Biorrefinería hidrolítica y termoquímica para la obtención de productos de valor añadido y energía a partir de cultivos de alta productividad

Abstract

La necesidad de reducir la dependencia de los recursos fósiles ha situado la transición energética y el desarrollo de productos químicos sostenibles en el centro de las políticas ambientales actuales. En este contexto, la valorización de biomasa lignocelulósica a través de biorrefinerías representa una estrategia prometedora para la producción sostenible de biocombustibles, energía y compuestos de alto valor añadido. No obstante, su implementación a escala industrial sigue enfrentando importantes desafíos técnicos, económicos y logísticos. Esta Tesis Doctoral aborda estos retos mediante la evaluación integral del clon AF2 de Populus x euramericana, un taxón de alto rendimiento, como materia prima para biorrefinerías lignocelulósicas. Este clon fue seleccionado por su rápido crecimiento, alta tolerancia a condiciones hídricas variables y elevada productividad, lo que lo convierte en una opción estratégica como cultivo energético de rotación corta. El objetivo principal fue desarrollar y optimizar secuencias de fraccionamiento y valorización en cascada que combinasen etapas suaves e intensivas con tecnologías termoquímicas y bioquímicas bajo criterios de eficiencia energética y sostenibilidad. El trabajo se estructuró en cinco bloques: 1. Extracción alcalina en frío (EAF), con y sin ultrasonidos, como pretratamiento selectivo de hemicelulosas. Esta técnica demostró una elevada eficacia, especialmente en el clon AF2, alcanzando una solubilización de hasta el 42,3% del contenido inicial en hemicelulosas. 2. Pirólisis de la fracción sólida post-EAF, el pretratamiento alcalino redujo la energía de activación del proceso e incrementó la producción de hidrógeno. 3. Integración EAF + deslignificación organosolv, esquema en cascada que permitió suavizar las condiciones del proceso organosolv sin comprometer el rendimiento. La pasta obtenida tras la integración presentó un mayor contenido de glucano (62,5%) y menor contenido de lignina (20,5%) respecto al proceso convencional. Explosión de vapor seguida de extracción con disolventes verdes e hidrólisis enzimática. Esta estrategia permitió la obtención simultánea de compuestos fenólicos con elevada capacidad antioxidante (hasta 62,58 mg GAE/g biomasa seca) y azúcares fermentables (hasta 36 g·L⁻¹), mejorando la eficiencia global del proceso. 5. Estudió cinético de las fracciones de celulosa, hemicelulosa y lignina durante la pirólisis, considerando diferentes orígenes (herbácea, arbustiva y arbórea) y métodos de fraccionamiento (EAF, Kraft y sosa-antraquinona). Se constató que la lignina es la fracción más sensible a las condiciones de fraccionamiento, mostrando gran variabilidad cinética. En conjunto, esta Tesis Doctoral aporta resultados experimentales y de modelización que demuestran el potencial del clon AF2 como materia prima versátil y eficiente en esquemas de biorrefinería. La integración de pretratamientos selectivos, procesos en cascada y tecnologías de conversión térmica y biológica permiten avanzar hacia una valorización integral de la biomasa lignocelulósica, contribuyendo al desarrollo de modelos productivos sostenibles, circulares y basados en recursos renovables. ----------------------------------------------------------------------------------The need to reduce dependence on fossil resources has placed the energy transition and the development of sustainable chemical products at the centre of current enviromental polices. In this context, the valorization of lignocellulosic biomass through biorefineries represents a promising strategy for the sustainable production of biofuels, energy, and high-value-added compounds. However, large-scale industrial implementation still faces significant technical, economic, and logistical challenges. This Doctoral Thesis addresses these challenges through a comprehensive evaluation of the AF2 clone of Populus × euramericana, a high-yield taxon, as a feedstock for lignocellulosic biorefineries. This clone was selected for its fast growth, high tolerance to variable water conditions, and elevated biomass productivity, making it a strategic option as a short-rotation energy crop. The main aim was to develop and optimize sequential fractionation and valorization schemes combining mild and intensive stages with thermochemical and biochemical technologies, based on energy efficiency and environmental sustainability criteria. This work was structured into five main research blocks: 1. Cold alkaline extraction (CAE), with and without ultrasound assistance, was studied as a pretreatment for hemicelluloses removal. This technique showed a high efficacy, particularly in the clone AF2, achieving solubilisation of up to 42.3% of the initial Hemicelluloses content. 2. Pyrolysis of the CAE-derived solid fraction, where the alkaline pretreatment reduced the activation energy of the thermochemical process and increased hydrogen production. 3. Integration of CAE and organosolv delignification, creating a sequence that allowed milder organosolv conditions without compromising efficiency. The obtained pulp showed higher glucan content (62.5%) and lower lignin content (20.5%) compared to the conventional organosolv process. 4. Steam explosion followed by green solvent extraction and enzymatic hydrolysis. This strategy allowed the simultaneous recovery of phenolic compounds with antioxidant capacity (up to 62.58 mg GAE/g dry biomass) and fermentable sugars (up to 36 g L-1), thus improving overall process efficiency. 5. Kinetic study of cellulose, hemicellulose, and lignin pyrolysis, considering different biomass types (herbaceous, shrub, and arboreal) and fractionation methods (CAE, Kraft, and soda-anthraquinone). Lignin was found to be the most sensitive fraction to fractionation conditions, showing great kinetic variability. Overall, this Doctoral Thesis provides experimental and modelling results that demonstrate the potential of the clone AF2 as a versatile and efficient feedstock in biorefinery schemes. The integration of selective pretreatments, sequential proccesses, and thermal and biological conversion technologies allow progress towards a comprehensive valorisation of lignocellulosic biomass, contributing to the development of sustainable, circular and renewable resource-based production models.