1 Avances en Biotecnología de Hemicelulosa para Producción de EtanolGabriel J. Vargas Betancur Ph.D. en procesos Bioquìmicos Líder de I+D – Cementos Argos Agosto de 2014

2 BIOMASAS RESIDUALES Residuos orgánicos no aprovechados en procesos agrícolas o industriales que poseen potencial para ser utilizados aplicando tecnologías racionales.

3 Residuos AgroindustrialesBIOMASAS RESIDUALES Residuos orgánicos no aprovechados en procesos agrícolas o industriales que poseen potencial para ser utilizados aplicando tecnologías racionales. Residuos Agroindustriales Materiales Lignocelulósicos Hemicelulosa Como utilizar???

4 “BIOREFINERÍA” Aplicación de conceptos propios de refinería utilizando biomasas como matriz energética en lugar del petróleo Aplicación de múltiples etapas para o utilización integral de biomasas con el objetivo de producir diversos compuestos de interés industrial.

5 Beneficios de Tecnologías de Conversión de Biomasas ResidualesAbundantes y baratas; Oportunidad para el desarrollo de industrial basada en el concepto de “BIOREFINERÍA”; Reducción de las emisiones gaseosas que causan el efecto de invernadero; Por definición son tecnologías limpias; Promueven beneficios macroeconómicos para las comunidades rurales y para la Sociedad como un todo; Están inseridas en el contexto de Desarrollo Sustentable.

6 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Celulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

7 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Celulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

8 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Celulosa Celobiosa Puentes de hidrógeno intermolecular Puentes de hidrógeno intramolecular Pereira (1991)

9 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Celulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

10 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Lignina Macromolécula aromática compleja e hidrofóbica de enlaces cruzados, derivada de la polimerización deshidrogenativa de tres alcoholes. Poder calórico 3,5 veces mayor a el bagazo. alcohol trans-coniferílico alcohol trans-sinapílico alcohol trans-para-cumarílico Peñuela (2004)

11 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Alcohol cumárico Alcohol trans coniferílico Alcohol sinafílico

12 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Celulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

13 Composición HemicelulosaCombinación de polisacáridos de baja masa molecular, principalmente Xilanas, Arabinoxilanas, Glucouranoxilanas y también Arabinoglucouranoxilanas, Glucomananas, Galactoglucomananas, Arabinogalactanas. -Arabinofuranosa f u r a n o s e Grupo Acetil H O C 3 Xilobiosa Grupo Acetil Ácido Glucurínico Ácido Glucurónico D’almeida (1998)

14 Composición HemicelulosaHemicelulosa – monómeros constituyentes -D-Manosa -D-Xilosa -D-Glucosa -D-Galactosa -L-Arabinosa (Furanosa) Ácido -D- Galactourónico Ácido -D-Glucourónico Ácido -D-4-o-Metilglucourónico (Piranosa) D’almeida (1998)

15 Composición HemicelulosaHemicelulosa – monómeros constituyentes -D-Manosa -D-Xilosa -D-Glucosa -D-Galactosa -L-Arabinosa (Furanosa) Ácido -D- Galactourónico Ácido -D-Glucourónico Ácido -D-4-o-Metilglucourónico (Piranosa) D’almeida (1998)

16 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Composición (%) Fuente Celulosa Hemicelulosa Lignina Otros Cenizas Bagazo de caña 33 - 36 28 30 18 20 4 6 2 4,8 Follaje de arroz 32 37 19 24 9 13 5 12 Mazorca de maíz 34 16 15 Follaje de trigo 22 14 3 7 Follaje de sorgo 25 26 Papel impreso 40 55 Maderas ~50 ~20 hasta 10 hasta 5 Sung & Cheng (2002); Pandey et all. (2000).

17 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Composición (%) Fuente Celulosa Hemicelulosa Lignina Otros Cenizas Bagazo de caña 33 - 36 28 - 30 18 - 20 4 - 6 2 - 4,8 Follaje de arroz 32 - 37 19 - 24 9 - 13 4 - 5 12 - 18 Mazorca de maíz 34 - 36 16 - 24 15 - 19 2 - 6 2 - 4 Follaje de trigo 30 - 33 22 - 28 14 - 18 3 - 7 3 - 7 Follaje de sorgo 34 - 36 25 - 26 25 - 26 - - Papel impreso 40 - 55 25 - 40 18 - 30 - - Maderas ~50 ~20 15 - 20 hasta 10 hasta 5 Sung & Cheng (2002); Pandey et all. (2000).

18 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos (Singh et. al., 2014)

19 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Mazorca de Maíz Follaje de Trigo de Arroz Bagazo de Caña Semilla de algodón Papel Residuos Urbanos Carbohidratos (%) glucosa 39,0 36,6 41,0 38,1 20,0 64,4 40,0 manosa 0,3 0,8 1,8 n.a. 4,1 16,6 8,0 galactosa 4,4 0,4 1,1 0,1 xilosa 14,8 19,2 24,3 4,6 14,0 arabinosa 4,2 4,5 4,3 0,5 4,0 No - carbohidratos lignina 15,1 14,5 9,9 18,4 17,6 21,0 cenizas 9,6 4,8 1 1,0 proteína

20 Materiales LignocelulósicosComposición Básica de Materiales Lignocelulósicos Mazorca de Maíz Follaje de Trigo Follaje de Arroz Bagazo de Caña Semilla de algodón Residuos Urbanos Papel Carbohidratos (%) glucosa 39,0 36,6 41,0 38,1 20,0 64,4 40,0 manosa 0,3 0,8 1,8 n.a. 4,1 16,6 8,0 galactosa 0,8 4,4 0,4 1,1 0,1 n.a. n.a. xilosa 14,8 19,2 14,8 24,3 4,6 4,6 14,0 arabinosa 4,2 4,4 4,5 4,5 4,3 0,5 4,0 No - carbohidratos (%) lignina 15,1 14,5 9,9 18,4 17,6 21,0 20,0 cenizas 4,3 9,6 4,4 4,8 1 4,8 0,4 1,0 proteína 4,0 4,0 n.a. 4,0 4,0 n.a. n.a.

21 Celulosa y HemicelulosaConsiste en varias unidades de pentosas e hexosas Consiste en unidades repetitivas celobiosa con enlaces β 1-4 Bajo grado de polimerización (100 a 200 unidades) Alto grado de polimerización (8000 a unidades) No forma fibras Forma fibras Presenta solamente regiones amorfas Presenta regiones cristalinas y amorfas Son atacadas rápidamente por ácido inorgánico diluido a temperatura moderada Es atacada lentamente por ácido inorgánico diluido a alta temperatura Son solubles en álcalis Es insoluble en álcalis

22 Potencial Tecnológico de Materiales LignocelulósicosCONVERSIÓN QUÍMICA Polioles Glicoles Furfural Metil etil cetona Etileno Propileno, etc PRETRATAMIENTO: Mecánico Termomecánico Termoquímico (alcalino o ácido) HIDRÓLISIS QUÍM. O ENZ. LIGNINA HEMICELULOSA PARCIALMENTE HIDROLISADA GP: 2-10 MATERIAL LIGNOCELULÓSICO QUÍM. OU ENZ. CONVERSIÓN QUÍMICA Emulsificantes, Dispersantes, Secuestrantes, Ligantes, Aromáticos etc. BIOLÓGICA Combustibles Solventes Ácidos orgánicos Dioles Bio-polímeros Enzimas, etc CELULOSA C6 C5 y C6 Combustible

23 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Hidrólisis Ácida Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2

24 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Etapa netamente mecánica para disminuir el tamaño de partícula Utilizada como etapa previa No hay separación selectiva de fracciones

25 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Descomposición térmica No hay separación selectiva de fracciones Los monómeros son fragmentados a moléculas simples Utilizado para obtención de alquitrán

26 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaCompresión con vapor de agua y descompresión rápida Liberación de Xilosa 10%, Xilo-oligosacáridos (GP 2-10) 90% Aumento de la digestibilidad Liberación de ácido acético y ácidos urónicos Químicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Araújo Neto (1992)

27 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaCompresión con vapor de agua y descompresión rápida usando catalizador Liberación de Xilosa aumentada, Mayor hidrólisis y separación de derivados de lignina Aumento de la digestibilidad AFLEX Químicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2, SO2

28 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2, SO2 Compresión con vapor de agua y descompresión rápida usando catalizador Liberación de Xilosa aumentada, Mayor hidrólisis Aumento de la digestibilidad Formación de ácidos correspondientes

29 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Utilizado para separar selectivamente lignina de la matriz sólida Aumento de la digestibilidad

30 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Utilizado para separar selectivamente lignina de la matriz sólida Hidroliza la fracción hemicelulósica Aumento de la digestibilidad por la reducción de la cristalinidad de la celulosa Es necesario el uso de grandes cantidades de hidróxido

31 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Utiliza enzimas peroxidasas en presencia de H2O2 para degradación de lignina Aumento de la digestibilidad

32 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2 Es utilizada una mezcla de ácido y solvente orgánico (principalmente etanol) Separación selectiva de lignina y hemicelulosa por rompimiento de enlaces internos

33 Disponibilización de los Monómeros de la HemicelulosaQuímicos: Ozonólisis Hidrólisis Alcalina Deslignificación Oxidativa Proceso Organosolv Hidrólisis Ácida Tratamiento térmico donde la hidrólisis es catalizada con ácidos Hidrólisis 100% Formación de Inhibidores Físicos: Trituración Pirólisis Físico-Químicos: Explosión a vapor (Autohirólisis) Explosión - amonio Explosión - CO2

34 Pre-tratamientos y ventajas(Girio et. al., 2010)

35 Variables Relevantes en la Hidrólisis ÁcidaTipo de Ácido H2SO4, H3PO4, HCl, HNO3 Concentración de Ácido hasta 10% (v/v) Altas concentraciones de Xilosa Elevadas eficiencias de hidrólisis Baja formación de inhibidores Temperatura Entre 98°C y 270°C Relación Sólido:líquido 1:20 – 1:2 Tiempo de Exposición

36 Producción de Inhibidores Durantela Hidrólisis Ácida Parajó et al. (1998) Furfural CHO HOH2C Celulosa Ácido p-hidroxibenzóico Ácido m-hidroxibenzóico Ácido vanilínico Ácido siríngico p-hidroxibenzaldehido Vanilina Ácido cinámico Siringaldehido Álcohol coniferílico Álcohol sinapílico Lignina Hidroximetil furfural Ácido acético e Acetalhdeído OH O Hemicelulosa H

37 Avances en Hidrólisis ÁcidaOptimización de las condiciones relevantes en hidrólisis ácida: Delineamiento central compuesto. Niveles Variables Inferior Superior Temperatura (°C) 111 121 Tiempo (min) 20 40 Rel. Sol:liq (g:mL) 1:7 1:2 Con. H2SO4 (%vv) 1 3 Vargas (2005)

38 Avances en Hidrólisis Ácida

39 Avances en Hidrólisis ÁcidaSuperficies de Respuesta Xilosa 98,79,7 g/L Vargas (2005)

40 Avances en Hidrólisis ÁcidaXilosa 107,8 g/L 25,0 g/L (Lin et. al., 2012)

41 Avances en Hidrólisis Ácida

42 Potencial Biotecnológicode la Xilosa POLIOLES Xilitol Arabitol Glicerol ÁCIDOS ORGÁNICOS Ácido acético Ácido láctico Ácido succínico Ácido butírico COMBUSTIBLES Y SOLVENTES Etanol Butanol 2,3 butanodiol Acetona Propanol 1,2 propanodiol SCP – Proteína Unicelular Metano Xilosa isomerasa Xilanasas Blazej & Biely (1987)

43 Potencial Biotecnológicode la Xilosa POLIOLES Xilitol Arabitol Glicerol ÁCIDOS ORGÁNICOS Ácido acético Ácido láctico Ácido succínico Ácido butírico COMBUSTIBLES Y SOLVENTES Etanol Butanol 2,3 butanodiol Acetona Propanol 1,2 propanodiol SCP – Proteína Unicelular Metano Xilosa isomerasa Xilanasas Blazej & Biely (1987)

44 PORQUE ETANOL?

45 Preço do barril de petróleo ultrapassa US$ 78Importancia del Bioetanol e su producción a partir de Residuos Lignocelulósicos El precio del petróleo alcanzó niveles que inviabilizan el crecimiento autosustentable de países en desarrollo; Existe un creciente interés por fuentes renovables de energía; Necesidad de dar valor agregado a biomasas residuales, cuja generación tiende a aumentar; Posibilidad de incrementar la producción de etanol sin aumentar las areas de cultivo o competir con cultivo de alimentos; O preço do barril de petróleo ultrapassou US$ 78,44 (o equivalente a cerca de R$ 168,83) na Bolsa de Londres nesta segunda-feira, depois do anúncio de que a BP (British Petroleum) terá de fechar um dos maiores campos dos Estados Unidos devido a um vazamento em um oleoduto Preço do barril de petróleo ultrapassa US$ 78

46 Ventajas IndustrialesETANOL Ventajas Industriales Commodity de alta pureza; Fácil transporte e almacenamiento; Fácilmente miscible con agua; Bajo peligro de explosión; Fácilmente oxidable; Puede ser utilizado como bloco de construcción en procesos químicos e bioquímicos (Biotecnología). Somavilla & Gomes Neto (2005)

47 Aplicaciones – bloco de construcciónCombustible Perfumes Cosméticos Barnices Fármacos Detergentes Tintas Revestimientos Solvente Etanol Aditivo para Gasolina Bebidas Productos derivados Glicoles Éteres de glicoles Etanoaminas Etilaminas Etilpropenoato Ésteres de acetato Biotransformación Polímeros acrílicos Aminoácidos Acido acético Vitaminas Limpiadores Tintas Fibras de poliéster Anticongelante Surfactante Fármacos Cosméticos Purificación de gás Fármacos Adhesivos Tintas Saborizante Solvente de resinas Fibras de poliéster

48 Producción Brasileña y Norte Americana de Etanol18,1 18 2010 Brasil: 336 plantas en operación + 73 plantas en construcción (BUS$ 14,6) USA: 114 plantas en operación + 80 plantas en construcción (BUS$ 16) 17,3 16 12 54% Producción de Etanol (billones litros) Brasil 8 36% 4 USA 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Fairbanks (2005); MAPA (2006); Gazeta Mercantil (mar 2007); World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007)

49 Producción Brasileña y Norte Americana de Etanol2010 Brasil: 336 plantas en operación + 73 Usinas en construcción (BUS$ 14,6) USA: 114 plantas en operación + 80 Usinas en construcción (BUS$ 16) Fairbanks (2005); MAPA (2006); Gazeta Mercantil (mar 2007); World Ethanol & Biofuel Report (jan 2007)

50 Panorama de la ProducciónMundial de Etanol Renewable Fuels Assosiation (2014) - Reporte para el año de 2013

51 Tecnología para la Producción de EtanolCaña de azúcar Materias primas tradicionales Caña de azúcar (Brasil) Bagazo Trituración o difusión Caldo Clarificación Adecuación de azúcares Bioconversión CO2 Caldera Células Separación de fases Ración animal Secado Líquido Vapor Destilación Viñaza Etanol Hidratado Electricidad Deshidratación Etanol Anhidro Pereira Jr. (1991), Vargas (2005)

52 Tecnología para la Producción de EtanolCaña de azúcar Material amiláceo Materias primas tradicionales Caña de azúcar (Brasil) Maíz (Estados Unidos) Bagazo Trituración o difusión Trituración Caldo Clarificación Cocimiento Adecuación de azúcares Hidrólisis Sólido residual Bioconversión CO2 Nuevas tecnologías Caldera Células Separación de fases Ración animal Secado Líquido Vapor Destilación Viñaza Etanol Hidratado Electricidad Deshidratación Etanol Anhidro Pereira Jr. (1991), Vargas (2005)

53 Tecnología para la Producción de EtanolMaterial lignocelulósico Caña de azúcar Material amiláceo Materias primas tradicionales Caña de azúcar (Brasil) US$ 0,20/L Maíz (Estados Unidos) US$ 0,47/L Europa US$ 0,53/L Bagazo Trituración o difusión Trituración Trituración Caldo Clarificación Cocimiento Pretratamiento Adecuación de azúcares Hidrólisis Sólido residual Sólido residual Bioconversión CO2 Nuevas tecnologías Nuevas tecnologías Caldera Células Separación de fases Ración animal Secado Líquido Vapor Destilación Viñaza Etanol Hidratado Electricidad Nuevas alternativas Materiales lignocelulósicos Deshidratación Etanol Anhidro Pereira Jr. (1991), Vargas (2005)

54 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Material Lignicelulósico Destoxificación Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

55 Proceso de Producción de EtanolGrado de severidad – Optimización del pre-tratamiento ácido 40 50 60 70 80 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Grado de severidad Eficiencia de hidrólisis (%)

56 Proceso de Producción de EtanolGrado de severidad – Optimización del pre-tratamiento ácido etanol/xilitol Nível recomendado Variáble de Respuesta para el Proceso hidrolítico Objetivo Concentración ácido Relación S:L Tiempo Concentración de xilose Maximizar Eficiencia de hidrólisis Concentración de ácido acético Minimizar Concentración de Furfural Concentración de 5-HMF Concentración de polifenles Variábles de Respuesta para la Fermentabilidad de hidrolisados Concentracion de Etanol Concentración de Xilitol Nivel alto Nivel baixo No significativa

57 Proceso de Producción de EtanolGrado de severidad – Optimización del pre-tratamiento ácido Condiciones Condiciones evaluadas Concen. Ácido (% v/v) 1,09 Rel. S:L (g:mL) 1:2,8 Tiempo (min) 27 Variáble Valores predichos Resultados Experimentales Conc. Xilosa (g/L) 54,61 ±4,20 50,13 Eficiencia de Hidrólisis (%) 66,40 ±4,84 60,24 Polifenles (mg/L) 1,92 ±0,39 1,18 Conc. Ácido Acético (g/L) 5,65 ±0,64 6,04 Conc. HMF (g/L) 0,05 ±0,01 0,09 Conc. Furfural (g/L) 0,48 ±0,02 0,55 Conc. de Etanol (g/L) (20,58 ±0,80) 19,05 Conc. de Xilitol (g/L) 2,77 ±0,49 2,86 Etanol/xilitol (g/g) 5,61 ±0,26 6,66

58 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Material Lignicelulósico Destoxificación Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

59 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Destoxificación

60 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Remoción de compuestos volátiles furfural, fenoles, ácido acético Destoxificación

61 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Remoción de Furfurales Destoxificación

62 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Remoción de ácido acético Destoxificación

63 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Remoción de productos generados por la degradación de lignina Destoxificación

64 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Reducción de la concentración de ácido acético Pérdida azúcares Destoxificación

65 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas “Overliming” Precipitación de acetato, metales pesados, taninos, furfurales, terpenos y fenoles Destoxificación

66 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Procesos de destoxificación: Arrastre por vapor Extracción con éter Evaporación al vació Extracción con acetato de etila Neutralización con CaO, NaOH o KOH, seguido de tratamiento con carbón activado Ajuste a pH alcalino (10-12) CaO o KOH y neutralización con H2SO4 a pH 6,5 Mallas molecular Resina de intercambio catiónico Resinas de lecho mixto Resinas catiónicas/aniónicas Remoción parcial de ácido acético, furfurales, lignina soluble e iones Involucran altos costos Destoxificación

67 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas ACLIMATACIÓN Destoxificación

68 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas ACLIMATACIÓN Destoxificación

69 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas X Destoxificación

70 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Material Lignicelulósico X Destoxificación Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

71 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas – Metabolismo C5 3 C5H10O5  5 C2H5OH + 5 CO2  1g 0,511 g 0,489 g Fermentación C 5 Bioquímica del Metabolismo XR: xilosa redutasa; XD: xilitol deshidrogenasa; XI: xilosa isomerasa NAD+ NADH NADPH NADP+ XILOSA XILITOL XILULOSA XR XD XI

72 Proceso de Producción de EtanolFermentación C 5 Estrategia de corrientes separadas – Metabolismo C5 Xilulosa quinasa D-xilulosa D-xilulosa-5P ATP ADP Vía de las Pentosas-Fosfato. Reacción no oxidativa - conversión de pentosas fosfato en triosas y hexosas fosfato Ciclo oxidativo (Regeneración de NADPH) Gliceraldehído-3P Frutosa-6P Vía Embden-Meyerhoff-Parnas Anaerobiosis Aerobiosis Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos Piruvato Regeneración de NAD+ e ATP Etanol + CO2 NADH NAD+ Parajó et al. (1998)

73 Proceso de Producción de EtanolFermentación C 5 Estrategia de corrientes separadas Fermentación por Pichia stipítis

74 Proceso de Producción de EtanolFermentación C 5 Estrategia de corrientes separadas Fermentación por Pichia stipítis Linhagem *S o (g/L) Tempo (h) Etan ol Y P/S (g/g) Q P (g/L.h) R eferencia P. stipitis CBS 5773 43,0 20 16,3 0,38 0,82 Parekh (1987) CBS 5776 54, 72 12, 3 0, 23 19 Bjorling (1989) 50, 18, 36 25 CBS 5774 149,5 70 58 ,6 0,41 0,85 Brito (2000) NRRLY - 7124 67,5 100 18,0 0,35 0,18 Nigam (2002) 56,7 46 20,2 0,44 Mussato (2004) CBS 5774 (a) 60,1 27 25,8 0,97 Vargas (2005) CBS 5774 (b) 82,3 55 34,8 0,48 0,63 CBS 5774 (c) 120,1 38,9 0,32 1,10

75 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Fermentación C 5

76 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Material Lignicelulósico Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

77 Proceso de Producción de EtanolEstrategia de corrientes separadas Material Lignicelulósico Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Proceso SSF Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

78 Producción de etanol a partir de hemicelulosa y celulosaFermentación y Etanol de hidrolizado de hemicesulosa no destoxificado utilizando Pichia stipitis floculante Fermentación alcohólica de celulosa hidrolizada enzimaticamente por proceso SSF con Saccharomyces cerevisiae 35 g/L EtOH 70 g/L EtOH Peñuela, 2011 QP=0.8 g/L.h QP=1.8 g/L.h Etanol de “jugo” de caña (sacarosa)  QP= 5 a 8 g/L.h

79 Producción de etanol a partir de hemicelulosa y celulosaSSF Fed bath Maeda et. al., 2013

80 Proceso de Producción de EtanolCo- Fermentación De C5 y C6 Perspectivas Cofermentación de Hexosas y Pentosas Material Lignicelulósico Fermentación C 5 Recuperación de Etanol Hidrólisis de Hemicelulosa Hidrólisis de Celulosa Fermentación C 6 Pretratamiento

81 Proceso de Producción de EtanolPerspectivas Bioproceso Consolidado (CBP) Material Lignicelulósico Co- Fermentación De C5 y C6 Pretratamiento Hidrólisis de Celulosa Hemicelulosa Producción de enzimas, Hidrólisis de Hemicelulosa y Celulosa, Cofermentación de C5 y C6 Recuperación de Etanol

82 Potencial Biotecnológicode la Xilosa POLIOLES Xilitol Arabitol Glicerol ÁCIDOS ORGÁNICOS Ácido acético Ácido láctico Ácido succínico Ácido butírico COMBUSTIBLES Y SOLVENTES Etanol Butanol 2,3 butanodiol Acetona Propanol 1,2 propanodiol SCP – Proteína Unicelular Metano Xilosa isomerasa Xilanasas Blazej & Biely (1987)

83 Potencial Biotecnológicode la Xilosa Propiedades del xilitol: Estabilidad química e microbiológica; Agente descongestionante; Tratamiento de la osteoporosis, diabetes, obesidad; Poder endulzante; Causa sensación de frescura; No causa caries dental y adicionalmente potencializa varios mecanismos naturales de defensa contra la caries; Combate la bacteria Streptococcus pneumoniae, a principal causante de infección en el oído medio y sinusitis.

84 Potencial Biotecnológicode la Xilosa Xilana de material lignocelulósico Catalizador ácido o Biológico Hidrólisis Purificación de xilosa Destoxificación Enzimas y/o microorganismos H2 Xilosa en solución Hidrogenación catalítica Conversión Biotecnológica Productos de Reacción Separación y purificación Separación y purificación Ruta Química Ruta Biotecnológica Xilitol

85 Potencial Biotecnológicode la Xilosa POLIOLES Xilitol Arabitol Glicerol ÁCIDOS ORGÁNICOS Ácido acético Ácido láctico Ácido succínico Ácido butírico COMBUSTIBLES Y SOLVENTES Etanol Butanol 2,3 butanodiol Acetona Propanol 1,2 propanodiol SCP – Proteína Unicelular Metano Xilosa isomerasa Xilanasas Blazej & Biely (1987)

86 Potencial Biotecnológicode la Xilosa Ácido Succínico Estimuladores de crecimiento Substitutos de sal Acidificantes Solventes verdes Productos farmacéuticos Detergentes y surfactantes Inhibidores de corrosión Ácido adípico Poliéster 4,4 Ésteres Solventes 1,4-Butanediol 2-Pirrolidiona -Butirolactona Dimetil/Dietil Succinato Tetrahidrofuranos Ácido 4-Aminobutanóico Maleimida Anhídrido maléico Ácido málico Ácido fumárico Ácido maléico Ácido Aspártico Ácido itacónico Succinimida Hidroxisuccinimida Especialidades

87 Potencial Biotecnológicode la Xilosa Proteína Hidrólisis Fermentación Etanol Recuperación de productos Material lignocelulósico Azúcares Etanol CO2 Xilosa Fermentación Ác. succínico Ácido succínico

88 Potencial Biotecnológicode la Xilosa POLIOLES Xilitol Arabitol Glicerol ÁCIDOS ORGÁNICOS Ácido acético Ácido láctico Ácido succínico Ácido butírico COMBUSTIBLES Y SOLVENTES Etanol Butanol 2,3 butanodiol Acetona Propanol 1,2 propanodiol SCP – Proteína Unicelular Metano Xilosa isomerasa Xilanasas Blazej & Biely (1987)

89 XILANASAS Potencial Biotecnológico de la XilosaPropiedades de -xilosidasas de mesofílicos y termofílicos MM (KDa) 85-225 T (oC) óptima 45-70 pI 4,0-6,0 pH óptimo 5,5-7,0 Propiedades de Endo-xilanasas de mesofílicos y termofílicos MM (KDa) 23-160 T (oC) óptima 40-75 pI 3,3-10,0 pH óptimo 2,0-9,0

90 Aplicaciones Industriales de XilanasasPotencial Biotecnológico de la Xilosa Aplicaciones Industriales de Xilanasas Sector de Papel & Celulosa: Reducción del impacto ambiental Sector Alimenticio: Aumento da extracción de aceites comestibles; Mejora a maleabilidad de la masa de productos de panificación y galletería; Aumenta la digestibilidad de raciones para animales; Mejora la clarificación de jugos.

91 Retos Tecnológicos aliados al desarrollo de del concepto de BIOREFINERÍACelulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

92 Retos Tecnológicos aliados al desarrollo de del concepto de BIOREFINERÍACelulosa Lignina Celulosa Hemicelulosa Fonte: Shleser (1994) Lignina Hemicelulosa

93 Etanol de tercera generaciónRetos Tecnológicos aliados al desarrollo de del concepto de BIOREFINERÍA Etanol de tercera generación

94 Etanol de tercera generaciónRetos Tecnológicos aliados al desarrollo de del concepto de BIOREFINERÍA Etanol de tercera generación Maria Enquist-Newman et. al., 2014

95 Avances en Biotecnología de Hemicelulosa para Producción de EtanolGabriel J. Vargas Betancur Ph.D. en procesos Bioquìmicos Líder de I+D – Cementos Argos Agosto de 2014