Valorisation of lignocellulosic residues for lactic acid and bioethanol production in a biorefinery context

Abstract

Lignocellulosic biomass is considered an interesting substrate for bioproduction of fuels and chemicals due to its sugars content, high availability and low price. Interestingly, different products can be obtained from the carbon sources contained in lignocellulose through fermentative processes. Among the bioproducts, lactic acid is a building block to obtain other chemicals and biopolymers (Article I) and a versatile chemical with plenty of applications in food and pharma. On the other hand, bioethanol is a biofuel used as a substitute for gasoline in a complete or partial way. The co-generation of lactic acid and bioethanol from different lignocellulosic materials, including wheat straw and gardening residues, is proposed in this Thesis as a biorefinery-oriented approach. When utilising lignocellulosic substrates, a pretreatment is always needed to increase the sugars accessibility of the materials. In this way, steam explosion promotes lignocellulose deconstruction by recovering cellulose in the water insoluble solids fraction, while hemicellulose is solubilised and recovered in the liquid fraction or prehydrolysate. These two fractions can be separated and valorised in different streams or, alternatively, the whole slurry can be valorised in an integrated strategy. Glucose obtained from the cellulose-rich solid fraction has been widely used for bioethanol production. Nevertheless, the use of the hemicellulose-rich liquid fractions needs to be optimised due to its high content in five-carbon sugars, which cannot be metabolised by most of wild-type microorganisms, and inhibitory degradation compounds formed during pretreatment...La biomasa lignocelulósica está ganando mucho interés como sustrato para la producción de biocombustibles y otros bioproductos debido a su contenido en azúcares, gran disponibilidad y bajo precio. De hecho, numerosos productos pueden ser obtenidos a partir de los azúcares contenidos en la lignocelulosa mediante procesos fermentativos. Entre ellos, el ácido láctico es un compuesto químico muy versátil dada su gran variedad de aplicaciones en la industria alimentaria, farmacéutica y química, especialmente como molécula plataforma para producir otros compuestos y biopolímeros (Artículo I). Por otra parte, el bioetanol es un biocombustible apto para utilizarse como sustituto de la gasolina de forma parcial o completa. Teniendo en consideración el inminente desarrollo de las biorefinerías, en esta Tesis se plantea una estrategia basada en la producción de ácido láctico y bioetanol a partir de diferentes materiales lignocelulósicos, como la paja de trigo y los residuos de poda de jardines. La aplicación de un pretratamiento es necesario para aumentar la disponibilidad de los azúcares contenidos en la biomasa lignocelulósica. La explosión de vapor permite la fragmentación y deconstrucción de la lignocelulosa. Como resultado, la celulosa se recupera en la fracción de residuo sólido insoluble, mientras que la hemicelulosa se solubiliza en la fracción líquida o prehidrolizado. Estas fracciones pueden ser separadas por filtración y valorizadas en diferentes corrientes o, por el contrario, el material pretratado completo puede ser valorizado siguiendo un enfoque integrado. La producción de bioetanol lignocelulósico se ha centrado principalmente en la utilización de glucosa obtenida del residuo sólido insoluble. Sin embargo, la utilización de la fracción líquida, rica en hemicelulosa, presenta diferentes limitaciones, como la presencia de azúcares de cinco carbonos (no metabolizables por la mayoría de los microorganismos) y productos inhibidores formados durante el pretratamiento...