Biorefinería del bagazo de Agave tequilana: extracción de lignina por diferentes pretratamientos y producción de metano

Abstract

"El bagazo de Agave tequilana es un residuo lignocelulósico generado en la producción de tequila en México. Debido a su estructura compleja, constituida por celulosa, hemicelulosa y lignina, se le considera como una materia potencial para diferentes usos industriales en un esquema de biorrefinería. Debido a que la lignina dificulta el acceso a los polisacáridos es necesario aplicar una etapa de pretratamiento con la finalidad de extraerla. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo consistió en implementar un procedimiento eficiente para la extracción de lignina y evaluar su efecto sobre la producción de metano a partir de hidrolizados enzimáticos de bagazo de Agave tequilana deslignificado. Para ello se evaluaron cinco pretratamientos diferentes. Las ligninas y fibras obtenidas fueron caracterizadas químicamente (análisis de fibras, ATR-FTIR, TGA, DSC, ICP-OES). Las fibras también se caracterizaron morfológicamente (SEM y XRD). De acuerdo con los resultados obtenidos, la mayor deslignificación (81.46%) se obtuvo cuando se utilizó peróxido de hidrógeno alcalino (PHA) al 15%, pero debido a problemas experimentales el mejor procedimiento fue empleando PHA al 7.36%. El procedimiento de precipitación utilizado para la recuperación de la lignina no fue adecuado, ya que solo se logró recuperar un 24.76% del total de lignina removida. Los análisis químicos realizados a las ligninas extraídas por los cinco pretratamientos mostraron que la lignina extraída con el pretratamiento de organosolv podría utilizarse como antioxidante y adsorbente de metales pesados, mientras que la lignina extraída con PHA resultó ser una lignina oxidada que podría emplearse como aditivo del concreto, dispersante aniónico en suspensiones de caolín y adsorbente de metales pesados. Se encontró que el hidrolizado enzimático del bagazo de agave sin pretratamiento (BSP), alcanzó una concentración de 27.35 g AT/L y una concentración de 63.70 g DQO/L. En comparación, el hidrolizado enzimático de la fibra de bagazo pretratada con PHA al 7.36% (BagPHA7.36%) alcanzó concentraciones de AT 1.5 veces más altas y concentraciones de DQO1.26 veces más altas. En cuanto a la producción de metano, los potenciales bioquímicos de metano (BMP, por sus siglas en inglés) del BSP y BagPHA7.36% fueron semejantes. Sin embargo, se observó que la contribución al BMP proveniente de los componentes liberados durante la hidrólisis enzimática fue mayor en los bagazos pretratados que en el BSP. Cuando los rendimientos se expresaron en metano producido por gramo de bagazo sin pretratamiento o con pretratamiento (PHA 7.36%) se observaron rendimientos de producción de metano de 286.90 NmL CH4/g BSP y de 423 NmL CH4/g BagPHA7.36% respectivamente, lo cual representó un incremento del BMP de 1.5 veces para el hidrolizado de la fibra de bagazo de agave pretratada con PHA al 7.36%. Lo anterior indica que la deslignificación del bagazo de agave incrementó la disponibilidad de la celulosa y hemicelulosa permitiendo que, durante la hidrólisis enzimática una mayor cantidad de AT y DQO se solubilizaran, aumentando con ello los rendimientos de producción de metano."

"Agave tequilana bagasse is a lignocellulosic residue generated by the tequila industry in Mexico. Due to its complex structure constituted by cellulose, hemicellulose and lignin it is considered as a potential material for different industrial uses in a biorefinery scheme. Because lignin hinders access to polysaccharides, it is necessary to apply a pre-treatment step in order to extract it. For that reason, the objective of this study was to implement an efficient procedure for the extraction of lignin and evaluate its effect on methane production from enzymatic hydrolysates of delignified Agave tequilana bagasse. For that five different pretreatments were evaluated. The lignins and fibers obtained were chemically characterized (fiber analysis, ATR-FTIR, TGA, DSC, ICP-OES). Also, fibers were characterized morphologically (SEM and XRD). According to the results obtained, the highest delignification (81.46%) was obtained when alkaline hydrogen peroxide (AHP) was used at 15%, but due to experimental problems the best procedure was using AHP at 7.36%. The precipitation procedure used for the recovery of lignin was not adequate, since only 24.76% of the total lignin removed was recovered. The chemical analyzes carried out on the lignins extracted by the five pretreatments showed that the lignin extracted with the organosolv pretreatment may be used as an antioxidant and adsorbent of heavy metals, while the lignin extracted with AHP turned out to be an oxidized lignin that may be used as an additive in the concrete, anionic dispersant in suspensions of kaolin and adsorbent of heavy metals. It was found that the enzymatic hydrolyzate of agave bagasse without pretreatment reached a concentration of 27.35 g TS/L and a concentration of 63.70 g COD/L. In comparison, the enzymatic hydrolysate of the bagasse fiber pretreated with AHP at 7.36% (BagAHP7.36%) reached TS concentrations 1.5 times higher and 1.26 times higher COD. In terms of methane production, the BMP of the bagasse without pretreatment and BagAHP7.36% were similar. However, it was observed that the xix contribution to the BMP from the components released during the enzymatic hydrolysis was greater in the BagAHP7.36% compared to the bagasse without pretreatment. When the yields were expressed in methane produced per gram of bagasse without pretreatment or with pretreatment (AHP at 7.36%) methane production yields of 286.90 NmL CH4/g bagasse without pretreatment and 423 NmL CH4/g BagAHP7.36% were observed, which represented an increase in BMP of 1.5 times for the hydrolyzate of agave bagasse fiber pretreated with AHP at 7.36%. This indicates that the delignification of the agave bagasse increased the availability of cellulose and hemicellulose, allowing that a higher amount of TS and COD were solubilized in the hydrolysate, thereby increasing the yields of methane production."