Aprovechamiento integral de Eucalyptus globulus en un esquema de biorrefinería en doble etapa
Keywords:
Autohidrólisis, eucalipto, etanol-sosa, hemicelulosa, lacasa, pulpaAbstract
Se han aplicado dos tratamientos previos al proceso de pasteado etanol-sosa sobre madera de Eucalyptus globulus para evaluar su influencia sobre las propiedades de las pastas celulósicas obtenidas. Se aplica una primera etapa optimizada de autohidrólisis para maximizar la extracción de derivados hemicelulósicos preservando el glucano, seguida de una deslignificación enzimática mediante un sistema lacasa/mediador (siringaldehído). Se aplican diseños experimentales para la optimización de los procesos.
Las condiciones de operación óptimas en la etapa de deslignificación enzimática han sido: concentración de lacasa 18,5 U/g, concentración de siringaldehído 1,5 %, temperatura 45 ºC y tiempo de operación 60 min., con las cuales se alcanza una eliminación del 16,8 % de la lignina existente en la materia prima y se afecta ligeramente al glucano (conservando entre el 82,2 % y 89,7 % del glucano inicial). Paralelamente se obtienen dos fases líquidas valorizables, ricas en derivados hemicelulósicos y polifenólicos. En este esquema de proceso para obtención de pasta celulósica etanol-sosa a partir de madera eucalipto requiere una menor concentración de reactivos químicos, menores tiempos de operación y temperaturas más bajas, lo que supone una mejora económica y medioambiental respecto del proceso convencional de pasteado.
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References
Alfaro, A.; Garrote, G.; García, M.M.; López, F.; Díaz, M.J. 2007. Valorización integral del tagasaste (Chamaecytisus proliferus l.F. ssp palmensis mediante pretratamiento hidrotérmico y pasteado con etanol. Afinidad 64(530): 486-494. URL: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2714620
Alfaro, A.; López, F.; Pérez, A.; García, J.C.; Rodríguez, A. 2010. Integral valorization of tagasaste (Chamaecytisus proliferus) under hydrothermal and pulp processing. Bioresour Technol 101(19): 7635-7640. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.04.059
Anil, K.M.; Amith, A.; Kiran, K.M.; Rajeev K.S. 2018. Lignocelullosic biorefinery wastes, or resources? In: Waste biorefinery. Potential and perspectives. Chapter 9: 267-297. Elsevier. Amsterdam, Netherlands. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63992-9.00009-4
Anjos, O.; Santos, A.; Simões, R. 2004. Influence of hemicelluloses content on the paper quality produced with Eucalyptus globulus fibres. In: Proceedings of Progress in Paper Physics Seminar, Trondheim, Norway, p. 50-52. http://hdl.handle.net/10400.11/2185
Aravamuthan, R.; Chen, W.; Zargarian, K.; April, G. 1989. Chemicals from wood: prehydrolisis organosolv methods. Biomass 20(3-4): 263-276.
https://doi.org/10.1016/0144-4565(89)90066-8
Boucher, J.; Chirat, C.; Lachenal, D. 2014. Extraction of hemicelluloses from wood in a pulp biorefinery, and subsequent fermentation into ethanol. Energ Convers Manage 88: 1120-1126. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.05.104
BREF 2006. Documento de Referencia de las Mejores Técnicas Disponibles en la Industria de la Pasta y el Papel, Centro de publicaciones. Secretaría General Técnica. Ministerio de Medio Ambiente. España. URL: http://www.prtr-es.es/data/images/BREF%20Pasta%20y%20Papel%20(versi%C3%B3n%20en%20castellano)-7C4A350C484D6A0E.pdf
Caparrós, S.; Díaz, M.J.; Ariza, J.; López, F.; Jiménez, L. 2008. New perspectives for Paulownia fortunei L. valorisation of the autohydrolysis and pulping processes. Bioresour Technol 99(4): 741-749. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.028
Cebreiros, F.; Guigou, M.D.; Cabrera, M.N. 2017. Integrated forest biorefineries: recovery of acetic acid as a by-product from eucalyptus wood hemicellulosic hydrolysates by solvent extraction. Ind Crop Prod 109: 101-108. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.012
Cherubini, F. 2010. The biorefinery concept: using biomass instead of oil for producing energy and chemicals. Energ Convers Manage 51(7): 1412-1421.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2010.01.015
Tuero Cruz, A.; Monte Lara, M.C.; Tijero Miguel, J.; Moral Rama, A.; Perez Ot Ildefonso; De La Torre Molina, M.J. 2011. Procedimiento para la cocción kraft de material lignocelulósico con lejías alcalinas de baja sulfidez en la fabricación de pasta con incorporación directa al digestor de la sal disódica del dihidoxiantraceno. Patente: ES 2 393 596 B2 URL: https://patents.google.com/patent/WO2012168513A1/es
Duarte, G.V.; Ramarao, B.V.; Amindon, T.E.; Ferreira, P.T. 2011. Effect of hot water extraction on hardwood kraft pulp fibers (Acer saccharum, sugar maple). Ind Eng Chem Res 50(17): 9949-9959. https://doi.org/10.1021/ie200639u
Demirbas, M.F. 2009. Biorefineries for biofuel upgrading: a critical review. Appl Energ 8(1): 151-161. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.04.043
Feria, M.J.; López, F.; García, J.C.; Pérez, A.; Zamudio, M.A.M.; Alfaro, A. 2011. Valorization of Leucanea leucocephala for energy and chemicals from autohydrolysis. Biomass Bioenerg 35(5): 2224-2233. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2011.02.038
García, A.; Egües, I.; Toledano, N.; González, M.; Serrano, L.; Labidi, J. 2009. Biorefining of lignocellulosic residues using ethanol organosolv process. Chem Eng Trans 18: 911-916. https://doi.org/10.3303/CET0918149
García, J.C.; Zamudio, M.A.M.; Pérez, A.; De Alva, H.E.; López, F. 2011. Paulownia as a raw material for the production of pulp by soda-anthraquinone cooking with or without previous autohydrolysis. J Chem Technol Biotechnol 86(4): 608-615. https://doi.org/10.1002/jctb.2563
García, J.C.; Zamudio, M.A.M.; Pérez, A.; López, F.; Colodete, J.L. 2010. Search for optimum conditions of Paulownia autohydrolysis process and influence in pulping process. Environ Prog Sustain 30(1): 92-101. https://doi.org/10.1002/ep.10442
García-Domínguez, M.T.; García-Domínguez, J.C.; López, F.; de Diego, C.M.; Díaz, M.J. 2015. Maximizing furfural concentration from wheat straw and Eucalyptus globulus by non-isothermal autohydrolysis. Environ Prog Sustain 34(4): 1236-1242. https://doi.org/10.1002/ep.12099
Garrote, G.; Eugenio, M.E.; Díaz, M.J.; Ariza, J.; López, F. 2003. Hydrothermal and pulp processing of Eucalyptus. Bioresour Technol 88(1): 61-68.
https://doi.org/10.1016/S0960-8524(02)00256-0
Garrote, G.; Kabel, M.A.; Schols, H.A.; Falqué, E.; Domínguez, H.; Parajó, J.C. 2007. Effects of Eucalyptus globulus wood autohydrolysis conditions on the reaction products. J Agr Food Chem 55(22): 9006-9013. https://doi.org/10.1021/jf0719510
Hamzeh, Y.; Ashori, A.; Khorasani, Z.; Abdulkhani, A.; Abyaz, A. 2013. Pre-extraction of hemicelluloses form bagasse fibers: effects of dry-strength additives on paper properties. Ind Crop Prod 43: 365-371.https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.07.047
Heiningen, A.V. 2007. Converting a kraft pulp mill into an integrated forest products biorefinery. Pulp Pap-Canada 107(6): 38-43. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/90aa/eb6b5b7e46824c3cc465b2ccd1aee86d955e.pdf
Hu, G.; Fu, S.; Liumaki, H. 2013. Hemicellulose in pulp affects paper properties and printability. Appita J 66(2): 139-144. URL: https://search.informit.com.au/documentSummary;dn=371599901817158;res=IELNZC
Loaiza, J.M.; Alfaro, A.; López, F.; García, M.T.; García, J.C. 2019. Optimization of Laccase/Mediator System (LMS) stage applied in fractionation of Eucalyptus globulus. Polymers 11(4): 731. https://doi.org/10.3390/polym11040731
Loaiza, J.M.; López, F.; García, M.T.; Fernández, O.; Díaz, M.J.; García, J.C. 2016. Selecting the pre-hydrolysis conditions for Eucalyptus wood in a fractional exploitation biorefining scheme. J Wood Chem Technol 36(3): 211-223.https://doi.org/10.1080/02773813.2015.1112402
López, F.; García, M.T.; Mena, V.; Loaiza, J.M.; Zamudio, M.A.M.; García, J.C. 2015. Can acceptable pulp be obtained from Eucalyptus globulus wood chips after hemicellulose extraction? BioResources 10(1): 55-67. URL:https://bioresources.cnr.ncsu.edu/resources/can-acceptable-pulp-be-obtained-from-eucalyptus-globulus-wood-chips-after-hemicellulose-extraction/
Marinova, M.; Mateos-Espejel, E.; Jemaa, N.; Paris, J. 2009. Addressing the increased energy demand of a kraft mill biorefinery: the hemicellulose extraction case. Chem Eng Res Des 87(9): 1269-1275. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2009.04.017
Martín-Sampedro, R.; Eugenio, M.E.; Moreno, J.A.; Revilla, E.; Villar, J.C. 2014. Integration of a kraft pulping mill into a forest biorefinery: Pre-extraction of hemicellulose by steam explosion versus steam treatment. Bioresour Technol 153: 236-244. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.11.088
Martín-Sampedro, R.; Eugenio, M.E.; Carbajo, J.M.; Villar, J.C. 2011. Combination of steam explosion and laccase-mediator treatments prior to Eucayptus globulus kraft pulping. Bioresour Technol 102(14): 7183-7189. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.04.053
Mayer, A.M.; Staples, R.C. 2002. Laccase: New functions for an old enzymes. Phytochemistry 60(6): 551-565. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00171-1
Molin, U.; Teder, A. 2002. Importance of cellulose/hemicellulose-ratio for pulp strength. Nord Pulp Pap Res J 17(1): 14-19a. https://doi.org/10.3183/npprj-2002-17-01-p014-019
Moshkelani, M.; Marinova, M.; Perrier, M.; Paris, J. 2013. The forest biorefinery and its implementation in the pulp and paper industry: energy overview. Appl Therm Eng 50(2): 1427-1436. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.12.038
Núñez, C.E. 2008. Transformaciones de la madera durante el pulpado químico. (Relaciones madera-agua, impregnación, deslignificación). URL:
http://www.cenunez.com.ar/archivos/65-TransformacionesdelamaderaduranteelP.Q..pdf
Papatheophanus, M.G.; Koullas, D.P.; Koukios, E.G. 1995. Alkaline pulping of prehydrolysed wheat-straw in aqueous-organic solvent systems at low-temperatures. Cell Chem Technol 29(1): 29-40. URL:https://serials.unibo.it/cgi-ser/start/en/spogli/df-s.tcl?prog_art=3130307&language=ENGLISH&view=articoli
Rafione, T.; Marinova, M.; Montastruc, L.; Paris, J. 2014. The green integrated forest biorefinery: an innovative concept for the pulp and paper mills. Appl Therm Eng 73(1): 74-81. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.07.039
Rico, A. 2010. Tratamientos enzimáticos con lacasas y mediadores naturales para la eliminación de lignina y lípidos presentes en pastas de celulosa. Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS, CSIC), Sevilla, España. URL:
http://digital.csic.es/bitstream/10261/66258/1/Tratamientos%20enzim%C3%A1ticos%20con%20lacasas%20y%20mediadores.pdf
Romaní, A.; Garrote, G.; López, F.; Parajó, J.C. 2011. Eucalyptus globulus wood fractionation by autohydrolysis and organosolv delignification. Bioresour Technol 102(10): 5896-5904. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.02.070
Scott, G.M.; Akhtar, M.; Swaney, R.E.; Houtman, C.J. 2002. Recent developments in biopulping technology at Madison, WI. In: Biotechnology in the Pulp and Paper Industry: 8th Icbppi Meeting: 21 (Progress in Biotechnology). L. Viikari, R. Lantto (eds.). pp. 61-71.
https://doi.org/10.1016/S0921-0423(02)80008-9
StatSoft 2008. Statistica version 8. StatSoft Enterprise, Tulsa, USA. URL: http://www.statsoft.com/Products/STATISTICA-Features
Singh, P.; Sulaiman, O.; Hashim, R.; Rupani, P.F.; Peng, L.C. 2010. Biopulping of lignocellulosic material using different fungal species: a review. Rev Environ Sci Bio 9(2): 165-175. https://doi.org/10.1007/s11157-010-9200-0
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 1991. TAPPI UM 250: Acid-soluble Lignin in Wood and Pulp. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 1999. TAPPI T236 om-99: Kappa number of pulp. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2002. TAPPI T 211 om-02: Ash in wood, pulp, paper, and paperboard: Combustion at 525 °C. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2002. TAPPI T212 om-02: One percent sodium hydroxide solubility of wood and pulp. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2002. TAPPI T 222 om-02: Acid-insoluble lignin in wood and pulp. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2007. TAPPI T204 cm-07: Solvent extractives of wood and pulp. TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2007. TAPPI 264 cm-07: Preparation of Wood for Chemical Analysis. TAPPI Press. Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Technical Association of the Pulp and Paper Industry. TAPPI. 2019. TAPPI T230 om-19: Viscosity of pulp (capillary viscometer method). TAPPI Press, Atlanta, GA, USA. URL: www.tappi.org
Towers, M.; Browne, T.; Kerekes, R.; Paris, J.; Tran, H. 2007. Biorefinery opportunities for the Canadian pulp and paper industry. Pulp Pap-Canada 108(6): 26-29. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/32c8/4b2f1abccb93629d37be963e9af7a58793e5.pdf
Vila, C.; Romero, J.; Francisco, J.L.; Santos, V.; Parajó, J.C. 2012. On the recovery of hemicellulose before kraft pulping. BioResources 7(3): 4179-4189. URL:
https://bioresources.cnr.ncsu.edu/resources/on-the-recovery-of-hemicellulose-before-kraft-pulping/
Villar, JC. 2008. Pasteado kraft. II Curso internacional en tecnología de productos forestales. Módulo de celulosa y papel. INIA. Madrid, España. URL:
www.inia.es/gcontrec/pub/6_Kraft_1227267134593.pps
Widsten, P.; Kandelbauer, A. 2008. Laccase applications in the Forest products industry. A review. Enzyme Microb Technol 42(4): 293-307.
https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2007.12.003
Yuan, Z.; Kapu, N.S.; Beatson, R., Chang, X.F.; Martínez, D.M. 2016. Effect of alkaline pre-extraction of hemicelloses and silica on kraft pulping of bamboo (Neosinocalamus affinis Keng). Ind Crop Prod 91: 66-67. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.06.019
Zamudio, M.A.M.; Alfaro, A.; De Alva, H.E.; García, J.C.; García, M.; López, F. 2015. Biorefinery of paulownia by autohydrolysis and soda-anthraquinone delignification process. Characterization and application of lignin. J Chem Technol Biotechnol 90(3): 534-542. https://doi.org/10.1002/jctb.4345