Procedimiento de producción de jugo azucarado a partir de sustrato lignocelulósico mediante hidrólisis enzimática que comprende una fase de conversión de la lignocelulosa,

una fase de producción de jugo azucarado y una fase de vaciado completo de los reactores, en el que se realiza la suplementación de las celulasas con unas ß-glucosidasas soportadas en un reactor (2) separado del reactor (1) para hidrólisis enzimática de la lignocelulosa, dicho sustrato, previamente pretratado, estando en contacto con una solución de celulasas, el hidrolizado H1 producido durante la fase de conversión y obtenido a la salida del reactor (1) dirigiéndose a un medio filtrante (3) y a un medio de separación de tal modo que la fracción sólida y las celulasas presentes en la mezcla reactiva se queden dentro del reactor (1), antes de enviarlas al reactor (2), la mayor parte del flujo de hidrolizado (H2) procedente del reactor (2) inyectándose de nuevo hacia el reactor (1) durante la fase de conversión.

Procedimiento de producción de jugo azucarado a partir de biomasa lignocelulósica con reciclado mejorado de las enzimas

Campo de la invención

La presente invención se inscribe dentro de la producción de biocarburantes denominados de “segunda generación”. Se refiere a un procedimiento de producción de jugos azucarados en el cual la hidrólisis enzimática de sustratos lignocelulósicos presenta una mejoría en la utilización y en el reciclado de las enzimas empleadas. Los jugos azucarados que se obtienen de este modo se dirigen hacia la etapa de fermentación alcohólica y de destilación, con vistas a la producción de un alcohol a partir de biomasa.

Antecedentes de la invención

El recurso de la biomasa lignocelulósica representa una fuente de energía renovable considerable y procede tanto de los residuos agrícolas y forestales o de los subproductos de transformación de la madera como de los cultivos específicos (plantas leñosas o herbáceas) . La materia lignocelulósica está formada por tres elementos principales imbricados en un sistema complejo. Estos elementos son la celulosa, las hemicelulosas y la lignina. Sus proporciones respectivas varían de acuerdo con el origen exacto de la biomasa.

El método a menudo recomendado para obtener unos azúcares fermentables a partir de celulosa es la hidrólisis enzimática. La degradación de la celulosa en glucosa necesita la acción sinérgica de tres categorías de enzimas, las celulasas, clasificadas en función de su actividad:

− las endoglucanasas cortan la celulosa de manera aleatoria a la altura de las zonas amorfas de la celulosa; − las exoglucanasas (o celobiohidrolasas cuando estas producen celobiosa) actúan de forma progresiva sobre los extremos libres de las cadenas de celulosa, liberando glucosa o celobiosa; − las β-glucosidasas (o celobiasas) hidrolizan las celodextrinas solubles y la celobiosa en glucosa.

Una de las principales barreras que actualmente limitan el desarrollo industrial de este procedimiento es el elevado coste asociado a la producción de las celulasas. Con el fin de mejorar la actividad de los cócteles enzimáticos comerciales, se describe en la literatura una suplementación de las celulasas con β-glucosidasas, con el fin de anular el efecto inhibidor bien conocido de la celobiosa sobre la actividad de las endo-y exo-glucanasas.

Con el fin reducir la cantidad de enzimas empleadas, se han propuesto diferentes soluciones para poder reciclar estas enzimas. Al finalizar la hidrólisis enzimática, las enzimas se encuentran en parte en forma libre en el hidrolizado y en forma inmovilizada en el residuo sólido.

En la patente FR-B-2 608 625, a nombre de la solicitante, se propone un método que consiste en recuperar la mayor parte de las enzimas: las enzimas libres se recuperan mediante adsorción sobre el sustrato nuevo que hay que convertir, mientras que las enzimas inmovilizadas se reutilizan mediante la puesta en contacto de nuevo del residuo sólido con el sustrato nuevo. En el caso de que las celulasas se suplementen con β-glucosidasas para mejorar la actividad del cóctel enzimático, el método propuesto no siempre es satisfactorio: tras el reciclado, se observa una pérdida de actividad importante, asociada a la acumulación de celobiosa (Ramos y otros, Applied Biochemistr y and Biotechnology, 1994, 45 (6) , 193-207) . Este método no permite, en efecto, reciclar de manera eficaz las βglucosidasas libres que tienen muy poca afinidad con el sustrato lignocelulósico.

La suplementación de las celulasas comerciales con β-glucosidasas soportadas es un método descrito por Woodward y otros (“Use of immobilized beta-glucosidase in the hydrolysis of cellulose”, 1993, ACS symposium series, 533, 240-250) que permite reutilizar varias veces las β-glucosidasas, sin pérdida de actividad ni disminución apreciable de la conversión de la celulosa en glucosa. La inmovilización de las β-glucosidasas permite mejorar de manera notable su estabilidad: Aguado y otros (Biotechnology and Applied Biochemistr y , 1995, 17 (1) , 49-55) han mostrado que la inmovilización de las β-glucosidasas de Penicillium funiculosum sobre polvo de nylon permite obtener una actividad estable durante 1.500 min a 50 ºC, mientras que estas mismas enzimas en el estado libre se desactivan a partir de los 40 ºC. Las β-glucosidasas de Aspergillus niger son, por su parte, estables en el estado libre hasta los 45 ºC, mientras que en la forma inmovilizada sobre Eupergit C su actividad se mantiene estable hasta los 65 ºC (Tu y otros, 2006, Biotechnology Letters, 28 (3) , 151-156) . A estas temperaturas, las celulasas son, por el contrario, poco estables y se desactivan con rapidez, lo que afecta a la eficacia de la hidrólisis.

El reciclado de las β-glucosidasas soportadas necesita que se las extraiga de la mezcla reactiva que contiene un residuo sólido, lo que no se puede realizar de manera cómoda cuando las celulasas y las β-glucosidasas se utilizan en el mismo reactor.

Por otra parte, la adsorción no productiva de las β-glucosidasas sobre la lignina es una causa conocida de limitación de la hidrólisis enzimática. Una de las soluciones conocidas para limitar esta adsorción consiste en añadir surfactantes y/o proteínas como la albúmina de suero bovino (ASB) (Yang y otros, 2006, Biotechnology and Bioengineering, 94 (4) , 611-617) .

Estas importantes limitaciones se pueden eliminar poniendo en práctica el procedimiento de jugo azucarado de acuerdo con la presente invención.

El documento US5962289 describe unas proteínas de fusión que se unen a la celulosa. El ejemplo 5 describe la producción de glucosa a partir de celobiosa utilizando proteínas de fusión de β-glucosidasas inmovilizadas. Se añaden endo-y exo-glucanasas al medio que comprende el material celulósico que hay que degradar. La totalidad de la mezcla se dirige a continuación hacia una columna Avicel, que inmoviliza y concentra las endo-y las exoglucanasas. El eluyente que contiene la celobiosa se dirige hacia una segunda columna Avicel que contiene unas βglucosidasas inmovilizadas, la celobiosa convirtiéndose de este modo en glucosa.

El documento EP0062027 describe un procedimiento de producción de monosacáridos a partir de una materia prima celulósica que comprende las siguientes etapas:

el material celulósico se mezcla con una solución de celulasas antes de dirigirlo a una serie de primeros reactores de hidrólisis enzimática colocados en paralelo. La totalidad del hidrolizado que se obtiene, que comprende por lo tanto una fase líquida mezclada con unos residuos sólidos, pasa por un agitador y un molino antes de dirigirse a una centrifugadora que permite separar los residuos sólidos de la fase líquida. La fase líquida se dirige entonces a un segundo reactor que comprende unas β-glucosidasas soportadas. El flujo que sale de este reactor vuelve a circular en parte hacia los primeros reactores de hidrólisis o hacia el agitador, donde se mezcla con un microorganismo para la etapa de fermentación de los jugos azucarados.

Resumen de la invención

El procedimiento de acuerdo con la presente invención consiste en producir un jugo azucarado a partir de sustrato lignocelulósico mediante hidrólisis enzimática que comprende una fase de conversión de la lignocelulosa, una fase de producción de jugo azucarado y una fase de vaciado completo de los reactores, en el que se realiza la suplementación de las celulasas con β-glucosidasas soportadas dentro de un reactor (2) separado del reactor (1) de hidrólisis enzimática de la lignocelulosa, dicho sustrato, previamente pretratado, estando en contacto con una solución de celulasas, el hidrolizado H1 producido durante la fase de conversión y obtenido a la salida del reactor (1) dirigiéndose a un medio filtrante (3) y a un medio de separación de tal modo que la fracción sólida y las celulasas presentes en la mezcla reactiva se queden dentro del reactor (1) , antes de dirigirlo al reactor (2) , la mayor parte del flujo de hidrolizado (H2) procedente del reactor (2) inyectándose de nuevo hacia el reactor (1) durante la fase de conversión.

La presente invención también describe el dispositivo en el que se realiza el procedimiento de hidrólisis enzimática.

Descripción de las figuras

La figura 1 representa un esquema del procedimiento de acuerdo con la presente invención que corresponde a la fase de conversión de la lignocelulosa.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de producción de jugo azucarado a partir de sustrato lignocelulósico mediante hidrólisis enzimática que comprende una fase de conversión de la lignocelulosa, una fase de producción de jugo azucarado y una fase de vaciado completo de los reactores, en el que se realiza la suplementación de las celulasas con unas β-glucosidasas soportadas en un reactor (2) separado del reactor (1) para hidrólisis enzimática de la lignocelulosa, dicho sustrato, previamente pretratado, estando en contacto con una solución de celulasas, el hidrolizado H1 producido durante la fase de conversión y obtenido a la salida del reactor (1) dirigiéndose a un medio filtrante (3) y a un medio de separación de tal modo que la fracción sólida y las celulasas presentes en la mezcla reactiva se queden dentro del reactor (1) , antes de enviarlas al reactor (2) , la mayor parte del flujo de hidrolizado (H2) procedente del reactor (2) inyectándose de nuevo hacia el reactor (1) durante la fase de conversión.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el medio de separación (7) es una membrana de ultrafiltración.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2 en el que la totalidad del flujo de hidrolizado (H2) procedente del reactor (2) se inyecta de nuevo hacia el reactor (1) durante la fase de conversión.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 en el que la fase de producción de jugos azucarados se realiza de acuerdo con un modo continuo o discontinuo.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 en el que la fase de producción de jugos azucarados se realiza de acuerdo con un modo continuo, el hidrolizado (H2) , procedente del reactor (2) y que comprende el concentrado procedente del medio de separación (7) , separándose en al menos dos flujos (H2a) y (H2b) , el flujo (H2a) introduciéndose de manera continua dentro de un contactor (5) y el flujo (H2b) inyectándose de nuevo dentro del reactor (1) .

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5 en el que el flujo (H2a) se pone en contacto con sustrato lignocelulósico nuevo dentro de la instalación (5) .

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 en el que el sustrato nuevo impregnado de celulasas (SE) procedente del contactor (5) se separa del hidrolizado (H3) antes de dirigirlo dentro del reactor (1) .

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 en el que la fase de producción de jugos azucarados se realiza de acuerdo con un modo discontinuo, una primera etapa consistiendo en el vaciado de los reactores a lo largo de la cual el flujo de hidrolizado (H2) , procedente del reactor (2) , se dirige al contactor (5) donde se pone en contacto con sustrato lignocelulósico nuevo, y una segunda etapa consistiendo en una nueva puesta en marcha mediante la introducción del sustrato nuevo impregnado de celulasas (SE) dentro del reactor (1) .

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8 en el que, durante la fase de vaciado completo del reactor (1) , la mezcla reactiva contenida dentro del reactor (1) se dirige hacia un medio filtrante (6) donde se separa el residuo seco (R) , y a continuación hacia el medio de separación (7) a la salida del cual se obtiene una fracción líquida (H4) formada por un jugo azucarado, que eventualmente se dirige hacia el reactor (2) .

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9 en el que la fracción líquida (H4) se introduce de nuevo totalmente o en parte dentro del reactor (1) durante la fase de puesta en marcha de la hidrólisis enzimática volviendo a introducir celulasas frescas y sustrato nuevo.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9 en el que la fracción líquida (H4) se dirige hacia el contactor 5 para impregnar sustrato nuevo.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11 en el que las condiciones operativas de temperatura y/o de pH de los reactores (1) y (2) son diferentes.

13. Dispositivo para la producción de jugo azucarado mediante hidrólisis enzimática a partir de sustrato lignocelulósico que consta de:

− al menos un primer reactor (1) para hidrólisis enzimática de la lignocelulosa, dicho reactor (1) estando provisto de al menos un conducto para la introducción de sustrato y de la solución de celulasas, de al menos un conducto para extraer el jugo convertido (H1) y dirigirlo hacia al menos un medio filtrante (3) colocado a la salida del reactor (1) , y de al menos un medio de separación (7) para extraer las celulasas del hidrolizado;

− eventualmente, un intercambiador térmico a la salida del primer reactor;

− al menos un segundo reactor (2) que comprende las β-glucosidasas soportadas, conectado a al menos un medio de separación (7) por medio de al menos un conducto, dicho reactor (2) estando equipado con al menos un medio filtrante (4) y con al menos un conducto para la extracción del flujo (H2) formado por el hidrolizado pobre en oligómeros solubles; − al menos un conducto para introducir al menos una parte del flujo (H2) dentro de un contactor (5) y de al menos un conducto para volver a dirigir al menos una parte del flujo (H2) al reactor (1) ; − al menos un contactor (5) , provisto de al menos un conducto para la introducción del sustrato nuevo, de al 5 menos un conducto para la extracción del jugo azucarado producido (H3) y de al menos un conducto para la salida del sustrato nuevo impregnado de celulasas y su introducción dentro del reactor (1) .

14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 13 que se caracteriza porque consta de al menos un medio filtrante (6) que se utiliza durante la fase de vaciado completo del reactor (1) , de al menos un conducto para la extracción del residuo sólido R, de al menos un conducto para la extracción del flujo (H4) de jugo azucarado producido y eventualmente de al menos un conducto para la introducción del flujo (H4) dentro del reactor (2) .

15. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 o 14 en el que el reactor (2) que comprende las β

glucosidasas es un reactor de lecho móvil o de tipo slurr y agitado, o un reactor de lecho fijo. 15

16. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15 en el que el medio filtrante (4) es una rejilla o un lecho protector instalado dentro del reactor (2) .