En los procesos industriales de fabricación de papel, el organosolv es una técnica de fabricación de pulpa que utiliza un disolvente orgánico para solubilizar la lignina y la hemicelulosa. Se ha considerado en el contexto de la fabricación de pulpa y papel y de la biorrefinación para la posterior conversión de celulosa en etanol combustible. El proceso fue inventado por Theodor Kleinert en 1968 [1] como una alternativa ambientalmente benigna a la fabricación de pulpa kraft .
El organosolv tiene varias ventajas en comparación con otros métodos populares como el kraft o el despulpe al sulfito . En particular, la capacidad de obtener lignina de calidad relativamente alta agrega valor a un flujo de proceso que de otro modo se consideraría un desecho. Los solventes organosolv se recuperan fácilmente por destilación, lo que conduce a una menor contaminación del agua y a la eliminación del olor generalmente asociado con el despulpe kraft .
La pulpa organosolv implica poner en contacto una materia prima lignocelulósica, como madera astillada, con un disolvente orgánico acuoso a temperaturas que oscilan entre 140 y 220 °C. Esto hace que la lignina se descomponga por escisión hidrolítica de los enlaces alfa aril-éter en fragmentos que son solubles en el sistema de disolventes. Los disolventes utilizados incluyen acetona , metanol , etanol , butanol , etilenglicol , ácido fórmico y ácido acético . La concentración de disolvente en agua varía entre el 40 y el 80%. Los disolventes con un punto de ebullición más alto tienen la ventaja de una presión de proceso más baja. Esto se sopesa frente a la recuperación más difícil del disolvente por destilación. [2] Se ha sugerido que el etanol es el disolvente preferido debido a su coste y su fácil recuperación. Aunque se ha demostrado que el butanol elimina más lignina que otros disolventes y la recuperación del disolvente se simplifica debido a su inmiscibilidad en agua, su alto coste limita su uso.
Numerosos autores informan que el despulpe con soluciones de etanol-agua da un rendimiento de pulpa libre de lignina entre un 4 y un 4,5 % mayor que el de la pulpa kraft. [3] [4] [5] [6] [7] Los disolventes comúnmente utilizados, acetona y etanol, se han examinado con respecto a las propiedades de la pulpa. El despulpe de paja de trigo con mezclas al 40 % de acetona o etanol con agua requiere 60 minutos a 180 °C para dar buenas propiedades de pulpa. [4] Los disolventes orgánicos casi siempre se utilizan como una mezcla con agua por consideraciones de proceso, como reducir la presión de vapor y bajar el pH para solubilizar también la hemicelulosa.
En la actualidad, sólo algunas pequeñas fábricas de pulpa organosolv funcionan para la producción de pulpa a partir de fuentes anuales renovables de fibras no leñosas, como paja, bagazo, etc. [8]
Recientemente, debido a la popularidad de los biocombustibles de segunda generación, el proceso organosolv se ha considerado en el contexto de la producción de bioetanol. La celulosa del proceso organosolv es susceptible a la hidrólisis enzimática en glucosa seguida de fermentación para diluir el etanol. El fraccionamiento organosolv del pino lodgepole muerto por el escarabajo de montaña ha producido una conversión del 97% a glucosa. Pan et al. [9] recuperaron el 79% de la lignina utilizando condiciones de 170 °C, 1,1% p/p de H2SO4 , 65 % v/v de etanol durante 60 minutos. Además, se utilizó paja de arroz pretratada con etanol organosolv para producir biohidrógeno utilizando Enterobacter aerogenes . Se investigó el efecto de la temperatura (120–180 °C), el tiempo de residencia (30–90 min) y la concentración de etanol (45–75% v/v) en el rendimiento de hidrógeno, la biomasa residual y la recuperación de lignina utilizando RSM. La concentración de glucosa en las condiciones óptimas fue 4,22 veces la de la paja sin tratar. [10]
La recuperación de lignina a partir de pulpa de organosolv de etilenglicol se puede efectuar mediante una dilución 3 veces con agua acidificada. La lignina precipita y forma agregados esféricos que van desde 0,5 a 2,5 μm. La filtración, aunque requiere mucho tiempo, es entonces más efectiva mientras la mezcla está caliente (>100 °C). [11] La recuperación se puede lograr mediante filtración o centrifugación . Debido a la naturaleza hidrófoba de la lignina organosolv, la flotación de lignina organosolv es efectiva sin el uso de los agentes colectores y precipitantes [12] que se requieren para la flotación de la lignina kraft.
Organocell utiliza organosolv de dos etapas con aproximadamente 50% de soluciones de metanol. Se agrega hidróxido de sodio en la segunda etapa con una carga del 30% p/p de la madera seca. La lignina de la segunda etapa se aísla agregando ácido fosfórico hasta que se alcanza un pH de 4,0. [13]
El proceso de recuperación y despulpe con alcohol (APR) trata la madera en tres etapas, cada una de las cuales utiliza un disolvente cada vez más limpio. Los parámetros importantes del proceso son el tiempo de extracción, la temperatura, la composición del disolvente y el pH. La operación de la planta piloto ha demostrado que el despulpe con etanol produce una pulpa superior a la pulpa al sulfito a un menor costo. La lignina y la hemicelulosa se recuperan en altos rendimientos. En 1987, el proceso APR pasó a denominarse proceso Alcell. El proceso utiliza soluciones acuosas de etanol (40–60% v/v) para deslignificar la madera a temperaturas de 180 a 210 °C y 2–3,5 MPa. El disolvente se recupera con evaporación instantánea, condensación de vapor y desprendimiento al vacío. [14]
En Miramichi, Nuevo Brunswick , Canadá , funcionó una planta de demostración de pulpa organosolv de 1989 a 1996, utilizando el proceso Alcell. Repap era propietaria de la propiedad intelectual del proceso cuando fue adquirida por fondos de cobertura en 1997. La planta piloto se jactó de un desempeño ambiental superior, una pulpa blanqueada excelente, una escala económicamente atractiva de 300 toneladas/día y subproductos comercialmente atractivos. Se dice que la tecnología se puede utilizar para explotar pequeñas regiones de recursos de madera dura que no podrían soportar una planta de kraft de tamaño moderno. [7]
La Compagnie Industrielle de la Materière Végétale de Francia ha desarrollado un proceso en el que la paja de trigo se trata con ácido acético/ácido fórmico/agua (30/55/15 v/v/v) durante 3,5 h a 105 °C bajo presión atmosférica. Las fibras obtenidas se tamizan y blanquean. En estas condiciones, la lignina se disuelve y las hemicelulosas se hidrolizan a oligosacáridos y monosacáridos. Los ácidos orgánicos se recogen mediante la concentración del licor de cocción y luego la lignina se precipita añadiendo agua y filtrando a alta presión. [8]
Chempolis Ltd en Oulu, Finlandia, ha desarrollado, desde 1995, un concepto de proceso en el que cualquier fuente de biomasa fibrosa lignocelulósica se deslignifica con ácido fórmico (biodisolvente) en un proceso compacto. La denominada tecnología "fórmico" incorpora la recuperación total del biodisolvente por evaporación y destilación para tener un proceso de circuito cerrado con una necesidad mínima de agua y descarga de efluentes. La deslignificación fracciona selectivamente los componentes de lignocelulosa en fibra celulósica, hemicelulosa y lignina. Parte de las hemicelulosas reaccionan con furfural y ácido acético, que se recuperan en el proceso de destilación para obtener productos comerciales de alta calidad. La fibra celulósica limpia se utiliza en diversos embalajes y textiles de alta gama (se blanquea fácilmente con peróxido de hidrógeno), o se hidroliza en glucosa de alta pureza que se convierte fácilmente en bioquímicos, o la glucosa se fermenta fácilmente para convertirse en bioetanol. Las hemicelulosas y la lignina disueltas después de la deslignificación se concentran en la evaporación y se separan para producir una fracción de hemicelulosa adecuada para la fermentación en etanol o la conversión en productos bioquímicos. La lignina separada no contiene azufre y se utiliza en aplicaciones de alta gama que reemplazan a los aromáticos fósiles. [8]
American Science and Technology (AST), con sede en Chicago, Illinois, EE. UU., ha desarrollado un proceso que utiliza un proceso patentado Organosolv de segunda generación para convertir cualquier tipo de biomasa en más de 10 productos químicos finos industriales, intermedios orgánicos y disolventes. Con una planta de producción de 2 toneladas/día ubicada en Wausau, Wisconsin , AST también puede producir pulpa, glucosa, fructosa y lignina de alta calidad. Con el proceso AST, la biomasa lignocelulósica se trata con ácido sulfúrico, agua, butanol y otros disolventes orgánicos, agua, un ácido orgánico o inorgánico y un catalizador durante una a tres horas a una temperatura de entre 150 y 200 °C. Los resultados producen fibras que se tamizan y blanquean para productos de papel. En estas condiciones, la lignina se disuelve en disolvente orgánico y se utilizan hemicelulosas para producir más disolvente orgánico. Los disolventes orgánicos se recogen separando el agua del licor de cocción y luego la lignina se precipita añadiendo agua, calor y filtración.
El proceso Bloom fue desarrollado en la EPFL en Lausana [15] y es comercializado por Bloom Biorenewables Sàrl. [16] Este método se basa en una química de protección que evita la condensación de la lignina y los azúcares C5. [17]