Método de hidrólisis ácida continua de sustancias que contienen celulosa.

Un método de hidrólisis ácida de sustancias que contienen celulosa,

que comprende las etapas:

- cargar las materias primas iniciales, si es necesario previamente disgregadas, en una cámara de reacción;

- suministrar líquido hidrolizante en forma de un ácido diluido a pH< 5 en la cámara de reacción;

- realizar la reacción de hidrólisis ácida a temperaturas de 140ºC - 240ºC bajo presión creciente en presencia de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano;

- retirar los productos de reacción de la cámara de reacción;

- separar la lignina de los productos de reacción;

- separar los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano; en donde la hidrólisis se realiza en una sola etapa y en donde la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano se realiza destilando los productos de reacción sin hidrólisis adicional, y en donde la separación de la lignina de los productos de reacción se realiza antes o después de la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano por su precipitación con filtración posterior.

Método de hidrólisis ácida continua de sustancias que contienen celulosa Técnica pertinente

Esta invención se refiere a un método para producir monosacáridos por medio de hidrólisis ácida de sustancias que contienen celulosa.

Los métodos de producción por hidrólisis se utilizan para la fabricación de productos alimenticios, productos forrajeros y productos técnicos a partir de materias primas de plantas no comestibles: residuos de explotaciones forestales, residuos de aserraderos y de procesamientos de madera (harina de madera, virutas finas, astillas de madera, corteza, etc.), residuos de procesamientos agrícolas (paja, cáscara de semillas, cáscara de semillas de girasol, mazorcas y tallos de maíz, agramiza, caña, hierba de crecimiento rápido como sorgo azucarero, etc.), residuos domésticos y de servicios municipales, es decir, cualquier material que contenga celulosa y hemicelulosa en cualquier forma.

Breve descripción de la técnica anterior

El método de producción por hidrólisis se basa en la hidrólisis de materias primas (transformación de los polisacáridos contenidos en ellas en monosacáridos) que experimentan además procesos químicos y bioquímicos.

Los procedimientos conocidos de hidrólisis de celulosa incluyen métodos biológicos y no biológicos de despolimerización. Los métodos biológicos incluyen hidrólisis de celulosa bajo el efecto de fermentos (enzimas). Entre los métodos no biológicos, el tradicional y más conocido (aplicado a la fabricación de azúcar a partir de celulosa) es el método de hidrólisis en medio ácido. En este método se usa más frecuentemente ácido sulfúrico - en la mayoría de los casos diluido.

En el proceso de hidrólisis de celulosa se usa generalmente ácido sulfúrico a una concentración de ,5 a 15%. El proceso de hidrólisis requiere un intervalo de temperaturas de 9°C a 3°C (normalmente de 14°C a 24°C) y alta presión. A altas temperaturas los azúcares se degradan, formando furfural, así como otros subproductos indeseables. Como resultado, el rendimiento de monosacáridos es muy bajo - generalmente Inferior al 5%. Por lo tanto, usando la hidrólisis en un medio ácido diluido no es posible producir azúcares a partir de sustancias que contienen celulosa en grandes cantidades y a un precio competitivo.

Los métodos de hidrólisis en ácido sulfúrico concentrado son más eficaces y el rendimiento del azúcar es mayor. En estos métodos se utiliza generalmente ácido sulfúrico a una concentración del 6% al 9%. A pesar de que estos métodos tuvieron éxito, proporcionando un rendimiento de azúcar superior al 9%, no pudieron ser implementados económicamente debido al alto coste del ácido sulfúrico concentrado y a su posterior regeneración, a las dificultades en la manipulación de ácido sulfúrico concentrado, así como a la necesidad de equipos que sean resistentes al ácido a altas temperaturas. El proceso es inherentemente antieconómico debido a que cuanto mayor es la concentración del ácido aplicado, más energía se requiere para su concentración.

Las desventajas comunes de los métodos conocidos de hidrólisis ácida son: la utilización de equipos de gran tamaño; los altos niveles de consumo de calor para la hidrólisis; el consumo de tiempo por el proceso (varias horas) debido a una baja tasa de hidrólisis; la baja desllgnlflcación de los productos de reacción lo que da como resultado la contaminación de los hldrolizados (soluciones de monosacáridos) con subproductos - disminuyendo considerablemente su calidad.

La desventaja de los métodos conocidos es un bajo rendimiento de monosacáridos debido a la degradación en la zona de reacción mientras están expuestos a altas temperaturas y presiones, y la separación de furfural y otros subproductos.

Los Intentos de superar esta desventaja (Patente N° SU171115 (1982) así como su versión actualizada W84/334) por medio de la adición de acetona en el proceso de hidrólisis crea compuestos con monosacáridos que aumentan la resistencia de los monosacáridos a las altas temperaturas. Los documentos antes citados contienen una descripción del proceso de producción de azúcares a partir de una sustancia que contiene celulosa por un método de hidrólisis en autoclave en ácido diluido con la implementaclón de un líquido de digestión que contiene ácido sulfúrico o clorhídrico ,1-,1 normal, agua y acetona (con una concentración de acetona del 7% al 9%) a temperaturas de 145°C a 23°C con cinco tratamientos consecutivos de la misma cantidad de material inicial.

Las principales desventajas del método conocido incluyen el uso de un proceso en dos etapas para separar los monosacáridos de las sustancias que contienen celulosa: en la primera etapa la hidrólisis de las materias primas iniciales tiene lugar a 18°C con una relación "acetona en el líquido de cocción/agua" de 8:2 y H2S4 ,4 N, usando 5 tratamientos de la misma muestra con la formación (de acuerdo con la opinión de los autores) de compuestos de dlacetona con azúcares - siendo estos compuestos estables a altas temperaturas. En la segunda etapa, la hidrólisis adicional de los productos de reacción obtenidos se realiza a una temperatura de 1°C durante

un período de 4 minutos en presencia de ácido sulfúrico 2, N, con el fin de descomponer los compuestos de diacetona y separar los monosacáridos. En la primera etapa de la hidrólisis en autoclave, de acuerdo con el documento SU171115, no está prevista la separación de lignina y la hidrólisis adicional en la segunda etapa del proceso tiene lugar en su presencia. Por lo tanto, la lignina separada posteriormente de los productos de reacción está sulfonada y debido a esto parece ser un producto de dicho proceso, que puede ser apenas utilizado posteriormente. De acuerdo con el método actualizado del documento W84/334 se sugiere que la lignina en bruto sea refinada por una disolución repetida en acetona, por filtración de las materias residuales insolubles con precipitación posterior en un gran exceso de agua (circulación de grandes volúmenes de agua en el método de procesamiento) o por concentración de la solución de acetona. En el documento W84/334 se sugiere que los bicarbonatos se usen para la neutralización rápida de soluciones que contengan compuestos de diacetona, sin embargo, dicho método de neutralización dará lugar a emisiones de grandes volúmenes de dióxido de carbono.

El uso de acetona al 7-9% (la relación acetona/agua es 9:1; 4:1; 2,33:1) en un líquido de digestión es también una desventaja de este procedimiento, puesto que requiere que sean reciclados grandes volúmenes de acetona.

El documento GB 2.3.478 A describe un procedimiento multi-etapas para la producción de azúcares a partir de materias primas lignocelulósicas que comprende someter las materias primas a un pretratamiento químico con una mezcla de agua y alcoholes alifáticos inferiores y/o cetonas a una temperatura de 1 a 19°C durante un periodo de 4 horas a 2 minutos, seguido por una separación del residuo y un tratamiento químico principal subsiguiente con una mezcla disolvente similar a temperaturas elevadas durante un periodo adicional de 6 horas a 2 minutos. Después de separar los materiales fibrosos, los oligosacáridos y polisacáridos solubles se hidrolizan por adición de un ácido, con separación del disolvente orgánico y la lignina.

Objetos y sumario de la invención

El objetivo de esta invención es proporcionar un método de hidrólisis ácida de sustancias que contienen celulosa, que protege los monosacáridos de altas temperaturas y presiones aumentando así su rendimiento, evita las desventajas del método conocido y al mismo tiempo proporciona lo siguiente:

- la simplificación del proceso realizando la hidrólisis en una etapa;

- la obtención de lignina no sulfonada pura junto con monosacáridos al finalizar el proceso;

- la eliminación de la necesidad de reciclar grandes volúmenes de un protector de los monosacáridos.

Dichos objetivos, así como otros varios se alcanzan por medio de esta invención por hidrólisis ácida de sustancias que contienen celulosa, comprendiendo las siguientes etapas:

- cargar la alimentación inicial, si es necesario previamente disgregada, en una cámara de reacción;

- suministrar líquido hidrolizante en forma de un ácido diluido a pH < 5 en la cámara de reacción provista de ácidos minerales u orgánicos, sales y ácidos de Lewis;

- realizar la reacción de hidrólisis ácida a temperaturas de 14°C - 24°C bajo presión creciente con protectores de monosacáridos que los protejan de los efectos de altas temperaturas y presiones, que sean capaces de romper los enlaces de hidrógeno entre las macromoléculas... [Seguir leyendo]

1. Un método de hidrólisis ácida de sustancias que contienen celulosa, que comprende las etapas:

- cargar las materias primas iniciales, si es necesario previamente disgregadas, en una cámara de reacción;

- suministrar líquido hidrolizante en forma de un ácido diluido a pH < 5 en la cámara de reacción;

- realizar la reacción de hidrólisis ácida a temperaturas de 14°C - 24°C bajo presión creciente en presencia de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano;

- retirar los productos de reacción de la cámara de reacción;

- separar la lignina de los productos de reacción;

- separar los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano; en donde la hidrólisis se realiza en una sola etapa y en donde la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano se realiza destilando los productos de reacción sin hidrólisis adicional, y en donde la separación de la lignina de los productos de reacción se realiza antes o después de la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano por su precipitación con filtración posterior.

2. El método de la reivindicación 1, en donde se usa una mezcla de metiletilcetona y 1,4-dioxano.

3. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la relación entre metiletilcetona y/o 1,4- dioxano y agua en el liquido hidrolizante es de 2:1 a 1:2.

4. El método de la reivindicación 1, en donde la descarga de los productos de reacción se realiza por medio del vertido de los contenidos de la cámara de reacción en los depósitos de expansión a través de un dispositivo de estrechamiento reductor de la presión.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la separación de lignina de los productos de reacción se realiza antes de la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano a pH = 1.

6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la separación de lignina de los productos de reacción se realiza después de la separación de los monosacáridos de metiletilcetona y/o 1,4-dioxano.

7. El método de la reivindicación 1, en donde con una mayor concentración de lignina en las materias primas, una parte de ella se retira de las materias primas iniciales por medio de una formación de pasta papelera alcalina antes de su carga en la cámara de reacción.

8. El método de la reivindicación 1, en donde se usa como materia prima inicial un lodo sedimentario primario procedente de plantas de depuración de aguas residuales y/o residuos domésticos.