Biorrefinería de residuos de la industria agroalimentaria. Valorización de paja de cereales

Abstract

Por una parte, los residuos agrícolas (paja de cereales) se pueden someter a un proceso de pasteado semiquímico con diferentes reactivos. En este trabajo, sosa con o sin adición de antraquinona (este último, proceso Specel®) para el fraccionamiento de la biomasa, obteniendo, por un lado un sólido, rico en celulosa y hemicelulosas, a partir del cual se producirán pastas celulósicas; y por otro lado un licor negro con alto contenido en lignina, pudiéndose separar esta lignina para una posterior obtención de productos de valor añadido. Dichas pastas celulósicas se pueden emplear directamente en la producción de papel o para dar lugar a envases ecológicos de diversos usos. Por otra parte, mediante los tratamientos hidrotérmicos o de autohidrólisis, consistentes en tratar la materia prima con agua a elevada temperatura, se puede solubilizar el mayor porcentaje posible de hemicelulosas, que están constituidas principalmente por unidades de xilosa. De esta manera se obtienen dos fracciones: una sólida, compuesta principalmente por celulosa y lignina, y otra líquida o hidrolizado, formada por una mezcla de oligómeros (xilooligómeros), monosacáridos (principalmente xilosa), productos de descomposición de azúcares (furfural o hidroximetilfurfural) y ácido acético. Este último se genera a partir de los grupos acetilos presentes en la hemicelulosa, actuando como catalizador de la reacción de autohidrólisis. Los xilooligosacáridos obtenidos en este tratamiento pueden tener diversas aplicaciones, como aditivos alimentarios y fármacos y como sustrato para la producción de azúcares tras una hidrólisis adecuada. Por otro lado, los monosacáridos (glucosa, xilosa, etc.) pueden fermentarse obteniéndose productos con un elevado valor añadido, como es el xilitol. A la fracción sólida obtenida del proceso de autohidrólisis se le puede aplicar un tratamiento de pasteado con distintos reactivos y/o disolventes, con la finalidad de separar la celulosa y la lignina, obteniéndose dos nuevas fracciones: una sólida rica en celulosa (pasta celulósica) y otra líquida de color oscuro (lejía negra), que contiene productos de degradación de la lignina y de la celulosa, sales de ácidos orgánicos complejos y lignofenolatos. Estos procesos hidrotérmicos y de pasteado son también adecuados como tratamientos previos a la obtención de bioetanol mediante la hidrólisis de polisacáridos y la fermentación de los azúcares resultantes. En la mayoría de los casos, la etapa de hidrólisis es catalizada por enzimas, mientras que la fermentación puede llevarse a cabo ya sea durante o después de la etapa de hidrólisis enzimática; el primer enfoque se conoce como "sacarificación y fermentación simultánea (SSF)". Por último, toma cada vez más importancia la obtención de nanofibras de celulosa o celulosa nanofibrilar (CNF/LCNF, de sus siglas en inglés) a partir de celulosa obtenida en procesos clásicos de pasteado. Así, las pastas celulósicas obtenidas por el pasteado a la sosa, se pueden someter a un proceso de fricción ultrafina, seguido por un proceso de microfluidización para obtener nanofibras de celulosa con elevado contenido en lignina (LCNF, también llamadas NFLC). Las CNF/LCNF tienen propiedades y funcionalidades únicas comparadas con las macrofibras, además de poder considerarlas como una alternativa a los materiales derivados del petróleo y de las fuentes no renovables. Las CNF/LCNF, debido a su abundancia, biodegradabilidad, naturaleza renovable y estructura única, tienen múltiples aplicaciones como agente de refuerzo en la fabricación de papel, envases y composites, revestimientos, membranas, embalajes, pudiéndose combinar con polielectrolitos en el procesado de fibras. Otras aplicaciones destacables son los excelentes geles que forman en dispersiones acuosas a bajos contenidos de sólidos, aerogeles resistentes, espumas, emulsiones y dispersiones estabilizantes. Los films preparados a partir de nanocelulosa, denominados nanopapeles presentan propiedades mecánicas extraordinarias. En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo la valorización de residuos de la industria agroalimentaria. En concreto, paja de distintos cereales: maíz, colza, cebada y avena; habiendo sido estos dos últimos materiales los más ampliamente estudiados para la producción de pastas celulósicas y papel, oligosacáridos y bioetanol de segunda generación y nanofibras de celulosa siguiendo el esquema de biorrefinería de materiales lignocelulósicos.