6. Bioetanol din lignoceluloză

6.1. Disponibilitatea materialelor lignocelulozice

Preţul materiilor prime extrem de volatil poate afecta costurile de producţie a

bioetanolului. Materia lignocelulozicǎ poate servi ca materie primǎ ieftinǎ şi abundentǎ,

neceasarǎ pentru a produce bioetanol din surse regenerabile, la costuri rezonabile. În

2007 , Departamentul de Energie al SUA a alocat mai mult de 1 miliard de dolari

pentru proiecte privind dezvoltarea producţiei bioetanolului lignocelulozic, cu scopul

de a face combustibil competitiv la 1.33 dolari/galon pânǎ în 2012. Nivelul de sprijin

oferit de UE este mai mic, dar este însǎ semnificativ (aproximativ 68 milioane de dolari

în 2006).

Materialele lignocelulozice pot fi clasificate în patru grupe, pe baza tipului de resursǎ:

1. reziduuri forestiere;

2. deşeuri municipale solide;

3. deşeuri de hârtie;

4. reziduuri din agricultură.

În literatura de specialitate apar diferite rapoarte care descriu utilizarea ca

materie primǎ a diverse deşeuri lignocelulozice cum ar fi: paie de orez, coceni de

porumb, plante ierboase, reziduuri de palmier etc.

Materialele lignocelulozice ar putea produce pâna la 442 miliarde de litri de

bioetanol pe an. Paiele de orez reprezintǎ una dintre cele mai abundente surse de

deşeuri lignocelulozice din lume. Anual se produce aproximativ 731 milioane de tone ,

fiind distibuite astfel: în Africa (20,9 milione de tone), Asia (667,6 milioane de tone),

Europa (3,9 milioane de tone), America (37,2 milioane de tone) şi Oceania (1,7

milioane de tone). Aceastǎ sumǎ de paie de orez poate produce 205 miliarde de litri de

bioetanol/an, reprezentând ce mai mare cantitate dintr-o singurǎ materie primǎ de

biomasǎ.[10]

6.1.2. Structura chimicǎ şi componentele de bazǎ ale materialelor

lignocelulozice.

Compoziţia chimicǎ a materialelor lignocelulozice este un factor-cheie

influenţând eficienţa producţiei de biocombustibil în timpul proceselor de conversie.

Compoziţia structuralǎ şi chimicǎ a materiei lignocelulozice este variabilǎ, datoritǎ

27

influenţei factorilor genetici şi de mediu şi interactiunii acestora. Un exemplu tipic de

compoziţie chimicǎ a materialelor lignocelulozice este de 48% din greutate carbon, 6%

din greutate hidrogen şi 45% din greutate oxigen, materiile anorganice fiind o

componentǎ minorǎ. O analizǎ fǎcutǎ paielor de orez şi paielor de grâu prezintǎ

urmǎtoarele componente: substanţe volatile (65,47%, 75,27%), carbon fix (15,86%,

17,71%) şi respectiv cenuşǎ(18,67%, 7,02%).

Lignocelulozicele constau în pincipal în celulozǎ, hemicelulozǎ şi ligninǎ;

aceste componente constituind aproximativ 90% din materia uscatǎ a biomasei, restul

constând de exemplu în compusi extractibili şi cenuşǎ. Structura de bazǎ a tuturor

elementelor biomasei lemnoase este formatǎ din trei polimeri:

-celulozǎ( )

-hemicelulozǎ cum ar fi xilan ( )m

-ligninǎ [ ]n

Proporţia dintre aceste elemente constitutive ale lemnului variazǎ de la o specie

la alta, şi existǎ diferenţe distincte între lemnul de esenţǎ tare şi rǎşinoase. Conţinutul

de celulozǎ +hemicelulozǎ este mai mare în lemnul de esenţǎ tare (78,8%) decât în

rǎşinoase (70,3%), însǎ conţinutul de ligninǎ este mai mare în rǎşinoase (29,2%) decât

în lemnul de esenţǎ tare (21,7%) Compoziţia structuralǎ a diferitelor tipuri de biomasǎ-

lignocelulozicǎ sunt prezentate în Tabelul 6.1.1.

Tabel 6.1.1 Compoziţia structuralǎ a diferitelor tipuri de biomasǎ lignocelulozicǎ[10]

Celuloza şi hemiceluloza care de obicei alcǎtuiesc douǎ treimi din substanţa

uscatǎ a peretelui celular sunt polizaharide care pot fi hidrolizate la zaharuri şi apoi

28

fermentate la bioetanol. Performanţǎ procesului, adicǎ randamentul de bioetanol pe

unitatea de biomasǎ, este legatǎ direct de conţinutul de celulozǎ, hemicelulozǎ şi

concentraţia de zaharuri ce pot fi obtinute din materiile prime. Lignina nu poate fi

folositǎ pentru producţia de bioetanol .

Celuloza, componenta majorǎ a biomasei vegetale (30-60% din totalul de

materie primǎ uscatǎ), este un polimer linear de glucozǎ , orientarea legǎturilor de

hidrogen face polimerul rigid şi dificil de rupt. În hidrolizǎ polizaharida este ruptǎ de

molecula de zahǎr liber prin adǎugarea de apǎ. Acest proces mai este cunoscut şi sub

numele de zaharificare. Produsul , glucoza este un zahǎr cu şase atomi de carbon.

Figura 6.1.1. Structura celulozei

Hemiceluloza (20-40% din materia primǎ totalǎ în stare uscatǎ) este un polimer

scurt şi foarte ramificat , format din zaharuri cu cinci atomi de carbon (pentose) şi şase

atomi de carbon (hexoze).

Figura 6.1.2. Structura hemicelulozei

29

Concret, hemiceluloza conţine xilozǎ şi arabinozǎ (zaharuri cu cinci atomi de

carbon) şi galactozǎ, glucozǎ şi manozǎ (zaharuri cu şase atomi de carbon).

Hemiceluloza este mai uşor de hidrolizat decât celuloza, din cauza structurii sale

ramificate şi caracterului amorf. Zaharuri dominante în hemicelulozǎ sunt manoza în

rǎşinoase şi xiloza în foioase şi reziduurile provenite din agriculturǎ.

Figura 6.1.3. Monozaharide componente ale hemicelulozei

Lignina(15-25% din materia prima totalǎ în stare uscatǎ) este un polimer

aromatic format din precursori de tip fenilpropanoid. Unitǎţile de bazǎ fenilpropan din

ligninǎ sunt legate printr-o serie de legǎturi pentru a forma o matrice complexǎ. Aceastǎ

matrice cuprinde o varietate de grupe funcţionale, cum ar fi hidroxil, metoxil şi

carbonil, care conferǎ o polaritate mare macromoleculei de ligninǎ.

1) 3-(4-Hydroxyphenyl)-2-propen-1-ol (p-coumaryl alcohol) (1);

2) 3-(3-methoxy-4-hydroxyphenyl)-2-propen-1-ol (coniferyl alcohol) (2);

3) 3-(3,5-dimethoxy-4-hydroxyphenyl)-2-pro-pen-1-ol (sinapyl alcohol) (3);

Figura 6.1.4. Componentele ligninei

Rǎşinoasele conţin, în general, mai multǎ ligninǎ decât lemnul de esenţǎ tare.

Conţinutul de ligninǎ pe o bazǎ uscatǎ în rǎşinoase şi lemn de esenţǎ tare variazǎ în

30

general de la 20% la 40% din greutate, iar la speciile erbacee, cum ar fi bagasa, coji de

alune, coji de orez şi paie reprezintǎ 10%-40%din greutate. Lignina este unul dintre

dezavantajele de a folosi ca materie prima biomasa lignocelulozicǎ în fermentaţie, acest

polimer face lignoceluloza rezistentǎ la degradarea chimicǎ şi biologicǎ.

Figura 6.1.5..Structura ligninei.

6.1.3.Obţinerea bioetanolului din materiale lignocelulozice pe cale biochimicǎ

Conversia biochimicǎ a materialelor lignocelulozice prin zaharificare şi

fermentaţia reprezintǎ o cale majorǎ pentru producţia bioetanolului din biomasǎ.

Bioconversia lignocelulozei la bioetanol este dificilǎ din urmatoarele motive:

1) rezistenţa biomasei la separarea pe componente;

2) varietatea zaharurilor care sunt eliberate atunci când polimeri ca

hemiceluloza şi celuloza sunt rupţi, aceste zaharuri necesitǎ utilizarea unor organisme

care sǎ fermenteze eficient ;

3) costuri pentru colectarea şi stocarea materiilor lignocelulozice cu densitate

scǎzutǎ.

Generic schema bloc de producere a bioetanolului din materiale lignocelulozice

este datǎ de Figura 6.1.6. Etapele de bazǎ ale procesului de producere a bioetanolului

din materiale lignocelulozice sunt: pretratament, hidrolizǎ, fermentaţie şi

separare/distilare de produse.

31

Figura 6.1.6 Schema bloc de producere a bioetanolului din biomasa lignocelulozica . Posibilitǎţiile de intergrare reacţie-reacţie sunt prezentate în interiorul cutiilor umbrite. SSF-

zaharificare şi fermentare simultanǎ; SSCF-zaharificare simultanǎ şi co-fermentare. Principalele componente sunt: C-celulozǎ; H-hemicelulozǎ,L-ligninǎ, G-glucozǎ, P-pentoze , I-inhibitori; EtOH-

etanol.[10]

6.1.3.1.Pretratarea materialelor lignocelulozice

Rezistenţa lignocelulozei la tratament este una dintre barierele majore pentru

producţia economicǎ a bioetanolului. Abordarea tehnicǎ pentru rigiditatea este

pretratarea materiei prime lignocelulozice pentru a elimina barierele şi a face mai

accesibilǎ celuloza pentru enzimele hidrolitice pentru conversia la glucozǎ. Obiectivele

de pretratare a materialelor lignocelulozice sunt prezentate in Figura 6.1.7.

32

Figura 6.1.7. Schema de pretratare a materialelor lignocelulozice[10]

În cazul în care pretatarea nu este destul de eficientǎ, reziduurile nu sunt uşor

hidrolizabile de enzima celulazǎ şi dacǎ aceasta este mai severǎ, rezultatul fiind

producţia de compuşi toxici care inhibǎ metabolismul microbian.

Pretratarea a fost privitǎ ca una dintre cele mai scumpe etape de prelucrare a

conversiei biomasei la zaharul fermentabil. Existǎ un enorm potenţial de reducere a

costurilor de pretratare a procesului prin abordari ample de cercetare şi dezvoltare.

Pretratarea biomasei lignocelulozice în mod rentabil este o provocare majorǎ pentru

cercetarea şi dezvoltarea tehnologiei bioetanolului.

6.1.3.1.1.Pretratarea fizicǎ

a.Pulverizarea mecanicǎ. Materialele lignocelulozice pot fi marunţite printr-o

combinaţie de spargere, mǎcinare şi frezare, pentru a reduce cristalinitatea celulozei.

Dimensiunea materialelor este de obicei 10-30mm dupǎ spargere şi 0.2-2mm dupǎ

frezare sau rectificare. În reducerea cristalinitǎţii celulozei, frezarea cu mingea

vibratoare s-a dovedit a fi mai eficientǎ decât frezarea cu bile obişnuite. Cerinţele de

alimentare depind de pulverizarea mecanicǎ, de marimea finalǎ a particulelor şi

caracteristicile biomasei. Cerinţele de alimentare cresc rapid cu scǎderea dimensiunii

particulelor, dupǎ cum aratǎ Figura 6.1.7..

33

Figura 6.1.7. Reprezentarea graficǎ a marimii particulei în funcţie de puterea necesarǎ[10]

b.Piroliza. Piroliza a fost de asemenea utilizatǎ pentru pretratarea materialelor

lignocelulozice, deoarece biomasa poate fi utilizatǎ ca substrat pentru o pirolizǎ rapidǎ,

pentru conversia termicǎ de celulozǎ şi hemicelulozǎ în zaharuri fermentabile cu

randamente bune. Când materialele celulozice sunt tratate la temperaturi mai mari de

573K, celuloza se descompune rapid pentru a produce produse gazoase şi carbune

rezidual.

6.1.3.1.2. Pretratarea fizico-chimicǎ

a.Explozia de aburi (autohidroliza). Explozia de aburi este cea mai frecvent

utilizatǎ metodǎ de tratare prealabilǎ a materialelor lignocelulozice. Efectele exploziei

cu abur :

1) tratamentul cu explozie de aburi creşte cristalinitatea celulozei şi promoveazǎ

cristalinitatea portiunilor amorfe;

2) hemiceluloza este uşor de hidrolizat de tratamentul cu explozie de aburi;

3) nu existǎ nici odovada cǎ explozia de aburi promoveazǎ delignifierea.

În aceastǎ metodǎ biomasa marunţitǎ este tratatǎ la presiune mare cu abur

saturat, apoi presiunea este redusǎ rapid, ceea ce face ca materialul sǎ fie supus unei

descompuneri explozive. Explozia de aburi în comparaţie cu alte metode de

pretratament, oferǎ potenţial pentru investiţii de capital mai mici, un impact

34

semnificativ mai mic asupra mediului, eficienţǎ energeticǎ, procesul chimic este mai

puţin periculos şi condiţii complete de recuperare a zahǎrului. Metodele mecanice

convenţionale necesitǎ cu 70% mai multǎ energie decât explozia de aburi. Aceastǎ

metodǎ este consideratǎ ca fiind cea mai rentabilǎ opţiune pentru reziduurile provenite

de la lemnul de esenţǎ tare şi pentru deşeurile agricole, dar este mai puţin eficientǎ

pentru pentru reziduurile provenite de la lamnul de esenţǎ moale. Cei mai importanţi

factori care afecteazǎ eficacitatea exploziei de aburi sunt: mǎrimea particulei,

temperatura şi timpul de şedere.

b. Tratarea cu amoniac a biomasei. Explozia cu amoniac a fibrelor (AFEX)

este unul dintre procesele alcaline de pretratere fizico-chimicǎ. În acest proces,

materialul lignocelulozic în amestec cu amoniacul este supus unor temperaturi şi

presiuni mari, precum şi ulterior unei decompresii rapide, similarǎ exploziei cu abur,

care determinǎ o zaharificare rapidǎ a materialului lignocelulozic. Într-un proces tipic

AFEX, doza de amoniac lichid este de 1-2 kg amoniac/ kg de biomasǎ uscatǎ,

temperatura este de 363K, iar timpul de şedere este de 30 de minute. Parametrii efectivi

în procesul AFEX sunt amoniacul de încǎrcare, temperatura, apa de încǎrcare,

presiunea de purjare, timpul şi numǎrul de tratamente.

c. Pretratarea lichidǎ cu apǎ caldǎ. Pregǎtirea materialelor lignocelulozice în

apǎ fierbinte (LHW) este unul dintre procesele de pretratare hidrotermalǎ aplicate

pentru pretratarea materiei lignocelulozice cu câteva decenii în urmǎ în fosta industrie a

celulozei. Metoda LHW pentru biomasǎ, cu apǎ caldǎ la presiune ridicatǎ şi pe o

perioadǎ fixǎ, prezintǎ rate crescute de recuperare pentru pentoze şi genereazǎ o

cantitate scǎzutǎ de inhibitori. Acest proces de pretratare implicǎ, de obicei, temperaturi

de 473-503 K pentru un timp de15 minute. Aproximativ 40-60% din masa totalǎ este

dizolvatǎ în acest proces, cu 4-22% din celulozǎ, 35-60% din ligninǎ , toatǎ

hemiceluloza fiind eliminatǎ. În cazul în care pH-ul este menţinut între 4-7, degradarea

zaharurilor poate fi minimizatǎ.

6.1.3.1.3.Pretratarea chimicǎ

a.Ozonoliza. Ozonoliza implicǎ folosirea de gaze cu ozon pentru a rupe lignina

şi hemiceluloza şi pentru a creşte biodegradabilitatea celulozei. Pretratarea se

desfǎşoarǎ de obicei la temperatura camerei fiind eficientǎ la indepǎrtarea ligninei fǎrǎ

formarea de produse toxice. S-a demostrat cǎ prin ozonolizǎ se distruge 49% din

35

ligninǎ la tulpinile de porumb şi 55-59% din ligninǎ la autohidroliza tulpinilor de

porumb. Într-un studiu, paiele de grâu şi secarǎ au fost pretratate cu ozon pentru a

creşte în mare masurǎ la hidroliza enzimaticǎ potenţialul de zaharuri fermentabile. La

hidroliza enzimaticǎ au fost obţinute randamente de 88,6% şi 57% pentru paiele de grâu

şi secarǎ supuse pretratǎrii cu ozon, în comparaţie cu 29% şi respectiv 16% pentru

paiele de grâu şi secarǎ non-ozonate. Un inconvenient al ozonolizei este faptul cǎ avem

nevoie de o cantitate mare de ozon, ceea ce poate face procesul costisitor.

b.Pretratarea alcalinǎ. Pretratarea alcalinǎ se referǎ la aplicarea de soluţii

alcaline pentru a elimina lignina şi diverşi substituenţi de acid uronic pe hemicelulozǎ

care scad accesibilitatea enzimelor la celulozǎ şi hemicelulozǎ. Acest proces utilizeazǎ

temperaturi şi presiuni mai scǎzute în comparaţie cu alte tehnologii de pretratare.

Pretratarea alcalinǎ poate fi efectuatǎ la condiţii de mediu, dar timpul de pretratare este

mǎsurat în termeni de ore sau zile, mai degrabǎ decât minute sau secunde. Indiferent de

avantaje, aceastǎ metodǎ prezintǎ dificultǎţi din punct de vedere al economiei

procesului de obţinere al combustibilului. Hidroxidul de sodiu, de potasiu , calciu şi

hidroxidul de amoniu sunt produse chimice adecvate pentru pretratare. Dintre acestea

patru, NaOH a fost studiat cel mai mult.Biomasa lignocelulozicǎ se trateazǎ cu NaOH

provocând umflarea, conducând la o creştere a suprafeţei interne, o scǎdere în

cristalinitate separarea de legǎturi structurale între ligninǎ şi carbohidraţi, şi perturbare

a structurale între ligninǎ şi carbohidraţi şi perturbarea structurii ligninei. Aceastǎ

metodǎ este foarte eficientǎ pentru lemnul de esenţǎ tare ducând la scǎderea

conţinutului de ligninǎ de la 24- 55% la 20%, însǎ nu are nici un efect pentru rǎşinoase

cu un conţinut de lignocelulozǎ mai mare de 26%.

Varul ( ), comparativ cu şi are costuri mai mici şi cerinţe

de siguranţǎ mai puţin semnificative. Acesta poate fi recuperat de la hidrolizǎ, prin

reacţia cu , astfel formeazǎ carbonatul care apoi poate fi reconvertit la var. Pentru a

face pretratamentul cu var la fel de eficient ca pretratamentul cu alte baze, este necesar

sǎ se foloseascǎ condiţii adecvate de pretratare.Varul, apa şi un agent oxidant (aer sau

O2) sunt amestecate cu biomasa la temperaturi cuprinse între 313-423K pentru o

perioadǎ cuprinsǎ de la ore la sǎptǎmâni. Douǎ tipuri de pretratament cu var au fost

explorate: (1) pe termen scurt şi (2) pe termen lung. Pretratarea cu var pe termen scurt

implicǎ fierberea biomasei cu o încǎrcǎturǎ de var 0.1g Ca(OH)2/ g de biomasǎ uscatǎ

la temperaturi de (358-480K) pentru 1-3h. Pretratarea pe termen lung implicǎ utilizarea

36

aceleiaşi încǎrcǎturi de var la temperaturi mai mici (313-328 K) pentru 4-6 sǎptǎmâni

în prezenţǎ de aer.

c.Pretratamentul acid. Pretratamentul acid are scopul de a realiza randamente

ridicate de zaharuri din materiale lignocelulozice. Acest pretratament acid implicǎ

utilizarea de acizi sulfuric, azotic, clorhidric sau implicǎ eliminarea componentelor

hemicelulozice si expune celuloza pentru digestia enzimaticǎ. El poate funcţiona fie sub

o concentraţie scǎzutǎ de acid şi temperaturi ridicate(pretratamentul cu acid diluat) sau

la temperaturi scǎzute şi concentratie ridicatǎ de acid(pretratamentul cu acid

concentrat). Hidroliza cu acid diluat a fost dezvoltatǎ cu succes pentru pretratarea

materialelor lignocelulozice. Pretratamentul cu acid diluat funcţioneaza destul de bine

pentru materii prime agricole,cum ar fi coceni de porumb şi paie de orez şi grâu. În

timp ce metodele pretratǎrii cu acid diluat sunt cunoscute pentru îmbunǎtǎţirea

hidrolizei enzimatice, costul acestora este relativ mare în comparaţie cu pretratǎrile

fizico-chimice. Aceastǎ metodǎ de pretratare oferǎ rate mari de reacţie şi îmbunǎtǎţeşte

semnificativ hidroliza celulozei. Existǎ în principal douǎ tipuri de pretratare cu acid

dilua: solide de încǎrcare scǎzutǎ (5-10%[w/w]), temperaturǎ ridicatǎ (T>433K),

procese în flux continuu şi solide de mare încǎrcare (10-40%[w/w]) temperaturǎ mai

micǎ, procesele de lot. Temperaturi, în general mai mari de pretratare şi durate scurte

de şedere în reactor au ca rezultat solubilitate, randamente mai mari de recuperare a

xilozei şi creşterea digestibilitǎţii enzimatice a celulozei. Pretratamentul cu acid diluat

la temperaturi ridicate s-a dovedit a creşte digestibilitatea celulozei din reziduurile

pretratate. În funcţie de substrat şi condiţiile utilizate , între 80-95% din zaharurile

hemicelulozice pot fi recuperate de la pretratarea cu acid diluat a biomasei

lignocelulozice.

În ultimii ani, tratarea biomasei lignocelulozice cu acid sulfuric diluat a fost

utilizat în principal ca un mijloc de hidrolizǎ a hemicelulozei şi pretratare pentru

hidroliza enzimaticǎa celulozei. Acidul sulfuric, de obicei, la concentraţii mai mici de

4% în greutate, a fost de cel mai mare interes în astfel de studii, deoarece este ieftin şi

eficace. Pretratamentul cu acid sulfuric diluat al materiei lignocelulozice (0.2-2.0% acid

sulfuric, 394-493K), serveşte la trei funcţii importante în procesul de conversie : (1)

hidroliza componentei hemicelulozice pentru a produce un sirop de zaharuri

monomerice , (2) expunerea celulozei pentru digestia enzimaticǎ prin îndepǎrtarea

hemicelulozei şi o parte din ligninǎ şi (3)solubilizarea metalelor grele care pot

37

contamina materia primǎ. În ciuda acestor avantaje, acidul sulfuric are unele

dezavantaje importante: (1)coroziunea materiilor prime utilizate la construcţia

utilajelor, (2) prehidroliza acidǎ trebuie neutralizatǎ înainte continuarea fermentaţiei

zaharurilor, (3) gipsul format în urma neutralizǎrii cu are o solubilitate

problematicǎ, (4) formarea de produse de degradare şi de eliberare a inhibitorilor de

fermentaţie naturalǎ a biomasei sunt alte caracteristici ale pretratamentului acid, (5) este

necesarǎ eliminarea de sǎruri de neutralizare şi (6) este necesarǎ reducerea dimensiunii

particulelor biomasei.

6.1.3.1.4.Pretratamentul biologic

Pretratarea biologicǎ implicǎ microorganisme, cum ar fi ciuperci de putregai

albe şi maro sunt cele mai eficiente pentru pretratarea biologicǎ a materiei

lignocelulozice. Avantajele acestui tip de pretratament includ cerinţe reduse de energie

şi condiţii de uşoare de mediu. Cu toate acestea, rata de hidrolizǎ în procesul de

pretratare biologicǎ este foarte scǎzutǎ.

6.1.3.2.Tehnologii utilizate la hidrolizǎ

Polimerii glucidici din materialele lignocelulozice necesitǎ pentru a fi

transformate în zaharuri simple, înaintea procesului de fermentaţie, aplicarea unui

proces numit hidrolizǎ. Recent au fost descrise diverse metode pentru hidroliza

materialelor lignocelulozice. Metodele aplicate cel mai frecvent pot fi clasificate în

douǎ grupe : hidroliza chimicǎ (cu acid diluat şi concentrat) şi hidroliza enzimaticǎ.

Existǎ câteva alte metode de hidrolizǎ în care sunt utilizate procedee neconventionale.

De exemplu, lignoceluloza poate fi hidrolizatǎ prin iradierea cu radiaţii gamma sau

iradierea cu electroni acceleraţi sau iradierea cu microunde. Cu toate acestea, aceste

procese sunt comercial neimportante.Mai multe produse pot rezulta în urma procesului

de hidrolizǎ a materialului lignocelulozic dupǎ cum putem vedea în Figura 6.1.8.

38

Figura 6.1.8. Principalele produse de degradare care apar în timpul hidrolizei materialelor lignocelulozice[10]

Hemiceluloza este hidrolizatǎ la xilozǎ, manozǎ, acid acetic, galactozǎ şi glucoza. Principala aplicaţie a xilozei este bioconversia sa la xilitol, un îndulcitor funcţional cu proprietǎţi tehnologice importante. Hidroliza hemicelulozei poate fi generalizatǎ ca:

( 1)

39

Figura 6.1.9.Conversia hemicelulozei la xilozǎ

Degradarea xilanului duce la opt produse principale: apǎ, metanol, acid formic,

acid acetic, acid propionic, 1-hidroxipropanonǎ, 1-hidroxi-2-butanonǎ şi furfuraldehide.

În condiţii de temperaturǎ şi presiune ridicatǎ xiloza este degradatǎ în continuare la

furfurol. În mod similar, 5-hidroximetil-furfurolul (HMF) este format din degradarea

hexozelor.

Celuloza este hidrolizatǎ la glucozǎ, urmǎtoarea reacţie este propusǎ pentru

hidroliza celulozei:

(2)

40

Figura 6.1.10. Conversia celulozei la glucoza

6.1.3.2.1.Hidroliza chimicǎ

Hidroliza chimicǎ implicǎ expunerea materialelor lignocelulozice unei substanţe

chimice pentru o perioadǎ de timp la o temperaturǎ specificǎ, rezultând monomeri de

zahǎr din polimerii celulozǎ şi hemicelulozǎ. În hidroliza chimicǎ , pretratarea şi

hidroliza pot fi efectuate într-un singur pas. Acizii sunt predominant aplicaţi în

hidroliza chimicǎ. Existǎ douǎ tipuri de hidrolizǎ cu acid: cu acid diluat şi concentrat,

fiecare cu variaţii.

a.Hidroliza cu acid diluat. Hidroliza cu acid diluat,este cea mai veche

tehnologie de conversie a biomasei celulozice la bioetanol. Acest proces se desfǎşoarǎ

la temperaturi şi presiuni ridicate şi are un timp de reacţie de câteva secunde sau

minute, care faciliteazǎ prelucrarea continuǎ. Procesul cu acid diluat implicǎ o soluţie

de de concentraţie 1%, într-un reactor cu flux continuu,la o temperaturǎ ridicatǎ

(aproximativ 488K). Cele mai multe procese de hidrolizǎ cu acid diluat sunt limitate la

un randament de recuperare a zahǎrului de aproximativ 50%. Combinaţia de acid,

temperaturǎ şi presiune ridicatǎ, face necesarǎ utilizarea unor materiale speciale pentru

confecţionarea rectorului, ceea ce face procesul costisitor. Prima etapǎ converteşte

materialul lignocelulozic la zahǎr, iar a doua etapǎ converteşte zahǎrul la alte substanţe

chimice. Prima etapǎ se desfǎsoarǎ în condiţii blânde (0,7% , 463K), pentru a

recupera zaharurile cu cinci atomi de carbon, în timp ce etapa a doua etapa solidele

rǎmase cu mult mai rezistente decât celuloza sunt supuse unor condiţii mai aspre

41

(488K, dar 0.4% , pentru a zaharurile cu şase atomi de carbon. Randamentele

experimentelor moderne pentru acest proces de hidrolizǎ acidǎ în douǎ etape sunt : 89%

pentru manozǎ, 82% pentru galactozǎ, dar numai 50% pentru glucozǎ cu o conversie a

glucozei în etanol de 90% din valoarea maximǎ teoreticǎ. Schema fluxului de operaţii

pentru procesul de hidrolizǎ cu acid diluat este prezentatǎ în Figura 6.1.11. Provocarea

principalǎ pentru procesul de hidrolizǎ cu acid diluat este de a obţine randamente de

glucozǎ mai mari de 70%.

Figura 6.1.11. Hidroliza cu acid diluat (într-o etapǎ sau în douǎ etape) şi fermantarea

separatǎ a pentozelor si hexozelor [10]

b.Hidroliza cu acid concentrat. Acest proces presupune pretratarea cu un acid

(diluat sau concentrat) pentru a elibera zaharuri hemicelulozice, în timp ce etapa

ulterioarǎ necesitǎ uscarea biomasei, urmatǎ de adǎugarea de acid sulfuric concentrat

(70-90%). Concentraţia acidului folosit în acidohidroliza concentratǎ este cuprinsǎ în

intervalul 10-30%. Reacţiile sunt de obicei mult mai multe decât în procesul de

hidrolizǎ cu acid diluat.Acest proces oferǎ o conversie rapidǎ şi completǎ a celulozei la

glucozǎ şi a hemicelulozei la zaharuri cu cinci atomi de carbon . Factorii critici necesari

pentru a face acest proces viabil din punct de vedere economic sunt de recuperare a

zahǎrului şi optimizarea costului efectiv prin recuperarea acidului pentru recirculare.

42

În comparaţie cu hidroliza cu acid diluat, hidroliza cu acid concentrat duce la o

degradare micǎ a zahǎrului, oferind randamente alezahǎrului ce se apropie de 100%.

Tabelul 6.1.2. prezintǎ randamente de obţinere a bioetanolului din tulpini de porumb

prin hidroliza cu acid sulfuric concentrat . Procesul cu acid cu acid sulfuric concentrat

oferǎ un potenţial mai mare pentru reducerea costurilor decât procesul cu acid diluat.

Cu toate acestea, problemele de mediu , problemele de coroziune, costul ridicat al

acidului şi costurile de recirculare prezintǎ bariere majore pentru succesul economic.

Tabel 6.1.2 Randamentele de obţinere a bioetanolului din tulpini de porumbutilizând hidroliza cu acid diluat[10]

6.1.3.2.2. Hidroliza enzimaticǎ

Hidroliza acidǎ are un dezavantaj major în cazul în care zaharurile sunt

convertite prin degradare în produse de tip gudroane. Aceastǎ degradare poate fi

prevenitǎ prin utilizarea unor enzime care favorizeaza selectiv conversia celulozei la

glucozǎ 100%. Atunci când hidroliza este catalizatǎ de enzime, procesul este cunoscut

ca hidrolizǎ enzimaticǎ. Hidroliza enzimaticǎ a materialelor lignocelulozice este un

proces foarte lent , deoarece procesul de hidrolizǎ a celulozei este împiedicat de

structura parametrilor substratului , cum ar fi lignina şi conţinutul de hemicelulozǎ ,

suprafaţa şi cristalinitatea celulozei. Costul acestui proces este scǎzut în comparaţie cu

hidroliza acidǎ, deoarece este efectuat, de obicei încondiţii uşoare (pH 4.8) şi

43

temperatura (318-323K) şi nu prezintǎ probleme legate de coroziune. Hidroliza

enzimaticǎ are în general randamente ridicate (75-85%) şi îmbunǎtǎţiri sunt încǎ

proiectate (85-95%), acesta este un domeniu de cercetare încǎ nou. Comparaţia între

cele trei procese de hidrolizǎ în ceea ce priveşte condiţiile de proces şi performanţa este

datǎ în Tabelul 6.1.3. Hidroliza enzimaticǎ este o alternativǎ prietenoasǎ pentru mediu

care implicǎ utilizarea de enzime care degradeazǎ carbohidraţii (celulaze şi

hemicelulaze) la hidroliza lignocelulozei în zaharuri fermentabile.

Tabelul 6.1.3. Comparaţie între condiţiile proceselor şi performanţele celor trei procese de hidrolizǎ[10]

6.1.3.3.Fermentaţia

Masa de reacţie obţinutǎ din hidroliza enzimaticǎ a lignocelulozei poate conţine

atât zaharuri cu şase atomi de carbon (hexoze) cât şi cu cinci atomi de carbon (pentoze).

În funcţie de sursa lignocelulozicǎ , hidrolizatul de obicei este format din:glucozǎ,

xilozǎ, arabinozǎ, galactozǎ, manozǎ şi fucozǎ.

6.1.3.3.1. Microorganismele implicate în procesul de fermentaţie

Microorganismele implicate în fermentaţia procesul de fermentaţiepot fi cel mai

bine descrise din punct de vedere al parametrilor de performanţǎ şi alte cerinţe cum ar

fi compatibilitatea cu produsele existente, procesele şi echipamentele folosite.

Parametrii de performanţǎ în procesul de fermentare sunt: gama de temperaturǎ, gama

de pH, toleranţa la alcool, rata de creştere, productivitatea , toleranţa osmoticǎ,

specificitatea, randamentul, stabilitatea geneticǎ şi inhibitorii de toleranţǎ.

În mod tradiţional, Saccharomyces cerevisiae şi Zymomonas mobilis au fost

folosite pentru fermentarea bioetanolului. Ele sunt capabile de a fermenta eficient

glucoza în bioetanol, dar sunt în imposibilitatea de a fermenta xiloza. Xiloza este

fermentatǎ natural de drojdii , cum ar fi Pichia stipitis, Candida shehatae, şi Candida

parapsilosis care pot metaboliza xiloza prin acţiunea xiloz reductazei (XR) pentru a

44

converti xiloza la xilitol, şi prin acţiunea dehidrogenaza xilitol (XDH) pentru a converti

xilitolul la xilulozǎ. [10]

6.1.3.3.2. Tehnici de fermentaţie

Fermentaţia poate fi efectuatǎ discontinuu, semicontinuu (fed-batch) sau în

process continuu. Alegerea procesului cel mai potrivit va depinde de proprietǎţile

cinetice ale microorganismelor, de tipul de lignocelulozǎ hidrolizatǎ şi în plus şi de

aspectul economic al procesului. Cultura loturilor poate fi consideratǎ ca un sistem

închis care conţine iniţial, o sumǎ limitatǎ de nutrienţi, care este inoculatǎ cu

microorganisme pentru a permite fermentaţia. Este o metodǎ foarte simplǎ , în timpul

mic de fermentaţie, se adaugǎ dupǎ inoculare, eventual, acid sau substanţe alcaline

pentru controlul pH-ului iar în cazul fermentaţie aerobe aer. Reactoarele de culturǎ a

loturilor sunt utilizate pe scarǎ largǎ în aplicaţiile industriale deoarece combinǎ

avantajele atât din lot cât şi cele din procesele în regim continuu. Avantajul major al

acestui proces este faptul cǎ prelungeşte durata de viaţǎ a culturilor şi permite

acumularea de produse la o concentraţie mai mare. Acest proces permite menţinerea la

variabilelor critice (de exemplu temperatura, ph-ul şi oxigenul dizolvat)la niveluri

specifice de control prin feedback.

În procesul continuu , materialul, care conţine substrat, culturǎ de mediu şi alte

substanţe nutritive necesare, este pompat continuu într-un vas cu agitare în cazul în care

microorganismele sunt active. Produsul rezultat în partea de sus a bioreactorului ,

conţine bioetanol , celule şi zahǎr rezidual. Una primele mǎsuri luate în vederea

îmbunǎtǎţirii procesului de fermentaţie a bioetanolului cu drojdie , implicǎ operarea

într-un mod continuu, acest lucru ducând la creşterea triplǎ a productivitǎţii de la

aproximativ 2-6g EtOH/h.

6.1.3.3.3.Hidroliza şi stagii de fermentare

a.Hidroliza separatǎ şi fermentaţia (SHF). Hidroliza enzimaticǎ şi fermentaţia

se efectueazǎ separat (SHF). În configuraţia SHF fluxul de lichid este în comun

ambelor reactoare, hidroliza are loc prima dupǎ xare intrǎ îî reactorul de fermentaţie a

reactorului. Amestecul este aoi distilat pentru a îndepǎrta bioetanolul, lǎsând xiloza

neconvertitǎ în spate. Într-un al doilea reactor, xiloza este fermentatǎ la bioetanol,

acesta fiind din nou distilat. Avantajul SHF este capacitatea de a efectua fiecare pas în

45

condiţii optime, adicǎ hidroliza enzimaticǎ la 318-323K şi fermentarea la aproximativ

303K. Rezultatul acestei metode este inhibarea celulozei şi a enzimei β-glucozidazǎ de

glucozǎ eliberate în timpul procesului de hidrolizǎ, care solicitǎ pentru a suporta sarcini

mai mici de solide şi o încǎrcare mai mare de enzime pentru a atinge randamente

rezonabile.

b.Zaharificarea simultanǎ şi fermentarea (SSCF). Realizarea simultanǎ a

hidrolizei şi a zaharificǎrii este un proces promiţǎtor pentru producţia de bioetanol din

materiale lignocelulozice. Acest proces este adesea eficace, atunci când este combinat

cu pretratarea cu acid diluat şi apǎ caldǎ. În SSF celulazele şi xilanazele convertesc

polimerii glucidici la zaharuri fermentabile. Acest proces are o ratǎ de îmbunǎtǎţire a

hidrolizei, având nevoie de încǎrcǎri de enzime mai mici , rezultând etanol cu un

randament mai mare şi reduce riscul de contaminare.

Avantajele majore ale SSF au fost descrise ca fiind: 1) creşterea ratei de

hidrolizǎ şiconversie a zaharurilor care inhibǎ celulaza; 2) cerinţe mai mici de enzime;

3) producţii mai mari de produse; 4) cerinţe mai mici pentru condiţii sterile, deoarece

glucoza este eliminatǎimediat şi bioetanolul este produs; 5) timp mai scurt al procesului

şi 6) volum mai mic al reactorului. Avantajul major al SSF este reprezentat de

consumul imediat de zaharuri de cǎtre microorganisme, producând astfel concentraţii

scǎzute de zahǎr în fermentator. Principalul dezavantaj al SSF constǎ în faptul cǎ avem

temperaturi diferite pentru zaharificare (323 K) şi fermentare (308 K).

Cel mai important proces de îmbunǎtǎţire pentru hidroliza enzimaticǎ a

biomasei a fost introdus de SSF, care a fost îmbunǎtǎţit pentru a include combinarea

enzimei celulazǎ şi fermentarea microbianǎ într-un vas pentru a îmbunǎtǎţii economic

producţia de bioetanol. Tehnologia a fost îmbunǎtǎţitǎ pentru a include co-fermentarea

de zahǎr pe mai multe substraturi. De exemplu are loc zaharificarea simultanǎ a

celulozei la glucozǎ şi a hemicelulozei la xilozǎ precum şi fermentare microbianǎ a

glucozei şi a xilozei în acelaşi vas.

c.Conversia microbianǎ direct (DMC) .Conversia microbianǎ directǎ combinǎ

producţia de celulozei , hidroliza celulozei şi fermentare glucozei într-un singur pas.

Acest proces este atractiv în mǎsura în care reduce numǎrul de reactoare,simplificǎ

operarea şi reduce costul produselor chimice. DMC pare logic obiectiv în evoluţia

producerii de bioetanol din materiale lignocelulozice. Dezavantajele acestui proces sunt

46

randamente scǎzute de bioetanol, cauzate de formarea produsilor secundari (acetat ,

lactat ), toleranţa scǎzutǎ a microorganismelor la bioetanol şi o creştere limitatǎ în

siropuri hidrolizate.[10]

47