Production of reducing sugars from lignocellulosic kikuyu grass residues by hydrolysis using subcritical water in batch and semibatch reactors

Abstract

espanolRESUMEN Se estudio la hidrolisis subcritica en modo de operacion batch y semicontinuo de residuos lignocelulosicos de pasto Kikuyu. Los experimentos evaluaron el efecto de la temperatura (250-300 °C), relacion masica (6:1-30:1), presion (1 490-3 190 psi), y flujo de agua (3-9 ml/min) en la productividad de azucares reductores (RS). La produccion de azucares reductores se midio por medio del metodo DNS y la eficiencia se calculo como la relacion entre la masa de azucares reductores producida y la masa total de residuo alimentado al reactor. Una productividad maxima de RS de 9.7% se obtuvo en los experimentos batch a 300 °C, relacion masa de 30:1 y 3190 psi, mientras que una productividad acumulada de 22% se obtuvo en los experimentos semibatch a 300 °C, 2000 psi y 9 ml/min. La productividad mas baja en los experimentos batch se atribuyo al elevado tiempo de reaccion en comparacion con los experimentos semibatch, en los cuales el tiempo de reaccion no es solo mas corto sino que tambien los productos de la hidrolisis se remueven continuamente del reactor. El analisis de varianza de los datos para los experimentos batch mostro como significativa solo la interaccion entre la temperatura y la relacion masica, mientras que la presion no tuvo efecto. Una notoria disminucion de pH se midio a medida que incrementaba el tiempo de reaccion debido a la formacion de productos acidos de degradacion. Los resultados demuestran la factibilidad de producir azucares reductores a partir de residuos lignocelulosicos disponibles en grandes cantidades y actualmente desechadas sin ningun aprovechamiento por medio de hidrolisis subcritica. portuguesRESUMO Ahidrolise subcritica de residuos lignocelulosicos de vidro Kiyuku foi realizada em uma operacao de lote e semi-lote. Os experimentos avaliaram o efeito da temperatura (250-300 °C), a proporcao de massa (6:1-30:1), a pressao (1 490-3 190 psi), e o debito de agua (3-9 ml/min) no rendimento de acucares redutores (RS). A producao de acucar redutora foi estimada atraves do metodo DNS e sua eficacia foi calculada como sendo igual a proporcao entre a massa de acucares redutores produzidos e a massa total do residuo alimentado no reator. Um RS maximo de 9,7% foi calculado nos experimentos de hidrolise em lote a 300 °C, proporcao de massa de 30:1 e 3 190 psi, comparado com um RS acumulado de 22% em experimentos semi-lote a 300 °C, 2 000 psi e 9 ml/min. O menor rendimento foi atribuido ao tempo de reacao estendida nos experimentos de lote quando comparados com os experimentos de semi-lote, onde o tempo de reacao nao e so mais curto mas tambem os produtos da hidrolise sao continuamente removidos do reator. A analise da variância estatistica dos dados para os experimentos de lote mostrou apenas uma interacao significativa entre temperatura e proporcao de massa, enquanto a pressao nao teve nenhum efeito significativo. Uma diminuicao notoria em pH foi verificada com o aumento dos tempos de reacao produto da formacao de produtos de degradacao acidica. Os resultados mostraram a viabilidade da producao de acucares redutores de residuos lignocelulosicos disponiveis e atualmente descartaveis e sem usos potenciais atraves da hidrolise subcritica. EnglishABSTRACT A subcritical hydrolysis of Kikuyu grass lignocellulose residues was carried out in batch and semi batch mode operations. Experiments assessed the effect of temperature (250-300 °C), mass ratio (6:130:1), pressure (1 490-3 190 psi), and water flow rate (3-9 ml/min) in reducing sugars (RS) yield. Reducing sugar production was measured by means of the DNS method, and efficiency was calculated as the ratio between the mass of produced reducing sugars and the total mass of the residue fed to the reactor. A maximum RS of 9.7% was measured in batch hydrolysis experiments at 300 °C, 30:1 mass ratio and 3 190 psi, whereas 22% accumulated RS yield was obtained in semi batch experiments at 300 °C, 2 000 psi and 9 ml/min. The lower yield was attributed to the extended reaction time in batch experiments in comparison to semi batch experiments, in which the reaction time is not only shorter but also the hydrolysis products are continuously removed from the reactor. Analysis of Variance of data for batch experiments showed only the interaction between temperature and mass ratio to be significant, whereas the pressure had no significant effect. A notorious decrease in pH was measured with increasing reaction times due to the formation of acidic degradation products. The results showed the feasibility of producing reducing sugars from lignocellulosic residues available in large amounts and currently discarded without any utilization through subcritical hydrolysis.