Single-step and sequential pretreatments for sustainable lignocellulosic biorefineries

Abstract

Pretreatments have been considered the first step in designing biorefineries since they facilitate biomass fractionation to produce platform products, affecting further reaction and downstream stages. However, many studies report the use and enhancement of single-step pretreatments for valorizing a specific sub-stream, hindering integral biomass valorization. Therefore, sequential pretreatments seem to be an alternative to selective biomass component fractionation for future integral valorization. This thesis focuses on analyzing the performance of sequential pretreatments in the sustainability of biorefineries through experimental and simulation approaches. After a preliminary heuristic analysis of both single-step and sequential pretreatments, different proposed sequential combinations that best-isolated cellulose, hemicellulose, and lignin platforms were experimentally evaluated. It was determined that the dilute acid - wet air oxidation (DA-WAO) combination hydrolyzed 79% of hemicellulose during the first stage and 89% of lignin in the second stage, obtaining a pretreated solid with a cellulose recovery higher than 96%. All the platforms had an accessibility of more than 80%. The cellulose, hemicellulose, and lignin-based platform products were valorized to obtain value-added products such as levulinic acid, furfural, and phenolic compounds, respectively. As a main result, it was obtained that sequential pretreatments substantially increased the conversions compared to single-step schemes and raw feedstock, obtaining yields of 60.8% for the production of furfural and 30.3% for the acid reaction of levulinic acid production. In contrast, there was a slight reduction in vanillin and syringaldehyde production yield when performing a sequential scheme compared to the single-step. The experimental results were used to simulate and assess the sustainability of biorefineries coupled to the rice value chain. Sustainability was assessed through technical, environmental, economic, and social pillars. The main result was that biorefinery schemes increase technical indicators but increase waste generation. Likewise, economic feasibility was only observed when the three lignocellulosic fractions were valorized in a biorefinery scheme when the production of phenolic compounds was involved. From the environmental perspective, it was determined that the carbon footprint of the rice value chain was 2.17 kg CO2 / kg of rice husks, where fertilizers are the major contributors, while in the processing stage, steam had the greatest influence on the environmental impact. It was also observed that biorefinery schemes based on sequential technology increase employment generation; however, industrial water consumption represents a major social risk. All dimensions were coupled to evaluate the sustainability index, where it was concluded that sequential pretreatment schemes always increase sustainability compared to single-step pretreatment schemes (Texto tomado de la fuente)

Los pretratamientos se han catalogado como el primer eslabón en el diseño de biorrefinerías ya que facilita el fraccionamiento de la biomasa para la producción de productos plataforma, afectando futuramente las etapas de reacción y aguas abajo. Sin embargo, muchos estudios relatan el uso y mejoramiento de pretratamientos de etapa simple para la valorización de una subcorriente, impidiendo la valorización integral de la biomasa. Por lo tanto, los pretratamientos secuenciales se ven como una alternativa para el fraccionamiento selectivo de los componentes de la biomasa para futuras valorizaciones integrales. Este trabajo se centra en analizar el desempeño de los pretratamientos secuenciales en la sostenibilidad de biorrefinerías a través de trabajo experimental y simulación. Posterior a un análisis heurístico preliminar de pretratamientos tanto de etapa simple como secuencial, se evaluó experimentalmente diferentes propuestas de combinaciones secuenciales que mejor aislaran productos plataforma de celulosa, hemicelulosa y lignina. Se determinó que la combinación acido diluido – oxidación por aire húmedo (DA-WAO) hidroliza el 79% de hemicelulosa durante la primera etapa y el 89% de lignina en la segunda etapa, obteniendo un solido pretratado con una recuperación de celulosa superior al 96%. Todas las plataformas tuvieron una accesibilidad superior al 80%. Los productos plataforma a base de celulosa, hemicelulosa y lignina fueron valorizados para la obtención de productos de valor agregado como el ácido levulínico, furfural y compuestos fenólicos, respectivamente. Como resultado principal, se obtuvo que los pretratamientos secuenciales aumentaron sustancialmente las conversiones en comparación a esquemas de etapa simple y a materia prima cruda, obteniendo rendimientos de 60.8% para la producción de furfural y 30.3% para la reacción acida de producción de ácido levulínico. En contraste, hubo una pequeña reducción en el rendimiento de producción de vainillina y siringaldehído al efectuar un esquema secuencial en comparación al simple. Los resultados experimentales fueron usados para la simulación y evaluación de la sostenibilidad de biorefinerias acoplado a la cadena de valor del arroz. La sostenibilidad fue evaluada a través de cuatro pilares: técnico, ambiental, económico y social. Como resultado principal se obtuvo que los esquemas de biorefineria aumentan indicadores técnicos pero aumentan la generación de residuos. Asimismo, únicamente se observó viabilidad económica cuando se valorizan las tres fracciones lignocelulósicas en un esquema de biorefinerias cuando se involucra la producción de comúestos fenólicos. Desde la perspectiva ambiental, se determinó que la huella de carbono de la cadena de valor del arroz fue de 2.17 kg CO2 / kg de cascarillad de arroz, donde los fertilizantes son los mayores contribuyentes, mientras que en la etapa de procesamiento el vapor fue quien mas influyó en el impacto ambiental. Asimismo, se observó que los esquemas de biorefineria basado en tecnología secuencial aumenta la generación de empleo; sin embargo, el consumo de agua industrial representa un gran riesgo social. Todos las dimensiones fueron acopladas para evaluar el índice de sostenibilidad, donde se concluyó que los esquemas a base de pretratamiento secuencial siempre aumentan la sostebilidad en comparación a los esquemas de pretratamiento de etapa simple