ES2828748T3 - Tratamiento - Google Patents

Abstract

Un metodo de tratamiento de una biomasa de lignocelulosa para disolver la lignina de la misma para producir pulpa de celulosa, que comprende: (a) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa con una mezcla de liquido ionico/agua que contiene 20- 40 % de agua v/v para producir dicha pulpa de celulosa, en donde el liquido ionico comprende un cation y un anion en donde el anion se selecciona de alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSO3]- , hidrogenosulfato [HSO4]-, hidrogenosulfito [HSO3]-, dihidrogenofosfato [H2PO4]- e hidrogenofosfato [HPO4]2- y el cation se selecciona de un derivado de imidazolio, derivado de piridinio o derivado de amonio.

Description

DESCRIPCIÓN

Tratamiento

La presente invención se refiere a un método para tratar una biomasa de lignocelulosa con el fin de disolver la lignina de la misma, mientras que la celulosa no se disuelve. La pulpa de celulosa obtenida puede usarse para producir glucosa. Además, la lignina puede aislarse para uso subsecuente en la industria química renovable como fuente de compuestos químicos de plataformas aromáticas.

Los biocombustibles pueden generarse al fermentar azúcares para producir bioetanol. Actualmente, los biocombustibles se obtienen generalmente de los recursos alimentarios. Esto conduce a varios problemas, ya que existe competencia con el suministro de alimentos por las materias primas; el rendimiento es bajo por unidad de área de tierra y se requiere una entrada alta de energía para crecer los cultivos. Es posible producir el azúcar requerido al hidrolizar el almidón, o puede usarse la sacarosa producida por plantas como la caña de azúcar o la remolacha azucarera. Los problemas podrían aliviarse si se pudiera usar la parte leñosa de las plantas a partir de residuos agrícolas, residuos forestales y cultivos energéticos.

Las partes leñosas o estructurales de la planta han evolucionado para resistir la degradación. Están compuestas principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. Se requiere un pretratamiento del material para romper la estructura. Generalmente, el pretratamiento involucra uno o más de los siguientes: eliminar la hemicelulosa; modificar y solubilizar la lignina; hidrolizar los enlaces hemicelulosa-lignina; y reducir la cristalinidad de las fibras de celulosa. Esto hace que la celulosa sea más accesible a las enzimas y también elimina los inhibidores potenciales de la etapa de fermentación.

Se han descrito previamente varias estrategias de pretratamiento. Estas incluyen explosión al vapor, catálisis con ácido diluido o una base, expansión de fibra de amoníaco, despulpado de Organosolv y pretratamiento biológico. Todos estos procesos tienen sus desventajas. También se ha descrito el pretratamiento con líquidos iónicos. Los líquidos iónicos (IL, por sus siglas en inglés) son sales que son líquidas a la temperatura de interés. La combinación de aniones y cationes puede elegirse para que coincida con la aplicación particular requerida.

El documento WO10/0056790 describe el uso de IL sustancialmente libres de agua para disolver la biomasa que luego puede separarse mediante el uso de diversos disolventes. Los documentos WO08/090155 y WO08/090156 describen el uso de IL para disolver todos los componentes de la biomasa, por ejemplo, la lignina, hemicelulosa y celulosa. En estos métodos, la celulosa se separa de los otros componentes usualmente al añadir un disolvente adecuado de manera que la celulosa precipite y pueda separarse. Dos informes recientes que aplican líquidos iónicos que contienen [MeSO4]- para el pretratamiento de biomasa, concluyeron que el líquido iónico no es capaz de mejorar la digestibilidad ni de la madera de arce ni de la mazorca de maíz.

El documento WO2008/112291 describe el uso de líquidos iónicos para pretratar una biomasa que contiene lignina para aumentar el rendimiento en una reacción de sacarificación subsecuente. El IL se usa para hinchar la estructura de la biomasa y no lograr ninguna disolución de la lignocelulosa. La lignina puede recuperarse como un sólido post­ sacarificación.

El documento US2010-0081798 describe el uso de IL que contienen un anión poliatómico para solubilizar la lignocelulosa. La celulosa se disuelve en el IL.

El documento WO2005/017252 divulga el uso de IL con un anión aromático para disolver la lignina de la biomasa lo que permite que las fibras celulósicas obtenidas se procesen adicionalmente.

Muchos de los procesos de la técnica anterior requieren que el líquido iónico esté sustancialmente libre de agua de manera que la biomasa se disuelva. Por lo tanto, el IL y la biomasa deben secarse antes de usar, lo que aumenta los costos de procesamiento. Se ha informado una tolerancia de hasta el 15 % de agua en peso en los IL, pero niveles más altos produjeron resultados no deseados, tales como la precipitación de celulosa disuelta y rendimientos reducidos de sacarificación.

El proceso de pretratamiento podría mejorarse al reducir el procesamiento requerido para obtener el producto de celulosa deseado. Además, también serían deseables métodos que permitan aislar y usar la lignina.

La lignina se produce mediante tecnologías actuales (por ejemplo, despulpado de papel) y se quema como fuente de calor y electricidad para el proceso (en el despulpado de papel, incluso crea excedente de electricidad que se alimenta a la red). Sin embargo, si estuviera disponible en una forma más pura, podría usarse como compuestos químicos de plataformas aromáticas (que contienen un anillo de benceno) para una biorrefinería (cadena de valor química en base a recursos renovables). También podría usarse con menos modificaciones como aditivo polimérico (por ejemplo, estabilizador de UV) o adhesivo para madera.

Los presentes inventores han identificado un proceso donde la lignina, pero no la celulosa, se disuelve mediante un IL, de manera que la pulpa de celulosa producida puede separarse mecánicamente antes de someterse a sacarificación. La lignina también puede precipitarse del IL simplemente al añadir un antidisolvente, tal como agua. Esto significa que el IL puede reciclarse. La presente invención se refiere a un método de tratamiento de una biomasa lignocelulósica para disolver la lignina de la misma para producir pulpa de celulosa, que comprende:

(a) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa con una mezcla de líquido iónico/agua que contiene 20-40 % de agua v/v para producir una pulpa de celulosa, en donde el líquido iónico comprende un catión y un anión seleccionados de alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSOa]-, hidrogenosulfato [HSO4]-, hidrogenosulfito [HSO3]-, dihidrogenofosfato [H2PO4]- e hidrogenofosfato [Hp 04]2-, y el catión se selecciona de un derivado de imidazolio, un derivado de piridinio o un derivado de amonio.

El IL se calienta preferentemente con la biomasa a 100-160 °C, preferentemente 120-140 °C. La reacción se lleva a cabo durante 1-22 horas, preferentemente 1-13 horas, con mayor preferencia 1-8 horas. Preferentemente, la mezcla se agita.

Como se usa en la presente descripción, el término "biomasa lignocelulósica" se refiere a material biológico vivo o muerto que puede usarse en uno o más de los procesos divulgados. Puede comprender cualquier material celulósico o lignocelulósico e incluye materiales que comprenden celulosa y que opcionalmente comprenden además hemicelulosa, lignina, almidón, oligosacáridos y/o monosacáridos, biopolímeros, derivados naturales de biopolímeros, sus mezclas y productos de degradación. También puede comprender componentes adicionales, tales como proteínas y/o lípidos. La biomasa puede derivarse de una sola fuente o puede comprender una mezcla derivada de más de una fuente. Algunos ejemplos específicos de biomasa incluyen, pero no se limitan a, cultivos bioenergéticos, residuos agrícolas, desechos sólidos urbanos, desechos sólidos industriales, lodos de la fabricación de papel, desechos de jardín, desechos de madera y forestales. Ejemplos adicionales de biomasa incluyen, pero no se limitan a, grano de maíz, mazorcas de maíz, residuos de cultivos tales como hojas de maíz, rastrojo de maíz, pastos que incluyen Miscanthus X giganteus, trigo, paja de trigo, heno, paja de arroz, pasto varilla, papel de desecho, bagazo de caña de azúcar, sorgo, soja, componentes obtenidos de la molienda de granos, árboles (por ejemplo, pino), ramas, raíces, hojas, astillas de madera, pulpa de madera, aserrín, matorrales y arbustos, verduras, frutas, flores, abono animal, pienso multicomponente y biomasa de crustáceos (es decir, biomasa quitinosa). Puede ser preferible tratar la biomasa antes de usar en el método de la invención. Por ejemplo, la biomasa podría tratarse mecánicamente, por ejemplo, molienda o trituración.

En una modalidad preferida, la biomasa se pone en contacto con la composición líquida iónica antes del tratamiento mecánico. Se ha descubierto que el tratamiento de la biomasa, suministrada como astillas de madera, puede reducir la energía necesaria para moler la biomasa. La composición de IL parece funcionar como un lubricante durante la fase de molienda. La biomasa lignocelulósica, suministrada como astillas de madera, puede impregnarse brevemente con una composición de IL a temperatura ligeramente elevada (70-100 °C, preferentemente 90 °C) para aprovechar sus propiedades de lubricación antes de aplicar una etapa de reducción de tamaño mecánica. La composición de IL puede ponerse en contacto con la biomasa durante cualquier período de tiempo desde varios minutos hasta 18 horas o más, preferentemente de 5 minutos a 1 hora. A esto le puede seguir un tratamiento adicional con una composición líquida iónica como se describe en la presente descripción para solubilizar más el contenido de lignina de la biomasa.

Como se usa en la presente descripción, "líquido iónico" se refiere a una especie ionizada (es decir, cationes y aniones). Normalmente tienen un punto de fusión por debajo de aproximadamente 100 °C. El anión se selecciona de alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSO3]", hidrogenosulfato [HSO4]", hidrogenosulfito [HSO3]", dihidrogenofosfato [H2PO4]- e hidrogenofosfato [HPO4]2-. Preferentemente, el anión se selecciona de metilsulfato [MeSO4]-, hidrogenosulfato [HSO4]- y metanosulfonato [MeSO3]-.

La lignina en la biomasa lignocelulósica es soluble en el líquido iónico a la temperatura de tratamiento, pero la celulosa no lo es, de manera que se produce una pulpa que comprende la celulosa. Otros componentes tales como hemicelulosa también pueden disolverse preferentemente en el líquido iónico.

El catión es preferentemente un ion catión prótico, es decir, son capaces de donar un H+ (protón).

El ion catiónico puede ser un derivado de amonio. Estos cationes tienen la fórmula general

en donde

X es N; y

A1 a A4 se seleccionan cada uno independientemente de H, un alifático, carbociclo C3-6, arilo Ca-io, alquiladlo y heteroarilo.

El término "alifático" como se usa en la presente descripción se refiere a un hidrocarburo de cadena lineal o ramificada que está completamente saturado o contiene una o más unidades de insaturación. Por tanto, alifático puede ser alquilo, alquenilo o alquinilo, que preferentemente tiene de 1 a 12 átomos de carbono, preferentemente hasta 6 átomos de carbono o con mayor preferencia hasta 4 átomos de carbono. El alifático puede tener 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 átomos de carbono.

El término "alquilo" como se usa en la presente descripción, es típicamente un grupo o resto alquilo lineal o ramificado que contiene de 1 a 20 átomos de carbono, tal como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 o 19 átomos de carbono. Preferentemente, el grupo o resto alquilo contiene de 1 a 10 átomos de carbono, es decir, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 átomos de carbono, tal como un grupo o resto alquilo C1-4 o alquilo C1-6, por ejemplo, metilo, etilo, n-propilo, /-propilo, n-butilo, /-butilo y í-butilo, n-pentilo, metilbutilo, dimetilpropilo, n-hexilo, 2-metilpentilo, 3-metilpentilo; 2,3-dimetilbutilo y 2,2-dimetilbutilo.

El término "carbociclo" como se usa en la presente descripción se refiere a un grupo cíclico saturado o parcialmente insaturado que tiene de 3 a 6 átomos de carbono en el anillo, es decir, 3, 4, 5 o 6 átomos de carbono. Un carbociclo es preferentemente un "cicloalquilo", que como se usa en la presente descripción se refiere a un grupo cíclico de hidrocarburo completamente saturado. Preferentemente, un grupo cicloalquilo es un grupo cicloalquilo C3-C6.

El término "grupo arilo C6-10" usado en la presente descripción significa un grupo arilo constituido por 6, 7, 8, 9 o 10 átomos de carbono e incluye grupos de anillos condensados tales como grupo de anillo monocíclico o un grupo de anillo bicíclico y similares. Específicamente, los ejemplos de "grupo arilo C6-10" incluyen grupo fenilo, grupo indenilo, grupo naftilo o grupo azulenilo y similares. Cabe señalar que los anillos condensados tales como indano y tetrahidronaftaleno también se incluyen en el grupo arilo.

El término "alquilarilo" como se usa en la presente descripción se refiere a un grupo alquilo como se define a continuación sustituido con un arilo como se definió anteriormente. El componente alquilo de un grupo "alquilarilo" puede estar sustituido con uno cualquiera o más de los sustituyentes enumerados anteriormente para un grupo alifático y el componente arilo o heteroarilo de un grupo "alquilarilo" o "alquilheteroarilo" puede estar sustituido con uno cualquiera o más de los sustituyentes enumerados anteriormente para grupos arilo y carbociclo. Preferentemente, alquilarilo es bencilo.

El término "heteroarilo" como se usa en la presente descripción se refiere a un sistema de anillo aromático monocíclico o bicíclico que tiene de 5 a 10 átomos en el anillo, es decir, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 átomos en el anillo, al menos un átomo del anillo al ser un heteroátomo seleccionado de O, N o S.

Un grupo arilo, heteroarilo o carbociclo como se refiere en la presente descripción puede estar sin sustituir o puede estar sustituido con uno o más sustituyentes seleccionados independientemente del grupo que consiste en halo, alquilo inferior, -NH2, -NO2, -OH, -COOH, o -CN.

El término "átomo de halógeno" o "halo" usado en la presente descripción significa un átomo de flúor, un átomo de cloro, un átomo de bromo, un átomo de yodo y similares, preferentemente un átomo de flúor o un átomo de cloro, y con mayor preferencia un átomo de flúor.

El catión también puede contener un resto heterocíclico que contiene nitrógeno que, como se usa en la presente descripción, se refiere a sistemas de anillos mono o bicíclicos que incluyen un átomo de nitrógeno y opcionalmente uno o más heteroátomos adicionales seleccionados de N, S y O. Los sistemas de anillo contienen 5-9 miembros, preferentemente 5 o 6 miembros para grupos monocíclicos y 9 o 10 miembros para grupos bicíclicos. Los anillos pueden ser aromáticos, parcialmente saturados o saturados y, por tanto, incluyen tanto un grupo "heteroalicíclico", que significa un heterociclo no aromático y un grupo "heteroarilo", que significa un heterociclo aromático. El catión se selecciona preferentemente de

QUINOLIO ISOUUINULIU

en donde R1 y R2 son independientemente un grupo alquilo Ci-6 o alcoxialquilo Ci-6, y R3, R4, R5, R6, R7, R8 y R9, cuando están presentes, son independientemente H, un alquilo C1-6, grupo alcoxialquilo C1-6 o grupo alquiloxi C2-6.

Preferentemente, R1 y R2 son alquilo C1-4, con uno al ser metilo y R3-R9, (R3, R4, R5, R6, R7, presentes, son H. Preferentemente, el anillo catiónico es imidazolio o piridinio.

"Alcoxi C2-6" se refiere al grupo alquilo C1-6 anterior unido a un oxígeno que también está unido al anillo catiónico. Un "grupo alcoxialquilo C2-6" se refiere a un alquilo que contiene un grupo éter, con la fórmula general X-O-Y en donde X e Y son cada uno independientemente un alquilo C1-5 y el número total de átomos de carbono está entre 2 y 6, por ejemplo 2, 3, 4, 5 o 6.

Como se usa aquí, el término "alquenilo" se refiere a un grupo o resto alquenilo lineal o ramificado que contiene de 2 a 20 átomos de carbono, tal como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 o 19 átomos de carbono. Preferentemente, el grupo o resto alquilo contiene 2-10 átomos de carbono, es decir, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 átomos de carbono, tales como un alquenilo C2-4 o un grupo o resto alquenilo C2-6, por ejemplo, etenilo, 2-propenilo, 1-propenilo.

Preferentemente, el ion catiónico se selecciona entre 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1¡m]+, 1-etil-3-metilimidazolio [C2C1¡m]+, 1-metilimidazolio [C1Him]+ y 1-butilimidazolio [C4Him]+.

Los líquidos iónicos preferidos para usar en la invención son metilsulfato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][MeSO4], hidrogenosulfato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][HSO4], metanosulfonato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][MeSO3], hidrogenosulfato de 1-butilimidazolio [C4Him][HSO4] y acetato de 1-etil-3-metilimidazolio [C2C1im][MeCO2].

Los líquidos iónicos pueden prepararse mediante métodos conocidos por el experto en la técnica u obtenerse comercialmente.

Se ha descubierto sorprendentemente que el rendimiento en la etapa de sacarificación puede mejorarse si la composición del pretratamiento comprende agua. La composición es una mezcla de líquido iónico/agua que comprende el IL y 20-40 % v/v de agua. Preferentemente, la composición comprende 20-30 % v/v de agua.

También se ha descubierto que la presencia de un exceso de ácido mejora el rendimiento de glucosa y hemicelulosa.

Por lo tanto, en una modalidad preferida, la composición comprende además 0,01-20 % v/v de ácido, preferentemente

1-5 % v/v de ácido. La adición de una pequeña cantidad de ácido acelera significativamente el proceso de pretratamiento, cuando otras variables tales como el contenido de agua y la temperatura se mantienen constantes. El ácido puede seleccionarse de cualquier ácido fuerte conocido, tal como ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido yodhídrico, ácido perclórico y ácido bromhídrico. Preferentemente, el ácido es ácido sulfúrico o fosfórico.

Los líquidos iónicos de la presente invención disuelven la lignina dentro de la biomasa, pero, a diferencia de los IL descritos anteriormente, no disuelven la celulosa. La mayoría de la celulosa permanece sólida, preferentemente al menos el 90 %, con mayor preferencia el 95 %. Puede eliminarse fácilmente de la fase líquida mecánicamente, por ejemplo, mediante filtración. La pulpa separada puede luego lavarse y usarse en el proceso de sacarificación. Esto elimina la necesidad de una etapa de precipitación separada para obtener la celulosa una vez que se ha tratado la biomasa. Por tanto, en una modalidad preferida, el método de la invención comprende además la etapa de separar el líquido iónico de la pulpa producida.

En una modalidad preferida, la pulpa se lava con un disolvente orgánico miscible con el líquido iónico. La eficacia de la separación y la recuperación del líquido iónico pueden mejorarse al lavar la pulpa con un disolvente orgánico que sea miscible con el líquido iónico. El disolvente orgánico se elimina antes o potencialmente después de que precipite la lignina. Los ejemplos de disolventes orgánicos adecuados incluyen alcoholes alifáticos tales como metanol y etanol.

Es posible precipitar la lignina disuelta en las composiciones de IL. Por lo tanto, en otra modalidad preferida, el método comprende, además

(c) añadir un antidisolvente al líquido iónico que se ha separado de la pulpa, para precipitar la lignina disuelta; y

(d) separar el sólido precipitado del antidisolvente/líquido iónico.

Como se usa en la presente descripción, un "antidisolvente" es un líquido que hace que la lignina se precipite del líquido iónico que contiene la lignina solubilizada producida en la etapa (a). El antidisolvente es preferentemente agua.

El líquido iónico puede recuperarse al eliminar el antidisolvente, por ejemplo, mediante evaporación. El líquido iónico resultante puede luego reciclarse para usarse nuevamente en el método. Por tanto, en otra modalidad, el método comprende además (e) eliminar el antidisolvente del líquido iónico obtenido en (d). Como la presencia de algo de agua mejora el rendimiento, se requiere menos energía para secar el IL.

La pulpa de celulosa obtenida del método de la invención puede usarse para someterse a sacarificación para obtener glucosa. Esta luego puede usarse en el proceso de fermentación para obtener biocombustible. Por tanto, en un segundo aspecto, la invención proporciona un proceso de preparación de glucosa a partir de biomasa de lignocelulosa

que comprende someter una pulpa de celulosa obtenible mediante métodos adecuados de la invención a hidrólisis enzimática. En un aspecto adicional, la divulgación proporciona glucosa obtenida mediante esta hidrólisis.

Las enzimas adecuadas para usar en el proceso incluyen preparaciones de celulasas disponibles comercialmente tales como celulasa de T.reseei y celobiasa Novozyme 188 que también contiene actividad hemicelulolítica. Otras enzimas útiles incluyen esterasas, acetil esterasas o feruloil esterasas, que escinden los sustituyentes que están esterificados a hemicelulosa. El proceso se lleva a cabo preferentemente en un medio acuoso a un pH adecuado para las enzimas. Las condiciones pueden optimizarse en relación con el pH, la temperatura y el medio usado en dependencia de la mezcla de enzimas requerida. Tales métodos son bien conocidos por los expertos. El proceso se lleva a cabo preferentemente de acuerdo con "sacarificación enzimática de biomasa lignocelulósica" (NREl/TP-510-42629), fecha de emisión 21/3/2008. En un aspecto adicional, la divulgación se refiere a la lignina obtenida mediante métodos adecuados como se describe en la presente descripción.

La invención se describirá ahora en los siguientes ejemplos no limitantes con referencia a las siguientes figuras:

La figura 1 muestra la absorción de líquidos iónicos en astillas de Miscanthus a 80 °C

La figura 2 muestra imágenes de madera de Miscanthus disuelta en [C4C1m][MeSO4] húmedo mediante el uso de microscopía de transmisión de luz. Izquierda: parte exterior con células de fibra; derecha: células del parénquima. El aumento fue de 10x.

La figura 3 muestra Miscanthus molido después del pretratamiento con [C4C1im][MeSO4]. Izquierda: pretratado a 120 °C durante 6 h con líquido iónico puro. Derecha: pretratado a 120 °C durante 22 h con líquido iónico/agua al 80/20 % v/v después del lavado.

La figura 4 muestra la configuración experimental para el pretratamiento de Miscanthus molido con mezclas de [C4C1im][MeSO4]/agua.

La figura 5 muestra los rendimientos de sacarificación después de 22 h/120 °C de pretratamiento de Miscanthus molido con mezclas de [C4C1im][MeSO4] agua. La sacarificación procedió durante 48 h. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 6 muestra la composición de la harina de Miscanthus sin tratar usada en este estudio.

La figura 7 muestra los rendimientos de sacarificación de Miscanthus molido después del pretratamiento con mezclas de [C4C1im][HSO4] y [C4C1im][MeSO4] agua. Las condiciones fueron 120 °C, 13 h y 22 h de tiempo de pretratamiento, respectivamente. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 8 muestra el porcentaje de pulpa de Miscanthus recuperada después del pretratamiento con diversas mezclas de [C4C1im][HSO4] agua a 120 °C durante 13 h, así como el rendimiento de glucosa y la recuperación total de azúcar después de la sacarificación.

La figura 9 muestra la recuperación de lignina después del pretratamiento con mezclas de [C4C1im][HSO4] agua a 120 °C durante 13 h. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 10 muestra el transcurso del tiempo de pérdida de masa para mezclas de líquido iónico agua al 80 % v/v pretratadas a 120 °C. Los líquidos iónicos fueron [C4C1im][MeSO4] y [C4C1im][HSO4].

La figura 11 muestra el estudio del curso del tiempo de la sacarificación y los rendimientos de lignina del Miscanthus molido. El pretratamiento con mezclas de [C4C1im][MeSO4]s0% y [C4C1im][HSO4]s0% se realizó a 120 °C durante hasta 26 o 22 h. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 12 muestra el efecto del pretratamiento con [C4C1im][MeSO4]80% y [C4C1im][HSO4]80% a 120 °C sobre la composición de harina de Miscanthus durante diversos períodos de tiempo.

La figura 13 muestra el contenido de lignina y hemicelulosa y el rendimiento de glucosa después de la hidrólisis enzimática de Miscanthus sin tratar y pulpa de Miscanthus tratada con líquido iónico. El rendimiento de sacarificación se basa en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 14 muestra el impacto del pretratamiento con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % v/v sobre la composición de Miscanthus. Los aniones se ordenan de acuerdo con su fuerza aceptora de enlaces de hidrógeno.

La figura 15 muestra la correlación cualitativa entre el contenido de lignina y hemicelulosa y la digestibilidad de la celulosa.

La figura 16 muestra el rendimiento de sacarificación después del pretratamiento con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % v/v a 120 °C durante 22 h. Los rendimientos se determinaron después de 96 h. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 17 muestra concentraciones de azúcares solubilizados y productos de deshidratación de azúcares en licores de pretratamiento. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 18 muestra la influencia del anión en la deslignificación y en la recuperación de lignina después de la precipitación. El Miscanthus molido se pretrató con mezclas de líquido iónico agua a 120 °C durante 22 h. El catión del líquido iónico era [C4C1¡m]+, excepto en [C2C1im][MeCO2]. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento. El contenido de lignina original fue del 26,5 %.

La figura 19 muestra la composición de Miscanthus molido, sauce y pino antes y después del pretratamiento con una mezcla de [C4C1im][HSO4] agua al 80/20 % v/v.

La figura 20 muestra el efecto del pretratamiento de diferentes tipos de biomasa lignocelulósica con mezcla de [C2C1im][MeCO2] agua al 80/20 % v/v y [C4C1im][HSO4] agua al 80/20 % v/v sobre la composición.

La figura 21 muestra el rendimiento de glucosa después del pretratamiento con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % v/v y 96 h de sacarificación de la pulpa resultante. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 22 muestra la deslignificación y recuperación de lignina después del pretratamiento con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % v/v. Los líquidos iónicos eran [C4C1im][HSO4] y [C2C1im][MeCO2]. No se obtuvieron réplicas. El rendimiento se representa como porcentaje de lignina en la biomasa sin tratar.

La figura 23 muestra el curso del tiempo de sacarificación de astillas de Miscanthus y sauce. Los rendimientos se basan en el peso de la muestra secada al horno antes del pretratamiento.

La figura 24 muestra los rendimientos de azúcar obtenidos de la pulpa de Miscanthus después del pretratamiento con mezclas de [C4C1im][MeSO4] o [C4C1im][HSO4] agua a 120 °C. El pretratamiento de [C4C1im][MeSO4] se llevó a cabo durante 22 h, mientras que el pretratamiento de [C4C1im][HSO4] duró 13 h y la sacarificación 96 h. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 25 muestra la relación de aniones [MeSO4]- a cationes del líquido iónico en el líquido iónico reciclado después del pretratamiento de Miscanthus (detectado por 1H-RMN), al ser los aniones restantes [HSO4]-.

La figura 26 muestra los rendimientos de glucosa y hemicelulosa después de la hidrólisis enzimática de Miscanthus pretratado con [C4C1im][MeSO4]s0% and [C4C1im][HSO4]s0% a 120 °C. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 27 muestra la composición de Miscanthus antes y después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% y [C4C1im][MeSO4]80% a 120 °C durante 2 h o 22 h.

La figura 28 muestra la cantidad de monómeros de glucosa y hemicelulosa que se encuentran en los licores de [C4C1im][HSO4]80% y [C4C1im][MeSO4]80% durante el pretratamiento a 120 °C. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 29 muestra los carbohidratos solubilizados (solo monómeros) y la fracción convertida en furfural después del pretratamiento con licores [C4C1im][HSO4]80% y [C4C1im][MeSO4]80%. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 30 muestra el rendimiento del precipitado (relativo al contenido de Klason-lignina de la biomasa sin tratar) después del pretratamiento de Miscanthus con mezclas de [C4C1im][HSO4] agua a 120 °C durante 13 h.

La figura 31 muestra los espectros de IR de la lignina aislada de Miscanthus tratada con [C4C1im][HSO4]80% durante 22 h (negro) y lignina alcalina (de Aldrich, rojo).

La figura 32 muestra los espectros de IR de la lignina aislada de Miscanthus tratada con [C4Him][HSO4]80% durante 20 h (azul) y lignina alcalina (de Aldrich, rojo)

La figura 33 muestra los espectros de IR de la lignina aislada de pino tratada con [C4C1im][HSO4]80% durante 22 h (azul) y lignina alcalina (de Aldrich, rojo).

La figura 34 muestra el curso del tiempo de la recuperación de lignina después del pretratamiento de Miscanthus con [C4C1im][MeSO4]80% y [C4C1im][HSO4]80% a 120 °C. La lignina se aisló del licor mediante precipitación con agua.

La figura 35 muestra los rendimientos de sacarificación enzimática obtenidos de Miscanthus después del pretratamiento con [C4Him][HSO4]95% y [C4Him][HSO4]80%. La sacarificación se llevó a cabo durante 96 h. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 36 muestra la composición de Miscanthus después del pretratamiento con mezclas de [C4Him][HSO4] agua a 120 °C.

La figura 37 muestra la eliminación de lignina y el rendimiento del precipitado después del pretratamiento de Miscanthus con mezclas de [C4Him][HSO4] agua a 120 °C. Los rendimientos se basan en el contenido de lignina de la biomasa sin tratar.

La figura 38 muestra el efecto del anión del líquido iónico sobre la pérdida de masa y la composición de la pulpa recuperada después del pretratamiento de Miscanthus con mezclas de líquido iónico agua al 80 % a 120 °C durante 22 h. Los datos están ordenados (de izquierda a derecha) de acuerdo con la basicidad del enlace de hidrógeno del líquido iónico, que es, en el caso de los líquidos iónicos de 1,3-dialquilimidazolio, una propiedad del anión.

La figura 39 muestra el impacto del anión del líquido iónico sobre los rendimientos de glucosa y hemicelulosa después de la sacarificación enzimática de la pulpa de Miscanthus pretratada con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % en volumen a 120 °C durante 22 h. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 40 muestra el efecto del anión sobre la eliminación de la lignina y el rendimiento del precipitado después del pretratamiento de Miscanthus con mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % en volumen. El mayor rendimiento a partir de licores que contienen [HSO4]-(en comparación con la figura 30 y la figura 34) se atribuye a la mayor cantidad de líquido iónico y biomasa usada en este experimento. Los valores son relativos al contenido de lignina de la biomasa sin tratar.

La figura 41 muestra monómeros de azúcar y furfurales solubilizados en licores que contienen líquidos iónicos de 1,3-dialquilimidazolio al 80 % en volumen con diversos aniones y agua al 20 % en volumen después del tratamiento de Miscanthus a 120 °C durante 22 h. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 42 muestra la composición de sauce (3 gráficos de barras a la izquierda) y pino (a la derecha) antes y después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% y [C4C1im][MeCO2]80% durante 22 h a 120 °C.

La figura 43 muestra la sacarificación enzimática de materias primas lignocelulósicas después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% o [C2C1im][MeCO2]80% durante 22 h a 120 °C. Los rendimientos se basan en el contenido de glucano y hemicelulosa de la biomasa sin tratar.

La figura 44 muestra los rendimientos de glucosa después de 96 horas de sacarificación enzimática seguida del tratamiento con [C4Him][HSO4] en donde se han variado las concentraciones relativas de ácido y base.

La figura 45 muestra los rendimientos de xilosa, manosa y galactosa después de 96 horas de sacarificación enzimática seguida del tratamiento con [C4Him][HSO4] en donde se han variado las concentraciones relativas de ácido y base.

La figura 46 muestra los cambios en los rendimientos de glucosa a lo largo del tiempo durante la sacarificación enzimática seguida del tratamiento con [C4Him][HSO4] en donde se han variado las concentraciones relativas de ácido y base.

La figura 47 muestra los cambios en los rendimientos de xilosa a lo largo del tiempo durante la sacarificación enzimática seguida del tratamiento con [C4Him][HSO4] en donde se han variado las concentraciones relativas de ácido y base.

La figura 48 muestra el rendimiento del precipitado en relación con el contenido de lignina en la biomasa sin tratar seguido del tratamiento con [C4Him][HSO4] en donde se han variado las concentraciones relativas de ácido y base.

La figura 49 muestra el ahorro de energía de la molienda de astillas de madera para diversos métodos de pretratamiento en relación con la madera seca.

La figura 50 muestra los rendimientos de azúcar del polvo de madera tratado enzimáticamente molido a partir de astillas de madera pretratadas de diferentes formas, como porcentaje del peso seco de la muestra.

En los siguientes ejemplos y las figuras adjuntas, los métodos que implican el uso de una mezcla de líquido iónico/agua distinta de una mezcla de líquido iónico/agua que contiene 20-40 % de agua v/v y un líquido iónico que comprende un anión seleccionado de alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSOs]', hidrogenosulfato [HSO4]', hidrogenosulfito [HSO3]', dihidrogenofosfato [H2PO4]' e hidrogenofosfato [HPO4]2' y un catión seleccionado de un derivado de imidazolio, derivado de piridinio o un derivado de amonio, se proporcionan con fines de referencia.

Ejemplo 1

Biomasa

La biomasa lignocelulósica fue albura de pino (Pinus sylvestris, variedad SCOES) de Sussex Oriental, sauce (Salix sp. variedad TORA) descortezado de tallos mixtos y Miscanthus X giganteus. Toda la biomasa se almacenó secada al aire a temperatura ambiente, se molió y se tamizó (malla de 0,18 - 0,85 mm) antes de usar. Se cortaron los entrenudos secos de Miscanthus giganteus (0 = 11 mm) en discos de 5 mm de altura con el fin de obtener astillas de madera de Miscanthus. El contenido de humedad de la lignocelulosa sin tratar fue del 8,0 % (Miscanthus), 8,9 % (Pino) y 7,6 % (Sauce) en base al peso seco al horno. La biomasa se almacenó en bolsas de plástico a temperatura ambiente.

Síntesis de hidrogenosulfato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][HSO4]

Se mezclaron 170,67 g (682 mmol) de [C4C1im][MeSO4] (calidad BASF) con 25 mL de agua destilada en un matraz de fondo redondo con condensador Graham seguido de un condensador Liebig horizontal. La mezcla se calentó a reflujo. El condensador Graham se enfrió a 65 °C mediante el uso de un circulador de temperatura controlada. El condensador Liebig se enfrió con agua a temperatura ambiente y metanol condensado.

El agua se mantuvo a reflujo durante 24 h. La mayor parte del agua se eliminó con el evaporador rotatorio y el líquido iónico se secó in vacuo a 45 °C. El rendimiento fue del 98,1 % en peso.

Síntesis de metanosulfonato de 1-butil-3-metilimidazolio [C⁴Ciim][MeSO³]

Se cargaron 50,0 mL (0,380 mol) de 1-etilimidazol y 42 mL (0,495 mol) de dimetilcarbonato y 100 mL de metanol en un reactor de presión de acero inoxidable de 300 mL con revestimiento de teflón y barra de agitación. La mezcla se calentó a 140 °C durante 24 h, tras lo cual se obtuvo una solución amarillenta que contenía el líquido iónico producto (conversión: 98 %).

Se añadieron 33,73 g (351 mmol) de ácido metanosulfónico puro a una mezcla de producto crudo agitada que contenía 351 mmol de metilcarbonato de 1-butil-3-metilimidazolio. Se observó una vigorosa formación de gas. El líquido iónico se secó in vacuo hasta que se observó cristalización. El producto se recristalizó dos veces en acetonitrilo, se lavó con acetato de etilo y se secó bajo presión reducida. El producto era un sólido blanco. Rendimiento: 70 %

Absorción de líquido en astillas de Miscanthus

Las astillas de madera de Miscanthus se cubrieron con líquido iónico mientras estaban al vacío para fomentar incluso el remojo. Los líquidos iónicos se prepararon como se describió anteriormente, pero también están disponibles comercialmente, por ejemplo, de Sigma-Aldrich, BASF. Los líquidos iónicos se secaron hasta un contenido de agua <0,3 % en peso, con la excepción de [C4Him][HSO4] que tenía un contenido de agua de 1 % en peso.

Las muestras se incubaron en viales de vidrio con tapa a presión con tapón de plástico durante 20 días y luego se calentaron a 80 °C durante algunas horas. La absorción se calculó de acuerdo con la Ec. 1, al ser ma0"c la masa después de la incubación, mps la masa después del pre-remojo a temperatura ambiente y p la densidad del líquido iónico a 25 °C.

^{V absorbido l l l £} 0^{'C “ I t l p s}

m p ¡ - p

Ec. 1

Determinación del contenido de humedad

Para determinar el contenido de humedad, se envolvieron 100 - 200 mg de biomasa secada al aire en papel de aluminio de peso conocido y se secaron en un horno a 105 °C durante la noche. Las muestras se transfirieron a un desecador con sílice activada y se determinó el peso después de 5 min. El contenido de humedad se calculó de acuerdo con la ecuación 2. El contenido de humedad de la biomasa secada al aire (tanto sin tratar como tratada) estaba en el rango de 5-12 %.

Ec. 2

Ablandamiento de astillas de Miscanthus en [C4Ciim][MeSÜ4]

Durante las mediciones de prueba que se diseñaron para encontrar líquidos iónicos que tuvieran efectos de hinchamiento en la biomasa, se observó un efecto inusual del líquido iónico [C4C1im][MeSÜ4] en las astillas de Miscanthus, cuando las muestras se calentaron a 80 °C. En lugar de hincharse, las astillas se encogieron, además absorbieron significativamente más líquido que las astillas sumergidas en otros líquidos iónicos o agua (figura 1).

Las astillas sumergidas en este líquido iónico se volvieron suaves e incluso se disolvieron visiblemente en el líquido iónico al agitarlas. La solución aparente se examinó bajo el microscopio y reveló la presencia de células de parénquima y fibras separadas (figura 2).

Parecía que la laminilla media, el pegamento entre las paredes celulares, se afectó por el líquido iónico. La laminilla media de las gramíneas está formada por hemicelulosas, incluidas las pectinas, y en los tejidos maduros una gran proporción de lignina (>50 % en madera totalmente lignificada). Por lo tanto, es posible que el líquido iónico solubilizara cualquiera de los componentes principales o ambos.

Estos resultados sugieren que el área superficial de las astillas de Miscanthus puede mejorarse enormemente mediante el uso de un tratamiento suave, y también que este líquido iónico podría mejorar la digestibilidad de la lignocelulosa al solubilizar lignina y hemicelulosas.

Pretratamiento de la biomasa lignocelulósica y aislamiento de la pulpa

Con el fin de asegurar unas muestras homogéneas, los tallos de Miscanthus se molieron y se usaron partículas de 0,18-0,85 mm de ancho. La biomasa se había recolectado en invierno y secado al aire. El pretratamiento se realizó en matraces de cultivo de boca ancha con tapón de rosca y revestimiento de teflón. Se eligieron los matraces porque estaban garantizados para resistir temperaturas de hasta 120 °C y el revestimiento de teflón aseguraba la resistencia química, así como el taponamiento hermético. No se usó agitación, porque el horno no soportaba la agitación. Con el fin de minimizar el uso de líquido iónico, se usaron pequeños lotes de 0,5 g de biomasa secada al horno, a menos que se indicara lo contrario. A esto se le añadieron 5 mL de disolvente de pretratamiento. Esto fue suficiente para cubrir la biomasa triturada de Miscanthus sin comprimirla.

Una vez finalizado el pretratamiento, las muestras se enfriaron a temperatura ambiente y se mezclaron con 10 mL de metanol. La suspensión se filtró a través de papeles de filtro (Whatman 541 o equivalente, endurecido) después de un par de horas. El sobrenadante se apartó para la determinación del rendimiento de lignina y el análisis del contenido de furfural. Los sólidos se lavaron con metanol de una botella de lavado y se incubaron con 10 mL de metanol fresco durante la noche. La suspensión se filtró de nuevo, se aclaró con metanol de una botella de lavado y los sólidos se secaron sobre papel de filtro en una mesa de laboratorio durante la noche. Se registró el peso secado al aire y las muestras se transfirieron a bolsas de muestras herméticas que pueden volverse a sellar. El contenido de humedad se determinó como se describió anteriormente. Con el fin de obtener suficiente material para el análisis de la composición, los experimentos de pretratamiento se escalaron 2-3 veces.

Aislamiento de lignina

El sobrenadante obtenido después del pretratamiento se secó al vacío suave a 40 °C para eliminar el disolvente de lavado orgánico mediante el uso de un carrusel 12 con tubos de vidrio (Radleys), equipado con una placa calefactora y barras de agitación de metales de tierras raras. Se añadieron 10 mL de agua para precipitar la lignina como una suspensión fina. El precipitado se lavó 3 veces con agua destilada, se secó al aire y posteriormente se secó bajo alto vacío a temperatura ambiente. El rendimiento se determinó mediante pesaje. Los precipitados se almacenaron en viales de vidrio con tapón de plástico.

El rendimiento de precipitado se calculó en base al contenido de lignina Klason de la biomasa sin tratar mediante el uso de la siguiente ecuación. Parte del precipitado puede ser pseudolignina.

% de Rendimiento m de pre c ip ita d o

de lignina -----------------100%

m Klason lignina

El precipitado se caracterizó por espectroscopía IR mediante el uso de una máquina Spectrum 100 IR (Perkin-Elmer) equipada con un accesorio de muestreo ATR universal con cristal de diamante.

Fue una sorpresa encontrar que el tratamiento de la harina de Miscanthus con [C4Ciim][MeSÜ4] puro a 120 °C resultó en una pasta de madera líquida iónica sólida (figura 3 izquierda). El rendimiento de sacarificación de esta pasta fue bajo. Sin embargo, la adición de agua permitió la separación del líquido iónico y una pulpa de Miscanthus (figura 3 a la derecha) incluso después de períodos prolongados de calentamiento (24 h). El líquido se volvió casi negro durante el pretratamiento, pero después de separar la fracción líquida y sólida, se obtuvo una pulpa beige. En experimentos preliminares, se observó una digestibilidad muy alta.

Ejemplo 2

Sacarificación

La sacarificación enzimática se realizó de acuerdo con LAP "Sacarificación enzimática de biomasa lignocelulósica" (NREL/TP-510-42629), fecha de emisión 21/03/2008. Se usaron por sacarificación, 150 mg de muestra secada al aire sin tratar y pretratada. Cuando se ejecutó una condición de pretratamiento por duplicado o triplicado, la sacarificación solo se realizó una vez por muestra. Si la condición de pretratamiento no se repitió, la sacarificación se realizó por duplicado. Las enzimas fueron celulasa de T. reseei y celobiasa de Novozyme 188, que también contiene actividad hemicelulolítica y, por tanto, puede hidrolizar xilano (ambas de Sigma-Aldrich). Los rendimientos de glucosa y hemicelulosa se calcularon en base al contenido de glucosa y hemicelulosa de la biomasa sin tratar, respectivamente.

Análisis composicional

El análisis composicional (lignina, carbohidratos, cenizas) se realizó de acuerdo con el procedimiento analítico de laboratorio (LAP, por sus siglas en inglés) "Determinación de carbohidratos estructurales y lignina en biomasa" (NREL/TP-510-42618), fecha de emisión 25/04/2008. No se realizaron réplicas.

Los extractos de biomasa de pino y sauce sin tratar se eliminaron mediante una extracción con disolvente, automatizada, de una etapa, con etanol al 95 % mediante el uso de un extractor de disolvente acelerado ASE 300 (Dionex) de acuerdo con el LAP "Determinación de extractivos" (NREL/TP-510-42619), fecha de emisión 17/7/2005. Los extractos de Miscanthus sin tratar se eliminaron mediante una extracción con disolvente de dos etapas mediante el uso de agua desionizada y subsecuentemente etanol al 95 % de acuerdo con el mismo LAP.

El análisis por HPLC de los azúcares de glucosa y hemicelulosa se realizó en un sistema Agilent 1200 equipado con una columna Aminex HPX-87P (Biorad), una columna de eliminación de cenizas y una columna de protección Carbo-P. La fase móvil fue agua desionizada. La temperatura de la columna se fijó en 80 °C y el caudal fue de 0,6 mL/min. El contenido de carbohidratos, lignina Klason, cenizas y extractos (donde corresponde) se expresó como una fracción de la suma (normalizada al 100 %).

Cuantificación de azúcares solubilizados y furfurales

Se mezclaron 200 pL de licor de pretratamiento con 600 pL de agua desionizada en un vaso plástico de 1,5 mL, se agitó y se centrifugó con una centrífuga de mesa (Biofuge 13, Heraeus) a velocidad máxima durante 10 min. El sobrenadante se transfirió a un vaso limpio y se centrifugó durante 10 min. El sobrenadante se transfirió a viales de muestra de HPLC y se analizó en un sistema Jasco HPLC equipado con una columna Aminex HPX-87H (Biorad) mediante el uso de una fase móvil de ácido sulfúrico 10 mM. La temperatura del horno de la columna fue de 55 °C, el caudal de 0,6 mL/min y el tiempo de adquisición de 55 min. Se prepararon concentraciones estándar de patrones de 2-furaldehído (furfural) y 5-(hidroximetil)-2-furaldehído (HMF) en agua desionizada a concentraciones de 0,01; 0,02; 0,1; 0,2 y 0,4 mg/mL. Los estándares de carbohidratos fueron 0,1; 1; 2 y 4 mg/mL. El factor F^hplc (S) se obtuvo a partir de la curva de calibración respectiva. El rendimiento relativo de monómeros de azúcar solubilizados y furfurales, % en peso (S), se calculó mediante el uso de la Ec. 3. El factor de transformación de masa molecular F^t fue 1,37 para furfural, 1,28 para HMF, 0,91 para glucosa y 0,88 para azúcares de hemicelulosa. El factor de fracción de masa F^c fue 0,243 para azúcares de hemicelulosa y furfural y 0,436 para glucosa y HMF.

Ec. 3

A^hplc: área del pico de HPLC, F^hplc (S): factor de calibración de HPLC para la sustancia S, F^d: factor de dilución, V^pl: volumen de licor de pretratamiento en mL, mbiomasa: biomasa (peso secado al horno) en mg, F^c : fracción de glucano o azúcares de hemicelulosa en la biomasa sin tratar como se determinó por análisis composicional, F^t(S): factor de transformación que representa las diferencias de masa molecular entre el material de partida y el producto

Rendimientos de sacarificación después del pretratamiento con mezclas de metilsulfato de 1-butil-3-metilimidazolio agua

Se investigó la influencia del contenido de agua en la digestibilidad. Esto confirmó que el agua fue un factor importante en el pretratamiento con este líquido iónico. El contenido de agua se varió entre 2 % y 80 % v/v. La composición se refiere a la cantidad de componentes puros añadidos, por lo que se desprecian los efectos de mezcla sobre el volumen. El tiempo de pretratamiento se fijó a 22 h para permitir que el pretratamiento se completara a pesar de la falta de agitación. Se trató un conjunto de muestras de control con agua desionizada pura. Las muestras se procesaron de acuerdo con la figura 4. La pulpa que pudo aislarse después del pretratamiento se sometió a sacarificación mediante el uso de celulasa y una mezcla de hemicelulasa (Novozyme 188) en un tampón.

Los rendimientos después de la digestión enzimática se muestran en la figura 5. Los rendimientos de azúcar varían ampliamente. Se observó el mayor rendimiento de glucosa para mezclas que contenían 10-40 % de agua. El contenido de agua más alto o más bajo redujo el rendimiento de glucosa. También se pudo cuantificar el azúcar xilosa de la hemicelulosa. El rendimiento fue mucho más bajo, pero siguió una tendencia similar. Otros azúcares de hemicelulosa, tales como arabinosa, manosa y galactosa, estaban por debajo del nivel de detección.

Los rendimientos de sacarificación pueden compararse con la composición de la biomasa original. La cantidad de glucosa en la biomasa secada al aire fue del 43,6 %. Un rendimiento de glucosa entre 37,7 y 40,2 % en peso después de la sacarificación significa que el 86-92 % de la glucosa original se recuperó en la fracción sólida y pudo hidrolizarse por las celulasas en 48 h. Estos rendimientos son muy altos y en marcado contraste con los rendimientos de los controles tratados con agua, para los cuales el rendimiento de glucosa fue marginal.

Los rendimientos de hemicelulosa para las muestras pretratadas son generalmente bajos en comparación con el contenido de hemicelulosa de la biomasa sin tratar. Un rendimiento de 5,3-6,4 % significa que solo se recuperó el 29­ 35 % de la hemicelulosa durante la sacarificación. Es aún superior a la recuperación a partir de los controles. La glucosa casi cuantitativa y la buena recuperación de hemicelulosa también se reflejan en la licuefacción de la pulpa durante la sacarificación. Mientras que el Miscanthus sin tratar apenas cambió su apariencia durante la sacarificación, el material tratado se solubilizó casi por completo. Lo que sobró fue un polvo marrón fino y voluminoso. Probablemente estaba compuesto de lignina que precipitó durante el lavado, como se explicará a continuación.

Los hallazgos de que se necesitaba agua para el pretratamiento son buenas noticias. El agua es ubicua; no solo está presente en la biomasa, sino que también el líquido iónico puede contener mucha humedad absorbida. En términos de proceso, esto significa que se necesita menos energía para secar tanto la biomasa como el líquido iónico. Los resultados también sugieren que un rango relativamente amplio de concentraciones de agua es aceptable, por lo que un cambio en el contenido de agua no significará necesariamente una caída brusca en el rendimiento. La presencia de agua mejora el proceso ya que el rendimiento disminuye si el contenido de agua es demasiado bajo.

Ejemplo 3

Influencia del disolvente de lavado en la recuperación y fraccionamiento de biomasa

Los ejemplos anteriores indican que la celulosa se enriqueció significativamente en la pulpa, lo que implica que se eliminaron algunos de los otros componentes. El bajo rendimiento de hemicelulosa sugiere que se había solubilizado una fracción significativa de la hemicelulosa. Sin embargo, el color oscuro del licor de pretratamiento también sugiere que parte de la lignina se solubilizó en el líquido iónico. La lignina nativa no tiene color, sin embargo, cuando la lignina se modifica químicamente, a menudo adquiere un color oscuro, como puede verse con las preparaciones de lignina disponibles comercialmente.

Durante la fase de lavado, el licor previamente transparente se volvió turbio al diluirlo con agua destilada y comenzó a sedimentar un precipitado fino. Probablemente se trataba de lignina. El fraccionamiento de la lignina a partir de la fracción de carbohidratos ha sido parte del pretratamiento de Organosolv, a partir del cual puede obtenerse lignina de Organosolv.

Ejemplo 4

Composición de [C4C1im][AleSO4] reciclado

El licor de líquido iónico obtenido después de la precipitación de la lignina se secó al vacío a 40 °C. Una muestra del líquido iónico seco se sometió a espectrometría de masas. Parte del líquido iónico recuperado se disolvió en DMSO-d6 y se registró un espectro de 1H RMN. Se usaron los picos del grupo metilo a 3,40 ppm y del hidrógeno del C-2 del anillo para determinar la relación de anión a catión. El pretratamiento se llevó a cabo en recipientes tapados, por lo que es razonable suponer que el contenido de agua no cambió sustancialmente durante el pretratamiento. Se tuvo en cuenta el agua introducida por el líquido iónico y la biomasa secada al aire, pero no el agua consumida en las reacciones hidrolíticas.

El espectro sugirió que el líquido iónico recuperado parecía estar libre de productos de degradación. Sin embargo, el pico integral para el grupo metilo en el anión disminuyó significativamente. Un espectro de masas de la mezcla reveló que los aniones de hidrogenosulfato, [HSO4]', estaban presentes junto con los aniones de metilsulfato. El enlace entre el grupo metilo y el resto del anión es un enlace éster, un éster metoxisulfato y, por tanto, como todos los ésteres, susceptible de hidrólisis en presencia de agua. Por tanto, la pérdida de la señal del grupo metilo se atribuye a un equilibrio químico entre el éster de metilsulfato y la forma hidrolizada (esquema 1).

Esquema 1: Equilibrio entre metilsulfato e hidrogenosulfato a temperaturas elevadas en presencia de agua

Los experimentos de pretratamiento se llevaron a cabo en recipientes tapados, es razonable suponer un sistema cerrado.

Ejemplo 5

Pretratamiento con mezclas de hidrogenosulfato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][HSO4] agua

Los experimentos de pretratamiento se realizaron con mezclas de hidrogenosulfato de 1-butil-3-metilimidazolio agua. Si el anión metilsulfato y el metanol fueran importantes, los rendimientos se reducirían. Si el hidrogenosulfato fuera importante, los rendimientos deberían ser tan buenos como antes. La principal diferencia entre el anión hidrogenosulfato y los aniones es su acidez. El pKa del hidrogenosulfato es 1,99. Es más ácido que el ácido acético (pKa = 4,72) pero menos que el ácido clorhídrico (pKa = -7).

Los rendimientos de sacarificación para glucosa y xilosa después del pretratamiento con mezclas de [C4C1im][HSO4] agua fueron muy similares a los rendimientos encontrados para las mezclas de [C4C1im][MeSO4] agua (figura 7). El rendimiento de glucosa fue alto para el líquido iónico que contiene 10-40 % de agua. Esto se logró en menos tiempo (13 h) que el usado anteriormente (22 h).

Esto prueba que el anión hidrogenosulfato apareado con el catión 1-butil-3-metilimidazolio es efectivo en el pretratamiento de lignocelulosa de Miscanthus.

La recuperación de pulpa de Miscanthus se muestra en la figura 8. Si bien el agua pura solo eliminó el 8 % de la materia, la eliminación por parte del líquido iónico fue mucho más pronunciada. La pérdida de masa después del pretratamiento con líquido iónico al 60-90 % fue de alrededor del 50 %. El rendimiento de glucosa y el rendimiento de azúcar total después de la sacarificación del sólido recuperado también se muestran en la figura 8. Puede observarse que el rendimiento de sacarificación es mayor cuanta más lignina y hemicelulosa se han solubilizado. La figura también sugiere que la celulosa, que es la principal fuente de glucosa, está enriquecida en la pulpa.

También se investigó la precipitación de lignina a partir de [C4C1im][HSO4]. La figura 9 muestra el rendimiento de lignina después de lavar la biomasa con metanol y precipitar con agua. El rendimiento de lignina se correlaciona bien con la concentración de líquido iónico. Cuanto mayor sea el contenido de líquido iónico, más lignina puede aislarse. El rendimiento solo cae moderadamente desde el 13,4 % y 13,7 % al 5 % y 10 % de contenido de agua, al 9,5 % al 60 % de contenido de agua. Se observó una fuerte caída en el rendimiento de lignina cuando el contenido de agua aumentó del 60 % al 80 %. Esto está en concordancia con una solubilización de la biomasa reducida al 80 % de contenido de agua (figura 8).

Ejemplo 6

Curso de tiempo del pretratamiento con líquido iónico

El efecto del pretratamiento de mezclas de líquido iónico agua, que contienen [C4C1im][HSO4] o [C4C1im][MeSO4], que contiene una mezcla de aniones [MeSO4]- y [HSO4]' bajo las condiciones aplicadas, se investigaron a lo largo del tiempo. El licor de pretratamiento con líquido iónico al 80 % se usó como licor de pretratamiento de ejemplo.

La recuperación de biomasa resuelta en el tiempo tanto para el metilsulfato como para el hidrogenosulfato se muestra en la figura 10. Puede verse que la mayor parte de la solubilización de la biomasa se produjo dentro de las cuatro horas posteriores al inicio del pretratamiento, lo que representa el 90 % de la pérdida de masa. El 10 % restante se solubilizó en las siguientes 18-20 h. Este fue el caso de ambos licores de pretratamiento. Se observaron ligeras diferencias antes del punto de tiempo de 4 h, al ser el hidrogenosulfato mejor para eliminar la fracción de biomasa soluble en 45 y 90 min.

Los rendimientos correspondientes de sacarificación y lignina se muestran en la figura 11. El rendimiento de glucosa aumentó abruptamente en las primeras 8 h y luego se niveló en el tiempo restante. El rendimiento de hemicelulosa, por otro lado, alcanzó un rendimiento máximo de alrededor del 7 % a las 8 h y luego disminuyó al 5 % hacia el final del pretratamiento.

Aunque la mayor parte de la pérdida de masa se produjo dentro de las 4 h, el rendimiento de glucosa mejoró significativamente al prolongar el pretratamiento a 8 h.

El rendimiento de lignina siguió una tendencia similar, al aumentar rápidamente dentro de las primeras 8 h y cambiar solo ligeramente después.

En conclusión, los datos sugieren que el pretratamiento no necesita realizarse durante 22 h o incluso 13 h. Parecen ser suficientes 8-10 h para obtener el máximo rendimiento posible de glucosa. Prolongar el pretratamiento no parece tener un impacto significativo en el rendimiento de glucosa, mientras que el rendimiento de hemicelulosa de la pulpa disminuye algo con un tiempo de pretratamiento más largo.

La pérdida de masa significativa junto con un alto rendimiento de glucosa sugiere que se produce un fuerte enriquecimiento de la fracción de celulosa. Con el fin de confirmar esto, se llevó a cabo un análisis de la composición de Miscanthus antes y durante el pretratamiento. El Miscanthus molido se pretrató durante 2 h con [C4C1im][HSO4]s0% y [C4Ciim][MeSO4]80%. Una incubación de 2 h entra en la fase 'activa', cuando la pérdida de masa y el rendimiento de sacarificación aumentan rápidamente. Por tanto, el análisis de estas muestras permite vislumbrar los cambios de composición durante esta fase de pretratamiento.

La figura 12 muestra que para [C4Ciim][MeSO4]80%, el pretratamiento de 2 h dio como resultado una pérdida de masa del 10 %. El contenido de hemicelulosa casi no cambió, mientras que el contenido de lignina se redujo al 70 %. La pérdida de masa fue significativamente mayor después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80%. Como muestra la figura, esto se debió a una reducción del contenido de lignina (en un 44 %) así como a la eliminación de azúcares de hemicelulosa. El contenido de hemicelulosa se redujo a la mitad en 2 h. Esto puede explicarse con la naturaleza lábil a los ácidos de la hemicelulosa. Es la fracción más susceptible a la hidrólisis bajo condiciones ácidas. La solubilización de la hemicelulosa es el modo de acción principal para el pretratamiento con ácido diluido y también se produce bajo las condiciones ácidas del proceso Organosolv.

La composición después de 22 h de pretratamiento también se muestra en la figura 12. La fracción sólida después del largo pretratamiento consistió en solo el 46 % de la biomasa original. La fracción más grande fue glucosa, que constituía el 85,2 % del residuo sólido. Esto es casi el doble de concentrado que en la biomasa original, que tenía un contenido de glucosa del 43,6 %. Parece que se perdió algo de glucosa durante el pretratamiento. Es posible que esta sea probablemente la glucosa contenida en la hemicelulosa, pero también las partes expuestas de las regiones amorfas en las fibrillas de celulosa podrían haber sido hidrolizadas. Sin embargo, el 39,5 % de la biomasa original se recuperó como glucosa, que es el 91 % de la fracción de glucosa. El contenido de hemicelulosa de la pulpa de 22 h fue bajo, al representar menos del 9,4 % de la fracción sólida. Esto se traduce en una eliminación del 80 % de los azúcares de hemicelulosa (distintos de la glucosa). Se observa una tendencia similar para la lignina. El contenido de lignina después de 22 h fue solo del 4,1 %. Esto significa que se solubilizó el 93 % de la lignina original.

La celulosa altamente enriquecida contenida en esta pulpa es muy susceptible a la hidrólisis enzimática. La relación entre la eliminación de lignina y hemicelulosa y el rendimiento de sacarificación de la glucosa se muestra en la figura 13. Anteriormente se sugirió una correlación entre la eliminación de lignina mediante el pretratamiento con líquido iónico y los rendimientos de sacarificación.

Ejemplo 7

La influencia del anión en la composición de la biomasa y los rendimientos de sacarificación

Se investigó el impacto de las mezclas de [C4C1im][MeSO4] y [C4C1im][HSO4] agua y se reveló que puede llevarse a cabo un pretratamiento eficiente de lignocelulosa mediante el uso de estos disolventes de pretratamiento. Para evaluar además qué características hacen el líquido iónico efectivo, se investigó la influencia del anión. El efecto del anión del líquido iónico había sido un foco de atención previamente y demostró ser un factor importante para promover el hinchamiento de la pared celular.

La condición que se ha investigado más a fondo hasta ahora, es decir, pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% a 120 °C durante 22 h, también se seleccionó para la investigación del efecto aniónico. Los aniones usados para la comparación fueron acetato, cloruro, metanosulfonato y trifluorometanosulfonato. La efectividad del pretratamiento no pudo correlacionarse con la basicidad del enlace de hidrógeno del anión.

El impacto en la composición y la pérdida de masa se muestra en la figura 14. Los resultados se han ordenado de acuerdo con la basicidad de los enlaces de hidrógeno de los respectivos aniones, con valores altos a la izquierda. Está claro que el anión [HSO4]- causó la mayor pérdida de masa, concomitante con una completa eliminación de lignina y hemicelulosa.

El segundo despulpado más eficiente se encontró para el anión [MeSOs]-. El contenido de hemicelulosa se redujo a niveles similares, pero el contenido de lignina fue significativamente mayor. Se observó una reducción significativa del contenido de hemicelulosa y lignina para el pretratamiento con el líquido iónico de acetato. Sin embargo, el despulpado fue significativamente menos eficiente bajo estas condiciones. El efecto del líquido iónico que contiene cloruro fue sorprendentemente pequeño. El impacto más pequeño sobre la composición fue ejercido por [C4Ciim][OTf] (trifluorometanosulfonato).

Se encontró una correlación entre la eliminación de hemicelulosa y lignina y los rendimientos de sacarificación (figura 15). Los mayores rendimientos de glucosa se obtuvieron con mezclas de [C4Ciim][MeSOs] y [C4Ciim][HSO4] agua. El pretratamiento con [C2Ciim][MeCO2] dio como resultado buenos rendimientos de glucosa, pero no logró el mismo nivel de digestibilidad que los disolventes del pretratamiento basados en metanosulfonato e hidrogenosulfato. Los rendimientos de glucosa de las mezclas que contienen iones cloruro y triflato fueron muy bajos.

Los rendimientos de hemicelulosa se comportaron ligeramente diferentes (figura 16). El rendimiento fue el más alto después del tratamiento con [C2Ciim][MeCO2] (9,6 %), intermedio después del pretratamiento con [C4Ciim][MeSOs] (6,0 %) y menor después del tratamiento con [C4Ciim][HSO4] (3,3 %). Esto parece correlacionarse con la acidez de las mezclas líquidas iónicas, lo que tiene un efecto profundo en la estabilidad de la fracción de hemicelulosa.

El anión acetato puede ejercer un efecto tamponador sobre una solución acuosa que limita la hidrólisis de enlaces glicosídicos. El metanosulfonato, como base de un ácido fuerte, no puede realizar tal función y se observa más hidrólisis. El hidrogenosulfato es aún más ácido y disminuirá el pH a 2 o menos. Esto no solo ayudará en la hidrólisis de la hemicelulosa, sino que fomentará reacciones adicionales de los monómeros de azúcar a los furfurales y posiblemente a otros productos de degradación.

Las cantidades de monómeros de azúcar y furfurales que se encuentran en el licor de pretratamiento se muestran en la figura i7. El pretratamiento con [C2Ciim][MeCO2] resultó en una cantidad muy baja de monómeros y prácticamente sin furfurales. Una gran fracción de la hemicelulosa se recupera en la pulpa (63 % de toda la hemicelulosa). La celulosa restante probablemente estaba solubilizada, pero oligomérica y no pudo detectarse con la configuración de HPLC disponible.

Cantidades sustanciales de monómeros y furfurales se encontraron en los licores que contienen [MeSOs]- y [HSO4]-. Se detectaron i3,3 % en peso y i2 , i % en peso de la biomasa original como monómeros o productos de deshidratación de monómeros en ambos líquidos. La distribución entre los diversos productos varió considerablemente. La hemicelulosa monomérica fue la fracción predominante en el licor de metanosulfonato, mientras que el furfural fue la fracción principal en el licor de hidrogenosulfato.

Los licores que contienen cloruro y [OTf]- tenían una baja abundancia de monómeros y productos de deshidratación, que no es sorprendente dado el fraccionamiento insignificante y poca pérdida de masa que lograron.

La recuperación de lignina también se determinó para mezclas de líquido iónico agua al 80/20 % en volumen (figura i8). La eliminación de lignina de la biomasa (deslignificación) también se muestra en este diagrama.

La recuperación de lignina fue mejor en [C4Ciim][HSO4]so% con una recuperación del 64 % de la lignina original, seguida de una recuperación de lignina del 3 i % a partir de [C4Ciim][MeSOs]so% y del i8 % de toda la lignina a partir de [C2Ciim][MeCO2]so%.

Ejemplo 8

La influencia del tipo de lignocelulosa

El pretratamiento con [C4Ciim][HSO4]so% a i20 °C durante 22 h también se realizó en sauce molido y pino molido. El impacto en la composición de la biomasa se muestra en la figura i9. Se muestra que el pretratamiento tiene un efecto similar sobre los otros tipos de biomasa. En particular, el impacto sobre el sauce fue muy similar en comparación con el efecto sobre el Miscanthus, con la solubilización avanzada de hemicelulosa y lignina. El efecto sobre el pino fue menos pronunciado.

Los diversos tipos de biomasa también se pretrataron con [C2Ciim][MeCO2]so%. El impacto en la composición de la biomasa se muestra en la figura 2o. Se observó menor deslignificación y menor eliminación de hemicelulosa cuando el anión fue acetato, independientemente del tipo de biomasa. La tendencia general fue nuevamente, que la harina de pino fuera más recalcitrante al pretratamiento. El licor de [C2Ciim][MeCO2]so% tuvo muy poco impacto sobre la composición del pino, con cierta solubilización de la lignina. También hubo alguna pérdida de la fracción de glucosa durante el pretratamiento con [C2Ciim][MeCO2]so%. Esto se atribuye a la solubilidad de la celulosa en el líquido iónico de acetato. Aunque la mayor parte de la celulosa se precipitó durante el lavado de la pulpa con metanol, se observó que parte de la biomasa permanecía dispersa en el licor diluido y solo precipitaría después de una dilución adicional.

i6

La actividad reducida en sauce y pino en comparación con Miscanthus puede explicarse por sus paredes celulares más gruesas y poros más pequeños. Esto dará como resultado una limitación en la transferencia de masa. Las diferencias en la composición y la abundancia natural de enlaces químicos dentro de la lignina o entre la lignina y la hemicelulosa también podrían ser responsables.

Los resultados de la sacarificación reflejan los cambios composicionales. La eliminación de lignina y hemicelulosa coincidió con una mejor digestibilidad de la fracción de celulosa (figura 21). La mayor digestibilidad se obtuvo para la biomasa de Miscanthus pretratada con [C4C1im][HSO4]80%. El segundo mejor rendimiento se obtuvo para el sauce con el mismo licor de pretratamiento. El orden de las combinaciones de aniones de biomasa estudiadas fue Miscanthus [HSO4]- > Sauce [HSO4]- > Miscanthus [MeCO2]- > Sauce [MeCO2]- > Pino [HSO4]- > Pino [MeCO2]-. Los rendimientos de sacarificación para el pino fueron sorprendentemente bajos. Se observó significativa deslignificación (66 %) y eliminación de hemicelulosa (69 %) para el pino pretratado con [C4C1im][HSO4]80%, sin embargo, el rendimiento de glucosa fue solo el 30 % del rendimiento teóricamente posible.

Los rendimientos de lignina se muestran en la figura 22, junto con las eficiencias de deslignificación. La deslignificación fue generalmente mayor con [C4C1im][HSO4]80% que con [C2C1im][MeCO2]80%. Además, la recuperación de lignina parece ser mejor a partir del licor de [C4C1im][HSO4]80%.

Se ha informado que la acidificación del licor de pretratamiento mejora la recuperación de lignina. Esta podría ser la principal ventaja de usar un líquido iónico de hidrogenosulfato, ya que este líquido iónico ya es ácido de por sí. La pobre deslignificación con [C2C1im][MeCO2]80% probablemente se deba al alto contenido de agua. Ya se ha demostrado una correlación negativa entre el contenido de agua y la eliminación de lignina con [C2C1im][MeCO2].

Ejemplo 9

Pretratamiento de astillas de Miscanthus y sauce

Tanto el Miscanthus como el sauce parecían ser muy buenos sustratos para el pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80%. Hasta ahora, el sustrato era biomasa molida. Sin embargo, un proceso de pretratamiento verdaderamente eficiente desde el punto de vista energético usará biomasa cortada en trozos grandes, ya que la molienda es una operación que consume mucha energía. Por lo tanto, la eficiencia del pretratamiento de [C4C1im][HSO4]80% se probó en biomasa del tamaño de astillas. Para las astillas de Miscanthus, se observó una desintegración sustancial de la médula menos recalcitrante. La estructura se ablandó y se volvió frágil por el impacto mecánico. También había un polvo fino que se depositó en el papel de filtro, que deben ser partes de la pared celular que se hayan disociado de las astillas.

Las astillas de sauce también sufrieron cambios significativos con el pretratamiento. Además de la decoloración, las astillas fueron significativamente más fáciles de romper. Las astillas de pino sin tratar requieren un fuerte impacto mecánico con el fin de romperlas, por ejemplo, aserrar o moler, mientras que las astillas pretratadas podrían romperse con una espátula roma. Esto sugiere que el pretratamiento de las astillas con líquidos iónicos antes de la molienda puede reducir la energía necesaria para la trituración.

Los rendimientos de glucosa obtenidos a partir de la biomasa del tamaño de una astilla se representan en la figura 23. La hidrólisis enzimática de la celulosa de Miscanthus procedió más rápidamente, pero se detuvo después de 48 h. Solo el 70 % de la glucosa se liberó en la sacarificación, en comparación con >85 % obtenido del material molido. Una comprobación visible del residuo mostró que lo que quedaba era material del anillo exterior recalcitrante. El rendimiento de sacarificación de las astillas de sauce fue sorprendentemente bueno, al alcanzar niveles comparables a la biomasa molida (recuperación de glucosa del 84 % en comparación con el 81 % a partir del sauce molido). Las paredes celulares más gruesas de la madera dura y el área superficial reducida fueron probablemente responsables de la sacarificación más lenta.

Ejemplo 10

La influencia del agua en la efectividad del pretratamiento con líquido iónico.

Se ideó una notación para indicar la cantidad de líquido iónico contenida en el disolvente/licor del pretratamiento. Esto implica que se añade un subíndice a la notación de líquido iónico habitual que indica el contenido de líquido iónico en porcentaje en volumen (% en volumen), al ser el resto agua. Un ejemplo es [C4C1im][MeSO4]80%, que es una mezcla de 80 % en volumen de [C4C1im][MeSO4] y 20 % en volumen de agua. Se calcularon las conversiones de % en volumen en porcentaje en peso (% en peso) y porcentaje en moles (% en moles) y se enumeran en la tabla 1. Al permitir que [C4C1im][MeSO4] se equilibrara con la humedad en el aire del laboratorio, se midió un contenido de agua de 70.400 ppm o 7,0 % en peso (última entrada de la tabla 1). Aunque el contenido de humedad del aire es variable, la medición demuestra la naturaleza altamente higroscópica de este líquido iónico.

Tabla 1: Concentración del líquido iónico en licores de pretratamiento acuosos.

^{Porcentaje de volumen} Porcentaje en peso Porcentaje molar (% Mezcla _{(% en volumen)} (% en peso) en moles)

[C4C1 im][MeSO4]98% 98 98 81 [C4C1im][HSO4]95% 95 96 64

[C4C1 im][MeSO4]90% 44

90 92

[C4C1im][HSO4]90% 46

[C4C1 im][MeSO4]80% 83 26 [C4C1im][HSO4]80% 83 27 [C4C1im][MeSO3]80%* 82 26

80

[C2C1 im][MeCO2]80% 82 32 [C4C1im]Cl80%* 81 30

[C4C1 im][OTf]80% 84 24

[C4C1 im][MeSO4]60%

60 65 12 [C4C1im][HSO4]60%

[C4C1 im][MeSO4]40%

40 45 6

[C4C1 im][HSO4]40%

[C4C1 im][MeSO4]20%

20 23 2 [C4C1im][HSO4]20%

[C4C1 im][MeSO4]húmedo n.a. 93 49

*Estos líquidos iónicos son sólidos a temperatura ambiente. Por lo tanto, el % en volumen y el % en peso se calcularon mediante el uso de la densidad a 80 °C.

El objetivo de este trabajo es investigar el efecto de la composición del licor de líquido iónico sobre el pretratamiento. Se investigó la recuperación de sólidos, la composición de la pulpa, su digestibilidad enzimática, la precipitación de una fracción que contiene lignina y la producción de furfurales en el licor. También se examinó la aplicación de un líquido iónico con un catión imidazolio monoalquilado. Se llevó a cabo un pretratamiento de diferentes materias primas para evaluar su resistencia al pretratamiento con mezclas de líquido iónico agua.

Ablandamiento de tejidos de astillas de Miscanthus

En experimentos preliminares, observamos una desintegración sustancial de las secciones transversales de Miscanthus sumergidas en el líquido iónico metilsulfato de 1-butil-3-metilimidazolio, [C4C1im][MeSO4], cuando se calentó por encima de 80 °C. Esto nos animó a investigar la aplicación de este líquido iónico para el pretratamiento de biomasa. El uso de [C4C1im][MeSO4], secado hasta un contenido de agua por debajo del 0,3 % en peso, dio como resultado la formación de un compuesto biomasa-líquido iónico degradado que no era digerible enzimáticamente. Por el contrario, al usar una mezcla de 80 % en volumen de líquido iónico y 20 % en volumen de agua se produjo una fracción sólida que era separable de la fracción líquida iónica (intensamente coloreada) y altamente digerible. Se concluyó que era necesaria una cierta cantidad de agua para un pretratamiento exitoso con [C4C1im][MeSO4]. En la muestra "seca", el 0,3 % en peso de agua se contuvo en el líquido iónico como humedad residual y se introdujo 0,7 % en peso con la biomasa secada al aire que contenía 8 % en peso de humedad, lo que suministra 1,1 % en peso o 15 % en moles de agua en total. Aparentemente, esto no fue suficiente para obtener una pulpa digerible enzimáticamente.

Ejemplo 11

Influencia del contenido de agua sobre el rendimiento de sacarificación después del pretratamiento de líquido iónico con [C4C1im][MeSO4]

Se usó un intervalo de mezclas de líquido iónico agua para el pretratamiento de Miscanthus para explorar el efecto del contenido de agua con más detalle. El efecto del agua sobre la liberación enzimática de glucosa y hemicelulosa se muestra en la figura 24. Los rendimientos se calculan en base al contenido de glucosa y hemicelulosa encontrado en la materia prima de Miscanthus sin tratar (sobre una base de secado al horno), que fueron 43,6 % en peso y 24,3 % en peso, respectivamente. En experimentos preliminares, se demostró que el único azúcar de hemicelulosa detectable liberado durante la sacarificación fue la xilosa.

Los mejores rendimientos de sacarificación se obtuvieron después del pretratamiento con mezclas que contenían 60­ 90 % en volumen de líquido iónico. El pretratamiento con [C4C1im][MeSO4]gü%, dio como resultado la liberación del 92 % de la glucosa contenida originalmente en la biomasa. El pretratamiento con [C4Ciim][MeSO4]80% y [C4Ciim][MeSO4]60%, dio como resultado la liberación del 89 % y 87 % en base al contenido de glucano original. Los rendimientos de glucosa disminuyeron cuando el contenido de líquido iónico fue mayor o menor. El rendimiento de hemicelulosa fue significativamente menor que el rendimiento de glucosa, independientemente de la composición de la mezcla; el 24% de los azúcares de hemicelulosa (en base al contenido inicial de hemicelulosa) se liberaron después de un pretratamiento de [C4C1im][MeSO4]60%. Se obtuvieron rendimientos similares con mezclas que contenían 40-90 % en volumen de [C4C1im][MeSO4].

Ejemplo 12

Intento de reciclaje de [C4C1im][MeSO4]

Al intentar reciclar [C4C1im][MeSO4], encontramos que el anión del líquido iónico estaba parcialmente hidrolizado. Después de registrar un espectro de masas del líquido iónico recuperado, se detectó una gran abundancia de una especie cargada negativamente a m/z=97, que se atribuyó al anión hidrogenosulfato, [HSO4]-. Esto llevó a la conclusión de que los enlaces éster en los aniones de metilsulfato son hidrolíticamente inestables en las condiciones del pretratamiento y se producen mezclas del éster y la forma hidrolizada.

La extensión de la hidrólisis del anión dependió del contenido de agua del licor (figura 25). Cuanta más agua estaba presente en la mezcla, mayor era la hidrólisis del anión, con excepción de las mezclas donde el contenido de agua fue superior al 90 % en moles. Estos resultados sugieren que sin precauciones extremas para proteger líquidos iónicos que contienen [MeSO4]-, el [HSO4]- estará presente y otros estudios que usan estos líquidos iónicos deben interpretarse bajo esta luz.20

Ejemplo 13

Influencia del contenido de agua en la sacarificación enzimática del Miscanthus tratado con [C4C1im][HSO4]

Con el conocimiento de que las mezclas binarias de metilsulfato de 1-butil-3-metilimidazolio agua se convirtieron en mezclas cuaternarias de dos líquidos iónicos más dos disolventes moleculares (agua y metanol), nos propusimos identificar el(los) componente(s) activo(s). El Miscanthus se pretrató con mezclas acuosas de [C4C1im][HSO4], lo que nos permitió excluir el metilsulfato y el metanol. Los rendimientos de sacarificación obtenidos de las pulpas pretratadas con diversas mezclas de [C4C1im][HSO4] se muestran en la figura. Los rendimientos de glucosa fueron casi idénticos a los rendimientos de glucosa obtenidos con las mezclas cuaternarias. El patrón de liberación de hemicelulosa también fue similar, sin embargo, después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]40%-80%, se recuperó menos hemicelulosa que después del tratamiento con las mezclas equivalentes que contienen metilsulfato.

Una recuperación de glucosa del 90 % después del pretratamiento con líquido iónico es una mejora sustancial en comparación con los rendimientos de sacarificación informados después del pretratamiento con otros líquidos iónicos. Se ha informado que el 74 % de la glucosa se liberó enzimáticamente de la madera de arce molida después del tratamiento con [C4C1im][MeCO2] a 90 °C durante 24 h. El 70 % de la glucosa se liberó de la madera de arce después del tratamiento con [C2C1im][MeCO2] a 90 °C durante 24 h. Li y otros informaron solo un 15 % de liberación de glucosa a partir del eucalipto molido, pretratado con cloruro de 1-alil-3-metilimidazolio, [C=C2C4m]Cl, a 120 °C durante 5 h, mientras que el 55 % de la glucosa se liberó después del pretratamiento de la paja de trigo molida con dietilfosfato de 1-etil-3-metilimidazolio, [C2C1im][Et2PO4], a 130 °C durante 30 min. Cabe señalar que los rendimientos de sacarificación obtenidos a partir de muestras de lignocelulosa molida de bolas no se consideraron para esta lista porque la molienda fina puede tener un efecto considerable sobre la digestibilidad de la celulosa.22 El uso de material molido reduce la viabilidad económica,31 pero el uso de polvos finos obtenidos por molienda de bolas tiene muy poca relevancia para un proceso industrial. Tampoco se consideraron los estudios que usaron ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS, por sus siglas en inglés) para la determinación del rendimiento de glucosa. La prueba no es específica para la glucosa y, por lo tanto, los rendimientos de glucosa a partir de lignocelulosa a menudo se sobreestiman.

Ejemplo 14 Efecto del tiempo de pretratamiento sobre la sacarificación enzimática

A continuación, nos interesó la optimización del tiempo de pretratamiento. La figura 26 muestra los rendimientos de sacarificación para el pretratamiento con [C4C1im][MeSO4]80% y [C4C1im][HSO4]80% después de diversos periodos de tiempo. Puede observarse que la mejora de la digestibilidad de la celulosa y la hemicelulosa se produjo principalmente en las primeras 4 h. Este fue también el período donde la pérdida de masa aumentó significativamente. El pretratamiento fue prácticamente completo después de 8 h, al alcanzar alrededor del 80 % de liberación de glucosa y 30 % de hemicelulosa. Al prolongar el pretratamiento, el rendimiento de glucosa aumentó ligeramente por encima del 85 %, pero el rendimiento de hemicelulosa disminuyó a poco más del 20 %. Este experimento muestra que la presencia o ausencia de metilsulfato en la mezcla de pretratamiento no influye significativamente en la velocidad del pretratamiento. Se prevé que el tiempo de pretratamiento puede acortarse mediante la aplicación de temperaturas más altas, pero debe equilibrarse con la estabilidad del líquido iónico y las posibles reacciones secundarias.

Ejemplo 15 El efecto del pretratamiento con [C4C1im][MeSO4]s0% y [C4C1im][HSO4]s0% sobre la composición de la biomasa

La composición del Miscanthus sin tratar y la pulpa pretratada se muestran en la tabla 2 y la figura 27. La biomasa sin tratar contenía 43,6 % de glucosa; 24,3 % de hemicelulosa y 26,5 % de lignina. Después del pretratamiento con [C4Ciim][MeSO4]so% durante 2 h, el efecto principal fue una reducción del contenido de lignina. El tratamiento con [C4Ciim][HSO4]so% durante 2 h dio como resultado la eliminación de lignina y hemicelulosa. Después de un pretratamiento prolongado durante 22 h, la mayor parte de la lignina y la hemicelulosa se solubilizó y el contenido de glucano aumentó del 44 % en la biomasa sin tratar al 85 % en la biomasa pretratada. El 91 % del glucano original todavía estaba presente en la pulpa. La recuperación de biomasa después de 22 h fue inferior al 46 %, lo que demuestra que más de la mitad de la madera se había solubilizado en el líquido iónico. Tan y otros informaron una recuperación de masa entre el 46 % y el 55 % después del pretratamiento con [C2C1im][ABS] a 170-190 °C, lo que indica que esta mezcla de líquido iónico podría ser capaz del fraccionamiento de biomasa similar. La eliminación simultánea de lignina y hemicelulosa también se ha informado para [C2C1im][MeCO2], aunque menos completa que la observada en este estudio con [C4C1im][HSO4]s0%.

Tabla 2: Composición de Miscanthus sin tratar y Miscanthus pretratado con [C4C1im][MeSO4] y [C4C1im][HSO4].

Glu Xil Ara Man Gal Lignina Ceniza Extractivas ^{Pérdida de} _masa sin tratar 43,6 1s,3 3,4 1,1 2,4 26,5 1,3 4,7 0

[MeSO⁴ ] 2 h 45,4 1s,3 2,1 1,3 2,2 19,3 1,1 - 10 [HSO ⁴ ] 2 h 44,5 s,6 0 0 3,4 14,9 0,6 - 2s [HSO ⁴ ] 22 h 39,5 3,3 0 0 1,1 1,9 0,6 - 56

Ejemplo 16 Producción de azúcares solubilizados y furfurales

Como se vio anteriormente, la hemicelulosa se eliminó de la biomasa durante el tratamiento con mezclas de [C4C1im][HSO4] y [C4C1im][MeSO4] agua. Es probable que, en las condiciones del pretratamiento, se produjera la hidrólisis (parcial) de la hemicelulosa solubilizada. Por tanto, se investigó la concentración de carbohidratos monoméricos en el licor de pretratamiento. La figura 2s muestra la cantidad relativa de azúcares de hemicelulosa y glucosa en licores de [C4C1im][HSO4]s0% y [C4C1im][MeSO4]s0% en diferentes puntos de tiempo.

La cantidad de monómeros de hemicelulosa en el licor aumentó dentro de las primeras 4 h. El aumento fue más pronunciado en el licor de [C4C1im][HSO4]s0%. La cantidad máxima de monómeros de hemicelulosa se detectó alrededor de 4-s h. Esto coincidió con un aumento importante de la digestibilidad de la celulosa después de 4-s h de tratamiento. Posteriormente, la concentración de hemicelulosa en el licor de pretratamiento disminuyó, lo que sugiere que se producía la conversión de monómeros de carbohidratos en furfurales.

El furfural se detectó en los licores de líquido iónico y se cuantificó para mezclas seleccionadas (figura 29). El contenido de glucosa fue significativamente menor que el contenido de azúcar de hemicelulosa y apenas cambió con el tiempo. La menor cantidad de glucosa solubilizada se atribuye a la lenta hidrólisis de la celulosa bajo las condiciones del pretratamiento y la descomposición de la glucosa en HMF. La pequeña cantidad de HMF podría deberse a su descomposición en otros productos de degradación en presencia de agua.

Ejemplo 17 Recuperación de lignina

Intentamos recuperar lignina del licor (figura 30), ya que esto se ha demostrado con éxito para otros líquidos iónicos. Se encontró que la dilución del licor de líquido iónico con agua precipitaba un polvo fino. El polvo se caracterizó mediante espectroscopía IR y la comparación con un espectro de una lignina de referencia (lignina alcalina) mostró que es probable que el precipitado sea principalmente lignina (figuras 31-34). Cuando se usó metanol para lavar la pulpa, en lugar de agua, la mayoría del precipitado permaneció en solución y se observó una mejora del 15-20 % en la recuperación del precipitado. Por tanto, se prefirió lavar la pulpa con metanol. El protocolo final consistió en lavar la pulpa con metanol, secar las fracciones líquidas iónicas combinadas al evaporar el metanol y precipitar la lignina al diluir el licor de líquido iónico seco con agua. El precipitado se lavó con abundantes cantidades de agua y se secó antes de determinar el rendimiento. Los datos (figura 30) muestran que el rendimiento del precipitado fue de hasta el 50 % del contenido de lignina Klason de la biomasa sin tratar. Se obtuvo más precipitado cuando el contenido de líquido iónico en el licor de pretratamiento fue alto.

También examinamos la dependencia del tiempo del rendimiento del precipitado y observamos que el rendimiento del precipitado se estabilizó en 8 h (figura 34). El rendimiento fue ligeramente superior a partir de [C4C1im][HSO4]s0% en comparación con [C4Ciim][MeSO4]so%.

Ejemplo 18 El efecto del catión del líquido iónico

El uso de líquidos iónicos con cationes de imidazolio mono-alquilados (1-alquilimidazolio, [CnHim]+) es ventajoso desde un punto de vista industrial, ya que los líquidos iónicos son más fáciles de sintetizar y por tanto más baratos de producir. Por lo tanto, se llevó a cabo un pretratamiento ejemplar de Miscanthus con hidrogenosulfato de 1-butilimidazolio, [C4Him][HSO4]. Los rendimientos de azúcar después del tratamiento con [C4Him][HSO4]so% y una sacarificación enzimática subsecuente se muestran en la figura 35. Después de 4 h de pretratamiento, se liberaron enzimáticamente el 69 % de la glucosa original y el 10 % de la hemicelulosa original. El rendimiento mejoró algo al prolongar el tratamiento a 20 h, cuando se recuperó el 75 % de la glucosa. Sin embargo, el rendimiento de xilosa se redujo a solo un 3 %. El pretratamiento con [HC4im][HSO4]gs% resultó en rendimientos de glucosa significativamente reducidos (44 %).

Los resultados del análisis composicional y la pérdida de masa de Miscanthus tratado con [C4Him][HSO4] se presentan en la tabla 3 y la figura 36. Se eliminó el 80-93 % de la lignina y más del 95 % de la hemicelulosa. La eliminación completa de hemicelulosa se refleja en los bajos rendimientos de xilosa obtenidos durante la sacarificación. El tratamiento con [C4Him][HSO4]gs% no solo resultó en la solubilización de lignina y hemicelulosa, sino también en una eliminación sustancial de la fracción de celulosa (51 % del glucano), lo que explica el rendimiento reducido de glucosa que se muestra en la figura 35. Los resultados indican que el pretratamiento con [C4Him][HSO4] fue más severo que con [C4C1im][HSO4] bajo condiciones comparables, posiblemente debido al aumento de la acidez del [C4Him][HSO4] en comparación con [C4C1im][HSO4].

Tabla 3: Composición de Miscanthus pretratado con [C4Him][HSO4]s0% y [C4Him][HSO4]g5% a 120 °C. Los valores se dan en %; Glu=glucano, Xil=xilano, Man=manano, Gal=galactano, Ara=arabinano. Contenido de IL, _Pérdida ^{tiempo de} Glu Xil Man Gal Ara Lignina Ceniza de masa _tratamiento

s0 %, 4 h 40,9 2,9 0 0,7 0,2 5,0 0,s 49,5 s0 % ,20 h 37,7 1,0 0 1,0 0 5,4 0,6 54,2

95 %, 20 h 22,4 0,6 0 0,6 0 1,9 0,4 74,2

También fue posible obtener un precipitado al diluir el licor de líquido iónico (figura 37). Para el licor de [C4Him][HSO4]s0%, el rendimiento fue de casi el 100 % del contenido de lignina. Para el licor al 95 %, la cantidad de precipitado fue casi el doble de la cantidad del contenido de lignina. Explicamos el rendimiento de precipitado inusualmente alto con la formación de pseudolignina. Se ha observado la formación de productos de degradación de carbohidratos insolubles en agua durante el pretratamiento de la biomasa en condiciones ácidas severas y se ha encontrado que oscurece el rendimiento de lignina Klason. Por lo tanto, se le ha denominado pseudolignina. La formación de tales productos de degradación es indeseable y se requiere la optimización de las condiciones de pretratamiento para minimizar esto.

Ejemplo 19 El efecto del anión del líquido iónico sobre la composición del Miscanthus tratado con líquido iónico

El efecto del tratamiento con [C4C1im][HSO4]s0% sobre la composición de Miscanthus se comparó con el efecto que tienen sobre la composición otras mezclas de líquido iónico de dialquilimidazolio agua al 20^0 % en volumen. Los aniones que examinamos fueron trifluorometanosulfonato, [OTf]-, metanosulfonato, [MeSOs]-, cloruro, Cl- y acetato, [MeCOg]". Cabe señalar que el líquido iónico que contiene acetato, [C2C1¡m][MeCO2], era de calidad comercial.

Tabla 4: Composición de Miscanthus pretratado después del tratamiento con mezclas de líquido iónico agua al s0/20 % a 120 °C durante 22 h. Los valores se dan en %; Glu=glucano, Xil=xilano, Man=manano, Gal=galactano, Ara=arabinano.

Anión del Pérdida

Glu Xil Man Gal Ara Lignina Ceniza _{líquido iónico} de masa [MeCO2]- 41,9 7,9 0 4,0 3,4 11,6 0,5 30,6

Cl- 44,5 17,s 0 2,3 2,7 22,5 0,7 9,5 [MeSOJ- 37,1 4,3 0 2,3 0 s,5 1,0 46,s

[HSO4]- 39,5 3,3 0 1,1 0 1,9 0,6 53,6

____ (O H _____ 43,6 13,7 0 5,1 4 24,3 1,0 s,3

La figura 3s y la tabla 4 muestran que la naturaleza del anión tiene un efecto profundo sobre la pérdida de masa y la composición de la pulpa. [C4C1im][HSO4]s0% eliminó la lignina y la hemicelulosa más a fondo, seguido de [C4Ciim][MeSO3]80% y luego de [C2Ciim][MeCO2]80%. Apenas se observó ningún cambio en la composición cuando la biomasa se trató con [C4C1im]Cl80% y [C4C1im][OTf]80%, a pesar de que se ha informado de una alta solubilidad de la lignina Kraft para ambos líquidos iónicos (en forma anhidra). La contradicción podría resolverse si la solubilización de la lignina y la extracción de la lignina (que usualmente implica modificaciones químicas) se consideraran propiedades diferentes.

Ejemplo 20 El efecto del anión sobre el rendimiento de sacarificación

También se llevó a cabo la sacarificación enzimática del Miscanthus tratado con los licores de líquido iónico (figura 39). En general, la liberación de glucosa enzimática pareció reflejar el grado de cambio composicional/pérdida de masa logrado durante el pretratamiento con líquido iónico. El mayor rendimiento de glucosa se observó después del pretratamiento con [C4C1im][MeSO3]80% y [C4C1im][HSO4]80%. El rendimiento de hemicelulosa se comportó ligeramente diferente. El rendimiento de xilosa fue el más alto después del pretratamiento con [C2C1im][MeCO2]80%. El rendimiento fue significativamente menor después del pretratamiento con [C4C1im][MeSO3]80% y [C4C1im][HSO4]80%. También pueden encontrarse en la bibliografía rendimientos de hemicelulosa comparativamente altos después del tratamiento con [C4C1im][MeCO2]. El aumento de la recuperación de hemicelulosa después del tratamiento con [C2C1im][MeCO2]80% podría deberse a un efecto tampón ejercido por el anión básico acetato. Su capacidad para combinarse con protones para formar ácido acético puede limitar la hidrólisis catalizada por ácido de los polímeros de hemicelulosa. Se ha observado la inhibición de la hidrólisis de celobiosa por [C4C1im][MeCO2] en mezclas de líquido iónico, agua y cantidades catalíticas de ácido fuerte. Binder y otros, también han observado inhibición de la despolimerización de celulosa en [C4C1im][MeCO2], a pesar de la adición de cantidades catalíticas de HCl. El anión metanosulfonato parece tener un efecto menos protector y los catalizadores ácidos que se liberan de la biomasa (ácido acético y ácidos hidroxicinámicos) pueden ayudar a la hidrólisis del xilano. El hidrogenosulfato aumenta la cantidad de protones disponibles, lo que podría explicar el contenido de xilano particularmente bajo en la pulpa. Los rendimientos de glucosa y xilosa obtenidos después del tratamiento con [C4C1im]Cl80% y [C4C1im][OTf]80% fueron bajos, a pesar de su capacidad para disolver preparaciones de celulosa y lignina (en el caso de triflato, solamente solubilidad de la lignina).

Ejemplo 21 El efecto del anión sobre la deslignificación y la recuperación del precipitado

El rendimiento del precipitado parece estar relacionado con la capacidad del licor para extraer lignina (figura 40). La mejor deslignificación y el mayor rendimiento del precipitado se obtuvieron con [C4C1im][HSO4]80%, seguido de [C4C1im][MeSO3]80% y luego [C2C1im][MeCO2]80%. Esto apoya la idea de que el precipitado comprende lignina, aunque en la figura 37 se mostró que la pseudolignina también precipita tras la dilución del licor de líquido iónico.

Ejemplo 22 El efecto del anión sobre la formación de productos de degradación solubles

Las cantidades de monómeros de carbohidratos y productos de deshidratación solubilizados en los licores de pretratamiento se muestran en la figura 41. Los licores de [C4C1im][HSO4]80% y [C4C1im][MeSO3]80% contenían aproximadamente el 45 % de la hemicelulosa total como monómeros de azúcar o como furfural. En [C4C1im][HSO4]80%, la mayoría de la fracción más grande fue furfural. La conversión de pentosas en furfurales también se observó en [C4C1im][MeSO3]80%, pero en menor grado. Esto se atribuye a la naturaleza no ácida de este líquido iónico. Solo se detectaron pequeñas cantidades de monómeros en el licor que contiene acetato, lo que probablemente se deba al hecho de que los carbohidratos solubilizados están mayoritariamente en forma oligomérica. No se formó furfural en [C2C1im][MeCO2]80% en nuestro experimento. Es probable que la acidez del licor sea responsable de las concentraciones variables de monómeros de azúcar y furfural encontradas en el licor. Al igual que la hidrólisis de enlaces glicosídicos, la velocidad de formación de furfural depende de la concentración de ácido. Dado que la acidez/basicidad de los líquidos iónicos de 1,3-dialquilimidazolio está determinada por el anión, su naturaleza debería tener un impacto profundo en el destino de la hemicelulosa solubilizada. La cantidad de glucosa y HMF solubilizada fue pequeña en todos los casos. Esto se atribuye a la estabilidad mejorada de la fracción de celulosa frente a la hidrólisis en condiciones de pretratamiento y la propensión del HMF a reaccionar al ácido fórmico y levulínico en presencia de agua.

Ejemplo 23 El efecto del tipo de biomasa: pretratamiento de sauce y pino

También se realizó un pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% en sauce molido (una especie de madera dura) y pino (una especie de madera blanda). A modo de comparación, el sauce y el pino también se pretrataron con [C2C1im][MeCO2]80%. El efecto del pretratamiento sobre la composición de la biomasa se muestra en la tabla 5 y la figura 42.

Tabla 5: Composición de sauce y pino sin tratar y las pulpas después del tratamiento con [C4Ciim][HSO4]80% y [C4C1 im][MeCO2]80%.

Glu Xil Man Gal Ara Lignina Ceniza Extractivas Pérdida de masa Sauce 46,7 16,8 3,6 1,9 2,5 24,1 0,7 3,7 0 Sauce, [MeCO2] 36,3 6,4 2,9 2,7 1,9 19,9 0,7 - 29 Sauce, [HSO4] 39,1 3,4 0 0,8 0,9 3,6 0,5 - 52

Pino 45,8 2,5 12,0 2,6 3,4 25,5 1,3 4,3 0

Pino, [MeCO2] 40,4 2,5 16,1 3,4 2,7 21,1 0,6 - 13 Pino, [HSO4] 37,9 3,2 4,6 0 0 8,8 0,2 - 45

Para ambos sustratos, la eliminación de lignina y hemicelulosa fue más extensa después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% que después del tratamiento con [C2C1im][MeCO2]80%. El grado de enriquecimiento de celulosa después del pretratamiento de sauce con [C4C1im][HSO4]80% fue casi tan bueno como el enriquecimiento observado para la pulpa de Miscanthus. Se pudo recuperar un precipitado de todas las muestras. Se obtuvieron rendimientos significativamente superiores a partir de los licores de [C4C1im][HSO4]80%. Los rendimientos de glucosa obtenidos mediante sacarificación enzimática se muestran en la figura 43. Más del 80 % de la glucosa original se liberó a partir de pulpa de sauce pretratada con [C4C1im][HSO4]80%, al acercarse a los rendimientos de sacarificación obtenidos a partir de Miscanthus pretratado con este licor. Sin embargo, la sacarificación enzimática de la pulpa de pino solo liberó hasta el 30 % de la glucosa; el tipo de líquido iónico juega un papel menor. Los rendimientos generalmente más altos obtenidos después del pretratamiento con [C4C1im][HSO4]80% podrían deberse a la eliminación de lignina y hemicelulosa mejorada por el licor que contiene hidrogenosulfato, como se observó para Miscanthus.

Ejemplo 24 Propiedades del disolvente líquido iónico y digestibilidad de la biomasa

Medimos la polaridad de Kamlet-Taft (tal como se describe en A. Brandt, J. P. Hallett, D. J. Leak, R. J. Murphy y T. Welton, Green Chemistry, 2010, 12, 672-679) de [C4C1im][HSO4] y [C4C1im][MeSO3] (tabla 6), ya que no se ha informado en la bibliografía. Se usan tres parámetros para determinar la fuerza de las interacciones soluto disolvente. El parámetro a describe la acidez del enlace de hidrógeno del disolvente, p la basicidad del enlace de hidrógeno y n* la capacidad de polarización. Nuestras mediciones mostraron que el parámetro p de [C4Cpm][HSO4] es el mismo que el valor de [C4Cpm][MeSO4]. La acidez del enlace de hidrógeno es muy diferente, de hecho, el valor a no puede determinarse para [C4Cpm][HSO4], porque protona una de las sondas de tinte.

Nos gustaría señalar que los altos rendimientos de glucosa se lograron sin una solubilización completa de la biomasa. Esto se debe a los valores de p relativamente bajos de [C4C1im][MeSO4], [C4Cpm][HSO4] y [C4C1im][MeSO3], que no permiten la solubilización de celulosa. Los parámetros p son menores que los valores de [C4C1im][MeCO2] (p=1,20), dimetilfosfato de 1-butil-3-metilimidazolio, [C4Cpm][Me2PO4], (p=1,12) y [C4Cpm]Cl (p=0,83).19 Aunque [C2Cpm][MeCO2] puede disolver la celulosa cuando es anhidra, la presencia de 20 % en volumen de agua evita la solubilidad de la celulosa.

Tabla 6: Parámetros de Kamlet-Taft de líquidos iónicos seleccionados usados en este trabajo.

a p n*

[C4C1im][MeSO3] 0,44 0,77 1,02

[C4C1im][MeSO4]19 0,55 0,67 1,05

[C4C1im][HSO4] - 0,67 1,09

También intentamos correlacionar los rendimientos de glucosa con la basicidad del enlace de hidrógeno de los líquidos iónicos. Si bien está claro que la naturaleza del anión afecta el rendimiento de sacarificación, no podría correlacionarse con el valor p del líquido iónico.

Se ha demostrado por primera vez que los líquidos iónicos [C4Cpm][HSO4], [C4Cpm][MeSO3] y la mezcla líquida iónica [C4Cpm][MeSO4]/[HSO4] puede usarse para pretratar biomasa lignocelulósica. Estos líquidos iónicos funcionaron efectivamente en presencia de cantidades significativas de agua, al eliminar la necesidad para condiciones anhidras durante el pretratamiento. El [C2Cpm][MeO2] comercial también fue efectivo en presencia de 20 % en volumen de agua, pero el rendimiento de sacarificación fue menor. La lignina y la hemicelulosa se solubilizaron durante el pretratamiento, al dejar atrás un residuo sólido altamente enriquecido en celulosa. La sacarificación enzimática de pulpa de Miscanthus pretratada a 120 °C con licores que contienen 80 % en volumen de líquido iónico dio como resultado rendimientos de glucosa de alrededor de 90 %. La hemicelulosa se recuperó parcialmente con el sólido y se hidrolizó fácilmente durante la sacarificación enzimática. Sin embargo, una parte significativa de la hemicelulosa permaneció en el licor de pretratamiento como monómeros de azúcar y se convirtió parcialmente en productos de deshidratación. La cantidad de furfurales generados durante el pretratamiento con líquido iónico surge a partir de la acidez de los licores de líquido iónico. En presencia de 20 % en volumen de agua, el tratamiento con [C4C1im]Cl y [C4C1im][OTf] tuvo poco efecto sobre la biomasa, lo que demuestra que el anión de los líquidos iónicos 1,3-dialquilimidazolio juega un papel importante en la determinación de la efectividad del pretratamiento con líquido iónico y la tolerancia al agua. No pudimos encontrar una correlación entre la efectividad del pretratamiento y la basicidad del anión, como se encontró anteriormente para la solubilidad de la celulosa o el hinchamiento de las astillas de madera. Si bien la liberación de azúcar enzimática a partir de las pulpas de pasto y madera dura fue muy buena, los rendimientos de la pulpa de madera blanda fueron solo moderados. Tras la dilución con agua, se recuperó un precipitado que probablemente contenga tanto lignina como pseudolignina. Este estudio también sugiere que los líquidos iónicos de imidazolio monoalquilado, tal como [C4Him][HSO4], parecen ser alternativas prometedoras y de relevancia industrial a los líquidos iónicos de dialquilimidazolio.

Ejemplo 25 Efecto de la relación ácido:base sobre el rendimiento

Con el fin de investigar el efecto de las propiedades ácido/base de los IL monoalquilados de sulfato/hidrogenosulfato de imidazolio en el pretratamiento de biomasa, se prepararon una serie de IL diferentes con catión [C4Him] y diferentes proporciones de aniones [HSO4MSO4] y/o un exceso de H2SO4. Los IL se sintetizaron a través de la adición de diferentes proporciones de ácido sulfúrico sobre 1-butilimidazol en agua (tabla 7).

Se añadió gota a gota una solución de H2SO4 (95 %) en agua (3 mL de agua/mL de H2SO4) a una solución de 1-butilimidazol (98,4 %) en agua (1 mL de agua/mL de 1-butilimidazol). La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante varias horas. Una vez que se completó la reacción, los IL se decoloraron mediante la adición de carbón y se filtraron a través de alúmina neutra. A continuación, se eliminó el agua al calentar a 50 °C durante 48 h y se obtuvieron los IL como líquidos incoloros a temperatura ambiente con rendimientos y pureza altos. La estructura y composición de los IL se confirmó mediante 1H-RMN, 13C-RMN, espectroscopía de masas y análisis elemental. Las cantidades finales de [C4Him], [HSO4], [SO4] y H2SO4 presentes en los IL preparados se muestran en la tabla 8.

Tabla 7: Tasas de H2SO4 y 1-butilimidazol empleadas en la síntesis de los IL.

IL H ² SO ⁴ (eq.) 1-butilimidazol (eq.) Rendimiento [C4HIm][HSO4]+50 % H2SO4 1,5 (56,49 mL, 1006,8 mmol) 1 (90 mL, 671,2 mmol) 99 % [C4HIm][HSO4]+1 % H2SO4 1,01 (42,26 mL, 753 mmol) 1 (100 mL, 746 mmol) 96 % 1,01[C4HIm]0,99[HSO4]0,01 [SO4] 1 (41,43 mL, 738 mmol) 1,01(100 mL, 746 mmol) 98 % 1,25[C4HIm]0,75[HSO4]0,25[SO4] 1 (30,13 mL, 537 mmol) 1,25 (90 mL, 671 mmol) 98 % 1,5[C4HIm]0,5[HSO4]0,5[SO4] 1 (26,6 mL, 499,2 mmol) 1,5 (100 mL, 748,8 mmol) 99 %

[C4HIm]0,5[SO4] 1 (26,15 mL, 466 mmol) 2 (125 mL, 932 mmol) 99 %

Tabla 8: Cantidades de [C4Him], [HSO4], [SO4] y H2SO4 presentes en los IL preparados.

Las concentraciones relativas de ácido y base se variaron en el sistema C4Him HSO4, como se describió anteriormente. Se midieron los rendimientos de sacarificación en relación con el contenido de glucosa o hemicelulosas en el Miscanthus sin tratar y se muestran en las figuras 44 y 45. Los mejores resultados se obtuvieron con un ligero exceso (1 %) del ácido (grupo de la 5ta columna desde la izquierda), donde se logró un rendimiento máximo de glucosa y un rendimiento de hemicelulosas decente ya después de 4 h. Parece que la adición de un poco de ácido acelera significativamente el proceso de pretratamiento, cuando otras variables como el contenido de agua y la temperatura se mantienen constantes. Demasiado ácido parece quemar la biomasa y el exceso de base aumenta ligeramente el rendimiento de hemicelulosas, pero también el tiempo requerido hasta que se alcanza el rendimiento máximo de glucosa.

Ejemplo 26 Energía de molienda de astillas de madera

Se colocaron astillas de madera de pino (8 astillas, tamaño 8 x 7 x 7 mm, aproximadamente 1,3 g) en 5 mL del líquido de pretratamiento en un tubo de vidrio y se calentaron a 90 °C en un horno durante 1 o 18 horas. A continuación, se enfriaron las astillas y se eliminó el exceso de líquido de sus superficies con una toalla de papel, luego se molieron en un molino analítico durante 30 segundos. El consumo de energía del molino se determinó mediante el uso de un analizador de energía. El ahorro de energía (tabla 9, figura 49) se calcula por gramo de madera al restar la energía usada por la trituradora cuando está vacía y compararla con la energía usada para triturar madera seca.

Tabla 9: Ahorro de energía de la molienda de astillas de madera para diversos métodos de pretratamiento en relación con la madera seca

Líquido Condiciones de tratamiento ^{Ahorro de energía relativo a la} _{______ madera seca (%)______} [bmim]NTf2 90 °C, 1 h 75

[bmim]HSÜ4 90 °C, 1 h 59

[bmim]HSÜ4 20 % H2O 90 °C, 1 h 62

[bmim]HSÜ4 20 % H2O 90 °C, 18 h 37

[bmim]OAc 90 °C, 1 h 36

[bmim]OAc 20 % H2O 90 °C, 1 h 49

aceite de silicona 90 °C, 1 h 43

aceite de silicona 90 °C, 18 h 44

PFPE Fomblin Y 06/6 90 °C, 1 h 43

DMSO 90 °C, 1 h 31

Organosolv 90 °C, 1 h 29

Después de la molienda, las muestras se remojaron durante la noche en 20 mL de un disolvente volátil apropiado (en todos los casos metanol, excepto el espíritu de petróleo usado para aceite de silicona y perfluorohexano para Fomblin). Luego se filtraron, se enjuagaron dos veces con 5 mL del disolvente y se dejaron secar al aire durante al menos 24 horas. El polvo seco resultante se comprobó gravimétricamente en busca de cantidades significativas del líquido de tratamiento residual. A continuación, el polvo se pasó a través de una columna anidada de tamices con tamaños de poro decrecientes (2 mm - 53 |_im) al agitar sobre un agitador de tamices vibratorio durante 8 minutos. Se midió el peso porcentual de material retenido por cada tamiz y, a partir de estos datos, se calculó el logaritmo del diámetro medio de masa de distribución normal (D50), es decir, el tamaño de partícula en el que el 50 % de la muestra es menor que en masa. (tabla 10). Se usa en la presente descripción como una medida del tamaño de partícula promedio del polvo de madera y se calculó por interpolación lineal mediante el uso de la siguiente ecuación.

Donde x i y X² son los tamaños de los poros de los tamices que permitieron que poco más, poco menos del 50 % de la muestra pasara a través por el peso, respectivamente, e y i e y² son los porcentajes de material que pasa a través de esos tamices.

Tabla 10: Tamaño medio de partícula (D50) de polvo de madera obtenido al moler astillas de madera pretratadas en diversas formas

Líquido Condiciones de tratamiento D ⁵⁰ (pm)

Sin líquido 90 °C, 1 h 789

[bmim]NTf2 90 °C, 1 h 219

[bmim]HSO4 90 °C, 1 h 223

[bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 1 h 392

[bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 18 h 457

[bmim]OAc 90 °C, 1 h 416

[bmim]OAc 20 % H2O 90 °C, 1 h 466

aceite de silicona 90 °C, 1 h 318

aceite de silicona 90 °C, 18 h 302

PFPE Fomblin Y 06/6 90 °C, 1 h 243

DMSO 90 °C, 1 h 458

Organosolv 90 °C, 1 h 826

Sacarificación

Se tomaron 150 mg de polvo de madera de una determinada fracción de tamaño de partícula de cada muestra. A modo de comparación, también se prepararon astillas de madera que fueron pretratadas, pero no molidas. Esto se añadió a una solución tampón que contenía enzimas hidrolizantes de celulosa y se incubó durante 96 horas a 50 °C. Las preparaciones enzimáticas usadas fueron Celluclast, una mezcla de celulasa de Trichoderma reesei, y Novozyme 188 p-glucosidasa que también puede hidrolizar xilano debido a su actividad hemicelulolítica. Se usaron 60 pL de cada preparación. La cantidad de glucosa y hemicelulosa presente después de esto se determinó mediante el uso de HPLC (tabla 11, figura 50). Los rendimientos de azúcar se dan como un porcentaje del peso seco de cada muestra.

Tabla 11: Rendimientos de azúcar de polvo de madera tratado enzimáticamente molido a partir de astillas de madera pretratadas de diferentes formas, como porcentaje del peso seco de la muestra Tratamiento ^{Condiciones de} Tamaño de Rendimiento de Rendimiento de No. Líquido _tratamiento partícula (pm) glucosa (%) hemicelulosa (%) 1 Sin líquido 90 °C, 1 h 180 - 850 2,83 0,93

2 DMSO 90 °C, 1 h 180 - 850 3,34 0,80

3 Organosolv 90 °C, 1 h 180 - 850 2,52 0,80

4 PFPE Fomblin Y 06/6 90 °C, 1 h 180 - 850 1,90 0,63

5 aceite de silicona 90 °C, 1 h 180 - 850 1,50 0,60

6 aceite de silicona 90 °C, 18 h 180 - 850 1,87 0,72

7 aceite de silicona 90 °C, 18 h 53 - 150 2,91 1,02

8 [bmim]HSO4 90 °C, 1 h 180 - 850 1,81 0,53

9 [bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 1 h 180 - 850 0,73 0,37

10 [bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 18 h 180 - 850 2,96 3,10

11 [bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 18 h 53 - 150 3,65 2,93

12 [bmim]HSO4 20 % H2O 90 °C, 18 h sin moler 1,16 2,20

13 [bmim]OAc 90 °C, 1 h 180 - 850 7,53 2,30

14 [bmim]OAc 20 % H2O 90 °C, 1 h 180 - 850 2,59 0,90

15 [bmim]OAc 20 % H2O 90 °C, 18 h sin moler 0,75 0,41

16 [bmim]NTf2 90 °C, 1 h 180 - 850 2,02 0,77

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método de tratamiento de una biomasa de lignocelulosa para disolver la lignina de la misma para producir pulpa de celulosa, que comprende:

(a) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa con una mezcla de líquido iónico/agua que contiene 20­ 40 % de agua v/v para producir dicha pulpa de celulosa, en donde el líquido iónico comprende un catión y un anión en donde el anión se selecciona de alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSOa]-, hidrogenosulfato [HSO4]', hidrogenosulfito [HSO3]', dihidrogenofosfato [H2PO4]' e hidrogenofosfato [HPO4]2' y el catión se selecciona de un derivado de imidazolio, derivado de piridinio o derivado de amonio.

2. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1 en donde el anión se selecciona de metilsulfato [MeSO4]-, [HSO4]' y metanosulfonato [MeSO3]-.

3. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde dicho catión es un catión prótico.

4. Un método como se reivindicó en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el catión se selecciona de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1¡m]+, 1-etil-3-metilimidazolio [C2C1¡m]+, 1-metilimidazolio [C1Him]+ y 1-butilimidazolio [C4Him]+.

5. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 o 4, en donde dicho líquido iónico se selecciona de metilsulfato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][MeSO4], hidrogenosulfato de 1 -butil-3-metilimidazolio [C4C1im][HSO4], metanosulfonato de 1-butil-3-metilimidazolio [C4C1im][MeSO3] e hidrogenosulfato de 1-butilimidazolio [C4Him][HSO4].

6. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la mezcla de líquido iónico/agua comprende además 0,01-20 % v/v de ácido

7. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la biomasa de lignocelulosa se pone en contacto con la composición a 100-160 °C, y/o en donde la biomasa de lignocelulosa se pone en contacto con la composición durante 1-22 horas.

8. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además la etapa de

(b) separar el líquido iónico de la pulpa producida en (a).

9. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde

(a) la biomasa se pone en contacto con el líquido iónico antes del procesamiento mecánico, tal como la molienda o trituración; o

(b) la biomasa se pone en contacto con el líquido iónico después del procesamiento mecánico, tal como la molienda o trituración

10. Un método como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además la etapa de lavar la pulpa con un disolvente orgánico que es miscible con la mezcla de líquido iónico/agua.

11. Un método como se reivindicó en la reivindicación 10, que comprende además la etapa de

(c) añadir un antidisolvente al líquido iónico obtenido en (b) para precipitar la lignina disuelta; y

(d) separar el sólido precipitado del antidisolvente/líquido iónico.

12. Un método como se reivindicó en la reivindicación 11, que comprende además la etapa de

(e) eliminar el antidisolvente del líquido iónico obtenido en (d), preferentemente en donde el antidisolvente es agua.

13. Un proceso para preparar glucosa a partir de una biomasa de lignocelulosa que comprende someter una pulpa de celulosa obtenible mediante el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 a hidrólisis enzimática.