Estudio e intensificación de la hidrólisis enzimática de celulosa derivada de residuos agroalimentarios bajo consideraciones de transporte

Abstract

El desarrollo de biorrefinerías de segunda generación ha recibido especial atención en los últimos años debido a su potencial para reducir la dependencia de recursos fósiles y disminuir el impacto ambiental asociado a las materias primas no renovables, evitando el uso de alimentos o sus ingredientes. En el marco de estas biorrefinerías, la biomasa lignocelulósica constituye una de las materias primas más abundantes para la obtención de azúcares mediante la hidrólisis enzimática de la celulosa. Los azúcares obtenidos actúan como plataformas intermedias para la producción de gran variedad de productos de interés industrial, tales como biocombustibles, biopolímeros y otros compuestos de alto valor añadido mediante procesos fermentativos, enzimáticos, catalíticos o térmicos. Entre los residuos lignocelulósicos existentes, destaca la paja de arroz por su abundancia, su alto contenido de celulosa y su potencial de valorización. La hidrólisis enzimática de la celulosa se lleva a cabo mediante celulasas, en las que las endoglucanasas y exoglucanasas actúan liberando celobiosa, mientras que la β-glucosidasa convierte la celobiosa en glucosa. Sin embargo, la eficiencia de la hidrólisis enzimática se ve limitada debido a la estructura compleja de la paja de arroz, que confiere recalcitrancia y dificulta el acceso a las enzimas. Además, para que estos procesos sean viables a escala industrial, es imprescindible trabajar con altas cargas de sólido durante la hidrólisis enzimática, de manera que se incremente la concentración final y la productividad de glucosa y se reduzcan los volúmenes de procesamiento y de vertido. Este enfoque genera importantes desafíos relacionados con la mezcla, difusión y eficiencia catalítica. Para superar las limitaciones asociadas a la recalcitrancia de la biomasa, es necesario aplicar un pretratamiento eficaz que modifique su estructura y aumente la accesibilidad de las enzimas durante la hidrólisis enzimática. De igual manera, es necesario contar con información precisa sobre la actividad catalítica de los cócteles enzimáticos, así como conocimiento sobre la cinética del proceso. Finalmente, la elección del reactor resulta crucial para superar las limitaciones de mezcla sólido-líquido que se generan al emplear altas cargas de sólidos. La presente tesis, titulada “Estudio e intensificación de la hidrólisis enzimática de celulosa derivada de residuos agroalimentarios bajo consideraciones de transporte”, tiene como objetivo principal estudiar los procesos que afectan al proceso de hidrólisis enzimática de la paja de arroz. Para ello, se emplea un enfoque integrado que combina el pretratamiento alcalino de la paja de arroz, la evaluación de la actividad catalítica de cócteles enzimáticos comerciales, el estudio de la cinética del proceso de sacarificación y el estudio del efecto de la carga de sólido utilizando diferentes sistemas de reacción. La finalidad de este enfoque es optimizar la conversión de celulosa a glucosa empleando bajas concentraciones de enzima, bajo condiciones viables a escala industrial. Primero se llevó a cabo la caracterización de los cócteles enzimáticos comerciales Biogazyme 2X (B2X) y β-glucosidase-1000 (BG) de ASA Spezialenyzme GmbH. Se observó que el cóctel B2X presentaba una elevada actividad endoglucanasa y exoglucanasa, mientras que el cóctel BG presentaba una alta actividad β-glucosidasa. Posteriormente, se llevó a cabo la caracterización de la paja de arroz, y se determinó que su contenido de celulosa era del 28,6 %. Este dato sirvió como base de cálculo para evaluar el pretratamiento alcalino y la posterior hidrólisis enzimática. Una vez caracterizados tanto los cócteles enzimáticos como la paja de arroz, se llevó a cabo el estudio del pretratamiento de la paja de arroz, evaluando diferentes variables de proceso, considerando tanto la influencia de las condiciones de pretratamiento como las concentraciones de enzima en los tiempos de hidrólisis enzimática. El objetivo del estudio consistió en identificar una ventana de operación que permitiera aplicar un pretratamiento suave, utilizar bajas concentraciones de enzima y alcanzar rendimientos de glucosa cercanos al 90 % en 8 horas para cargas bajas de sólido en la sacarificación. Para complementar este estudio, se llevaron a cabo análisis cinéticos, composicionales y estructurales, incluyendo XRD, SEM, microscopía confocal de fluorescencia y ensayos de adsorción enzimática. Estos análisis se hicieron con el fin de relacionar las modificaciones de la estructura del sustrato con la accesibilidad de las enzimas y la eficiencia del proceso de hidrólisis enzimática. Asimismo, se evaluó la posibilidad de reutilizar el licor negro generado durante el pretratamiento y de llevar a cabo el escalado del proceso, con el fin de explorar la viabilidad y eficiencia del pretratamiento a mayor escala. Con unas condiciones de pretratamiento de 1 % de NaOH (p/v), 73 °C y 4,5 h, se obtuvo un sólido (S8) con aproximadamente un 60 % de celulosa y una estructura completamente desfibrilada. Respecto a la hidrólisis enzimática, se alcanzó una conversión del 93 % en 8 horas, empleando una dosis de enzima de 6,5 mgproteína/gSS y una carga de sólido del 2,4 %. Estos resultados demostraron que existían unas condiciones mínimas necesarias para que el sólido comenzara a ser reactivo (0,5 % NaOH, 50 °C y 1 h), y que el tiempo de pretratamiento fue un parámetro clave, ya que influyó de manera significativa tanto en la velocidad inicial como en la conversión final del proceso.

En abierto se puede consultar la parte no embargada de la Tesis Doctoral