Procesos secuenciales en biorrefinería en cascada para la valorización de los posos de Café

Abstract

[spa] En la presente memoria se recoge el Trabajo de Fin de Máster en Biotecnología Aplicada en la Universidad de las Islas Baleares, en el que se ha llevado a cabo una investigación sobre el potencial aprovechamiento de los posos de café para la obtención de precursores químicos para la fabricación de biodiésel y obtención de energía. En esta investigación se expone la necesidad de una transición energética desde los recursos fósiles hasta recursos más concienciados con el medio ambiente, promoviendo así el aprovechamiento de los residuos generados a través de una economía circular. La biomasa elegida para este estudio fue los posos de café, que se trata de un residuo abundante a nivel mundial. Los posos de café contienen una gran variedad de compuestos químicos en su composición (aceites esenciales, cafeína, flavonoides, fibra, compuestos antioxidantes, hemicelulosas, celulosa y lignina), que presentan un valor añadido para su uso industrial, químico, energético y farmacéutico. El objetivo principal de este proyecto es caracterizar energética y químicamente los posos de café para obtener precursores químicos (con alto interés en la industria de los biocombustibles) y energía, con el fin de aumentar la sostenibilidad y la transformación de los productos químicos a renovables y minimizar el impacto ambiental mediante la disminución de residuos y emisiones contaminantes. Como primera etapa del proceso, se realiza una caracterización química con el fin de conocer la composición principal de los posos de café. Dicha composición está formada principalmente por celulosa, hemicelulosas, lignina y compuestos extraíbles. La siguiente etapa que se lleva a cabo es la extracción de aceites (ácidos grasos de cadena larga) mediante el proceso de Extracción Soxhlet con diferentes disolventes (etanol, isopropanol y hexano). Una vez extraídos los aceites se les realiza un proceso de transesterificación utilizando hidróxido de potasio (KOH) como catalizador, durante 2 horas, a una temperatura de 60˚C, posteriormente, y una vez finalizado el proceso se 6 pincha en el cromatógrafo de gases. Los principales compuestos obtenidos son el metil linoleico, metil palmítico y metil-gamma-linoleico. Posteriormente, como segunda etapa del proceso, a la fase sólida se le realiza una Extracción Alcalina en Frío (EAF) con ultrasonido con las siguientes condiciones (100g/L de concentración de álcali; 40˚C de temperatura y un tiempo de 90 minutos) con el fin de obtener una fase líquida rica en hemicelulosas de alto valor añadido y un sólido residual que se aprovecha para la obtención de energía mediante combustión en el calorímetro . La EAF con ultrasonido proporcionó una fracción residual que contenía un alto porcentaje en celulosa y lignina aumentando su poder calorífico. A las fases líquidas obtenidas después de la EAF con ultrasonido se le realiza un proceso de hidrólisis ácida con el fin de obtener Furfural en un reactor Parr de 2 litros de capacidad durante 1 hora con ácido sulfúrico (H2SO4) al 2% de concentración, a una temperatura de 170ºC y con un hidromódulo (relación líquido/sólido) de 1/30. Los resultados obtenidos de Furfural se estimaron mediante espectroscopía ultravioletavisible (UV-vis) a una longitud de onda de 277nm. Este estudio ha confirmado que con los posos de café se pueden obtener diferentes compuestos de alto interés para la fabricación de biodiésel. Por otro lado, la Extracción Alcalina en Frío con ultrasonido ha demostrado ser selectiva en cuanto a la extracción de hemicelulosas, además que, si se realiza un aprovechamiento energético de la fase sólida resultante se consigue un poder calorífico similar al de la materia prima. Así, se cerraría el proceso de aprovechamiento integral de los posos de café mediante el esquema propuesto de economía circular. Este modelo de biorrefinería tiene la ventaja de necesitar menos reactivos químicos, así como tiempos de operación y temperaturas más bajos en todas las fases, lo que supone una mejora tanto económica como ambiental en comparación con el método tradicional

[eng] This thesis presents the Master's Final Project in Applied Biotechnology at the University of the Balearic Islands, in which research has been carried out on the potential use of coffee grounds to obtain chemical precursors for the manufacturing of biodiesel and obtaining energy. This research exposes the need for an energy transition from fossil resources to more environmentally conscious resources, promoting the use of waste through a circular economy. The biomass chosen for this study was coffee grounds, which is an abundant waste worldwide. Coffee grounds contain a wide variety of chemical compounds in their composition (essential oils, caffeine, flavonoids, fiber, antioxidant compounds, hemicelluloses, cellulose and lignin), which have added value for industrial, chemical, energy and pharmaceutical use. The main objective of this project is to energetically and chemically characterize coffee grounds to obtain chemical precursors (with high interest in the biofuel industry) and energy, in order to increase sustainability and the transformation of chemical products into renewable and minimize environmental impact by reducing waste and polluting emissions. As the first stage of the process, a chemical characterization is performed to determine the main composition of the coffee grounds. This composition is mainly made up of cellulose, hemicelluloses, lignin and extractable compounds. The next stage carried out is the extraction of oils (long chain fatty acids) using the Soxhlet Extraction process with different solvents (ethanol, isopropanol and hexane). Once the oils have been extracted, a transesterification process is carried out using potassium hydroxide (KOH) as a catalyst, for 2 hours, at a temperature of 60ºC, subsequently, and once the process is finished, it is clicked on the gas chromatograph. The main compounds obtained are methyl linoleic, methyl palmitic and methyl-gammalinoleic. Subsequently, as a second stage of the process, a Cold Alkaline Extraction (CEA) with ultrasound is carried out on the solid phase with the following conditions (100g/L alkali concentration; 40ºC temperature and a time of 90 minutes) with the in order to 8 obtain a liquid phase rich in hemicelluloses with high added value and a residual solid that is used to obtain energy through combustion. EAF with ultrasound provided a residual fraction that contained a high percentage of cellulose and lignin, increasing its calorific value. The liquid phases obtained after the ultrasound-assisted CAE were subjected to an acid hydrolysis process to produce Furfural in a 2 liter capacity Parr reactor for 1 hour with sulfuric acid (H2SO4) at 2% concentration, at a temperature of 170ºC and with a hydromodule (liquid/solid ratio) of 1/30. The results obtained from Furfural were estimated by ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy at a wavelength of 277nm. This study has confirmed that coffee grounds can be used to obtain different compounds of high interest for the production of biodiesel. Additionally, Cold Alkaline Extraction with ultrasound has proven to be selective in terms of the extraction of hemicelluloses, and if energy use is made of the resulting solid phase, a calorific value similar to that of the raw material is achieved. Thus, the process of comprehensive use of coffee grounds would be closed through the proposed circular economy scheme. This biorefinery model has the advantage of requiring fewer chemical reagents, as well as lower operating times and temperatures in all phases, which represents both an economic and environmental improvement compared to the traditional method