La lignocelulosa se refiere a la materia seca vegetal ( biomasa ), llamada biomasa lignocelulósica. Es la materia prima más abundantemente disponible en la Tierra para la producción de biocombustibles . [1] Está compuesta por dos tipos de polímeros de carbohidratos, celulosa y hemicelulosa , y un polímero rico en aromáticos llamado lignina . [1] Cualquier biomasa rica en celulosa, hemicelulosas y lignina se conoce comúnmente como biomasa lignocelulósica. [2] Cada componente tiene un comportamiento químico distinto. Ser un compuesto de tres componentes muy diferentes hace que el procesamiento de la lignocelulosa sea un desafío. La resistencia desarrollada a la degradación o incluso a la separación se conoce como recalcitrancia. Superar esta recalcitrancia para producir productos útiles y de alto valor requiere una combinación de calor, productos químicos, enzimas y microorganismos. [3] [4] [5] [6] Estos polímeros que contienen carbohidratos contienen diferentes monómeros de azúcar (azúcares de seis y cinco carbonos) y están unidos covalentemente a la lignina.
La biomasa lignocelulósica se puede clasificar en líneas generales como biomasa virgen, biomasa residual y cultivos energéticos . La biomasa virgen incluye plantas. La biomasa residual se produce como un subproducto de bajo valor de varios sectores industriales como la agricultura ( rastrojo de maíz , bagazo de caña de azúcar , paja, etc.) y la silvicultura ( descartes de aserraderos y fábricas de papel ). Los cultivos energéticos son cultivos con un alto rendimiento de biomasa lignocelulósica producida como materia prima para la producción de biocombustibles de segunda generación; los ejemplos incluyen el pasto varilla ( Panicum virgatum ) y el pasto elefante . Los biocombustibles generados a partir de estos cultivos energéticos son fuentes de energía sostenible. [7] [8]
La lignocelulosa consta de tres componentes, cada uno con propiedades que plantean desafíos para las aplicaciones comerciales. [10]
Muchos cultivos son de interés por su capacidad de proporcionar altos rendimientos de biomasa. Algunos pueden cosecharse varias veces al año. Entre ellos se encuentran los álamos y el Miscanthus giganteus . El principal cultivo energético es la caña de azúcar , que es una fuente de sacarosa, fácilmente fermentable , y de bagazo, un subproducto lignocelulósico .
La biomasa lignocelulósica es la materia prima para la industria de la pulpa y el papel . En este proceso, la lignina y la hemicelulosa se separan típicamente del material vegetal, dejando el componente de celulosa fibrosa para ser procesado para la producción de papel, o "celulosa química". [13] A través del proceso de pulpa, la mayor parte de la lignina se elimina y se descarga como material de desecho en forma de efluente/aguas residuales antes de usarse como combustible de bajo valor para generar electricidad y calor. [13] En principio, la demanda actual de azúcar del mundo podría satisfacerse reutilizando las fábricas de pulpa y papel para la producción de azúcar lignocelulósica, lo que lo convierte en un alimento resiliente prometedor. [14]
La biomasa lignocelulósica, en forma de combustible de madera , tiene una larga historia como fuente de energía. Desde mediados del siglo XX, el interés por la biomasa como precursora de combustibles líquidos ha aumentado. Para ser más específicos, la fermentación de biomasa lignocelulósica para etanol [15] es una ruta atractiva para combustibles que complementan a los combustibles fósiles . La biomasa puede ser una fuente de energía neutral en carbono a largo plazo. Sin embargo, dependiendo de la fuente de biomasa, no será neutral en carbono a corto plazo. Por ejemplo, si la biomasa se deriva de árboles, el período de tiempo para que vuelva a crecer el árbol (del orden de décadas) verá un aumento neto de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra tras la combustión de etanol lignocelulósico. Sin embargo, si se utiliza material leñoso de residuos de cultivos anuales, el combustible podría considerarse neutral en carbono. Además del etanol, muchos otros combustibles derivados de la lignocelulosa son de interés potencial, incluidos el butanol , el dimetilfurano y la gamma-valerolactona . [16]
Una barrera para la producción de etanol a partir de biomasa es que los azúcares necesarios para la fermentación quedan atrapados dentro de la lignocelulosa. La lignocelulosa ha evolucionado para resistir la degradación y conferir estabilidad hidrolítica y robustez estructural a las paredes celulares de las plantas. Esta robustez o "recalcitrancia" es atribuible a la reticulación entre los polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) y la lignina a través de enlaces éster y éter . [17] Los enlaces éster surgen entre los azúcares oxidados, los ácidos urónicos y las funcionalidades fenoles y fenilpropanoles de la lignina. Para extraer los azúcares fermentables, primero se deben desconectar las celulosas de la lignina y luego utilizar métodos ácidos o enzimáticos para hidrolizar las celulosas recién liberadas para descomponerlas en monosacáridos simples. Otro desafío para la fermentación de biomasa es el alto porcentaje de pentosas en la hemicelulosa, como la xilosa o el azúcar de madera. A diferencia de las hexosas, como la glucosa, las pentosas son difíciles de fermentar. Los problemas que presentan las fracciones de lignina y hemicelulosa son el foco de muchas investigaciones contemporáneas.
Un gran sector de la investigación sobre la explotación de la biomasa lignocelulósica como materia prima para bioetanol se centra particularmente en el hongo Trichoderma reesei , conocido por sus capacidades celulolíticas. Se están explorando múltiples vías, incluido el diseño de un cóctel optimizado de celulasas y hemicelulasas aisladas de T. reesei , así como la mejora de la cepa basada en ingeniería genética para permitir que el hongo simplemente se coloque en presencia de biomasa lignocelulósica y descomponga la materia en monómeros de D -glucosa . [18] Los métodos de mejora de la cepa han llevado a cepas capaces de producir significativamente más celulasas que el aislado QM6a original; se sabe que ciertas cepas industriales producen hasta 100 g de celulosa por litro de hongo, [ cita requerida ] lo que permite una extracción máxima de azúcares de la biomasa lignocelulósica. Estos azúcares luego se pueden fermentar, dando lugar al bioetanol.
Algunos productos químicos pueden obtenerse a partir de biomasa lignocelulósica. Casi todos se derivan de los azúcares obtenidos por hidrólisis del componente de celulosa. [19]
Las biomasas lignocelulósicas se han tenido en cuenta en la producción de materiales biocompuestos como paneles de partículas, compuestos de madera y plástico y compuestos de madera de cemento/geopolímero. Aunque la producción de materiales biocompuestos depende principalmente de recursos de madera, en países con menos bosques o en países donde los recursos de madera ya están siendo sobreexplotados, es posible utilizar fuentes alternativas de biomasa como plantas invasoras, residuos agrícolas y de aserraderos para la creación de nuevos compuestos "verdes". [20] Los biocompuestos producidos con biomasa lignocelulósica como alternativa a los materiales convencionales están atrayendo la atención porque son renovables y más baratos, pero también porque encajan perfectamente en la política de "utilización en cascada" de los recursos.
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