Integrated dynamic model of the alkaline delignification process of lignocellulosic biomass

• John Fuertez ^[1] ; Ángela Ruiz ^[1] ; Hernán Álvarez ^[1] ; Alejandro Molina ^[1]
  1. [1] Universidad Nacional de Colombia

     Universidad Nacional de Colombia

     Colombia

     
• Localización: DYNA: revista de la Facultad de Minas. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín, ISSN 0012-7353, Vol. 78, Nº. 170, 2011, págs. 175-184
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Modelo dinámico integrado del proceso de deslignificación alcalina de biomasa lignocelulósica
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• Resumen
  • español

    A pesar que en la literatura existen varios estudios que describen modelos de deslignificación alcalina, estos fueron desarrollados originalmente para la industria de papel, y no incluyen los efectos de las variables de operación importantes tales como temperatura, concentración del hidróxido, relación sólido-líquido, tamaño de partícula, composición de la biomasa (fracciones de hemicelulosa y lignina) y mezclado. Esta carencia de modelos detallados de las etapas del pretratamiento incitó el presente estudio que describe un modelo que incluye las variables mencionadas y proporcione una importante herramienta para predecir el grado de remoción de lignina en materiales lignocelulósicos tales como bagazo de caña de azúcar (Saccharum officinarum L). El modelo considera expresiones cinéticas disponibles en la literatura. Los parámetros cinéticos fueron determinados por ajuste a los datos experimentales obtenidos en nuestro laboratorio. La matriz experimental consideró dieciocho experimentos isotérmicos de 24horas en los cuales se observó que las etapas de deslignificación principal (bulk) y residual ocurrieron en paralelo. La remoción de carbohidratos y consumo de hidróxido fueron relacionados con la remoción de lignina mediante coeficientes estequiométricos efectivos que fueron calculados por ajuste a los datos experimentales. Un modelo de compartimientos de mezclado que representa la mezcla dentro del reactor fue incluido en una superestructura temporal basada en la similaridad entre los reactores del flujo pistón y reactores ideales por lotes para modelar un reactor por lote de mezcla no ideal. El modelo cinético fue validado con los datos obtenidos en este estudio

  • English

    Although in the public literature there are several studies that describe models of alkaline delignification, they were originally developed for the paper industry, and do not include the effects of important operating variables such as temperature, hydroxide-ion concentration, solid to liquid weight ratio, particle size, biomass composition (hemicellulose, lignin fraction) and mixing. This lack of detailed models of the pretreatment stages prompted the current study that describes a model which includes the variables listed above and provides an important tool for predicting the degree of lignin removal in lignocellulosic materials such as sugarcane bagasse (Saccharum officinarum L). The model considers kinetic expressions available in the literature. The kinetic parameters were determined by fitting the model to experimental data obtained for that purpose in our lab. The experimental matrix considered eighteen, 24-h isothermal experiments in which bulk and residual delignification stages were observed to occur in a parallel manner. Carbohydrate removal and hydroxide consumption were related to lignin removal by effective stoichiometric coefficients that were calculated by fitting the experimental data. A mixing compartment network model that represented mixing inside the reactor was included into a temporal superstructure based on the similarity between plug flow reactors and ideal batch reactors to model a non-ideally mixed batch reactor. The kinetic model was validated with data obtained in this study