Un proceso para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica que comprende:

(i) Suministro de un primer disolvente y su combinación con la biomasa lignocelulósica, disolviendo este primer disolvente al menos parte de la celulosa y al menos parte de la hemicelulosa presentes en la biomasa lignocelulósica; y (ii) Suministro de un segundo disolvente y su combinación con el material de la etapa (i), en el que al menos parte de la celulosa y la hemicelulosa disueltas por el primer disolvente en la etapa (i) se precipita en la fase líquida

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al campo de los procesos de pretratamiento y fraccionamiento para transformar la biomasa lignocelulósica en celulosa, azúcares de hemicelulosa, lignina y ácido acético.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las biorrefinerías podrían convertirse en la base del desarrollo industrial del siglo veintiuno. La biorrefinería es conceptualmente similar a la refinería petrolífera, con la excepción de que en lugar de crudo transforma materia prima biomásica. En teoría, las biorrefinerías pueden utilizar muchas formas de biomasa para producir una mezcla flexible de productos, que incluyen compuestos químicos, combustibles, energía, calor y materiales.

El concepto de biorrefinería ya ha demostrado su eficacia en las industrias globales de la agricultura y los productos forestales, en cuyas instalaciones se producen en la actualidad alimentos, pienso, fibra o productos químicos, así como calor y electricidad para el desarrollo de operaciones en la planta. Las biorrefinerías llevan mucho tiempo funcionando en la industria de la pasta y el papel, que transforma las maderas duras y blandas en pulpa para la elaboración de papel y otros usos. En la actualidad, los altos costes de producción y el estrecho margen que hay entre los costes de las materias primas y el valor de los productos constituyen un verdadero obstáculo para la comercialización más allá de estas industrias tradicionales.

El crecimiento de la industria de la biorrefinación depende de la transformación eficiente no sólo de la madera, sino de muchos otros muchos tipos de biomasa lignocelulósica, de los que hay una gran disponibilidad todos los años. Ejemplos de tales biomasas lignocelulósicas incluyen la madera dura, madera blanda, papel reciclado, papel desechado, podas forestales, desechos de pulpa y papel, forraje de maíz, fibra de maíz, paja de trigo, paja de arroz, bagazo de caña de azúcar y césped de pradera. Para la emergente industria de la biorrefinación, la transformación eficiente incluye la superación de un obstáculo técnico clave: la resistencia de la celulosa contenida en la biomasa lignocelulósica en estado natural. Es importante superar la resistencia de la celulosa para que se pueda despolimerizar a glucosa, ya que al encontrarse ésta en el nivel intermedio de la biorrefinería se puede fermentar o hacer reaccionar para crear una gran variedad de productos químicos industrialmente relevantes, como el etanol, el ácido cítrico y productos similares.

La biomasa lignocelulósica contiene normalmente un 35 - 50% de celulosa, un 15 - 35% de hemicelulosa y un 5 - 30% de lignina en peso, dependiendo de cuál sea su procedencia (Zhang y Lynd, 2004; Klein y Snodgrass, 1993; Wyman, 1994). Aunque la celulosa, la hemicelulosa y la lignina son normalmente los principales componentes de la biomasa lignocelulósica, hay presentes también otros materiales en cantidades variables y en formas combinadas y sueltas. Estos componentes minoritarios incluyen proteínas, ácidos urónicos, ácido acético, ceniza, azúcares libres como la sacarosa, tierra y materiales extraños, como los metales que se originan en las operaciones de recolección.

La celulosa es el polímero más abundante en la naturaleza y es un polímero de la glucosa. Las moléculas de glucosa se unen mediante enlaces β-1,4-glicosídicos que permiten a las cadenas de glucosa adoptar una configuración de ramificaciones prolongadas. El enlace de hidrógeno entre las cadenas conduce a la formación de láminas planas que se colocan una encima de otra de manera escalonada. Como resultado, la celulosa es muy estable químicamente y sirve de componente estructural en las paredes de la planta (Paster et al., 2003).

La hemicelulosa es un polímero que contiene principalmente azúcares de 5 carbonos, como xilosa y arabinosa, con algo de glucosa y manosa dispersadas por el mismo. La hemicelulosa forma un polímero que interacciona con la celulosa y la lignina en la pared de la planta, fortaleciéndola.

La lignina ayuda a unir la matriz de celulosa-hemicelulosa dándole una mayor flexibilidad. La estructura molecular de los polímeros de lignina es aleatoria y desorganizada y consiste principalmente en estructuras de anillos de carbono (anillos de benceno con grupos metoxílicos, hidroxílicos y propílicos) interconectados por polisacáridos.

Se cree que la resistencia de la biomasa lignocelulósica está causada por (i) los complicados enlaces entre varios polisacáridos principales —celulosa, hemicelulosa y lignina— que limitan el proceso de hidrólisis que realizan las celulasas, hemicelulasas y lacasas; y (ii) las propiedades inherentes de accesibilidad del sustrato de bajo material celulósico a las celulasas, alto grado de polimerización y escasa solubilidad de los fragmentos de celulosa en el agua (Zhang y Lynd, 2004). La matriz lignina-hemicelulosa recubre la celulosa y evita el acceso de las enzimas de celulasa a la fase de la celulosa. La celulosa y la hemicelulosa de la biomasa lignocelulósica nativa son sólo ligeramente digeribles por las enzimas de celulasa y hemicelulasa.

El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica ha sido un campo de investigación activa durante varias décadas y se han investigado y descrito en la literatura científica (McMillan, 1994) una amplia variedad de estrategias de pretratamiento térmico, mecánico y químico. Históricamente, el objetivo del pretratamiento ha sido romper los enlaces entre la celulosa, la hemicelulosa y la lignina extrayendo la lignina y/o la hemicelulosa para producir sólidos celulósicos enzimáticamente digeribles. La meta ha sido maximizar la transformación del polímero de carbohidratos al monómero deseado minimizando al mismo tiempo la pérdida del monómero deseado en productos de degradación.

Por ejemplo, la Patente de EE.UU. nº 4.281.063 se describe un proceso para el tratamiento de materiales celulósicos con el fin de obtener glucosa. El proceso incluye un primer tratamiento básico o ácido para extraer la hemicelulosa de los materiales celulósicos, seguido de un tratamiento con disolventes para disolver la celulosa presente en los materiales celulósicos. La celulosa disuelta se separa de los contaminantes que contienen lignina, y a continuación la celulosa se precipita en agua.

Las estrategias modernas sobre el pretratamiento han evolucionado desde los tradicionales procesos de hidrólisis termoquímica de la biomasa desarrollados antes de la Segunda Guerra Mundial (McMillan, 1994). Estos procesos utilizaban por lo general la cocción de la biomasa con un catalizador ácido (con frecuencia ácido clorhídrico o sulfúrico) en un reactor a presión para hidrolizar en glucosa la fracción de celulosa de la biomasa. En dichos procesos, los rendimientos de la glucosa no superan normalmente aproximadamente el 60%, ya que las duras condiciones requeridas para la hidrólisis de la celulosa dan lugar a una fracción significativa de la glucosa liberada que se convierte en productos de degradación de azúcares no fermentables, como el 5-hidroximetilfurfural. Además, los procesos de una sola etapa creados para la hidrólisis de la celulosa daban lugar a la pérdida de carbohidratos de pentosa (azúcares de C5) en la fracción de hemicelulosa.

El descubrimiento de las enzimas de celulasa y el desarrollo posterior de una industria de la celulasa industrial, unido a la disponibilidad de microorganismos eficientes para la fermentación de pentosas, ha cambiado radicalmente la forma de enfocar el pretratamiento de la biomasa. En lugar de requerirse un proceso termoquímico para hidrolizar celulosa en glucosa, la meta de muchos enfoques de pretratamiento es producir un sustrato sólido en que las enzimas de celulasa puedan digerir (despolimerizar a glucosa) la celulosa eficientemente.

El pretratamiento de biomasa lignocelulósica es a menudo la etapa de mayor coste en el proceso general de transformación, y afecta al coste de la mayoría de las demás operaciones, incluyendo la reducción del tamaño de las materias primas antes del pretratamiento, así como la hidrólisis enzimática y la fermentación posterior al pretratamiento. El pretratamiento puede tener una relación muy estrecha con los costes posteriores que implican la hidrólisis enzimática, el consumo de energía, la concentración del producto, la destoxificación de inhibidores, la purificación del producto, la generación de energía, las demandas de tratamiento de los desechos y otras operaciones del proceso (Wooley et al., 1999; Wyman et al.,... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica que comprende:

(i) Suministro de un primer disolvente y su combinación con la biomasa lignocelulósica, disolviendo este primer disolvente al menos parte de la celulosa y al menos parte de la hemicelulosa presentes en la biomasa lignocelulósica; y

(ii) Suministro de un segundo disolvente y su combinación con el material de la etapa (i), en el que al menos parte de la celulosa y la hemicelulosa disueltas por el primer disolvente en la etapa (i) se precipita en la fase líquida.

2. El proceso de la reivindicación 1, en que la celulosa y hemicelulosa precipitadas en la etapa (ii) han reducido su cristalinidad en comparación con la celulosa suministrada en la etapa (i), en que preferentemente la celulosa que se precipita en la etapa (ii) es al menos el 90% amorfa.

3. El proceso de la reivindicación 1 ó 2, en que

(a) el segundo disolvente extrae en la fase líquida al menos el 50% o preferentemente al menos el 75% de la lignina presente en la biomasa lignocelulósica;

(b) durante la etapa (i), el primer disolvente disuelve al menos el 50%, preferentemente al menos el 90% o con mayor preferencia sustancialmente toda la celulosa presente en la biomasa lignocelulósica;

(c) durante la etapa (i), el primer disolvente disuelve al menos el 50%, preferentemente al menos el 90% o con mayor preferencia sustancialmente toda la hemicelulosa presente en la biomasa lignocelulósica;

(d) durante la etapa (ii), el segundo disolvente precipita al menos el 50%, preferentemente al menos el 90% o con mayor preferencia sustancialmente toda la celulosa disuelta; y/o

(e) durante la etapa (ii), el segundo disolvente precipita al menos el 50%, preferentemente al menos el 90% o con mayor preferencia sustancialmente toda la hemicelulosa disuelta.

4. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en que el primer disolvente de la etapa (i) comprende uno o más productos químicos seleccionados del grupo que consiste en ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido polifosfórico, ácido acético, dióxido de azufre, cloruro de zinc, hidróxido sódico, hidróxido potásico, amoniaco, cloruro de litio/N,N-dimetilacetamida, 1-butil-3-metilimidazolio hexafluorofosfato, dimetilsulfóxido/fluoruro de tetrabutilamonio trihidratado, N-óxido de N-metilmorfolina, monóxido de cadmio/etilendiamina (cadoxen) y agua.

5. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en que el segundo disolvente de la etapa (ii) comprende uno o más productos químicos seleccionados del grupo que consiste en metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, acetona, propanal, 1-butanol, 2-butanol, butanal, butanona (metiletilcetona), t-butanol y agua, en que se añaden preferentemente al menos dos productos químicos en la etapa (ii) de manera secuencial, seleccionados éstos del grupo que consiste en metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, acetona, propanal, 1-butanol, 2-butanol, butanal, butanona (metiletilcetona), t-butanol y agua.

6. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además:

(iii) Suministro de un tercer disolvente y su combinación con el material de la etapa (ii), y a continuación la separación de la fase sustancialmente sólida y la lejía negra; y

(iv) Suministro de un cuarto disolvente y su combinación con la fase sustancialmente sólida de la etapa (iii), y a continuación la separación de la fase sólida y la lejía blanca.

7. El proceso de la reivindicación 6, que comprende además someter la lejía negra, obtenida en la etapa (iii), a la etapa (v), una operación de separación seleccionada del grupo que consiste en destilación, evaporación de una etapa (por vacío), evaporación de efecto múltiple, termocompresión y lavado Venturi.

8. El proceso de la reivindicación 7, que comprende además la recuperación de al menos un disolvente seleccionado del grupo que consiste en el primer disolvente, el segundo disolvente, el tercer disolvente y el cuarto disolvente, en que preferentemente se recupera el ácido acético o bien se recuperan el ácido polifosfórico y/o la acetona.

9. El proceso de la reivindicación 8, que comprende además el reciclado de al menos uno de los disolventes recuperados a uno o más de las etapas (i)-(iv).

10. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende además la etapa (vi), una operación de separación de sólidos/líquidos seleccionada del grupo que consiste en una centrifugadora, un dispositivo de filtrado, un separador electrostático, una columna de adsorción y una columna de absorción, en que preferiblemente se recupera la lignina.

11. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, que comprende además someter la lejía blanca, obtenida en la etapa (iv), a la etapa (vii), una operación de separación de vapor/líquido seleccionada del grupo que consiste en destilación, evaporación de una etapa (por vacío), evaporación de efecto múltiple, termocompresión y lavado Venturi, en que preferiblemente la etapa (vii) comprende un depósito de vaporización (“flash”) y/o se recuperan los azúcares de hemicelulosa.

12. El proceso de la reivindicación 11, que comprende además la recuperación de al menos un disolvente empleado en una etapa diferente, preferentemente que comprende además el reciclado de al menos uno de los disolventes recuperados a uno o más de las etapas (ii)-(iv) y/o al menos uno de los disolventes recuperados es acetona.

13. El proceso de la reivindicación 11 ó 12, que comprende además la etapa (viii), una operación de separación de sólidos/líquidos seleccionada del grupo que consiste en una centrifugadora, un dispositivo de filtrado, un separador electrostático, una columna de adsorción y una columna de absorción.

14. El proceso de la reivindicación 13, que comprende además la recuperación del primer disolvente, preferentemente que comprende además el reciclado del primer disolvente a la etapa (i).

15. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en que el primer disolvente de la etapa (i) comprende ácido polifosfórico y, de forma opcional, dióxido de azufre, y/o el segundo disolvente de la etapa (ii) comprende acetona o agua.

16. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende además

(a) transformar la celulosa que se precipita en la fase líquida de la etapa (ii) en monómeros y/u oligómeros de glucosa, en que, preferentemente, la transformación de celulosa en glucosa comprende reacciones enzimáticas o hidrólisis ácida y preferentemente que comprende además la fermentación de parte de la glucosa; o

(b) fermentar directamente parte de la celulosa amorfa.

17. El proceso de la reivindicación 16, en que uno de los productos de la fermentación es etanol o acetona.

18. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que comprende:

(i) Suministro de ácido polifosfórico y su combinación con la biomasa lignocelulósica, en que el ácido polifosfórico disuelve al menos el 90% de la celulosa presente en la biomasa lignocelulósica;

(ii) Suministro de acetona y su combinación con el material de la etapa (i), en el que al menos el 90% de la celulosa disuelta por el ácido polifosfórico en la etapa (i) se precipita en la fase líquida;

(iii) Suministro de acetona y su combinación con el material de la etapa (ii), y a continuación la separación de la fase sustancialmente sólida y la lejía negra; y

(iv) Suministro de agua y su combinación con la fase sustancialmente sólida de la etapa (iii), y a continuación la separación de la fase sólida y la lejía blanca.

19. El proceso de la reivindicación 18, que comprende además la separación de la lejía negra y la recuperación del ácido polifosfórico, y que, preferentemente, esta recuperación del ácido polifosfórico comprende quemar un flujo del proceso y reciclar P2O5 y vaporizar de nuevo a la etapa (i).

20. El proceso de la reivindicación 18 ó 19, que comprende además la recuperación de acetona de la lejía negra, de la lejía blanca o de ambas.

21. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1-20, en que el rendimiento de

(a) la glucosa es de al menos el 80%, preferentemente de al menos el 90% o con mayor preferencia de al menos el 95%;

(b) los azúcares de hemicelulosa es de al menos el 70%, preferentemente de al menos el 80% o con mayor preferencia de al menos el 85%;

(c) la lignina es de al menos el 50% o preferentemente de al menos el 75%; y/o

(d) el ácido acético es de al menos el 80% o preferentemente de al menos el 90%.

22. Utilización de un sistema en el proceso de fraccionamiento de biomasa lignocelulósica de cualquiera de las reivindicaciones 1-21, en que el sistema comprende:

5 (a) Un medio para contener de forma separada un primer disolvente y un segundo disolvente tal como se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones precedentes;

(b) Un recipiente de reacción en que el primer disolvente se combina con la biomasa lignocelulósica, disolviendo este primer disolvente al menos el 90% de la celulosa presente en la biomasa;

(c) Un recipiente de precipitación en que se combina el segundo disolvente con el material del recipiente (b), y

10 en que al menos el 90% de la celulosa disuelta por el primer disolvente en el recipiente (b) se precipita en la fase líquida; y

(d) Un medio para la recuperación de la celulosa amorfa precipitada; que preferentemente comprende además

(e) un medio para la recuperación del primer disolvente, el segundo disolvente o ambos, y/o

(f) un medio para la recuperación de los azúcares de hemicelulosa, el ácido acético o la lignina.