bioconversión de hemicelulosa (química orgánica)

1. BIOCONVERSIÓN DE HEMICELULOSA
Química Orgánica III
Alumna: Ana María Méndez
Doctora: Betty Matsuhiro Y.
Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Química y Biología
Licenciatura en Química

2. En la actualidad, la biomasa lignocelulósica y en especial los subproductos
agroindustriales han dejado de ser productos de desecho-problema, para
convertirse en materia prima potencial para diversos procesos tanto de tipo
agrícola como industrial, siendo la producción de alcohol uno de los mas
importantes. Sin embargo, han sido y son muchos los limitantes que se han
presentado en torno a la obtención de etanol a partir de este tipo de materiales,
debido a su estructura lignocelulosa de compleja degradación. Por ello, han
surgido diversidad de trabajos e investigaciones, que abarcan distintas
problemáticas y proponen alternativas de solución y aportes enormes que poco a
poco han abierto el camino hacia la explotación de la biomasa lignocelulósica
para este fin. El presente seminario, muestra el potencial uso para
biocombustibles (etanol), describiendo las características de las materias primas
en cuestión, su estructura, las etapas (pre-tratamiento, hidrolisis, detoxificación y
fermentación), al igual que los avances microbiológicos que han logrado para la
incursión de los mismos en algunas de las etapas del proceso.
Resumen

3. Introducción
En la actualidad la generación de alternativas energéticas distintas a las ya
convencionales obtenidas principalmente de la explotación del petróleo, ha con
llevado al uso de materias primas naturales dando lugar a los llamados
biocombustibles dentro de los cuales destaca el bioetanol. Ello ha surgido a
raíz de la necesidad de proteger el medio ambiente, preservar los recursos
tanto renovables como no renovables y maximizar el potencial uso de
productos agrícolas, y en especial de los subproductos que estos generan al
someterlos a distintos procesos agroindustriales, cuya disposición final es un
gran problema ambiental. De estos subproductos o residuos en su mayoría
corresponden a biomasa lignocelulósica rica en polímeros de celulosa y
hemicelulosa entre 75-80%, los cuales pese a su dificultosa degradación, es
posible mediante procesos químicos, físicos y/o biológicos desdoblarlos a
azucares monosacáridos para su posterior conversión a etanol. Entre sus
aplicaciones esta la deslignificación de la pulpa de la madera para hacer el
papel, aclaración de jugos y la mejora de la consistencia de la cerveza.

4. Introducción
Donde las enzimas que se degeneran o ayudan a degenerar la hemicelulosa
actúan como blanqueador en la industria del papel, lo que hace más pequeño
el consumo de cloro ambientalmente poco amistoso. Por ejemplo la Xilanasa
libre de celulosa puede facilitar la remoción de lignina de pulpa de madera sin
cualquier efecto dañino. En esta presentación se realizará una revisión de la
bioconversión de hemicelulosa, siendo los Xilanos los más abundantes, peor
en particular los arabinoxilanos que se presentan en diversos residuos
agrícolas como la cascarilla del arroz, el bagazo de la caña de azúcar, rastrojo
de la paja, trigo y fibra de maíz en otros para la conversión en etanol, xilitol y
2,3-butanodiol.

5. Compuestos principalmente de tres tipos diferentes de polímeros,
celulosa, hemicelulosa y lignina, envueltos en una compleja estructura.
Este tipo de materiales son los mas abundantes en la naturaleza.
Caracterización de Subproductos de
Biomasa Lignocelulósica
LA CELULOSA Está formada por subunidades de D-Glucosa, unidades
por β-1,4 glicosídicos, siendo un polisacárido homogéneo de gran
importancia en la fermentación. Es la base estructural en las plantas ya
que forma parte de los tejidos de sostén, siendo insoluble en agua, y
originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las
células vegetales. Por ejemplo la pared de una célula vegetal joven
contiene aproximadamente un 40% de celulosa; la madera un 50 %,
mientras que el ejemplo más puro de celulosa es el algodón con un
porcentaje mayor al 90%.Siendo la celulosa la biomolécula orgánica
más abundante ya que forma la mayor parte de la biomasa terrestre.

6. Caracterización de Subproductos de
Biomasa Lignocelulósica
LA LIGNINA es un heteropolímero amorfo que no es soluble en agua, lo que
hace que su degradación sea muy complicada. La lignina realiza múltiples
funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, posee un
importante papel en el transporte interno de agua y nutriente. Proporciona rigidez
a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera,
creando un material que es notablemente resistente a los impactos,
compresiones y flexiones. Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque
de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas
en la pared celular.

7. Qué es la Hemicelulosa?
• Las hemicelulosas son polímeros
heterogéneos de pentosas (xilosa,
arabinosa), hexosas (la manosa, la
glucosa, la galactosa), y ácidos de
azúcar. A diferencia de la celulosa, las
hemicelulosas no son químicamente
homogéneas. Las hemicelulosas de la
madera dura contienen en su mayor
parte a xilanos, mientras que las
hemicelulosas de la madera blanda
contienen en su mayor parte a
glucomananos. En donde los Xilanos
pueden ser categorizados como lineal
como el homoxilano, también esta el
arabinoxilano, glucuronoxilano y
glucuronoarabinoxilano.

8. Por ejemplo Xilanos dependiendo de la fuente tales como hierbas, cereales y
maderas, ya sea dura o blanda digieren en su composición. En la madera
abedul de xilano y xilosa contiene un 89,3%, el 1% de arabinosa, 1,4% de
Glucosa y 8,3% de acido anhidrourónico.
En la madera del pino
insigne, las
hemicelulosas, que
forman parte de la matriz,
junto a la lignina, donde
reside la celulosa,
representan entre un 27 y
un 29% de la misma,
mientras que en la
corteza solo alcanzan un
15%. Las proporciones de
esta molécula varían
dependiendo de la edad y
variabilidad de las
especies cultivadas y
mejoradas.

9. Estructura Las hemicelulosas son polímeros
heterogéneos s de baja masa
molecular, asociados a las celulosas en
el tejido vegetal, por lo que muchos de
ellos son componentes estructurales de
la pared celular.
Existen hemicelulosas en las
plantas que no forman parte de
la pared celular, por lo tanto no
son componentes estructurales
siendo solubles en agua y
muchas de ellas no se conoce
su función definida en el árbol.

10. El Xilema del salvado de arroz contiene un 46% de Xilosa, 44,9% de
arabinosa, 6,1% de galactosa, 1,9% de Glucosa y 1,1% de ác. anhidrourónico.
El arabinoxilano de trigo contiene 65,8% de Xilosa, 33,5% de arabinosa,
manosa 0,1%, Galactosa 0,1% y 0,3% de Glucosa. Alrededor del 80% de la
cadena principal de Xilano, es altamente sustituido por cadenas laterales
monoméricas de arabinosa o ác. Glucurónico ligados a restos de Xilosa. En la
madera blanda están los heteroxilanos, y residuos de arabinofuranosil
esterificados con ácidos p-cumáricos y ác. ferúlicos. Y en madera dura, el 60-
70% de los residuos de Xilosa son acetilados, siendo el grado de
polimerización de maderas duras de xilanos mayor que en maderas blandas.
Estructura

11. Estructura esquemática de heteroxilano de
fibra de maíz.

12. Modelo para las paredes celulares de fibra de
maíz.

13. Composición de biomasa lignocelulósica
agrícola

14. Pretratamiento de la Hemicelulosa
Esta etapa es indispensable para el procesamiento de biomasa lignocelulósica.
Incluye diversos residuos agrícolas (paja, cáscaras, tallos, etc.), residuos de la
industria de papel, variando la composición de estos materiales. El componente
principal es la celulosa (35-50%), seguido de hemicelulosa (20-35%) y lignina
(10-25%). La biomasa lignocelulósica complementa la hidrólisis enzimática y
posibilita la obtención de altos rendimientos. Se hace necesario principalmente
porque la lignina en las paredes celulares de la planta forma unas barreras
contra el ataque enzimático. Un pretratamiento ideal reduce el contenido de
lignina y disminuye la cristalinidad de la celulosa

15. Pretratamiento Mecánico
Trituración mecánica: Molienda para reducción de partícula del
tamaño de malla inferior a 40, tiene un efecto mínimo en los
rendimientos de la hidrolisis, así como la tasa de hidrolisis de la
biomasa.
Ultrasonido: Es una técnica empleada para extraer lignina y
hemicelulosa, se emplea este método a 25°C y diferentes periodos
de tiempo entre 10 a 60 min., encontrando que el mejor tiempo de
residencia fue de 30 min.; sin embargo, su efecto sobre la biomasa
es muy superficial comparado con métodos como el pretratamiento
con H2O2.

16. Pretratamiento Térmicos
En este tipo de pretratamiento la materia prima es calentada en un rango de
150 a 180.C, donde la hemicelulosa y seguida a ella la lignina son
solubilizadas. Temperaturas superiores a 180 .C solubiliza la hemicelulosa.
Durante los procesos térmicos una parte de la hemicelulosa es hidrolizada y
forma ácidos, estos son asumidos como catalizadores para hidrolizar la
hemicelulosa.
Explosión por vapor: La materia prima se somete a temperaturas entre 160-
260.C, mediante la inyección directa de vapor saturado, por un intervalo de
tiempo entre 1 y 10 minutos. Seguidamente se lleva el producto a una rápida
descompresión hasta presión atmosférica. Como resultado se obtiene biomasa
con alteraciones físicas (desagregación y ruptura de las fibras), y químicas
(despolimerización y rotura de enlaces) y una celulosa mas accesible a la
hidrolisis enzimática. Las variables a controlar en este tipo de procedimiento son
la temperatura, el tiempo de residencia, el tamaño de partícula, y la humedad.

17. Pretratamiento Térmicos
Agua liquida a alta temperatura (LHW): En este proceso se somete la
biomasa al efecto de agua caliente a una temperatura entre 170 –
230°C por un tiempo de 46 min. El objetivo de este pretratamiento es
solubilizar principalmente la hemicelulosa de la celulosa para hacerla
mas accesible y evitar la formación de inhibidores. Para evitar la
formación de inhibidores, el pH debe mantenerse entre el 4 y 7 durante
el pretratamiento. Mantener el pH entre 4 y 7 minimiza la formación de
monosacáridos y, por lo tanto, también la formación de productos
degradación que puede seguir catalizando la hidrolisis del material
celulósico durante el pretratamiento.

18. Pretratamiento Físico-Químicos
Proceso de explosión de fibra con amoniaco (AFEX): El pretratamiento
con amoniaco se realiza con cargas de amoniaco en torno a 1:1 (amoniaco
kg/kg peso biomasa seca) a temperaturas que van desde la temperatura
ambiente con una duración de 10 a 60 días, a temperaturas de hasta 120 .C,
con una duración de varios minutos. También se da un aumento de seis veces
la hidrolisis enzimática y un rendimiento de 2,5 veces el rendimiento a etanol
después de este pretratamiento.
Explosión con CO2: Se lleva a cabo con alta presión y altas temperaturas de
hasta 200 .C, con una duración de varios minutos. Este pretratamiento produce
líquidos que pueden ser ácidos, estos ácidos hidrolizan especialmente la
hemicelulosa.

19. Pretratamiento Químicos
Hidrolisis acida: Es un proceso químico que emplea catalizadores ácidos para
transformar las cadenas de polisacáridos que forman la biomasa (hemicelulosa
y celulosa) en sus monómeros elementales. Este tipo de hidrolisis utiliza
diferentes clases de ácidos: sulfuroso, clorhídrico, sulfúrico, fosfórico, nítrico y
fórmico. Siendo solamente usados a nivel industrial los ácidos clorhídrico y
sulfúrico. Los métodos industriales de hidrolisis acida se agrupan en dos tipos:
los que emplean ácidos concentrados (10-30%), trabajan a bajas temperaturas
(170-190.C) y mayor tiempo de residencia; y los que utilizan ácidos diluidos (1-
5%), a temperaturas mas altas (160-240.C), y tiempo de reacción de 6-12
segundos.. La hemicelulosa puede ser sometida a reacciones hidroliticas
produciendo monómeros, como furfural, HMF y otros productos. Durante el
pretratamiento ácido la lignina es rápidamente condensada y precipitada en
ambientes ácidos.

20. Pretratamiento Químicos
Oxidación húmeda: Un pretratamiento oxidativo consiste en la adición de un
compuesto oxidante, como el peróxido de hidrogeno o acido peracetico a la
biomasa, que esta sumergida en el agua. Durante el pretratamiento oxidativo
puede tener lugar reacciones como sustitución electrofilica, el desplazamiento
de cadenas laterales, rompimientos de vínculos de alquil, aril, eter o de nucleos
aromáticos.
Hidrolisis con álcalis: Se lleva a cabo con NaOH diluido donde se sumerge el
material lignocelulósico, a 60.C por 24 horas, produciendo un hinchamiento de
la biomasa, teniendo lugar reacciones como solvatación y saponificación. Esto
provoca un estado de inflamación de la biomasa, lo que la hace mas accesible
para enzimas y bacterias. Disoluciones de álcalis fuertes dan lugar a hidrolisis
alcalina, degradación y descomposición de polisacáridos y rompimiento de
radicales finales. La perdida de polisacáridos es causada principalmente por el
rompimiento de radicales finales y reacciones hidroliticas.

21. Pretratamiento Químicos
Tratamiento con solventes orgánicos: En el proceso, un compuesto orgánico o
acuoso se mezcla con un acido inorgánico (HCl o H2SO4), este se utiliza para
romper el interior de la lignina y puentes de hemicelulosa. Se emplean disolventes
orgánicos como metanol, etanol, acetona, etilenglicol, trietilenglicol y alcohol
tetrahidrofurfurilico. Ácidos orgánicos como oxálico, acetilsalicilico y
salicilico también puede ser utilizados como catalizadores en el proceso. A
temperaturas altas (por encima de 185 °C), el uso de catalizadores es innecesario
para la deslignificación.

22. Denominado así porque su aplicación busca eliminar todas aquellas
substancias que pudieron formarse durante el sometimiento de la materia
prima al pre-tratamiento y la hidrolisis enzimática, y que resultan toxicas e
inhibitorias en la fermentación. Dichas substancias suelen formarse debido a
las altas temperaturas y condiciones acidas en las que se desarrollan las
anteriores etapas. De igual manera, busca evitar la formación de otras
substancias durante el proceso de fermentación que afecte la
producción de etanol.
Detoxificación

23. Existen distintas clasificaciones que agrupan este tipo de sustancias
inhibidoras, los principales tres grupos: derivados del furano (generados a partir
de la hidrolisis de hemicelulosa), ácidos alifáticos de bajo peso molecular
(degradación de furanos) y derivados fenólicos (provenientes de la degradación
de la lignina). Cualquiera de estas clasificaciones es valida, ya que reúnen
todos los compuestos tóxicos conocidos en este tipo de proceso.
De todos estos los mas reconocidos son el furfural formado a partir de la
degradación de las pentosas (xilosa y arabinosa) y el hidroximetil furfural
(HMF), formado como consecuencia de la degradación de las hexosas
(glucosa, manosa y galactosa).
Inhibidores

24. Hidrólisis enzimática
Proceso catalizado por enzimas denominadas celulasas, cuyo propósito es la
degradación de la celulosa (los autores). El uso del pre-tratamiento como se
explicaba anteriormente, facilita el desarrollo de esta etapa. Cabe destacar que en
la mayoría de procesos existe un primordial interés por los azucares provenientes
de la celulosa, sin embargo, la tendencia actual es el aprovechamiento integral de
la biomasa, y en especial de otros azucares como las pentosas, provenientes de la
hemicelulosa, conllevando al uso de enzimas que actúen sobre dichas substancias
como es el caso de las xilanasas y las xilasas.
Para el caso de la hemicelulosa esta corresponde a un heteropolisacárido, ya que
sus ramificaciones están compuestas por mas de un tipo de monómero o
polisacáridos como es el caso de la xilosa (principal constituyente), arabinosa,
galactosa, manosa, glucosa y acido glucorónico, a su vez unidos por un solo tipo
de monosacáridos unidos por enlaces β (1-4), que forman cadena lineal
ramificada. Entre los cuales destacan la glucosa, la galactosa o la fructosa
(dependiendo del tipo de material a emplear. Por ello, con el fin de aprovechar la
fracción de hemicelulosa se suelen emplear enzimas tales como xilasas, xilanasas,
α-l –arabinofuranosidasa, β-xylosidasa, entre otras.

25. •La biodegradación total del xilano requiere endo-β-1,4-xilanasa, β-xilosidasa y varias
enzimas accesorias, que son necesarias para la hidrólisis de diversos xilanos
sustituidos.
•Las cadenas laterales debe escindirse antes de la cadena principal de xilano y así
pueden ser completamente hidrolizado.
•Aunque la estructura de xilano es más compleja que la celulosa y requiere varias
enzimas diferentes con especificidades diferentes para la hidrólisis completa, el
polisacárido no forma estrechamente empaquetados estructuras cristalinas como la
celulosa y es por lo tanto más accesible a la hidrólisis enzimática.
•El procedimiento que arroja mejores resultados en la sacarificación enzimática de la
hemicelulosa implica el pretratamiento de fibra de maíz (15% de sólidos, w / v) con
ácido diluido (0,5% H2S04, v / v) a 121 cc por 1 h, la neutralización a pH 5,0, a
continuación, sacarificación del material de fibra de maíz pretratado con celulasa
comercial y preparaciones β-glucosidasa.Este procedimiento no generó inhibidores
tales como furfural y HME. Por lo tanto, un tratamiento previo con ácido diluido a una
temperatura relativamente baja para minimizar la formación de compuestos inhibidores,
seguido por sacarificación enzimática de la porción celulósica, es un excelente proceso
viable para la generación fermentable azúcares de la fibra de maíz.

26. La producción de etanol combustible a partir de la
hemicelulosa hidrolizado
La utilización de los azúcares de hemicelulosa es esencial para la conversión
eficiente y rentable de material lignocelulósico en combustible etanol. En el año
2002. Más de 2 mil millones de galones de etanol se produjeron, principalmente,
por la fermentación de maíz almidón. La demanda de etanol combustible se espera
que aumente muy fuertemente como una alternativa más segura al metil terciario
butil éter (MTBE), el aditivo más común a gasolina utilizada para proporcionar una
combustión más limpia, ya que el MTBE se ha encontrado que contamina las
aguas subterránea. Varios residuos lignocelulósicos y subproductos agrícolas
pueden servir como materia prima de bajo costo para producción de etanol
combustible.

27. La producción de etanol combustible a partir de la
hemicelulosa hidrolizado
La mezcla de azúcar puede contener cualquier combinación de xilosa, arabinosa,
glucosa, galactosa, manosa, fucosa y la ramnosa dependiendo de la fuente.
Las levaduras Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida y shehate tienen la
capacidad para fermentar la xilosa a etanol.
Sin embargo. xilosa puede convertirse en xilulosa utilizando la enzima xilosa
isomerasa y levaduras tradicionales puede fermentar xilulosa al etanol, aunque el
proceso no es rentable.
Algunas bacterias. como la Escherichia coli. Klebsiella. Envinia. Lactobacillus.
Bacillus. y clostridios. puede utilizar azúcares variadas, pero solo producen una
limitada cantidad de, etanol. Estas bacterias generalmente producen ácidos mixtos
(acetato, lactato, succinato de propionato, etc)

28. El xilitol. Un azúcar de cinco carbonos alcohol. Ha atraído mucho atención debido
a su potencial uso como un alimento natural edulcorante. Un reductor de caries
dental. Y un sustituto de azúcar para los diabéticos. En la actualidad se produce
por reducción química
en condiciones alcalinas de la xilosa derivado principalmente de hidrolizado de
madera
La mayor parte de xilitol producida se consume en diversos productos
alimentarios, tales como goma de mascar, caramelos, refrescos y helados, ya
que da una agradable sensación de frescura.
Algunas levaduras conocidas para producir xilitol son: Candida boidini,
Guillermondii Candida, Candida tropicalis, Candida parapsilosis, y Debaryomyces
hansenii.
La producción de xilitol a partir de la hemicelulosa
hidrolizado

29. Para obtener mayor la productividad de xilitol, hidrolizados tratados se concentró
por evaporación a vacío en un rotavapor para proporcionar mayor concentración
de xilosa inicial. La tasa de xilitol aumento de la producción al aumentar la
concentración inicial de xilosa
Mayerhoff evaluaron 30 cepas diferentes de levadura que pertenecen a cuatro
géneros diferentes (Candida, Debaryolllyces, Hansenula y Pichia) para la
producción de xilitol a partir de la paja de arroz. El mejor desempeño fue
Candida mogii.
La producción de xilitol a partir de la hemicelulosa
hidrolizado

30. 2,3-butanodiol. También conocido como 2,3-butileno glicol (2,3-BD) es un
material de alimentación químico valioso debido a su aplicación como un
disolvente de combustible, líquido, y como un precursor de muchos polímeros
sintéticos y resinas
También tiene uso como un aditivo de combustible líquido. La deshidratación
de los 2,3-BD produce el disolvente industrial como la metil etil cetona, que es
mucho más adecuado como un combustible debido a su punto de ebullición
bajo. Otro producto de la deshidratación es el 1,3- butanedieno, que es el
material de partida para la síntesis caucho.
Durante la Segunda Guerra Mundial, fue necesario para la conversión de 1,3-
butanedieno. Metil etil cetona puede ser hidrogenado para producir isómeros
alto octanaje adecuado de alta calidad de los combustibles de aviación.
El alto punto de ebullición de 2,3-BD, su alta afinidad por el agua, y las
sustancias disueltas y sólidas de la fermentación hacen difícil del 2,3-BD estar
purificado.
producción de 2,3-butanodiol a partir de hidrolizado de
hemicelulosa

31. Importancia Industrial de la Hemicelulosa

32. La conversión de la hemicelulosa en el valor agregado útil de
productos por las rutas enzimáticas y / o de fermentación tiene
fuerte promesa para el uso de una variedad de residuos agrícolas
para fines prácticos. Algunos de los emergentes métodos de
pretratamiento, tales como peróxido alcalino y AFEX con enzimas u
otros medios con el fin de producir azúcares fermentables.
Con el desarrollo de un adecuado método de tratamiento previo,
minimizando la formación de compuestos inhibidores de
microorganismos fermentativos y con la combinación adecuada de
enzimas.
Muchas investigaciones se deben hacer para desarrollar un
pretratamiento eficiente y rentable, para la conversión de
hemicelulosa a escala industrial, de una manera competitiva en
costos.
Observaciones finales