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Balances de masa en la producción de bioetanol de segunda
generación a partir de residuos agroindustriales
Mass Balances in the Production of Second-Generation Bioethanol from
Agroindustrial Waste
Gustavo Adolfo Espinoza Calderón1, Gloria Olivia Bustamante Cárdenas1,
Milthon Morales Miranda1, Mauricio Taipe Quispe1
1Universidad Nacional de Huancavelica, Huancavelica, Perú
Autor de correspondencia
Gustavo Adolfo Espinoza Calderón
Historial del artículo
Recibido el 2 de abril de 2025 | Revisado el 6 de abril de 2025 | Aceptado el 30 de mayo de 2025
Referencia del artículo
Espinoza Calderón, G. A., Bustamante Cárdenas, G. O., Morales Miranda, M., & Taipe Quispe, M.
(2025). Balances de masa en la producción de bioetanol de segunda generación a partir de
residuos agroindustriales. Revista Científica Altoandina de Ciencias Agrarias, 1(1), pp. 10-17.
https://doi.org/10.54943/recialcia.679
RESUMEN
La producción de bioetanol de segunda generación (2G), a partir de residuos agroindustriales, se
presenta como una estrategia biotecnológica sostenible para la valorización de biomasa
lignocelulósica. Este trabajo de investigación tuvo como objetivo evaluar exhaustivamente los
balances de masa en las etapas clave del proceso de obtención de bioetanol 2G, utilizando como
materias primas la cascarilla de arroz, rastrojo de maíz (chala) y rastrojo de caña de azúcar,
abundantes en la agroindustria. El proceso estudiado comprendió las etapas de recepción y molienda,
la hidrólisis enzimática, la fermentación alcohólica, la destilación para la concentración del etanol, la
deshidratación para alcanzar la pureza requerida y la desnaturalización para su uso como
biocombustible. Se realizaron mediciones precisas de masa para analizar y cuantificar los rendimientos
y las pérdidas en cada etapa del proceso de bioetanol. Los resultados indicaron un rendimiento global
de conversión de biomasa a bioetanol del 5.35 %, identificando la etapa de destilación como un punto
crítico con el mayor impacto en la eficiencia general del proceso. La molienda mostró una pérdida de
masa del 1 %, mientras que la fermentación alcanzó una eficiencia de conversión de azúcares a
bioetanol del 5 %. El análisis de los balances de masa demostró ser una herramienta fundamental
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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para la evaluación detallada y la identificación de oportunidades de optimización del proceso,
sugiriendo que la mejora de la eficiencia en la etapa de fermentación y pretratamiento podría tener
un impacto significativo en el rendimiento global y la viabilidad económica del proceso.
Palabras clave: bioetanol de segunda generación; residuos agroindustriales; balances de masa;
fermentación
ABSTRACT
The production of second-generation (2G), bioethanol from agroindustrial waste, is presented as a
sustainable biotechnological strategy for the valorization of lignocellulosic biomass. This research
comprehensively evaluated the mass balances at key stages of the 2G bioethanol production process,
using rice husks, corn stover (chala), and sugarcane stover, abundant in the agroindustry, as raw
materials. The studied process included reception and grinding, enzymatic hydrolysis to release
fermentable sugars, alcoholic fermentation, distillation to concentrate ethanol, dehydration to achieve
the required purity, and denaturation for use as a biofuel. Precise mass and volume measurements
were made at strategic points throughout the process to quantify flows and determine mass balances
at each stage. The results indicated an overall biomass-to-bioethanol conversion efficiency of 5.35 %,
identifying the distillation stage as a critical point with the greatest impact on overall process
efficiency. Milling showed a 1 % mass loss, while fermentation achieved a sugars-to-bioethanol
conversion efficiency of 5 %. Mass balance analysis proved to be a fundamental tool for the detailed
evaluation and identification of process optimization opportunities, suggesting that improving
efficiency at the fermentation stage and pre-treatment could have a significant impact on the overall
yield and economic viability of the process.
Keywords: second generation bioethanol; agroindustrial waste, mass balance, fermentation
INTRODUCCIÓN
El Perú alberga una extraordinaria riqueza
de productos agrícolas y agropecuarios,
sustentando una agroindustria en notable
expansión durante los últimos años. Este
crecimiento, sin embargo, conlleva la
generación de volúmenes significativos de
residuos (Mercado & Collazos, 2022).
En Perú, la producción de bioetanol cuenta
con un respaldo legal que fomenta su
crecimiento. Una normativa específica para la
promoción del mercado de biocombustibles
establece las bases para esta actividad,
promoviendo la libre competencia y el acceso
al mercado con la finalidad de diversificar las
fuentes de energía del país, impulsar el
desarrollo agropecuario y mitigar la
contaminación ambiental. Este contexto legal
favorable subraya la relevancia de optimizar
los procesos de producción de bioetanol,
donde el análisis detallado de los balances de
masa, enfoque central de esta investigación,
desempeña un rol crucial para alcanzar los
objetivos de eficiencia y sostenibilidad
definidos en la legislación (Cabezas-Oruna,
2017).
El bioetanol es un tipo de Etanol producido
a partir de biomasa o la fracción
biodegradable de residuos agroindustriales
(Gracida & Pérez, 2014), cuyo uso principal es
en motores de gasolina convencionales,
mezclando hasta el 15 % con gasolina y los
motores Flex- fuel como E85 E-Diesel
mezclado máximo al 10 % (Castillo, 2012). El
bioetanol de segunda generación, obtenido de
materiales lignocelulósicos, emerge como una
opción prometedora y más sostenible que los
biocombustibles de primera generación. Al no
utilizar recursos que compiten con la
producción de alimentos y debido a la
abundancia de biomasa lignocelulósica, su
menor costo potencial podría reducir el precio
del biocombustible final (Faba et al., 2014).
Revista Científica Altoandina de Ciencias Agrarias 1(1) (2025)
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La producción de bioetanol, a partir de
residuos agroindustriales, implica una serie
de etapas secuenciales que incluyen la
reducción de tamaño mediante molienda, un
pretratamiento con explosión de vapor, la
descomposición enzimática (hidrólisis), la
fermentación alcohólica y la eliminación de
agua (deshidratación). El proceso
fundamental consiste en la obtención de
glucosa a partir del almidón o la celulosa
presentes en los residuos, la cual,
posteriormente, se transforma en etanol
mediante fermentación.
Si bien la producción de bioetanol 2G a
partir de residuos agroindustriales presenta
un potencial significativo en el Perú, existe
una brecha importante en la aplicación
sistemática y detallada de los principios de
balance de masa para la comprensión, así
como optimización de los procesos.
Por lo tanto, esta investigación propone
utilizar los fundamentos del balance de masa
para examinar y cuantificar el movimiento de
materiales en las diversas fases del proceso
de obtención de bioetanol de segunda
generación a partir de rastrojos de caña de
azúcar (42.91 % de celulosa) (Resano et al.,
2022), cascarilla de arroz (39.05 % de
celulosa) y chala de maíz (43.14 % de
celulosa) (Prado et al. (2012), con el fin de
identificar áreas de mejora, evaluar la
eficiencia de conversión y contribuir a la
optimización, así como a la sostenibilidad de
esta prometedora vía de valorización.
MATERIALES Y MÉTODOS
La producción de bioetanol de segunda
generación se realizó en el laboratorio de
procesos y operaciones unitarias del
departamento de química ubicado en el
Centro Modelo de Tratamiento de Residuos
(Cemtrar) perteneciente a la Universidad
Nacional Agraria La Molina (UNALM).
Materia prima
Los materiales que se usaron fueron
cascarilla de arroz, rastrojo de maíz (chala) y
rastrojo de caña de azúcar, los cuales se
obtuvieron de los fundos ubicados en la
ciudad de Piura. Previo al proceso de
obtención de bioetanol, a la materia prima se
realiza el análisis de humedad, ceniza,
proteína y porcentaje de lignina de acuerdo a
los protocolos estandarizados por la AOAC
International (Association of Official Analytical
Chemists).
Insumos
Para el proceso de la hidrólisis enzimática,
se utilizó los siguientes insumos:
Tabla 1. Reactivos para la obtención de bioetanol
Reactivo
Marca
País
Endoglucanasas
Genencor
EE. UU.
Exoglucanasas
Dyadic
EE. UU.
β-Glucosidasas
Novozymes
Dinamarca
Equipos y materiales de laboratorio
Para llevar a cabo las etapas del proceso
de producción de bioetanol de segunda
generación, se consideran los siguientes
equipos. La reducción de tamaño de los
residuos agroindustriales se realizará
mediante un molino de martillo Bliss
Industries, modelo 4860 HD, con una
potencia típica de 200 kW y procedente de
Estados Unidos. La hidrólisis de la biomasa
pretratada se llevará a cabo en un reactor
encapsulado de Pfaudler Werke GmbH, con
una capacidad de 50 m³ y origen alemán. La
fermentación de los azúcares liberados se
realizará en un reactor Bioengineering AG,
modelo BSF-5000, con una capacidad de
5000 litros y fabricado en Suiza. Para el
pretratamiento mediante explosión de vapor,
se utilizará un equipo ACE Pilot de Sunds
Defibrator AB, con una capacidad de
procesamiento de 50 kg/h de biomasa seca y
proveniente de Suecia. Finalmente, la
separación y purificación del bioetanol se
llevará a cabo en un destilador de platos BX
Column de Sulzer Chemtech, diseñado
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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específicamente para las necesidades del
proceso y con origen suizo.
Asimismo, para la obtención de bioetanol,
se siguió el procedimiento de la Figura 1, el
cual se detalla:
Recepción de la materia prima. La
cascarilla de arroz, el rastrojo de maíz (chala)
y el rastrojo de caña de azúcar son
almacenados en el área de recepción de la
planta.
Molienda. Consiste en una combinación de
desfibrado y molienda que permita reducir el
tamaño de las partículas de 1 a 3 milímetros
y aumentando la superficie específica y la
densidad aparente. Este procedimiento se
realiza utilizando un molino de martillos.
Operará a una velocidad de rotación del rotor
de 3000 revoluciones por minuto (RPM) y a
una velocidad de carga del material de 2 a 5
toneladas por hora (t/h).
Explosión de vapor. En esta etapa del
proceso la materia prima previamente molida,
es sometida a calor para solubilizar la
hemicelulosa y hacerla accesible a la hidrólisis
enzimática, evitando la formación de
inhibidores. Se realiza en un reactor
hidrotérmico de acero inoxidable de alta
aleación a una temperatura y presión máxima
de 170 °C y 1 MPa respectivamente.
Hidrolisis enzimática. La reacción se llevó
a cabo bajo condiciones controladas de pH 4.8
y una temperatura entre 45 y 50°C. Para
facilitar la descomposición del material
celulósico y hemicelulósico pretratado, se
utiliza una mezcla de diversas enzimas,
incluyendo endoglucanasas, exogluconasas y
beta-glucosidasas, las cuales se dispersan en
una solución acuosa donde se suspende la
biomasa. La operación se realiza en un
reactor con agitación constante a 500 RPM
para asegurar una mezcla homogénea.
Fermentación. Durante esta fase del
proceso, se lleva a cabo la fermentación
alcohólica, una reacción de óxido-reducción
que ocurre en ausencia de oxígeno y con la
participación de la levadura Saccharomyces
cerevisiae. Esta operación se desarrolla en un
reactor con agitación a una velocidad de 30
revoluciones por minuto.
Destilación. Esta operación se lleva a cabo
en un equipo destilador de 31 platos, donde
la mezcla fermentada, rica en etanol y otros
compuestos volátiles. Se introduce
continuamente por la parte media o inferior
de la columna (flujo de alimentación).
Deshidratación. En esta fase del proceso,
se logró una concentración de alcohol cercana
al 99 %. Para alcanzar este nivel de pureza,
se empleó un sistema de deshidratación que
incluye una columna de destilación extractiva,
una torre para recuperar el solvente utilizado,
así como condensadores y decantadores.
Desnaturalización. Una vez obtenido el
alcohol se sometió a una desnaturalización
para ser considerado alcohol carburante y
posteriormente poder ser mezclado con la
gasolina o diesel.
Figura 1. Diagrama de proceso para la obtención de
bioetanol
Revista Científica Altoandina de Ciencias Agrarias 1(1) (2025)
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El análisis de las corrientes que entran y
salen de procesos de transferencia de masa,
tales como la destilación, la extracción
líquido-líquido, la absorción, la lixiviación y el
secado, constituye la base del balance de
materia en estas operaciones. Asimismo, la
máxima concentración que cada componente
puede alcanzar en cada una de las fases que
interactúan está determinada por el equilibrio
físico entre ellas (Álvarez, 2011).
Los balances de materia sencillos, que se
aplican en procesos sin transformación
química como la mezcla, la separación, el
contacto a contracorriente, el contacto en
paralelo, los sistemas con recirculación y los
sistemas con derivación, se basan
únicamente en la conservación de la masa
(Basurco, 2019).
Metodología de balance de materia
En el presente trabajo de investigación, se
desarrolló la metodología para los cálculos de
balances de masa en el proceso de obtención
de bioetanol como elementos fundamentales
del estudio. Aplicando el balance de materia
en estado estacionario, la fórmula se muestra
a continuación:
Entrada + Entrada de insumos = Salida +
Consumo
⎯ Entrada: la cantidad de masa que ingresa
al sistema dentro de un período
específico.
⎯ Salida: la cantidad de masa que abandona
el sistema dentro del mismo período.
⎯ Consumo: la cantidad de masa que se
consume dentro del sistema debido a
reacciones químicas u otros procesos,
similar a la generación, en balances de
masa físicos, este término suele ser cero.
Rendimiento de la Operación (%) =
Cantidad real del producto clave que sale de
la operación/Cantidad de la materia prima
clave que entra a la operación.
RESULTADOS
Balance de materia
A través de la cuantificación de los flujos
de materiales en cada etapa, desde la
biomasa residual hasta el producto final, se
pueden identificar puntos críticos, optimizar el
rendimiento y determinar el impacto
ambiental del proceso. En las Tablas 1 y 2, se
presentan los resultados obtenidos del
balance de materia, donde se detallan las
cantidades de materiales que ingresan y salen
de cada etapa, así como los rendimientos y
las pérdidas asociada.
En las Figuras 2, 3, 4, 5 y 6, se detallan
los balances de masa de cada operación
unitaria en donde se aprecia a detalle el
rendimiento en cada etapa de la extracción de
bioetanol. Se opone un énfasis en la entrada
y salida de material, así como al centro de la
figura el porcentaje de material que se queda
como residuo de cada operación.
Figura 2. Rendimiento de la molienda
Figura 3. Balance de materia de la explosión de vapor
Figura 4. Balance de materia de hidrolisis enzimática
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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Figura 5. Balance de materia de la fermentación
Figura 6. Balance de materia de hidrolisis destilación
Tabla 2. Balance de masa en porcentaje para el proceso de obtención de bioetanol
Operación
Insumos
que
ingresan
%
Ingreso
%
Residuo
%
Salida
%
Rendimiento de
operación (%)
Rendimiento del
proceso (%)
Molienda
0
100
1
99
99.00
99.00
Explosión de
vapor
10
109
4
105
106.06
105.00
Hidrólisis
enzimática
24
130
0
130
124.00
130.20
Fermentación
0.1
130
35
95
73.23
95.35
Destilación
0
18
90
5
5.61
5.35
Tabla 3. Balance de masa en kilogramos para la obtención de bioetanol
Operación
Insumos
que
ingresan
(Kg)
Ingreso
(Kg)
Residuo
consume
(Kg)
Salida
(Kg)
Rendimiento de
operación (%)
Rendimiento del
proceso (%)
Molienda
0
20
0.2
19.8
99.00
99.00
Explosión de
vapor
2
19.8
0.8
21
106.06
105.00
Hidrólisis
enzimática
5.04
21
0
26.04
124.00
130.20
Fermentación
0.03
26.04
7
19.07
73.23
95.35
Destilación
0
19.07
18
1.07
5.61
5.35
DISCUSIÓN
El análisis del balance de masa en la
producción de bioetanol a partir de residuos
de maíz, arroz y caña de azúcar reveló
variaciones significativas en la eficiencia de
conversión y los rendimientos obtenidos. En
el caso del producto final obtenido, se observó
un rendimiento promedio de bioetanol de
5.35 %. Sin embargo, a diferencia de Wang
et al. (2024), quienes reportaron 12 % de
rendimiento en la obtención de bioetanol de
maíz, nuestros hallazgos revelan que el maíz,
como materia prima única, produjo
considerablemente más bioetanol que la
combinación de arroz, maíz y azúcar que
empleamos.
El análisis de balance de masa reveló
pérdidas significativas de masa en etapas
específicas del proceso. Por ejemplo, la
pérdida del 1 % en la molienda, aunque
aparentemente menor, subraya la
importancia de considerar todas las
corrientes, incluso las que podrían parecer
insignificantes. En consonancia con los
hallazgos de Bellido (2013), también,
reportaron pérdidas de masa en la etapa de
pretratamiento de bioetanol de maíz.
Siguiendo las recomendaciones de Alonso et
al. (2011), la identificación de las pérdidas en
el balance es significativa, ya que señala
Revista Científica Altoandina de Ciencias Agrarias 1(1) (2025)
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oportunidades para la optimización de
procesos y la reducción de la generación de
residuos, tal como lo enfatizan.
Es importante destacar que el balance de
masa también se vio influenciado por la
cantidad de subproductos generados durante
el proceso, como el bagazo. La gestión
adecuada de estos subproductos ya sea para
su aprovechamiento en otros procesos o para
su tratamiento y disposición final, es crucial
para mejorar la sostenibilidad y la viabilidad
económica de la producción de bioetanol.
La metodología de balance de masa
implementada en este trabajo permitió una
cuantificación detallada de los flujos de
materia a través de las distintas etapas del
proceso de producción de bioetanol 2G a
partir de cascarilla de arroz, rastrojo de maíz
y rastrojo de caña de azúcar. A diferencia de
Faba et al. (2014), nuestro enfoque se centró
en la medición precisa de la masa en cada
corriente de entrada y salida, lo que posibilitó
la identificación de pérdidas no evidentes en
análisis basados únicamente en la medición
de productos finales.
Casco et al. (2022), por su parte,
mencionan que la combinación de métodos de
pretratamientos maximiza el rendimiento de
etanol a partir del bagazo de caña de azúcar.
CONCLUSIONES
El análisis exhaustivo de los balances de
masa aplicado al proceso de producción de
bioetanol de segunda generación a partir de
residuos agroindustriales peruanos ha
proporcionado información valiosa para la
comprensión y optimización de esta vía de
valorización. Se ha demostrado la viabilidad
técnica de convertir estos subproductos en un
biocombustible de alto valor añadido, aunque
la eficiencia global del proceso está
intrínsecamente ligada al rendimiento de cada
etapa individual.
Los rendimientos obtenidos en cada
proceso fueron altos como es el caso en la
molienda de los residuos agroindustriales
(caña de azúcar, cascarilla de arroz y chala de
maíz) obtuvo un 99 % (de un peso de 20 kg
de materia prima total), en la explosión de
vapor un 105 % (esto debido a la adición de
insumos adicionales para su operación
correcta), en la hidrolisis enzimática un 130
% (del mismo modo con un adicional de
insumos de 5.04 kg), la fermentación obtuvo
un 95.35 % (adicionalmente se agregó 0.03
kg de insumos) y, finalmente, un 5.35 % en
la destilación. En trabajos futuros, se podrían
utilizar residuos agroindustriales producidos
en la cierra específicamente en la región
Huancavelica.
CONFLICTO DE INTERESES
Los autores declararon que no existe
conflicto de intereses con respecto al trabajo
realizado, autoría y/o publicación de este
artículo científico.
REFERENCIAS
Alonso, J., Domínguez, H., Garrote, G.,
González, M., Gullón, B., Moure, A.,
Santos, V., Vila, C., & Yáñez, R. (2011).
Biorefinery processes for the integral
valorization of agroindustrial and forestal
wastes. CyTA-Journal of Food, 9(4):282-
289.
Alvarez, H. (2013). Balances de materia y
energía, formulación, solución y usos en
Procesos Industriales. Editorial ArtBox
Medellín, Colombia.
Basurto, R. (2019). Balance de Materia y
Energía. Universidad Nacional de San
Agustín de Arequipa, Perú.
Bellido, C. (2013). Obtención de Bioetanol 2G
a partir de hidrolizados de paja de trigo.
Fermentación conjunta de los penta y
hexa carbohidratos con Pichia stipitis.
Tesis doctoral. Universidad de Valladolid.
Valladolid, España. Pp. 120.
Casco-Méndez, Gladys María, Diéguez-
Santana, Karel, Sarduy-Pereira, Liliana,
Vinocunga-Pillajo, Reni Danilo, Pomavilla-
Guaminga, Shirley Isamar, & Pérez-
Martínez, Amaury. (2022). Diseño del
proceso de obtención de bioetanol
carburante mediante hidrólisis enzimática
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
17
del bagazo de caña en pastaza. Centro
Azúcar, 49(2), 35-46. Epub 01 de abril de
2022. https://tinyurl.com/2pk47p9m
Castillo-Hernández, P., Mendoza-Domínguez,
A., & Caballero-Mata, P. (2012). Análisis
de las propiedades fisicoquímicas de
gasolina y diesel mexicanos reformulados
con Etanol. Ingeniería, investigación y
tecnología, 13(3), 293-306.
https://tinyurl.com/4feht7an
Díaz, C., & Herrera, F. (2016). Producción de
etanol combustible a partir de
lignocelulosas. Popayan, Colombia:
Universidad del Cauca.
Escalante, J., & Fuentes, H. (2013). Estudio
experimental de obtención de bioetanol a
partir de residuos agrícolas de banano
orgánico en Piura. Piura: Universidad de
Piura.
Faba, L., Díaz, E., & Ordóñez, S. (2014).
Transformación de biomasa en
biocombustibles de segunda generación.
Madera y bosques, 20(3), 11-24.
https://tinyurl.com/4tsjwnx3
Gracida Rodríguez, J. N., & Pérez-Díaz, B.
(2014). Factores previos involucrados en
la producción de bioetanol, aspectos a
considerar. Revista internacional de
contaminación ambiental, 30(2), 213-
227. https://tinyurl.com/3hed5d2a
Mercado-Mamani, S. L., & Collazos-Cabrera,
J. A. (2022). Contexto del impacto
ambiental generado por la agroindustria
en el Perú. Innova Biology Science:
Revista Científica de Biología y
Conservación, 13-22(2).
https://tinyurl.com/2pyfd4n6
Cabezas-Oruna, J. (2017). Biocombustibles
para el parque automotor de Lima
Metropolitana y el Callao. Paideia, 4(5),
124-136.
https://doi.org/10.31381/paideia.v
4i5.914
Prado-Martínez, M., Anzaldo-Hernández, J.,
Becerra-Aguilar, B., Palacios-Juárez, H.,
Vargas-Radillo, J. de J., & Rentería-
Urquiza, M. (2012). Caracterización de
hojas de mazorca de maíz y de bagazo de
caña para la elaboración de una pulpa
celulósica mixta. Madera y bosques,
18(3), 37-51.
https://tinyurl.com/mrykae2v
Resano, D., Guillen, O. W., Ubillús, F. D. R.,
& Barranzuela, J. L. (2022).
Caracterización fisicoquímica del bagazo
de caña de azúcar industrial y artesanal
como material de construcción.
Información tecnológica, 33(2), 247-258.
https://dx.doi.org/10.4067/S0718-
07642022000200247
Wang, Y., Su, C., Mei, X., Jiang, Y., Wu, Y.,
Khalili, A., Amiri, H., Zhang, C., Cai, D., &
Qin, P. (2024). Improved bioethanol
production from corn stover using
microwave-assisted protic ionic liquid
pretreatment and an engineered S.
cerevisiae strain. Biomass and Bioenergy,
191, 107486.
https://doi.org/10.1016/J.BIOMBIO
E.2024.107486
