Recuperación de la fracción hemicelulósica del rastrojo de maíz mediante tratamiento con agua subcrítica: efecto de las condiciones de operación

Abstract

En este trabajo se estudió la valorización del rastrojo de maíz como biomasa lignocelulósica mediante tratamientos de hidrólisis con agua subcrítica, con el objetivo de solubilizar selectivamente la fracción de hemicelulosa y obtener productos de valor añadido en forma oligomérica, así como generar un extracto sólido enriquecido en celulosa. Las pruebas se llevaron a cabo en un reactor discontinuo que funcionaba a una presión constante de 50 bar y a temperaturas de 160, 175 y 190 °C durante 60 min. La relación sólido-líquido se mantuvo en un 5 % (p/p). La fracción líquida se caracterizó en términos de carbohidratos solubilizados, sólidos disueltos, productos de degradación y distribución del peso molecular. Los resultados mostraron una clara dependencia de la severidad del tratamiento, identificando las condiciones óptimas de funcionamiento: 160 °C durante 60 min, 175 °C durante 50 min y 190 °C durante 20 min, alcanzando concentraciones máximas de hemicelulosa solubilizada de 4,8; 8,7 y 9,0 mg/mL, respectivamente. El análisis de la distribución del peso molecular mostró que, especialmente a 175 °C durante 5 minutos, la fracción líquida se enriqueció en oligómeros con pesos moleculares predominantemente en el rango de 1-5 kDa, considerados de interés para aplicaciones de mayor valor añadido. En condiciones más severas, se observó un aumento de las fracciones de bajo peso molecular (<1 kDa) y de los productos de degradación, principalmente furfural, asociados a la degradación de los oligómeros. Asimismo, se detectó la formación de ácido acético, atribuida a la desacetilación de la hemicelulosa, junto con una marcada disminución del pH durante los primeros minutos del tratamiento, lo que pone de relieve el papel de la autohidrólisis en el proceso. El análisis del sólido residual reveló una disminución progresiva del contenido de hemicelulosa al aumentar la temperatura, acompañada de un enriquecimiento relativo en celulosa, en consonancia con la solubilización selectiva observada en la fase líquida. En general, los resultados ponen de manifiesto el potencial del agua subcrítica como estrategia sostenible y eficaz para el fraccionamiento selectivo de los residuos de maíz y la producción de productos de valor añadido a partir de biomasa lignocelulósica

This study investigated the valorization of corn stover as lignocellulosic biomass through subcritical water hydrolysis treatments, with the aim of selectively solubilizing the hemicellulose fraction and obtaining value-added products in oligomeric form, as well as generating a solid extract enriched in cellulose. The tests were carried out in a batch reactor operating at a constant pressure of 50 bar and at temperatures of 160, 175, and 190 °C for 60 min. The solidliquid ratio was maintained at 5% (w/w). The liquid fraction was characterized in terms of solubilized carbohydrates, dissolved solids, degradation products, and molecular weight distribution. The results showed a clear dependence on the severity of the treatment, identifying optimal operating conditions: 160 °C for 60 min, 175 °C for 50 min, and 190 °C for 20 min, reaching maximum concentrations of solubilized hemicellulose of 4,8; 8,7 and 9,0 mg/mL, respectively. The molecular weight distribution analysis showed that, especially at 175 °C for 5 min, the liquid fraction was enriched in oligomers with molecular weights predominantly in the range of 1-5 kDa, considered interest for higher value-added applications. Under more severe conditions, an increase in low molecular weight fractions (<1 kDa) and degradation products, mainly furfural, associated with the degradation of oligomers was observed. Likewise, the formation of acetic acid was detected, attributed to the deacetylation of hemicellulose, together with a marked decrease in pH during the first minutes of treatment, which highlights the role of autohydrolysis in the process. Analysis of the residual solid revealed a progressive decrease in hemicellulose content with increasing temperature, accompanied by a relative enrichment in cellulose, consistent with the selective solubilization observed in the liquid phase