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Evaluación experimental del proceso SFES de etanol a partir de material lignocelulósico

Agudelo Aguirre, Roberto Arturo (2009) Evaluación experimental del proceso SFES de etanol a partir de material lignocelulósico. Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

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Resumen

Esta tesis de maestría consistió en el estudio estructural y composicional de los materiales lignocelulósicos zoca de café y aserrín de Pinus Pátula, generados como residuos en actividades agroindustriales en el departamento de Caldas, con el objeto de identificar la conformación estructural de los principales constituyentes y su composición lignocelulósica y establecer, a partir de esta información, un procedimiento de pretratamiento efectivo para la utilización del material con mayor contenido de celulosa como materia prima para su aprovechamiento en la transformación a alcohol carburante mediante el proceso de sacarificación, fermentación y extracción simultanea (SFES) en una única unidad reaccionante. Sin embargo, durante el desarrollo de la tesis y como resultado de los análisis de la composición de los materiales nombrados se decidió incluir en el estudio la borra de café para tener en cuenta el efecto de una mayor diferencia en las relaciones de celulosa a hemicelulosa y a lignina de los materiales lignocelulósicos, ya que la zoca y el aserrín presentaron resultados en composición muy semejantes. El análisis estructural de los materiales, se llevaron a cabo en un difractómetro de rayos X (Rigaku MiniFlex II), usando radiación de Cu Kα (λ= 1.5406 Å) a 30kV y 15 mA. Los perfiles de rayos X fueron obtenidos para un rango del ángulo 2θ entre 3.0 y 70º con un tamaño de paso de 0.02º y una velocidad de escaneo de 5º/min. El pretratamiento consistió en la evaluación del grado de deslignificación del material con hidróxido al 2% en dos niveles diferentes de severidad, a 130°C durante 2 horas (severidad 1) y 25°C durante 24 h (severidad 2). La remoción de lignina del material fue validada a través de análisis estructural y caracterización química del residuo obtenido después del pretratamiento. El material con menor contenido residual de lignina fue la zoca de café, la cual fue empleada posteriormente como material celulósico para la conversión a etanol en el proceso SFES. Adicionalmente, la conversión de zoca de café a glucosa mediante una etapa de pretratamiento con ácido sulfúrico diluido y otra de hidrólisis ácida diluida fue evaluada mediante simulación empleando el software comercial ASPEN PLUS versión 11.1 (Aspen Technology, Inc., USA). Para esta simulación se utilizó el modelo Non-Random Two-Liquids para el cálculo de propiedades de corriente en la fase líquida y el modelo ideal para la fase vapor. Los componentes que no se encontraban en la base de datos del software fueron ingresados con sus respectivas propiedades fisicoquímicas. Las reacciones ocurridas en el pretratamiento y en la hidrólisis fueron incluidas con modelos cinéticos obtenidos de la literatura y que presentan la forma de la expresión de Arrhenius. Además de las reacciones de hidrólisis se consideró la formación de los productos de degradación de las hexosas y pentosas (hidroximetil furfural y furfural, respectivamente). La configuración experimental SFES se evaluó a 37°C durante 48 h en un reactor extractor de tres etapas con un volumen de operación de 5 L, empleando como sustrato celulósico 212 g de zoca de café previamente deslignificada, enzima Celluclast 1.5L en dosificación de 25 IFPU/g de celulosa, 10% (w/w) de inoculo de S. cerevisiae en extracto de malta, 1000 ml de solvente de extracción ndodecanol y búfer de citrato de sodio pH 4.5 como fase acuosa. Las variables de seguimiento correspondieron a la concentración de azucares reductores, la cual se cuantificó mediante la técnica del acido dinitrosalicílico (DNS, de sus siglas en inglés), la concentración de etanol en la fase solvente cuantificada a partir de una curva de referencia que relacionó el índice de refracción (IR) a 37°C y la concentración de etanol en el solvente. Los resultados del estudio estructural de los materiales mostraron una marcada asociación estructural entre la lignina y la celulosa. Por su parte, la caracterización química mostró una composición, expresada como porcentajes peso/peso de material en base seca, para la zoca de café de 32.32% de celulosa, 13.80% de hemicelulosa, 1.69% de componentes extractivos, 46.7% de lignina total, 4.61% de proteína y 0.92% de cenizas. El material Pinus Pátula presentó 24.80% de celulosa, 10.62% de hemicelulosa, 0.87% de extractivos, 62.62% de lignina, 0.47% de proteína y 0.62% de cenizas. En cuanto a la borra de café la composición fue de % de celulosa, % de hemicelulosa, % de componentes extractivos, % de lignina total, % de proteína y % de cenizas. Los resultados mostraron que la zoca de café presentó el mayor contenido de celulosa entre los materiales estudiados. La deslignificación de la zoca con el grado de severidad 1 removió el 95% de la lignina original, mientras que el grado 2 de severidad removió el 89% de la lignina del material. Los resultados de la simulación permitieron concluir que un sistema de reacción y separación simultáneo como lo es el SFES puede eliminar la interferencia de los productos de degradación formados durante el pretratamiento y la hidrólisis ácida, ya que la glucosa producida en la sacarificación enzimática es convertida directamente a etanol y se evita la formación de productos de degradación no deseados que son tóxicos, adicionalmente retirar el etanol producido en una fase orgánica biocompatible puede reducir los efectos inhibitorios del etanol sobre el microorganismo fermentativo. La evaluación experimental del proceso SFES de zoca de café previamente deslignificada mostró un comportamiento de estabilidad operacional en las condiciones previamente establecidas, Abstract: In this study two regional lignocellulosic by-products referred to as coffee cut-stems and Pinus sawdust (variety Pátula) were both structural and chemically analyzed with the aim of identifying their cellulosic contents as potential feedstock for ethanol production. Additionally, an effective pretreatment procedure for the material with higher cellulosecontent was established to be used to further ethanol production by a simultaneous saccharification, fermentation and extractive process (SSFE) in a single vessel. However, an additional coffee by-product was included as reference material with known lignocellulosic composition information to validate the experimental information gathered. The structural analysis were carried out using a X-ray diffract meter (Rigaku Miniflex II), and the patterns were obtained in 2θ between 3.0 and 70°. The pretreatment procedure employed 2% sodium hydroxide as delignification agent, and it was employed at two severity levels defined as follow: 130°C for 2 h (severity I), and 25°C for 24 h (severity II). Lignin remotion of the selected material was validated by structural analysis and chemical characterization. The lower-cellulose content material was found to be the coffee-cut stems, which was further used as raw material for ethanol production by SSFE. Alternatively, the two-step dilute-acid pretreatment was simulated for this material using Aspen Plus software to determine hemicellulose and cellulose depolymerization to xylose and glucose production, respectively. Furthermore, co-products formation from xylose and glucose degradation (furfural and HMF) was considered. The experimental SSFE configuration was carried out at 37°C for 48 h in a five-stage reactor of 5 L of total volume. Reactor feed was fo rmed by previously delignified coffee-cut stems (212 g), 25 IFPU/g as enzyme dosage, 10% (w/w) of yeast inoculum and 1000 ml of n-dodecanol as extraction solvent. The structural analysis of the materials showed a strong structural lignin-cellulose association. on the other hand, the chemical composition (expressed in percentage weigh/weigh) found for coffeecut stems was 32.32% of cellulose, 13.80% of hemicellulose, 1.69% of extractives, 46.7% of total lignin, 4.61% of total protein and 0.92% of ash. Pinus Patula presented a composition as follow: cellulose of 24.80%, 10.62% of hemicellulose, 0.87% of extractives, 62.62% of total lignin, 0.47% of total protein, and 0.62% of ash. For its part, the spent coffee ground was composed by 35.16% of total lignin, 33.62% of cellulose, and 30.38% of fats quantified as extractives. The results also showed that coffee-cut stems were the material with the highest cellulose content. The pretreatment study at two severity levels evidenced that severity I delignified nearly 95% of the original lignin content in the coffee-cut stems treated, and the severity II delignified 89% of the lignin content in the same material. The simulation results let to conclude the degradation coproducts formation interference could be eliminated when a SSFE configuation is operated due to the glucose released during hydrolysis is fastly converted to ethanol, avoiding mostly the inhibitory effects commonly observed in step-by-step to ethanol production procedures. Furthermore, the solvent employed n-dodecanol showed a good biocompatibilty with the other bioagents working in the SSFE configuration and served as effective ethanol removing for this system, leading to conclude that the potential use of this extracting solvent most probably would reduce the energetic requirements to separate ethanol from the solvent

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Cardona Alzate, Carlos Ariel
Información adicional:Tesis o trabajo de grado para optar al título de Magíster en Ingeniería Química.
Palabras clave:Materiales lignocelulósicos, Zoca de café, Aserrín de Pinus Pátula, Sacarificación, Fermentación y Extracción Simultanea (SFES), Borra de café, Etanol - producción, Residuos de café, Lignocellulosic materials, Coffee cut-stems, Pinus sawdust (variety Pátula), Simultaneous Saccharification, Fermentation and Extractive Process (SSFE), Ethanol - production, Coffee by-products
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering
Unidad administrativa:Sede Manizales > Facultad de Ingeniería y Arquitectura > Departamento de Ingeniería Química
Código ID:72387
Enviado por : Magister Roberto Arturo Agudelo Aguirre
Enviado el día :30 May 2019 21:34
Ultima modificación:06 Junio 2019 20:10
Ultima modificación:06 Junio 2019 20:10
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