Procedimiento para la producción de etanol.

Un procedimiento para la producción de etanol, comprendiendo dicho procedimiento:

tratar una alimentación de residuos mezclados para separar un primer material de alimentación que comprende componentes fermentables para su uso como material de alimentación de biomasa y un segundo material de alimentación que comprende materiales de alimentación gasificables:

a) pasar el primer material de alimentación de biomasa a una primera etapa de fermentación en donde se somete a fermentación anaeróbica a un pH por debajo de 6, 0 y a una temperatura del orden de 20 a 70º C para convertir la biomasa a una solución que comprende ácido acético como el producto predominante,

b) pasar el segundo material de alimentación a una etapa de gasificación en donde se somete a gasificación para producir una mezcla gaseosa que comprende monóxido de carbono e hidrógeno, y

c) pasar la solución que comprende ácido acético de la etapa (a) y la mezcla gaseosa de la etapa (b) a una o más etapas de fermentación adicionales en donde las mismas se someten a fermentación para producir etanol.

Procedimiento para la producción de etanol La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de etanol que comprende tanto la gasificación como la fermentación de materiales de alimentación adecuados.

Ha sido dado a conocer durante muchos años que las bacterias causan la fermentación o digestión anaeróbica de biomasa dando lugar ello a diversos gases que pueden ser utilizados. Ya desde el siglo XIX los productos de la digestión anaeróbica fueron utilizados para generar gas metano de utilidad en alumbrado público. Más recientemente, la fermentación anaeróbica ha sido considerada como un medio para reducir la cantidad de materia orgánica que se envía a los vertederos y también como un método alternativo para la producción de productos químicos útiles, tales como alcoholes.

Por ejemplo, en US 5.753.474 se describe un procedimiento continuo de fermentación anaeróbica en dos etapas para producir butanol empleando dos cepas diferentes de bacterias.

También se conocen procedimientos de fermentación anaeróbica para la producción de alcoholes a partir de materiales de alimentación de biomasa por medio de gasificación del material de alimentación para producir monóxido de carbono e hidrógeno, seguido por fermentación a alcoholes C2+ empleando bacterias anaeróbicas. Ejemplos de procedimientos de fermentación de monóxido de carbono adecuados pueden encontrarse, por ejemplo, en US 20030211585 y US 2007/0275447 y también se describen en informes de DOE bajo el Número de Contrato DOE DEAC22-92PC92118, tal como "Bench-scale Demonstration of Biological Production of Ethanol from Coal Synthesis Gas", Topical Report 5, Noviembre1995.

Se conoce un número de bacterias que pueden producir etanol a partir de óxidos de carbono e hidrógeno en dicho procedimiento, y la selectividad a etanol puede ser controlada por selección de bacterias y también por el control de las condiciones de reacción, generalmente para mantener las bacterias funcionando y para favorecer la producción de etanol respecto a productos competitivos, tal como ácido acético. Ejemplos específicos de bacterias y procedimientos pueden encontrarse en US 2003/0211585 y US 2007/0275447.

Se ha comprobado ahora que puede producirse ventajosamente etanol a partir de materiales de alimentación de biomasa por medio de un procedimiento en donde se aplican tanto una etapa de gasificación como una primera etapa de fermentación a la biomasa inicial, aplicándose entonces al menos otra etapa de fermentación a los productos de la etapa de gasificación y de la primera etapa de fermentación, para producir así etanol.

De este modo, en un primer aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento para la producción de etanol, comprendiendo dicho procedimiento:

tratar una alimentación de residuos mezclados para separar un primer material de alimentación que comprende componentes fermentables para su uso como material de alimentación de biomasa y un segundo material de alimentación que comprende materiales de alimentación gasificables:

a) pasar el primer material de alimentación de biomasa a una primera etapa de fermentación en donde se somete a fermentación anaeróbica a un pH por debajo de 6, 0 y a una temperatura del orden de 20 a 70º C para convertir la biomasa a una solución que comprende ácido acético como el producto predominante, b) pasar el segundo material de alimentación a una etapa de gasificación en donde se somete a gasificación para producir una mezcla gaseosa que comprende monóxido de carbono e hidrógeno, y c) pasar la solución que comprende ácido acético de la etapa (a) y la mezcla gaseosa de la etapa (b) a una o más etapas de fermentación adicionales en donde las mismas se someten a fermentación para producir etanol.

La presente invención proporciona diversas ventajas respecto a los procedimientos conocidos para la producción de etanol a partir de biomasa por medio de gasificación, especialmente como se describe en US 2003/0211585 y US 2007/0275447.

En particular, los procedimientos para la producción de etanol a partir de biomasa por medio de gasificación, tal como se describen en US 2003/0211585, tienden a ser productores netos de CO2. La producción de CO2 puede surgir realmente de cualquier etapa del procedimiento. Así, la propia etapa de gasificación produce generalmente CO2 así como CO y H2. Sin embargo, además, aunque las vías de fermentación a alcoholes superiores (etanol y alcoholes más pesados) a partir de monóxido de carbono pueden, en teoría, utilizar CO2 como un reactante para la producción de los alcoholes superiores, en la práctica la reacción de fermentación también tiende a ser un productor neto de dióxido de carbono.

En particular, las bacterias usadas para la fermentación pueden producir alcoholes de acuerdo con cualquiera de las dos siguientes reacciones:

(1) 6CO + 3H2O -C2H5OH + 4CO2

(2) 2CO2 + 6H2 -C2H5OH + 3H2O

Sin embargo, la conversión de CO es habitualmente de 70-90% por paso mientras que la conversión de H2 es generalmente menor que la conversión de CO, con lo que la fermentación es también un productor neto de CO2, tendiendo los procedimientos globales de gasificación y fermentación de singas a producir varios moles de CO2 por cada mol de etanol producido.

En contraste, la fermentación de material de alimentación de biomasa bajo condiciones que convierten la biomasa (o al menos la porción fermentable de la misma) a un producto que comprende ácido acético (la primera etapa de fermentación de la presente invención) , que se convierte entonces a etanol, constituye un uso mucho más eficiente del contenido en carbono del material de alimentación de biomasa en comparación con la gasificación.

En un procedimiento de fermentación "convencional" por vía de ácido acético, la reacción neta que ocurre puede ser considerada como:

(3) C6H12O6 ==> 2C2H5OH + 2CO2.

Si bien esta reacción también genera CO2, la cantidad producida es de solo un CO2 por cada etanol.

En consecuencia, resulta ventajoso pasar tanta biomasa fermentable como sea posible a dicho procedimiento en lugar de pasarla a la gasificación, puesto que ello se traduce en una reducción del dióxido de carbono producido.

Sin embargo, la etapa de gasificación en el procedimiento de la presente invención es todavía importante puesto que muchos materiales de alimentación (o componentes de materiales de alimentación potenciales) no pueden ser fermentados, pero son gasificables. Ejemplos de tales materiales de alimentación son materiales de alimentación que no son biomasa, tales como materiales plásticos, y materiales de alimentación de biomasa no biodegradables, tales como ligninas.

El material de alimentación de biomasa pasado a la primera etapa de fermentación y el material de alimentación gasificable pasado a una etapa de gasificación provienen de una sola alimentación de residuos mezclados que comprenden ambos componentes fermentables y gasificables.

En particular, el uso de tanto una primera etapa de fermentación como de una etapa de gasificación en el procedimiento de la presente invención resulta particularmente ventajoso ya que así es posible utilizar eficientemente una alimentación de residuos mezclados que comprende tanto componentes fermentables como gasificables (pero no fermentables) , al tiempo que se reduce al mínimo el impacto medioambiental en comparación con el uso de gasificación de dichos materiales de alimentación por sí solos. De acuerdo con un ejemplo general, una alimentación de residuos mezclados, después de la separación para retirar materiales reciclables tal como vidrio, puede ser tratada para separar un primer material de alimentación que comprende componentes fermentables para su uso como el material de alimentación de biomasa para la primera etapa de fermentación de la presente invención, y un segundo material de alimentación que comprende componentes gasificables para su uso como el material de alimentación gasificable para la etapa de gasificación de la presente invención.

Alternativa o adicionalmente, el material de alimentación gasificable para la etapa de gasificación de la presente invención puede comprender componentes residuales, por ejemplo componentes no fermentables, de la primera etapa de fermentación, es decir, un material de alimentación de biomasa puede ser sometido a la primera atapa de fermentación para producir una solución que comprende... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la producción de etanol, comprendiendo dicho procedimiento:

tratar una alimentación de residuos mezclados para separar un primer material de alimentación que comprende componentes fermentables para su uso como material de alimentación de biomasa y un segundo material de alimentación que comprende materiales de alimentación gasificables:

a) pasar el primer material de alimentación de biomasa a una primera etapa de fermentación en donde se somete a fermentación anaeróbica a un pH por debajo de 6, 0 y a una temperatura del orden de 20 a 70º C para convertir la biomasa a una solución que comprende ácido acético como el producto predominante, b) pasar el segundo material de alimentación a una etapa de gasificación en donde se somete a gasificación para producir una mezcla gaseosa que comprende monóxido de carbono e hidrógeno, y c) pasar la solución que comprende ácido acético de la etapa (a) y la mezcla gaseosa de la etapa (b) a una o más etapas de fermentación adicionales en donde las mismas se someten a fermentación para producir etanol.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde un material de alimentación de biomasa se somete a la primera etapa de fermentación (a) para producir una solución que comprende ácido acético y un residuo sólido, cuyo residuo sólido se pasa como el material de alimentación gasificable para la etapa de gasificación (b) .

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde en la primera etapa de fermentación se emplea una mezcla de cepas bacterianas.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en donde el material de alimentación de biomasa para la etapa (a) no se pasteuriza o esteriliza para separar bacterias del mismo.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el pH en la primera etapa de fermentación se mantiene en el intervalo de 3 a 5, 5 y la temperatura en la primera etapa de fermentación se encuentra en el intervalo de 40 a 60º C.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la solución que comprende ácido acético de la etapa (a) comprende de 1 a 5% en peso de solución de ácido acético.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa (c) comprende:

c) pasar tanto la solución que comprende ácido acético de la etapa (a) como la mezcla gaseosa de la etapa (b) a una segunda etapa de fermentación en donde se someten ambas a fermentación en presencia de una bacteria acetogénica anaeróbica para producir etanol.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en donde a la etapa de gasificación de la etapa (b) se alimenta una coalimentación que comprende metano o carbón.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en donde a la etapa de gasificación de la etapa (b) se alimenta "gas de vertedero" consistente en una mezcla de predominantemente metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno obtenida en un punto del vertedero.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa (c) se efectúa empleando una bacteria acetogénica anaeróbica seleccionada entre Clostridium ljungdahlii y Clostridium carboxydivorans.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la corriente de etanol producto de la etapa (c) comprende etanol en una concentración de etanol en solución de 1 a 5% en peso.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en donde la corriente de etanol producto de la etapa (c) se purifica .

9. 95% en peso de etanol por destilación seguido por una etapa de secado para proporcionar un producto en >99% en peso.