Caracterización y procesamiento de biomasa lignocelulósica proveniente del olote de maíz para la obtención de bioenergéticos y productos de valor agregado

Abstract

RESUMEN: Se llevó a cabo la caracterización del olote de maíz como biomasa lignocelulósica y se analizaron los factores que más influyen en la recalcitrancia aplicando métodos termogravimétricos y de espectroscopia de infrarrojo. En este contexto, se analizó la composición del olote para identificar los principales componentes del olote y se encontró que la mayor parte del olote está compuesto de polisacáridos (alrededor del 48%). Además, en la estructura del olote resaltan los grupos funcionales de los polisacáridos; los espectros de infrarrojo muestran bandas de absorción en 3284cm-1, 1372-1248cm-1, 1032cm-1, 928cm-1, las cuales, corresponden a las vibraciones de los enlaces que conforman a los polisacáridos. Por otra parte, se analizó el desempeño termogravimétrico del olote y se encontró que la degradación del olote comienza a partir de los ~166°C, además, la mayor parte del olote (~57%) se degrada en el intervalo 180-340°C. La cristalinidad de la celulosa, el grado de polimerización de las moléculas, la presencia de lignina, así como también, los enlaces entre los polisacáridos y la lignina son algunos factores que inhiben la degradación biológica de la biomasa, también, son un obstáculo para la producción de biocombustibles o productos de valor agregado. Además, estos factores también influyen en la degradación térmica de los materiales lignocelulósicos. Por ejemplo, la celulosa se degrada a mayor temperatura debido a la cristalinidad de las fibras y los enlaces entre los polisacáridos y la lignina producen especies de alto peso molecular (especies poliaromáticas) que son difíciles de degradar, además, la presencia de lignina dificulta la devolatilización de la celulosa. Cada uno de los factores antes mencionados fueron caracterizados mediante técnicas termogravimétricas utilizando materiales de referencia (fibra de algodón, almidón, pectina cítrica y lignina). El comportamiento termogravimétrico del olote fue comparado con el de materiales de referencia (fibra de algodón, almidón, pectina cítrica y lignina) mediante la técnica de análisis de componentes principales (ACP). Los resultados indican que el desempeño termogravimétrico del olote es similar al del almidón y significa que los polisacáridos del olote son semicristalinos o cristalinos de bajo peso molecular. Por otra parte, se analizó la funcionalidad de los residuos (biochar) mediante espectroscopia de infrarrojo y se encontró que durante el calentamiento los polisacáridos entrecruzados y la lignina del olote experimentan, a bajas temperaturas, reacciones de deshidratación y conforme incrementa la temperatura se forman estructuras poliaromáticas, las cuales impiden la devolatilización de la celulosa. Finalmente, los resultados obtenidos indican que la recalcitrancia del olote se debe a la presencia de lignina y la semicristalinidad de los polisacáridos. Se aplicaron tratamientos químicos ácido y alcalino, para obtener derivados del olote. En el tratamiento ácido se disolvieron, principalmente, los polisacáridos entrecruzados del olote y, como resultado, se monosacáridos, disacáridos y oligosacáridos. Los productos del tratamiento ácido fueron caracterizados por espectroscopia de infrarrojo (IR) y resonancia magnética nuclear de protón (H1-RMN) y carbono (C13-RMN); los espectros de IR muestran bandas de absorción en los intervalos 3700-3000 cm-1 y 1200-900 cm-1, las cuales, corroboran la formación de oligosacáridos, así mismo, los espectros de RMN muestran señales de protones y carbonos ligados a anillos de piranosa y/o furanosa confirmando la formación de monosacáridos y disacáridos. Además, se realizaron pruebas colorimétricas (reacción de Fehling) para confirmar la formación de azucares reductores; la prueba fue positiva y corrobora los resultados de los análisis de IR y RMN. Por otra parte, en el tratamiento alcalino se disuelve la lignina y como resultado se obtuvieron derivados de fenilpropanol. Los productos del tratamiento alcalino fueron caracterizados por espectroscopia de infrarrojo (IR); los espectros de IR muestran bandas de absorción en 1579, 1497, 1357 y 1239 cm-1, las cuales, corresponden a las vibraciones de grupos funcionales que conforman a los derivados de fenilpropanol. Se analizó el crecimiento de levadura saccharomyces cerevisiae utilizando los productos del tratamiento ácido y alcalino. Se encontró que los productos del tratamiento ácido promueven el crecimiento de la levadura y, por lo tanto, pueden ser utilizados como sustrato en los procesos de fermentación para producir etanol; los productos del tratamiento alcalino también promueven el crecimiento de la levadura pero es muy bajo si se compara con el desempeño de los productos del tratamiento ácido. Por otra parte, se determinó el poder calorífico del olote y sus derivados mediante calorimetría y se determinó que el poder calorífico de los compuestos generados durante el tratamiento alcalino (21.68 MJ.Kg-1) es superior al del olote (16.47 MJ.Kg-1), de modo que, pueden ser utilizados en la elaboración de biocombustibles sólidos. Por otra parte, la celulosa es el componente más recalcitrante del olote; la celulosa no se disolvió con la solución ácida ni tampoco con la solución alcalina. Además, la celulosa del olote se degrada a partir de 219°C, de modo que, puede ser utilizada en la elaboración de materiales refractarios, o bien, se puede utilizar en la elaboración de papel, fibras textiles, materiales explosivos, recubrimientos y/o resinas. ABSTRACT: The characterization of the corn cob as lignocellulosic biomass was carried out and the factors that most influence recalcitrance were analyzed using thermogravimetric and infrared spectroscopy methods. In this context, the composition of the cob was analyzed to identify the main components of the cob and it was found that most of the cob is composed of polysaccharides (around 48%). In addition, in the structure of the cob, the functional groups of the polysaccharides stand out; infrared spectra show absorption bands at 3284cm-1, 13721248cm-1, 1032cm-1, 928cm-1, which correspond to the vibrations of the bonds that make up the polysaccharides. On the other hand, the thermogravimetric performance of the cob was analyzed and it was found that the degradation of the cob begins from ~ 166 °C, in addition, most of the cob (~ 57%) degrades in the range 180-340 °C. The crystallinity of cellulose, the degree of polymerization of the molecules, the presence of lignin, as well as the links between polysaccharides and lignin are some factors that inhibit the biological degradation of biomass, they are also an obstacle to the production of biofuels or value-added products. Furthermore, these factors also influence the thermal degradation of lignocellulosic materials. For example, cellulose degrades at higher temperatures due to the crystallinity of the fibers and the bonds between polysaccharides and lignin produce high molecular weight species (polyaromatic species) that are difficult to degrade, in addition, the presence of lignin makes it difficult to devolatilization of cellulose. Each of the aforementioned factors were characterized by thermogravimetric techniques using reference materials (cotton fiber, starch, citric pectin and lignin). The thermogravimetric behavior of cob was compared with that of reference materials (cotton fiber, starch, citric pectin and lignin) using the principal component analysis technique (PCA). The results indicate that the thermogravimetric performance of cob is similar to that of starch and means that cob polysaccharides are semi-crystalline or crystalline of low molecular weight. On the other hand, the functionality of the residues (biochar) was analyzed by infrared spectroscopy and it was found that during heating the cross-linked polysaccharides and the lignin of the cob undergo, at low temperatures, dehydration reactions and as the temperature increases, structures are formed. polyaromatic, which prevent the devolatilization of cellulose. Finally, the results obtained indicate that the recalcitrance of the cob is due to the presence of lignin and the semi-crystallinity of the polysaccharides. Acid and alkaline chemical treatments were applied to obtain cob derivatives. In the acid treatment, mainly the cross-linked polysaccharides of the cob were dissolved and, as a result, were monosaccharides, disaccharides and oligosaccharides. The products of the acid treatment were characterized by infrared (IR) spectroscopy and proton (H1-NMR) and carbon (C13-NMR) nuclear magnetic resonance; IR spectra show absorption bands in the intervals 3700-3000cm-1 and 1200-900cm-1, which corroborate the formation of oligosaccharides, likewise, NMR spectra show signals of protons and carbons linked to rings pyranose and / or furanose confirming the formation of monosaccharides and disaccharides. In addition, colorimetric tests (Fehling reaction) were carried out to confirm the formation of reducing sugars; the test was positive and corroborates the results of the IR and NMR analyzes. On the other hand, in the alkaline treatment the lignin dissolves and as a result phenylpropanol derivatives were obtained. The alkaline treatment products were characterized by infrared (IR) spectroscopy; IR spectra show absorption bands at 1579, 1497, 1357 and 1239 cm-1, which correspond to the vibrations of functional groups that make up phenylpropanol derivatives. The growth of saccharomyces cerevisiae yeast was analyzed using the acid and alkaline treatment products. It was found that the products of the acid treatment promote the growth of yeast and, therefore, can be used as a substrate in the fermentation processes to produce ethanol; Alkaline treatment products also promote yeast growth but this is very low compared to the performance of acid treatment products. On the other hand, the calorific power of the cob and its derivatives was determined by calorimetry and it was determined that the calorific power of the compounds generated during the alkaline treatment (21.68 MJ.Kg-1) is higher than that of the cob (16.47 MJ.Kg- 1), so that they can be used in the production of solid biofuels. On the other hand, cellulose is the most recalcitrant component of cob; the cellulose did not dissolve with the acidic solution nor with the alkaline solution. In addition, cob cellulose degrades from 219°C, so that it can be used in the manufacture of refractory materials, or it can be used in the manufacture of paper, textile fibers, explosive materials, coatings and/or resins.