Aplicación de mezclas eutécticas profundas (DES) para la revalorización de biomasa

Abstract

[Resumen] En la actualidad, el sistema de producción-consumo que rige la economía de nuestra sociedad es inviable, tanto por la explotación de materias primas no renovables como por el impacto ambiental que genera. En los últimos años, la biomasa lignocelulósica está emergiendo como principal alternativa por su carácter renovable y por el aprovechamiento industrial de cada uno de sus componentes para diferentes aplicaciones. Sin embargo, es necesario estudiar metodologías que permitan el proceso de extracción sostenible de sus componentes desde el punto de vista ambiental. Dentro de este contexto, este Trabajo de Final de Grado se fundamentó en el fraccionamiento de biomasa de Abedul (Betula alba) empleando una metodología eficaz, sostenible y de bajo coste basada en el uso de mezclas eutécticas profundas (Deep Eutectic Solvents, DES). Concretamente, en este estudio se empleó como novedad, mezclas formadas por tres componentes, usando como dadores de enlace de hidrógeno ácidos orgánicos naturales: el ácido acético (AA) y ácido cítrico (AC), y como aceptor el cloruro de colina (ChCl). Una vez establecida la mezcla a usar se procedió a estudiar el proceso de fraccionamiento de la biomasa de Abedul analizando el efecto de la relación molar dador-aceptor (desde 1:1:0,5 hasta 1:10:1 expresada como ChCl:AA:AC), la influencia del tiempo (2-8h) y la temperatura (100-130ºC), evaluado a su vez por medio del Severity Factor (R0), así como, el porcentaje de biomasa inicial a tratar en el proceso (1-10%). Finalmente, la condición óptima de extracción se utilizó para determinar las propiedades de la celulosa en base a estructura y pureza, empleando técnicas como la difracción de rayos X e IR. Los resultados determinaron que las condiciones óptimas se daban cuando se sometía a las muestras a un tratamiento DES de relación molar 1:3:0,5 a 120ºC y durante 6h. [Resumo] Na actualidade, o sistema de produción-consumo que rixe a economía da nosa sociedade é inviable, tanto pola explotación das materias primas de carácter non renovábel como polo impacto ambiental que xera. Nos últimos anos, a biomasa lignocelulósica está a emerxer como materia prima alternativa polo seu carácter renovábel e polo aproveitamento industrial de cada un dos seus compoñentes potencial en diferentes procesos. Porén, é necesario estudiar metodoloxías que permitan o proceso de extracción das súas fraccións de xeito desde punto de vista ambiental. Nesta liña, este Traballo Fin de Grado fundaméntase no fraccionamento de biomasa de Abedul (Betula alba) empregando unha metodoloxía eficaz, sostible e de baixo custo baseada en mesturas eutécticas profundas (Deep Eutectic Solvents DES). Concretamente, neste estudo pregáranse como novidade mesturas formadas por tres compoñentes, dous ácidos orgánicos naturais: ácido acético (AA) e ácido cítrico (AC) como dadores de enlace de hidroxeno, e como aceptor o cloruro de colina (ChCl). Unha vez establecida a mestura, sobre o proceso de fraccionamento da biomasa de Abedul analizouse o efecto das diferentes variables experimentais como son a relación molar dador-aceptor (dende 1:1.0,5 ata 1.10:1, expresada como ChCl:AA:CA), o tempo (2-8 h) e a temperatura (100-130 ºC), analizados a súa vez a través do Severity Factor (R0), así como, a porcentaxe de biomasa inicial no proceso (1-10 %). Por último, a condición óptima de extracción empregouse para poder determina-las propiedades da celulosa extraída en base a súa estrutura e pureza, empregando técnicas coma difracción de raios X e IR. Os resultados determinaron que o mellor desempeño do proceso era cando as mostras se tiñan sometidas a unha mestura 1:3:0,5 a 120ºC e durante 6 h. [Abstract] At present, the production-consumption system that governs the economy of our society is unviable, both because of the exploitation of non-renewable raw materials and because of the environmental impact it generates. In recent years, lignocellulosic biomass has emerged as the main alternative due to its renewable nature and the industrial use of each of its components for different applications. However, it is necessary to use methodologies that allow the fractionation process of its components to be environmentally sustainable. For this, the present Final Degree Project is based on the fractionation of birch biomass (Betula alba) using an efficient, sustainable and low-cost strategy based on the use of deep eutectic mixtures (Deep Eutectic Solvents, DES). For this purpose, in this study, three-component mixtures were used as a novelty, using natural organic acids such as acetic acid (AA) and citric acid (AC) as hydrogen bond donors, and choline chloride (ChCl) as acceptor. Once the mixture is formed, the birch biomass fractionation process is carried out by studying the effect of different variables such as the donor-acceptor molar ratio (from 1:1:0.5 to 1:10:1, expressed as ChCl:AA:AC), the influence of time (2-8h) and temperature (100-130 ºC), analysed in turn by determining the Severity Factor (R0), as well as, the amount of initial biomass to be fractionated in the process (1-10%). Finally, the optimal extraction condition is used to determine the properties of the extracted cellulose based on its structure and purity, using techniques such as X-ray diffraction and IR. Optimal results for the formation of DES show that the appropriate process was when samples were treated with 1:3:0,5 molar ratio DES at 120ºC for 6h.