HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA DE BIOMASAS QUE TIENEN UN ALTO CONTENIDO DE MATERIA SECA (MS).

Hidrólisis enzimática de biomasas que tienen un alto contenido de materia seca (MS) Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento para licuefacción y sacarificación de biomasas que contienen polisacáridos, que tienen un alto contenido de materia seca y preferentemente que poseen fibras y partículas con tamaños medios grandes. La presente invención permite la utilización adicional de tales biomasas procesadas, por ejemplo para fermentación posterior en bioetanol, carbohidratos especializados para alimento y pienso así como materia prima de carbono para el procesamiento en plásticos y agentes químicos. Antecedentes de la invención Numerosos procedimientos industriales y agrícolas por ejemplo actividades municipales, procesamiento de pienso y alimentos y explotación forestal generan biomasas, residuos y productos secundarios que contienen azúcares poliméricos por ejemplo en forma de almidón, celulosa y hemicelulosa. Los negocios agrícolas y las industrias químicas así como organizaciones públicas tienen considerable interés en desarrollar procedimientos para convertir tales biomasas en materiales de un valor mayor. Por lo tanto, como ejemplo tales biomasas podrían potencialmente convertirse en bioetanol, biogás o agentes químicos usando microorganismos y/o enzimas hidrolíticas. Sin embargo, la mayoría de los procedimientos conocidos actualmente no han alcanzado práctica comercial a gran escala debido a su alto coste de producción y alta demanda energética y por lo tanto viabilidad económica incierta inherente. Además de ser importantes como alimento y pienso, los carbohidratos de biomasa pueden usarse como materia prima para varios procedimientos industriales. En forma de polímeros un producto bien conocido es el papel en el que la celulosa es el componente principal. Sin embargo, cuando se procesan en oligómeros y monómeros los carbohidratos son una materia prima importante para varios procedimientos industriales. Como se describirá en detalle son necesarios para varios procedimientos microbianos, pero además pueden usarse como materia prima para por ejemplo procesamiento enzimático en carbohidratos especializados para alimento y piensos, por ejemplo trehalosa. Además los oligómeros y monómeros de carbohidratos pueden sustituir compuestos pretroquímicos para procesamiento en plásticos y agentes químicos orgánicos. Además, los carbohidratos pueden usarse como vehículos de hidrógeno en la hidrogenación catalítica. Es por lo tanto evidente que si puede ponerse a disposición una fuente de bajo coste y abundante de carbohidratos procesados para procesamiento industrial esto puede tener un potencial económico sustancial. El almidón es el carbohidrato de almacenamiento más ampliamente extendido en plantas y se produce en forma de gránulos, que difieren notablemente en tamaño y características físicas de especie a especie. Los gránulos de almidón son generalmente bastante resistentes a la penetración por tanto agua como enzimas hidrolíticas debido a la formación de enlaces de hidrógeno dentro de la misma molécula y con otras moléculas vecinas. Sin embargo, estos enlaces inter- e intra-hidrógeno pueden hacerse débiles a medida que aumenta la temperatura de la suspensión. Cuando una suspensión acuosa de almidón se calienta, los enlaces de hidrógeno se debilitan, se absorbe agua y los gránulos de almidón se hinchan. Este proceso se llama habitualmente gelatinización debido a que la solución formada tiene una consistencia gelatinosa altamente viscosa. Químicamente, el almidón es un polímero natural de la glucosa que es generalmente insoluble pero dispersable en agua a temperatura ambiente y compuesto de una unidad repetida similar a la de celulosa y enlazada entre sí por enlaces glucosídicos -1,4 y - 1,6, a diferencia de los enlaces glucosídicos ß-1,4 para celulosa. Las unidades forman un componente de cadena lineal, llamado amilosa, o un componente de cadena ramificada, llamado amilopectina. La mayoría de las semillas, granos y tubérculos vegetales contienen aproximadamente 20-25 % de amilosa. Pero algunos, como por ejemplo almidón de guisante tienen 60 % de amilosa y ciertas especies de maíz tienen 80 % de amilosa. Las variedades cerosas de granos, tales como arroz, son bajas en amilosa. Aparte del almidón los tres componentes principales en la biomasa vegetal son celulosa, hemicelulosa y lignina, que se denominan habitualmente por el término genérico lignocelulosa. Las biomasas que contienen polisacáridos como una expresión genérica incluyen biomasas tanto de almidón como lignocelulósicas. La celulosa, hemicelulosa y lignina están presentes en diversas cantidades en diferentes plantas y en las diferentes partes de la planta y se asocian de forma íntima para formar el armazón estructural de la planta. La celulosa es un homopolisacárido compuesto completamente de D-glucosa ligada entre sí mediante enlaces ß-1,4glocosídicos y con un grado de polimerización de hasta 10.000. La estructura lineal de la celulosa permite la formación de enlaces de hidrógeno tanto intra- como intermoleculares, que dan como resultado la agregación de cadenas de celulosa en microfibrillas. Las regiones dentro de las microfibrillas con orden alto se denominan cristalinas y las reacciones menos ordenadas se denominan amorfas. Las microfibrillas se ensamblan en fibrillas, que después forman las fibras de celulosa. La estructura parcialmente cristalina de la celulosa junto con la disposición en microfibrillas, proporciona a la celulosa alta resistencia a tracción, hace a la celulosa insoluble en la mayoría de disolventes y parcialmente responsable de la resistencia de la celulosa contra la degradación microbiana, es decir hidrólisis enzimática. 2   La hemicelulosa es un polisacárido heterogéneo complejo compuesto de varios restos monoméricos: D-glucosa, Dgalactosa, D-manosa, D-xilosa, L-arabinosa, ácido D-glucurónico y ácido 4-D-metil-D- glucurónico. La hemicelulosa tiene un grado de polimerización por debajo de 200, tiene cadenas laterales y puede estar acetilada. En madera blanda como abetos, pinos y picea, galactoglucomanano y arabino-4-O-metil-glucuronoxilano son las fracciones de hemicelulosa principales. En madera dura como abedul, chopo, álamo temblón o roble, 4-O-acetil-4-metil- glucuronoxilano y glucomanano son los principales componentes de hemicelulosa. Las hierbas como arroz, trigo, avena y pasto varilla tiene hemicelulosa compuesta principalmente de glucuronoarabinoxilano. La lignina es una red compleja formada por polimerización de unidades de fenil propano y constituye la fracción no polisacárida más abundante en lignocelulosa. Los tres monómeros en lignina son alcohol de p-coumarilo, alcohol de coniferilo y alcohol de sinapilo y se unen más frecuentemente a través de enlaces de aril gliceril-ß-aril éter. La lignina se une a hemicelulosa e incluye los carbohidratos ofreciendo de este modo protección contra degradación microbiana y química. Como se ha indicado anteriormente las biomasas procesadas podrían potencialmente convertirse en bio-etanol o agentes químicos usando microorganismos y/o enzimas hidrolíticas o los carbohidratos de las biomasas procesadas podrían usarse como materia prima para varios procedimientos industriales, por ejemplo procesamiento enzimático en carbohidratos especializados para alimento y pienso o como sustitutos para agentes pretroquímicos en la producción de plásticos y agentes químicos orgánicos. Además el procesamiento de carbohidratos en las biomasas de acuerdo con la presente invención puede combinarse con separación y fraccionamiento de los componentes no carbohidratos. Un uso particularmente preferido de un procedimiento de acuerdo con la presente invención es una parte integrada de un procedimiento para producción de bio-etanol. La producción de bio-etanol de biomasas que contienen polisacáridos puede dividirse en tres etapas: 1) pretratamiento, 2) hidrólisis de los polisacáridos en carbohidratos fermentables y 3) fermentación de los carbohidratos. Se requiere pre-tratamiento si la hidrólisis posterior (por ejemplo hidrólisis enzimática) de los polisacáridos requiere la descomposición de una estructura de otro modo protectora (por ejemplo lignina) de los materiales vegetales. Se conocen varias técnicas de pre-tratamiento. Para cereales y granos, este pre-tratamiento puede ser en forma de una molienda seca sencilla para hacer a las superficies accesibles, pero para biomasas lignocelulósicas se necesitan también procedimientos térmicos y/o químicos. Una biomasa que contiene polisacáridos que consiste en, por ejemplo, almidón refinado no requiere dichos procedimientos de pre-tratamiento antes del procesamiento enzimático. Los procedimientos de pre-tratamiento pueden basarse en hidrólisis ácida, explosión de vapor, oxidación,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para licuefacción y sacarificación de biomasas que contienen polisacáridos que comprenden biomasa lignocelulósica, caracterizado por someter dicha biomasa a hidrólisis enzimática combinada usando al menos una celulasa y mezclar por un mezclador de caída libre tal como un tambor mezclador o un mezclador rotatorio que proporciona procesamiento mecánico y/o degradación de la biomasa de modo que, en el procedimiento, la biomasa se licue y sacarifique a un líquido adecuado para procesamiento adicional tal como fermentación, en el que la biomasa tiene un contenido de materiaseca de entre 20 % y 40 % al comienzo de la mezcla/hidrólisis. 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha biomasa que contiene polisacáridos es una biomasa lignocelulósica derivada de cultivos agrícolas que consisten en por ejemplo hojas y troncos de maíz, bagazo, paja, por ejemplo, de arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza y sorgo, madera que consiste en madera blanda por ejemplo Pinus sylvestris, Pinus radiata, madera dura, por ejemplo, Salix spp., Eucalyptus spp. o residuos sólidos municipales, papel residual, fracción de fibra del procesamiento de biogás, estiércol y biomasas similares. 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha biomasa que contiene polisacáridos es una mezcla de almidón, por ejemplo, granos que contienen almidón o almidón refinado y biomasas lignocelulósicas derivadas de cultivos agrícolas que consisten en por ejemplo hojas y troncos de maíz, paja, por ejemplo, de arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza y sorgo, madera que consiste en madera blanda por ejemplo Pinus sylvestris, Pinus radiata, madera dura, por ejemplo, Salix spp.. Eucalyptus, spp., residuos sólidos municipales, papel residual y biomasas similares. 4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el líquido resultante del procedimiento es adecuado para procesamiento adicional tal como fermentación. 5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el contenido de materia seca de la biomasa que contiene polisacáridos está entre 25 y 40 %. 6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 en el que al menos 20 % (p/p) de la biomasa lignocelulósica tiene un tamaño de fibra por encima de 26 mm. 7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la biomasa lignocelulósica se ha sometido a pre-tratamiento con calor entre 110 y 250 °C. 8. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la hidrólisis enzimática se realiza con una combinación de enzimas hidrolíticas que incluyen una enzima carbohidrolítica y una enzima oxidativa. 9. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, en el que la hidrólisis enzimática de granos que contienen almidón se realiza con una combinación de enzimas hidrolíticas y enzimas proteolíticas. 10. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que la hidrólisis enzimática se realiza a 0-105 °C. 11. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el tiempo de tratamiento para la hidrólisis enzimática es 0-72 horas. 12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el tiempo de tratamiento es 3-24 horas. 13. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, que se lleva a cabo como un procedimiento discontinuo, semicontinuo, continuo o similar. 14. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-12 en el que se incluye una etapa de procesamiento adicional. 15. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14 en el que la etapa de procesamiento adicional es fermentación, gasificación, hidrogenación, síntesis orgánica o producción de biogás y pienso. 16. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el mezclado se proporcionada por un mezclador con un eje agitador colocado horizontalmente que eleva la biomasa.   Figura 1: Vista longitudinal (izquierda) y vista transversal (derecha) del reactor de hidrólisis de 5 cámaras 11   Figura 2: Concentración de glucosa durante la licuefacción e hidrólisis de paja de trigo pretratada con un contenido de materia seca de 20% ( ), 25 % ( ), 30 % ( ), 35 % ( ) y 40 % ( ) usando una carga enzimática de 7 UPF (g MS) -1 12   Figura 3: Concentración de glucosa (símbolos abiertos) y etanol (símbolos cerrados) durante licuefacción, hidrólisis y fermentación de paja de trigo pretratada con un contenido de materia seca de 20 % ( ), 25 % ( ), 30 % ( ), 35 % ( ) y 40 % ( ) usando una carga enzimática de 7 UPF (g MS) -1 . Levadura añadida después de 8 horas (línea discontinua). 13   Figura 4: Concentración de glucosa ( ), xilosa ( ), y etanol ( ), durante licuefacción y fermentación de paja de trigo pretratada (símbolos cerrados) y una mezcla de paja de trigo pretratada y grano de trigo (símbolos abiertos). Se añadió levadura después de 8 horas de licuefacción e hidrólisis. 14