Fraccionamiento de residuos lignocelulósicos: Convirtiendo un deshecho en productos químicos de valor añadido
El desarrollo e implementación de una economía circular con cero residuos es una de las áreas más importantes dentro del campo de la investigación química. Para lograr una producción más sostenible es necesario optimizar los procesos para reducir la generación de residuos, y cuando esto no se posible, valorizar esas corrientes de desecho obteniendo nuevos productos en lugar de simplemente tratarlos o llevarlos a un vertedero.
Dentro de la industria agroalimentaria, uno de los desechos que se generan son los residuos lignocelulósicos (raspón, sarmiento de vid, badajo de cerveza, orujos…). Estos sólidos están formados principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina, tres polímeros de origen natural de los que se puede obtener valor, más allá de su contenido energético cuando se usan como biocombustibles. La celulosa es el biopolímero más abundante en la tierra y está constituido exclusivamente de moléculas de glucosa en lazadas entre sí formando cadenas alargadas que a su vez se unen mediante puentes de hidrógenos formando fibras grandes, la hemicelulosa es un polisacárido heterogéneo formado principalmente de pentosas y hexosas (5 y 6 carbonos, respectivamente) y la lignina es un polímero aromático complejo. Esta heterogeneidad, aunque complica su valorización, hace que estos residuos sean muy versátiles y puedan usarse como materia prima en una biorrefinería. Existen varios procesos que pueden tratar estos sólidos directamente, como la gasificación, licuefacción o la hidrólisis enzimática, pero uno de los métodos que permite obtener un mayor valor añadido es el fraccionamiento.
El fraccionamiento de biomasa, o residuos lignocelulósicos, consiste en separar cada una de estas fracciones principales que componen la biomasa (celulosa, hemicelulosa y lignina) de tal forma que posteriormente puedan tratarse de forma individual siguiendo los procesos más eficientes para cada una de ellas atendiendo a su composición química. Además, de estas tres fracciones mayoritarias, también es posible separar otros compuestos de alto valor añadido como pueden ser proteínas, compuestos bioactivos (polifenoles), lípidos… que si bien se encuentran en menores cantidades tienen un gran valor hoy en día.
Dentro del proyecto BIVALIA-CM, el grupo BIOREF-ICP-CSIC va a trabajar en el fraccionamiento de residuos lignocelulósicos mediante un proceso organosolv. Este tipo de procesos se caracteriza por usar disolventes orgánicos, o mezclas de disolventes orgánicos y agua para separar la celulosa, hemicelulosa y lignina. Si bien es cierto que el uso de disolventes orgánicos puede parecer algo que complica el proceso y puede aumentar la generación de residuos, hay múltiples ventajas que justifican su uso. Por ejemplo, en el caso de usar gamma valerolactona (GVL) como disolvente, es posible trabajar a altas cargas de biomasa (>20% en peso) reduciendo el uso de disolvente, además las reacciones de hidrólisis son 100 veces más rápidas que en agua, lo que permite hacer tratamientos a baja temperatura y tiempos de reacción corto que evitando la degradación y manteniendo el valor de las tres fracciones que se obtienen como productos de alta pureza.
El proceso es muy sencillo, basta con poner en contacto los residuos sólidos con una mezcla de GVL y agua en un reactor y calentar a unos 130 °C. Para acortar el tiempo del proceso se añade una pequeña cantidad de ácido sulfúrico como catalizador y en menos de dos horas se logra solubilizar >90% de la hemicelulosa y >90% de la lignina dejando una corriente sólida de celulosa con una pureza >90%. Dependiendo de la calidad del residuo inicial, que define el tipo de fibras, esta celulosa puede utilizarse como materia prima para hacer fibras textiles, puede utilizarse para hacer papel, envases renovables, convertirse en nanocelulosa, que está presente en medicinas, alimentos, componentes electrónicos, biosensores, o simplemente convertirla en glucosa mediante tratamientos enzimáticos. La lignina, que ha sido solubilizada en el primer paso, puede precipitarse mediante la adición de agua. Este proceso de solubilización-precipitación hace que ser obtenga una lignina de muy alta pureza, >98%, con un contenido muy bajo de azúcares y sales. Además, esta lignina no contiene azufre y por tanto no tiene un olor desagradable como puede ocurrir con la lignina tipo Kraft que se obtiene hoy día en las plantas papeleras y que además es contaminante. La lignina puede utilizarse para fabricar aislantes térmicos, poliuretanos, aditivos en polímeros, o puede despolimerizarse para obtener monómeros aromáticos. Finalmente, la hemicelulosa que permanece en disolución puede convertirse en furfural, una molécula plataforma derivada de la biomasa, usando como disolvente la propia GVL y como catalizador el ácido sulfúrico añadido al comienzo del proceso. Esto evita la necesidad de separar la hemicelulosa y el uso de catalizadores y disolventes adicionales. El furfural puede utilizarse para producir poliésteres, resinas, disolventes y pesticidas.
La reutilización y valorización de los residuos generados por la industria agroalimentaria, no solo contribuyen al desarrollo de procesos más sostenibles y beneficiosos para el medio ambiente, sino que pueden ayudar a estas empresas a generar ingresos adicionales que hagan más económicos sus productos, a la vez que reducen la producción de residuos.
