El proceso para convertir biomasa lignocelulósica en bioetanol esta compuesto por las siguientes etapas:

Deslignificación para liberar la celulosa y hemicelulosa de la lignina, las cuales están fuertemente unidas a ésta mediante enlaces de hidrógeno y covalentes. Actualmente, se utiliza la explosión de vapor como método de pretratamiento, en el cual se rompe la estructura interna de la biomasa, formando los azúcares de la hemicelulosa.

Separación de los azúcares formados por la hemicelulosa (principalmente xilosa) del sólido, que posteriormente serán fermentados a etanol.

Producción de azúcares libres, principalmente glucosa, mediante hidrólisis enzimática de la celulosa. En esta etapa las moléculas de la celulosa se rompen para formar los azúcares que posteriormente serán fermentados a etanol.

Fermentación de estos azúcares (hexosas y pentosas) para producir etanol. La conversión enzimática de celulosa a glucosa empieza en la etapa anterior y luego continúa mientras que la levadura convierte simultáneamente la glucosa a etanol.

Separación del etanol de la corriente de salida de los fermentadores, lo cual se realiza mediante un proceso de destilación.

La tecnología se ha demostrado extensivamente a escala de laboratorio, y en la actualidad se encuentra en desarrollo a escala piloto y a escala de demostración comercial. Sin embargo, la obtención de monómeros de azúcares a partir de celulosa y hemicelulosa es un proceso mucho más complejo que obtenerlo a partir de materias primas tradicionalmente utilizadas como los cereales y requiere la implementación de nuevos procesos técnicamente más complejos que actualmente no son económicamente competitivos a nivel industrial.

Con el fin de hacer el proceso de producción de etanol a partir de lignocelulosa económicamente competitivo, Abengoa Bioenergía Nuevas Tecnologías se está centrando en la mejora desde el punto de vista técnico y económico de distintos aspectos. Por una parte, se está estudiando la posibilidad de aplicar un pretratamiento biológico en el proceso, con el fin de reducir los costes de la etapa de explosión de vapor o sustituirla totalmente, ya que es la etapa limitante del proceso y la más difícil de realizar. También se están centrando esfuerzos en desarrollar el proceso de producción de enzimas a bajo coste, en el desarrollo de un organismo que fermente la xilosa (procedente de la hidrólisis de la hemicelulosa) de una manera más efectiva y en la búsqueda de la producción de compuestos de alto valor añadido a partir

de las distintas fracciones de la biomasa.

Entre los pretratamientos físicos se encuentra la reducción de tamaño de la biomasa a tamaños entre 2

y 0,2 mm, este pretratamiento disminuye la cristalinidad de la celulosa y aumenta la porosidad de la

biomasa, impactando favorablemente en la producción de monosacáridos durante la hidrólisis. La

desventaja es el consumo energético que depende del tamaño final de partícula y el tipo de material a

pretratar [16, 17, 22].

La explosión de vapor es el método más utilizado para pretratar la biomasa lignocelulósica y consiste en

someter la biomasa a una despresurización súbita de vapor saturado a alta temperatura. Usualmente se

realiza a temperaturas entre los 160 y 260 °C durante s o unos pocos min, logrando la degradación de

hemicelulosa principalmente y la transformación de la lignina, incrementando el potencial de producción

de glucosa durante la hidrólisis. Las alteraciones estructurales durante el pretratamiento son causadas

por la rápida despresurización que provoca una evaporación del agua interna de la biomasa, separando

las fibras, principalmente la celulosa. La presencia de ácido acético producido por la hidrólisis de los

grupos acetil de la hemicelulosa es responsable de la degradación de los monosacáridos provenientes

de la misma, generando compuestos que inhiben los procesos enzimáticos posteriores [22].

Los pretratamientos de acción química más comunes utilizan ácido sulfúrico, hidróxido de sodio,

amoníaco o soluciones diluidas de estos, peróxido de oxigeno y solventes orgánicos como metanol,

etanol, acetona, etilenglicol, entre otros [16]. A continuación se realizará una descripción de los

pretratamientos químicos de interés en el presente estudio.

Transesterificación

La reacción química como proceso industrial utilizado en la producción de biodiésel, es la

transesterificación, que consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es

convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de

éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las

reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización.

Las tecnologías existentes, pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las

condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de

la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del

catalizador.En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación

(utilización al mismo tiempo de aceites refinados y reutilizados) suelen utilizar procesos Batch o

discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor

capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme.

Proceso Discontinuo

Es el método más simple para la producción de biodiésel donde se han reportado ratios 4:1

(alcohol:triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o

equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a

temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido

publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del

0,3% al 1,5% (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una

agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia

el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase

éster. Se han publicado en la bibliografía resultados entre el 85% y el 94%.

En la transesterificación, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas

elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos

etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta

porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol:aceite

pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20

minutos y una hora. En el gráfico 1 se reproduce un diagrama de bloques de un proceso de

transesterificación en discontinuo.

La aplicación de este tipo de catalizadores de carácter

básico para promover la reacción de transesterificación

requiere el uso de aceites refinados que no contengan

más de 0.5% de ácidos grasos libres (FFA), dado que

estas sustancias favorecen la formación de jabones con

dichos catalizadores, disminuyendo el rendimiento a

biodiesel. Se requiere además que las condiciones del

sistema sean anhidras dado que el agua favorece la

formación de FFA por hidrólisis de los triglicéridos.

Por otro lado, es necesaria la neutralización de los

catalizadores básicos con ácidos minerales, lo cual

produce una glicerina de baja calidad que requiere de

procesos de purificación bastante costosos.