Un proceso para la producción de productos de fermentación a partir de fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos que tienen un contenido de materia seca por encima del 20% que involucra el sometimiento de dichos fragmentos de residuos a:

• pretratamiento sin presurización

• hidrólisis enzimática

• fermentación

en el que el pretratamiento sin presurización y la hidrólisis enzimática se realizan en un único recipiente o dispositivo similar usando la mezcla por caída libre para el procesamiento mecánico de los residuos

Pretratamiento sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación de fragmentos de residuos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un proceso para la producción de bioetanol u otros productos de fermentación útiles mediante el pretratamiento sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación de fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos, que tienen un alto contenido de materia seca y opcionalmente que contienen grandes partículas. El proceso completo desde el pretratamiento sin presurización pasando por la hidrólisis enzimática y la fermentación hasta la clasificación de los sólidos en fermentables y no fermentables se puede procesar con un alto contenido en materia seca en un único recipiente sin ningún transporte de la masa. La mezcla realizada en este único recipiente se basa en el principio de la mezcla por caída libre.

Antecedentes de la invención

Los procesos domésticos, industriales y agrícolas, las operaciones municipales y el procesamiento alimenticio generan fragmentos de residuos y subproductos que contienen azúcares poliméricos y/o monoméricos, por ejemplo en la forma de glucosa, almidón, celulosa y hemicelulosa. Hoy en día la mayoría de los fragmentos de residuos generados en los hogares y en la industria o bien se depositan o bien se incineran. La deposición de los fragmentos de residuos está relacionada con varios problemas medioambientales, de salud y logísticos y por lo tanto está convirtiéndose en cada vez más restringido en muchos países como por ejemplo, en los países de la UE. El tratamiento alternativo principal es la incineración de los residuos. En países con sistemas de calefacción urbana ampliamente distribuidos como por ejemplo en Dinamarca, las plantas de recuperación de energía que convierten el residuo combustible por ejemplo en electricidad y calefacción urbana, proporcionan una utilización totalmente provechosa del contenido energético del residuo. Sin embargo, para la mayoría de los países sin sistemas de calefacción urbana la generación pura de energía con el residuo se realiza con una eficiencia muy baja.

Adicionalmente, la incineración de residuos produce un cúmulo de nuevos problemas medioambientales, principalmente emisiones de NO_x, SO₂ y dioxinas. Una inversión significativa en sistemas de limpieza del gas de salida puede reducir, pero no eliminar tales problemas. Adicionalmente aproximadamente el 20% de los residuos no son combustibles y se depositan como escorias y cenizas volantes. Hoy en día parte de la escoria se utiliza como materiales de base en trabajos de construcción, pero en el futuro se deben esperar restricciones dentro de tales áreas, principalmente debido al hecho de que el alto contenido de metales pesados en las escorias, puede impedir tal utilización.

De ese modo, la vasta cantidad de residuos generados por la sociedad moderna se está convirtiendo en un problema sin soluciones obvias. Las comunidades locales, las industrias así como la sociedad en general tienen un considerable interés en el desarrollo de procesos para convertir los fragmentos de residuos de una forma amigable con el medio ambiente en materiales de un alto valor. De ese modo, a modo de ejemplo varios fragmentos de residuos potencialmente se podrían convertir en bioetanol u otros productos bioquímicos mediante el uso de microorganismos y/o enzimas hidrolíticas.

En general las etapas del proceso clave en la producción de bioetanol u otros productos de fermentación útiles a partir de los poli, di y monosacáridos que contienen los fragmentos de residuos se pueden dividir en cinco etapas principales, cada etapa procesada en uno o más recipientes separados:

La presente invención permite de modo sorprendente que se realicen las etapas del pretratamiento e hidrólisis en un único recipiente bien en procesos por lotes, semi-lotes o continuos y los procesos de la presente invención como tales no se basan en ninguna clasificación y triturado previo de los fragmentos de residuos. Adicionalmente, la fermentación, clasificación y recuperación del producto, por ejemplo etanol, se puede realizar también en el mismo recipiente.

Clasificación y triturado de los fragmentos de residuos

En las descripciones de procesos que involucran la fermentación de fragmentos de residuos no homogéneos, la primera etapa es normalmente un proceso muy complicado de sistemas clasificación y triturado para los residuos. La finalidad es obtener una suspensión orgánica espesa capaz de ser procesada en tanques de agitación. Los fragmentos restantes deberían ser reciclables en grado sumo. Un ejemplo de tal sistema se describe en la Patente de Estados Unidos US4094740 A.

Pretratamiento

Se requiere en general el pretratamiento si la hidrólisis posterior (por ejemplo la hidrólisis enzimática) de los polisacáridos requiere la rotura de una estructura por otro lado protectora (por ejemplo lignina) de los materiales vegetales. Se conocen varias técnicas de pretratamiento dentro por ejemplo del campo de la producción de bioetanol. Los procesos de pretratamiento se pueden basar en por ejemplo hidrólisis ácida, explosión de vapor, oxidación, extracción con álcali o etanol, etc. Una característica común de las técnicas de pretratamiento es que combinada con la acción de posibles reactivos añadidos se aprovecha del ablandamiento y disgregación de los materiales vegetales que tienen lugar a temperaturas por encima de 100ºC, es decir un proceso que requiere la aplicación de presión.

Hidrólisis

A continuación del pretratamiento y opcionalmente del pretratamiento mecánico, la siguiente etapa en la utilización de los mono y/o polisacáridos contenidos en los fragmentos de residuos para la producción de bioetanol u otros bioquímicos es la hidrólisis del almidón, celulosa y hemicelulosa liberados en azúcares fermentables. Si se realiza de modo enzimático requiere un gran número de diferentes enzimas con diferentes modos de acción. Las enzimas se pueden añadir externamente o pueden proporcionarlas los microorganismos que crecen en la biomasa.

La celulosa se hidroliza en glucosa mediante las celulasas carbohidrolóticas. La interpretación más frecuente del sistema celulolítico divide las celulasas en tres clases; exo-1,4-ß-D-glucanasas o celobiohidrolasas (CBH) (EC 3.2.1.91), que dividen las unidades de celobiosa desde los extremos de las cadenas de celulosa; endo-1,4-ß-D-glucanasas (EG) (EC 3.2.1.4), que hidrolizan los enlaces internos ß-1,4-glucosídicos aleatoriamente en la cadena de celulosa; 1,4-ß-D-glucosidasa (EC 3.2.1.21), que hidroliza la celobiosa en glucosa y también divide las unidades de glucosa de celooligosacáridos.

Los diferentes azúcares en la hemicelulosa se liberan mediante las hemicelulasas. El sistema hemicelulítico es más complejo que el sistema celulolítico debido a la naturaleza heteróloga de la hemicelulosa. El sistema involucra entre otras las endo-1,4-ß-D-xilanasas (EC 3.2.1.8), que hidrolizan los enlaces internos de la cadena de xilano; las 1,4-ß-D-xilosidasas (EC 3.2.1.37), que atacan los xilooligosacáridos desde el extremo no reducido y liberan xilosa; las 1,4-ß-D-manosidasas (EC 3.2.1.25), que dividen los manooligosacáridos en manosa. Los grupos laterales se eliminan mediante un número de enzimas; a-D-galactosidasas (EC 3.2.1.22), a-L-arabino-furanosidasas (EC 3.2.1.55), a-D-glucuronidasas (EC 3.2.1.139), cinamoil esterasas (EC 3.1.1), acetil xilano esterasas (EC 3.1.1.6) y feruloil esterasas (EC 3.1.1.73).

Las enzimas más importantes para utilización en la hidrólisis de un polisacárido tal como un almidón son las alfa-amilasas (1,4-a-D-glucano glucanohidrolasas (EC 3.2.1.1)). Éstas son hidrolasas de acción interna que dividen los enlaces 1,4-a-D-glucosídicos y pueden eludir pero no pueden hidrolizar los puntos de ramificación 1,6-alfa-D-glucosídicos. Sin embargo, también se pueden usar las glicoamilasas de acción externa tales como la beta-amilasa (EC 3.2.1.2) y la pululanasa (EC 3.2.1.41) para la hidrólisis del almidón. El resultado de la hidrólisis del almidón es principalmente glucosa, maltosa, maltotriosa, a-dextrina y cantidades variables de oligosacáridos. Cuando se usa un hidrolizado basado en almidón...

1. Un proceso para la producción de productos de fermentación a partir de fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos que tienen un contenido de materia seca por encima del 20% que involucra el sometimiento de dichos fragmentos de residuos a:

en el que el pretratamiento sin presurización y la hidrólisis enzimática se realizan en un único recipiente o dispositivo similar usando la mezcla por caída libre para el procesamiento mecánico de los residuos.

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha fermentación, o parte de ella se realiza en el mismo dicho recipiente usado para el pretratamiento sin presurización e hidrólisis enzimática.

3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la recuperación de los productos de fermentación resultante se realiza en el mismo dicho recipiente usado para el pretratamiento sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación mediante la aplicación de calor y/o vacío al recipiente.

4. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que se realiza una clasificación/separación de los sólidos no fermentables de la masa fermentada en el mismo dicho recipiente usado para el pretratamiento sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación.

5. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dicha recuperación en el mismo dicho recipiente se hace sólo a partir de la parte sólida de la masa fermentada tras la separación/retirada de la parte líquida.

6. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se derivan de los hogares tales como por ejemplo residuos sólidos urbanos (RSU) sin clasificar, los RSU procesados en algún dispositivo central de clasificación, triturado o desfibrado, fuente de residuos clasificados en hogares, fragmentos orgánicos y papel rico en fragmentos de residuos, fragmentos de combustible derivado de desechos.

7. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se derivan de la industria tales como por ejemplo fragmentos de residuos industriales generales que contienen papel u otros fragmentos orgánicos, fragmentos de residuos de la industria del papel por ejemplo instalaciones de reciclado, fragmentos de residuos de la industria de la alimentación, fragmentos de residuos de la industria médica.

8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se derivan de sectores relativos a la agricultura y granjas tales como por ejemplo fracciones de residuos de procesos que incluyen productos ricos en azúcar o almidón tales como patatas y remolacha, productos agrícolas contaminados o estropeados en otra forma tales como grano, patatas y remolacha no explotables para alimentos o finalidades de alimentación, estiércol, o productos derivados del estiércol.

9. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se derivan de actividades reguladas o relativas a los municipios, regiones o estados tales como por ejemplo sedimentos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, fragmentos de fibras o sedimentos del procesamiento de biogas, fragmentos de residuos generales del sector público que contienen papel u otros fragmentos orgánicos.

10. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el pretratamiento sin presurización se realiza utilizando vapor.

11. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la hidrólisis enzimática de los fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se realiza con enzimas hidrolíticas, suministradas bien en forma nativa o bien en la forma de organismos microbianos que originan la acumulación de tales enzimas.

12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicha hidrólisis enzimática dura al menos hasta 96 horas y con una temperatura que varía desde 20-105ºC.

13. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicha fermentación se realiza mediante la acción de levadura estándar, cultivada o manipulada y/o bacterias o cualquier otro microorganismo capaz de producir etanol u otros productos bioquímicos específicos.

14. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en el que dicha fermentación dura 1-150 horas con una temperatura que varía de entre 20-105ºC.

15. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla de los fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se realiza con mezcladores por caída libre tales como mezcladores de tambor, mezcladores centrífugos o dispositivos de mezcla similares.

16. El uso de un material producido por un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en un proceso para el procesamiento de bioetanol y/o cualquier otro producto de fermentación.

17. El uso de un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-15 como parte de un proceso para la producción de bioetanol y/o cualquier otro producto de fermentación.