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5.3: Pretratamiento de Biomasa Lignocelulósica

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    Cuando se usa la palabra carbohidrato, normalmente pienso en los carbohidratos en los alimentos. Los carbohidratos son los azúcares y unidades complejas compuestas por azúcares. En esta sección se describirá cada uno.

    Los azúcares también se llaman sacáridos. Las unidades monoméricas son unidades individuales de azúcares llamadas monosacáridos. Las unidades dímeras son unidades dobles de azúcares llamadas disacáridos. Los polímeros contienen múltiples unidades de monómeros y dímeros y se denominan polisacáridos.

    Entonces, ¿qué son los monosacáridos típicos? Están conformadas por una molécula que se encuentra en una estructura de anillo con carbonos y oxígeno. La Figura 5.9a muestra la estructura de la glucosa; está conformada por C 6 H 12 O 6. La glucosa se distingue por su estructura: cinco carbonos en el anillo con un oxígeno; CH 2 OH unido a un carbono; y grupos OH y H unidos a los otros carbonos. Este azúcar se conoce como azúcar en la sangre y es una fuente inmediata de energía para la respiración celular. La Figura 5.9b muestra galactosa junto a la glucosa, y podemos ver que la galactosa es casi como la glucosa, excepto en el carbono No. 4 el OH y H son un isómero y apenas ligeramente diferentes (resaltados en rojo en la molécula de galactosa). La galactosa es un monómero de azúcar en leche y yogur. La Figura 5.9c muestra fructosa; aunque todavía tiene una fórmula química similar a la glucosa (C 6 H 12 O 5), es un anillo de cinco miembros con carbonos y oxígenos, pero dos grupos CH 2 OH. Este es un azúcar que se encuentra en la miel y las frutas.

    Estructura de glucosa con carbonos numerados
    Figura 5.9a: Estructura de glucosa con carbonos numerados.

    Crédito: Palaeos.com

    Estructura de galactosa junto a glucosa para resaltar la principal diferencia en las estructuras.
    Figura 5.9b: Estructura de galactosa junto a glucosa para resaltar la principal diferencia en las estructuras.

    Crédito: Palaeos.com

    Estructura de fructosa.
    Figura 5.9c: Estructura de fructosa.

    Crédito: Palaeos.com

    También tenemos disacáridos como azúcares en los alimentos. Los disacáridos son dímeros de los monómeros que acabamos de discutir y se muestran a continuación. Uno de los disacáridos más comunes es la sacarosa, que es azúcar de mesa común y se muestra en la Figura 5.10a. Es un dímero de glucosa y fructosa. Otro dímero común de azúcar es la lactosa. Es el azúcar principal en la leche y un dímero de galactosa y glucosa (ver Figura 5.10b). La maltosa (5.10c) también es un dímero de azúcar, pero es un producto de la digestión del almidón. Es un dímero compuesto por glucosa y glucosa. En la siguiente sección, discutiremos en qué están compuestos el almidón y la celulosa para ver por qué la maltosa es un producto de la digestión del almidón.

    Estructura química de sacarosa (glucosa + fructosa)
    Figura 5.10a: Estructura química de la sacarosa (glucosa + fructosa).

    Crédito: Mundo de Moléculas

    Lactosa (galactosa + glucosa)
    Figura 5.10b: Lactosa (galactosa + glucosa).

    Crédito: Optushome.com

    Estructura química de maltosa (glucosa + glucosa)
    Figura 5.10c: Estructura química de maltosa (glucosa + glucosa).

    Crédito: Maltosa Haworth: de Wikimedia Commons

    Estructura de carbohidratos

    Todos los polímeros de carbohidratos son monómeros que conectan con lo que se llama un enlace glicosídico. Por ejemplo, la sacarosa es un dímero de glucosa y fructosa. Para que se forme el vínculo, hay una pérdida de H y OH. Entonces, otra forma de mostrar esto es:

    \[\ce{C12H22O11 = 2 C6H12O6 − H2O}\]

    Existe una gran variedad de fuentes de biomasa lignocelulósica, que incluye residuos agrícolas (es decir, rastrojo de maíz), desechos forestales de muebles y construcción de viviendas, residuos sólidos municipales y cultivos energéticos. Todos se ven muy diferentes, pero todos están compuestos de celulosa, hemicelulosa, lignina y otros compuestos menores. La Figura 5.14a muestra pasto eléctrico (con partes ampliadas para enfatizar diferentes partes de la estructura de la planta). Una vez que llegas a la estructura de las microfibrillas, podrás ver los componentes de la microfibrilla, que incluye lignina en la capa exterior, hemicelulosa en la siguiente capa, y finalmente, celulosa. Debido a la estructura, la lignocelulosa es difícil de descomponer, lo que se conoce como recalcitrancia. Para llegar a la celulosa hay que abrir la pared celular, eliminar o separar la lignina de la hemicelulosa y la celulosa, y luego la celulosa, de naturaleza cristalina, tiene que descomponerse. Todos estos pasos son resistentes al ataque microbiano, por lo que se utilizan métodos de pretratamiento para descomponerlo. Es decir, la recalcitrancia de biomasa requiere pretratamiento.

    Las células vegetales tienen paredes celulares que son una malla en capas de microfibrillas, las microfibrillas están hechas de celulosa cristalina
    Figura 5.14a: Switchgrass, a células vegetales, a malla de microfibrillas, a estructura de microfibrillas, a celulosa cristalina a una molécula de celulosa.

    Crédito: Rosa Estela Quiroz-Castañeda y Jorge Luis Folch-Mallol (2013). Hidrólisis de Biomasa Mediada por Celulasas para la Producción de Azúcares, Degradación Sostenible de Biomasa Lignocelulósica - Técnicas, Aplicaciones y Comercialización, Dr. Anuj Chandel (Ed.)

    Otra perspectiva

    Puede acceder al siguiente artículo de revista en línea para ver otra ilustración de lignocelulosa, pero con el componente de lignina incluido (Fig. 1):

    El pretratamiento es el paso más costoso; sin embargo, el único paso del proceso más costoso que el pretratamiento es el no pretratamiento. Sin pretratamiento, los rendimientos son bajos y aumentan todos los demás costos, más que la cantidad ahorrada sin pretratamiento. El aumento de los rendimientos con pretratamiento reduce todos los demás costos unitarios. La Figura 5.15 muestra un esquema del papel que juega el pretratamiento. El pretratamiento, dependiendo del método, separará la lignina, la hemicelulosa y la celulosa. La Figura 5.15 muestra cómo estos se rompen. Parte de la lignina y la hemicelulosa se disuelven en líquido durante la hidrólisis, y parte de la lignina y la celulosa se dejan como un residuo sólido. Hay una descomposición parcial de las moléculas poliméricas, y la celulosa es ahora más accesible al ataque microbiano.

    Diagrama de pretratamiento: la biomasa se rompe en hidrolizado líquido (lignina y hemicelulosa) y residuo sólido (lignina y celulosa)
    Figura 5.15: El papel del pretratamiento en la ruptura de partes de biomasa.

    Crédito: BEEMS

    El pretratamiento es costoso y afecta tanto a los procesos upstream como downstream. En el lado aguas arriba, puede afectar cómo se recolecta o cosecha la biomasa, así como la trituración de la biomasa. Aguas abajo del pretratamiento, la producción de enzimas puede verse afectada, lo que a su vez afectará la hidrólisis enzimática y la fermentación del azúcar. El pretratamiento también puede afectar el acondicionamiento de hidrolizados y la fermentación de hidrolizados. Los productos elaborados y el eventual procesamiento final también se verán afectados por el pretratamiento. Sin embargo, es más costoso no hacer pretratamiento.

    Existen dos tipos diferentes de pretratamiento. Los efectos físicos alteran la estructura de orden superior y aumentan el área de superficie y la penetración química/enzimática en las paredes celulares de la planta, e incluyen la reducción mecánica del tamaño y la liberación de fibra. Los efectos químicos incluyen solubilización, despolimerización y ruptura de entrecruzamientos entre macromoléculas. Los componentes individuales pueden “hincharse”, dependiendo del disolvente orgánico o ácido utilizado. La lignina se puede “redistribuir” en una solución, y la lignina y los carbohidratos se pueden despolimerizar o modificar químicamente.

    Se discutirán con mayor profundidad las siguientes tecnologías de pretratamiento: 1) reducción de tamaño, 2) método de pH bajo, 3) método de pH neutro, 4) método de pH alto, 5) separación de solventes orgánicos, 6) separación de líquidos iónicos y 7) tratamientos biológicos.


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