UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

TRABAJO: PROPIEDADES DE LA CELULOSA, LIGNINA Y

HEMICELULOSA

CURSO: MANEJO DE RESIDUOS PELIGROSOS

DOCENTE: ING. VALDERRAMA GUTIERREZ, Daniel

ALUMNA: OCAS DIAZ, Gladys

Cajamarca, Abril 2013

Propiedades de la celulosa, lignina y hemicelulosa en los residuos solidos

PROPIEDADES DE LA CELULOSA, LIGNINA Y HEMICELULOSA EN LOS RESIDUOS SOLIDOS

La pared celular vegetal, está compuesta de constituyentes como: celulosa, hemicelulosa y lignina, como principales tejidos de sostén.

1. LA CELULOSA

La celulosa está compuesta de largas cadenas de moléculas de glucosa de uniones relativamente simples, unidas de tal modo, que es difícil el ataque, aún con sustancias ácidas. En las células maduras vegetales, las paredes contienen un centro de celulosa cristalina, rodeada por una zona amorfa, con hemicelulosa, pectina y compuestos de azúcares con proteínas, mientras que la secundaria contiene principalmente celulosa y pequeñas cantidades de hemicelulosa y lignina.

Las paredes de células jóvenes contienen alrededor de un 40% de celulosa, la madera más dura cerca de un 50% y ciertas fibras como las del algodón es casi 100%.

Las microfibrillas están inmersas en una matriz de materiales que se hidratan fácilmente como hemicelulosa y pectinas.

Esta estructura relativamente simple permite la acción enzimática de los microorganismos del compostaje, del suelo y del rumen.

Los animales rumiantes como el ganado vacuno, tienen en el rumen un ambiente que facilita la degradación microbiana, convirtiendo la celulosa en ácidos grasos volátiles (AGV), compuestos básicos de la producción láctea, cárnica, etc. y que integrarán también la masa microbiana. Los rumiantes no pueden aprovechar la celulosa directamente, pero lo hacen vía microorganismos. Microorganismos que degradan celulosa

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Los microorganismos celulolíticos (que degradan celulosa) desempeñan un papel importante en la biosfera reciclando este polímero. Existe una diversidad de estos microorganismos, bacterias y hongos aeróbicos o anaeróbicos, mesófilos o termófilos que producen las enzimas celulasas. Algunos de ellos son:

GRUPO ESPECIES

hongos aeróbicos Trichoderma viride, Trichoderma reesei, Penicillium pinophilum, Sporotrichum pulverulentum, Fusarium solani, Talaromyces emersonii y Trichoderma koningii.

hongos aeróbicos termófilos

Sporotrichum thermophile, Thermoascus aurantiacus y Humicola insolens.

hongos anaeróbicos mesofílicos

Neocallimastix frontalis, Piromonas communis, Sphaeromonas communis..

bacterias aeróbicas mesofílicas y termófilas

Cellulomonas sp., Cellvibrio sp., Microbispora bispora y Thermomonospora sp.

bacterias anaeróbicas mesofílicas y termófilas

Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides succinogenes, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens y Clostridium thermocellum.

2. LA HEMICELULOSA

La hemicelulosa es una sustancia compleja, o polímero de cadenas de polisacáridos, que se encuentran entrelazadas con cadenas de lignina, formando cadenas fuertemente estructuradas, obstaculizando la destrucción microbiana.

Es un grupo amplio de compuestos que pueden dividirse en poliurónicos (azúcares y ácidos urónicos), celulosanos y sustancias pécticas.

Del cuadro surge que la biodegradación que ocurre en momentos distintos de compostaje y en suelos distintos

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Descomposición microbiana de paja con aireación (%)

Días hemicelulosa celulosa 0-4 43,5 2,3

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3. LA LIGNINA

La lignina es un polímero de un grupo químico básico (fenil propano), que se repite y se encadena con uniones químicas de distinta naturaleza. Esta disposición dificulta el ataque por los microorganismos y por ello es dificultoso extender su degradación. Algunos hongos tienen un sistema enzimático especial para atacar la lignina La reacción inicial comienzan con la actividad de enzimas extracelulares tal es el caso de la manganeso peroxidasa, producida principalmente por los hongos de las “podredumbres blancas y blandas” por ejemplo: Thielavia, Preussia y Chaetomium

Los actinomycetes tambien pueden descomponer lignina, pero típicamente degradan menos del 20% del total. En compostaje aerobio, la descomposición de la lignina se realiza sin problemas, pero en sistemas con poca o nula aireación, como sucede en turberas, puede persistir durante cientos de años. Por ser el compuesto más recalcitrante de la pared celular, a mayor cantidad de lignina, menor disponibilidad de los componentes del material orgánico en descomposición.La dificultad que opone la lignina para la descomposición de la celulosa y hemicelulosa, es sobre todo del tipo físico, ya que obstaculiza el acceso de las enzimas que atacan a estas últimas. La digestibilidad está dada en función de la composición celular y más precisamente de la composición química de cada componente de origen vegetal en el compost. Las células vegetales están constituidas por un contenido celular fácilmente descomponible, y pared celular con presencia de lignina, más duras, cuando son maduras.

Chandler (1980), formuló una correlación matemática para conocer la degradabilidad de los residuos, sabiendo el porcentaje de lignina.

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Dónde: Los SV son los sólidos que se pierden en forma de gases, durante el proceso de

compostaje.

Para saber el porcentaje de lignina se realizan análisis de laboratorio como el de Van Soest, muy utilizados en estudios de digestibilidad animal.

El contenido celular vegetal tiene una digestabilidad casi total, siendo en promedio del 98%, mientras la pared celular es de digestibilidad muy variable según los componentes porcentuales de celulosa, hemicelulosa y lignina, constituyendo la fibra vegetal.

El esquema de Van Soest permite separar el contenido celular, mientras que la pared se divide en tres partes:

1. F.D.N: (fibra en detergente neutro). Es la fibra que queda después de hervir el material en detergente, como lauril sulfato con EDTA (sustancia quelante). En este tratamiento se disuelve todo el contenido celular, quedando sólo los componentes de la pared, expresándolos en peso de materia seca.

2. FDA (fibra en detergente ácido). Lo que queda después del tratamiento con FDN, se hierve en una solución de detergente ácido (ácido sulfúrico más bromuro de acetil trimetil amonio), extrayéndose la hemicelulosa, de tal forma que la fibra remanente, estará constituída por celulosa y lignina.Como sucede en FDN, los resultados se expresan en materia seca.

3. LDA (lignina en detergente ácido). Es el residuo que queda al exponer la fibra en detergente ácido, a un solución de ácido sulfúrico. El resultado, como los anteriores se expresa en porcentaje de LDA, con respecto a la materia seca analizada.

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PROPIEDADES BIOLOGICAS DE LOS RESIDUOS SOLIDOS

Las propiedades biológicas son importantes para la tecnología de la digestión aerobia/anaerobia en la transformación de residuos en energía y en productos finales beneficiosos. El proceso anaerobio implica la descomposición biológica de residuos alimenticios con productos finales de metano, dióxido de carbono y otros. Algunos componentes orgánicos de residuos sólidos no son deseables en la conversión biológica, como plásticos, gomas, pieles y madera. Los fragmentos importantes en la transformación biológica son las grasas, proteínas, la lignina, celulosa, hemicelulosa, lignocelulosa y los constituyentes solubles.

La fracción orgánica de la mayoría de residuos de los RSU se puede calificar de la siguiente forma:

1. Constituyente soluble en agua, tales como: azúcares, féculas, aminoácidos, y diversos ácidos orgánicos.

2. Hemicelulosa, un producto de condensación de azúcares con cinco y seis carbonos.3. Celulosa, un producto de condensación de glucosa de azúcar con seis carbonos4. Grasas, aceites y ceras, que son esteres de alcoholes y ácidos grasos de cadena

larga.5. Lignina, un material polímero que contiene anillos aromáticos con grupos metoxi (-

OCH3), presente en algunos productos de papel como periódicos y en tablas de aglomerado.

6. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa.7. Proteínas, que están formadas por la condensación de amoniacos.

Métodos de tratamiento de la Biodegradabilidad de los componentes de los residuos solidos

1. CompostajeConsiste en un proceso aeróbico basado en la degradación bioquímica de la materia orgánica que se encuentra formando parte de los residuos. La degradación de la materia es llevada a cabo por las bacterias y hongos presentes en los mismos productos de desecho, y tiene como principal objetivo la obtención de un compuesto bioquímicamente estable llamado compost.

El proceso de compostaje consta de tres etapas, a lo largo de las cuales se consume materia orgánica y glúcido, y se desprende dióxido de carbono y carbono, favoreciendo de este modo la generación de los materiales húmicos:

Etapa de latencia y crecimiento: tiene una extensión temporal de dos días y se caracteriza por producirse un crecimiento de los microorganismos presentes en los residuos.

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Etapa termófila: dependiendo del producto del que se parte y de las condiciones ambientales, puede durar entre una semana y dos meses. Durante esta etapa se produce una gran actividad bacteriana a temperaturas de 50 °C o 70 °C que facilita la eliminación de organismos indeseados, como los patógenos o las larvas, y la estabilización de la materia orgánica.

Etapa de maduración: la acción bacteriana decae en esta parte del proceso para dejar paso a la acción fúngica, con la que prosigue el proceso de descomposición. En esta fase se generan diversos compuestos, entre los que se encuentran vitaminas y antibióticos.

En algunas ocasiones, los lodos de las depuradoras de agua (EDAR) son mezclados con la fracción orgánica de los residuos urbanos, puesto que los primeros tienen un gran contenido en microorganismosque degradan la materia orgánica, y consecuentemente, se acelera el proceso de compostaje.En España hay 38 plantas de compostaje, localizadas la mayor parte de ellas en el Levante y el sur del país. De hecho, en la Comunidad Autónoma de Murcia existe una de las mayores plantas de compostaje de todo Europa.

2. Biometanización

La biometanización es un proceso de fermentación anaeróbica de la fracción orgánica presente en los residuos, mediante el que se obtiene biogás. Pero además de este gas, durante el proceso de fermentación anaeróbica también se origina un producto ligeramente básico (pH = 7,5) y no estabilizado al que se le atribuyen una serie de propiedades fertilizantes, pues actúa mejorando parte de las características físicas del suelo (aumenta la retención de la humedad y la cantidad de infiltración de agua).La composición de este producto sufrirá imporantes variaciones dependiendo del tipo de materia orgánica que es degradada, aunque en términos medios se encuentra constituido por un 85% de materia orgánica, un 2,6% de nitrógeno y presenta un porcentaje inferior al 2% de fósforo y potasio.La biometanización presenta una serie de ventajas con respecto al resto de métodos de tratamiento de residuos, puesto que durante su desarrollo no se producen ningún tipo de pestilencias y además, el hecho de que se trate de un proceso anaeróbico favorece la minimización de los microorganismos perjudiciales para la salud humana y la animal en un período reducido.Para que la biometanización se pueda producir, se requiere de unas estructuras selladas que permitan mantener bajo control determinados parámetros como el pH, la presión o la temperatura durante la fermentación, llamadas biodigestores. Además, estas contrucciones también se requieren ante la necesidad de crear un ambiente sin oxígeno para el desarrollo de las bacterias anaeróbicas.

3. Gasificación:

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Es un proceso termoquímico que transforma la materia orgánica presente en los residuos urbanos en un gas con un poder calorífico reducido y que consta de tres etapas o fases, que son el secado, el craqueo y la gasificación. Para que la gasificación se pueda llevar a cabo se requiere de una oxidación parcial, de la existencia de un agente gasificante (agua, oxígeno, hidrógeno o vapor de agua) y de una temperatura que se sitúa entre los 600 °C y los 1.000 °C. Este método de tratamiento residual posee múltiples ventajas, como son la versatilidad en la valorización del residuo, un considerable rendimiento eléctrico y un escaso impacto ambiental.

4. Hidrogenación: La hidrogenación de la celulosa presente en los residuos urbanos permite la transformación de esta en productos combustibles. Pero para que esta transformación se produzca se requiere de la presencia de monóxido de carbono y agua a una temperatura de 400 °C y sometidos a una presión de 300 atmósferas, además del empleo de una gran variedad de catalizadores.

5. Pirólisis: Consiste en la transformación de la materia orgánica presente en los residuos urbanos a altas temperaturas, las cuales se sitúan entre los 550 °C y los 1.100 °C, y en condiciones anaeróbicas. Los productos finales obtenidos pueden ser gases, líquidos o materiales de naturaleza inerte, entre otros.

6. Oxidación: Mediante el empleo de oxidantes y oxígeno atmosférico a presión y temperaturas que se encuentran cercanas a los 300 °C, se logra oxidar la materia orgánica en suspensión o disolución acuosa presente en los residuos, con la consiguiente obtención de agua, dióxido de carbono y compuestos orgánicos simples.

Pre tratamiento para mejorar la Biodegradabilidad

El material con alto contenido de lignina (en general residuos vegetales de colores oscuros, duros al tacto y muchas veces aromáticos), mejoran su biodegradabilidad, tratados con compuestos ácidos o alcalinos, o con urea y/o sales amoniacales. Cuando se realiza compostaje aerobio, las técnicas para aumentar la degradación de la lignina, recurren más a un mayor trozado, para aumentar la superficie de ataque microorgánico de las partículas, al aumentar individualmente la superficie relativa

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respecto a su volumen, y no tanto al agregado de sales nitrogenadas, porque se corre el riesgo de presentar un producto final con salinidad total muy alta, inconveniente para su utilización para sustratos o mezclas.

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