido de humedad. Es importante que las partículas no contengan excesiva humedad; ya que si los poros contienen agua, la penetración de vapor no ocurrirá rápida y la transferencia se calentará por conducción, en la que retrasara la iniciación de auto hidro lisis (Duff y Murrayh, 1996;
Y e sun y Cheng, 2002). Por lo que es uno de los pretratamientos más efectivos para las maderas duras y desechos agrícolas, pero menos eficiente para maderas suaves (Cuervo et al., 2009).
La explosión de vapor no catalizada también es llamada autohidrólisis, en la cual sólo el vapor de agua es usada, es uno de los métodos de pretratamiento más comunes, durante el pretratamiento de la hemicelulosa a menudo es hidrolizada por ácidos orgánicos como el ácido acético y otros ácidos las que se forman del acetil u otros grupos funcionales, liberados de la biomasa. Además el agua mismo, también posee cierta propiedad ácida a temperaturas altas (Zheng et al., 2009).
Las ventajas principales del pretratamiento con explosión a vapor son: (1) produce material lignocelulósico que es completamente susceptible a la hidrólisis enzimática. (2) menos exigencia en energía que el proceso mecánico. (3) no hace que tenga reciclaje o gastos ambientales asociados a pretratamientos químicos predominantes. Así mismo su limitación es la destrucción de una parte de la fracción
vapor se considera la opción más rentable para madera dura y residuos de agricultura, pero menos eficaz para madera blanda; la explosión de vapor se inicia a una temperatura de 433- 533 °K o 160- 260
oc
con una presión 0.69- 4.83 MPa durante varios segundos a varios minutos (Balat, 2011; Y e Sun y Cheng, 2002).2.4.2.2 Agua caliente liquida (LHW)
El agua caliente líquida tiene la ventaja principal de solubilizar la hemicelulosa y lignina; presenta concentraciónes inferiores en la degradación de furfural y la precipitación de compuestos de lignina son reducidas además de ello otra de las ventajas es el bajo costo del solvente (Hendriks y Zeeman, 2009). Una de las desventajas es que durante el procesamiento de la biomasa en volúmenes grandes el gasto de energía es mayor (Agbor et al., 2011).
El LHW reduce la neutralización ya que no es condicionado a productos químicos. Durante el pretratamiento LHW, la hendidura de 0-acetil y sustituciones de ácido uronico de la hemicelulosa produce el ácido acético y otros ácidos orgánicos que ayudan catalizar la hidrólisis de polisacáridos; tal como la hemicelulosa primero en oligosacaridos y luego en azúcares monoméricas (Zheng et al., 2009). En consecuencia el agua caliente hiende encadenamientos de hemiacetal dando lugar a la liberación de ácidos durante la hidrólisis de la biomasa que facilita la ruptura de encadenamientos de éter. La aplicación de este método fue en fibras de maíz a escala de laboratorio controlando el pH en un reactor de 163 1/min. (Agbor et al., 2011).
2.4.2.3 Explosión de fibra de amoníaco (AFEX)
En este pretratamiento los materiales lignocelulósicos son expuestos a amomo liquido a temperaturas entre 60 - 100
oc
y a una presión alta durante un periodo de tiempo variable, en la que la presión soltada causa una extensión rápida del gas de amonio causando hinchazón e interrupción fisica en las fibras de la biomasa y parcial descristalinización de la celulosa. El pretratamiento de AFEX puede considerablemente mejorar los precios de sacarificación en las cosechas herbáceas tales como alfalfa, paja de trigo, paja de cebada, maíz stover, paja de arroz, residuos orgánicos (Y e S un y Cheng, 2002; Al vira, 2009).2.4.2.4 Dióxido de carbono (C02)
El método está basado en la utilización de C02 como un fluido supercrítico, que se refiere a un fluido que está en un estado gaseoso la que es comprimida en temperaturas por encima de su punto crítico a una densidad parecida al líquido. Las condiciones de pretratamiento supercríticas pueden con eficacia quitar la lignina. Las moléculas de C02 son comparables en el tamaño al agua y el amoníaco; ellos pueden penetrar del mismo modo a los poros del material lignocelulósico. Este mecanismo es facilitado por la presión alta después de la liberación explosiva de
co2
(Alvira et at., 2009), formando el ácido carbonico que ayuda en la hidrólisis de hemicelulosa las presiones utilizadas en este pretratamiento oscilan entre 1000 - 4000 psi y por lo general varios minutos y a temperaturas altas hasta 200 °C (Agbor, et al., 2011).2.4.3 Pretratamiento de extracción química
El pretratamiento de extracción química fue al pnnc1p10 desarrollado extensivamente en la industria papelera para la deslignificación de materiales celulósicos para producir altos productos de papel de calidad. Por la que el pretratamientos químico ha sido estudiado hasta ahora; teniendo el objetivo primario de mejorar la biodegradabilidad de la celulosa quitando la lignina, hemicelulosa y disminuyendo el grado de polimerización y cristalinidad del componente de celulosa (Zheng et al., 2009).
2.4.3.1 Pretratamiento con ácido
Entre todos los métodos de pretratamiento el más estudiado extensamente ha sido el ácido diluido por ser eficaz y barato. Por lo tanto mejora la conversión de celulosa comparado con otro método de pretratamiento. El pretratamiento con ácido fue sacado de la hidrólisis ácida concentrada así como H2S04, HCl que había sido una tecnología principal para hidrolizar la biomasa lignocelulósica en la producción de azúcares fermentables (Zheng et al., 2009).
Los pretratamientos de ácidos diluidos para los materiales lignocelulosicos pueden funcionar en dos condiciones a una temperatura alta de 160 - 200
oc
conbajas cargas de solido de 5- 10% y temperatura baja de 120- 160
oc
con una carga de sólidos de 10-40% (Kumar et al., 2009; Niklitschek, 2010).El efecto principal de los ácidos diluidos es la hidrolisis de hemicelulosa en la biomasa; la lignina y la celulosa no se hidrolizan en las condiciones de pretratamiento (Dushyant, 2012). Cabe mencionar que el ácido sulfúrico diluido
tiene algunas limitaciones importantes, como la corrosión y materiales costosos de construcción (Mosier et al., 2005).
Su aplicación del ácido sulfúrico diluido en materiales lignocelulósicos a sido usado comercialmente para producir furfuralla que es purificado por destilación; este pretratamiento se ha aplicado a los residuos de maíz, cosechas herbáceas (Agbor et al., 2011).
2.4.3.2 Pretratamiento alcalino
El proceso alcalino está basado en la utilización de bases diluidas para la eliminación de la lignina este pretratamiento es más eficaz en biomasas que contengan lignina baja así como residuos agrícolas (paja de trigo ) pero menos eficaz en biomasas que contengan mayor cantidad de lignina (Agbor et al., 2011) el principio del proceso alcalino en los materiales lignocelulosicos es que causan hinchazón, aumento del área superficial interna y disminución de la cristalinidad de la celulosa (Y e S un y Cheng, 2002). El pretratamiento alcalino puede ser llevado a cabo en condiciones ambientales, pero el tiempo de pretratamiento se mide en términos de horas o días en vez de minutos o segundos a diferencia de pretratamiento catalizados por ácido, la limitación se debe a que algunos de los alcalinos se convierte en sales irrecuperables o incorporados como sales en la biomasa de las reacciones de pre tratamiento. En la cual se menciona que la Cal (Ca(OH)2 (hidróxido de calcio)) tiene las ventajas adicionales por el bajo costo frente a los otros tratamientos alcalinos como hidróxido de sodio, potasio, calcio e hidróxido de amonio (Mosier et al., 2005).