Un proceso para producir etanol a partir de un hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de bagazo de caña de azúcar,

caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

a) homogenización del bagazo de caña de azúcar junto con ácido sulfúrico, en el que la proporción sólido:

líquido se encuentra en el intervalo de 1:4 a 1:2;

b) hidrólisis del material homogeneizado;

c) extracción de la fase líquida (hidrolizado);

d) neutralización del hidrolizado;

e) filtración del hidrolizado;

f) fermentación del hidrolizado usando una concentración inicial de biomasa de Pichia stipitis aclimatada, o complementada con la misma, con agitación y oxigenación.

Proceso para la producción fermentativa de etanol a partir de un hidrolizado de hemicelulosa derivado del bagazo de la caña de azúcar empleando Pichia stipitis

Campo de la invención

La presente invención es un proceso de fermentación para producir etanol usando, como material de partida, bagazo de la caña de azúcar y más específicamente un hidrolizado de la fracción hemicelulosa del bagazo de la caña de azúcar, obtenido por hidrólisis suave del bagazo de la caña de azúcar con ácido sulfúrico. El material hidrolizado se prensa a partir de la materia sólida que aún está dentro del reactor y el hidrolizado se neutraliza con hidróxido de calcio, para favorecer el proceso de fermentación usando una cepa de la levadura Pichia stipitis debidamente adaptada y aclimatada al sustrato principal del hidrolizado.

Antecedentes de la invención

Brasil es uno de los principales productores de etanol, procedente de la caña de azúcar, en todo el mundo, generando residuos sustanciales en forma de bagazo de caña de azúcar. Esta enorme cantidad de bagazo tiene un potencial considerable para usar como material de partida para la producción de etanol mediante procesos biotecnológicos.

Actualmente, una gran parte del bagazo producido en el país se quema para producir energía dentro de las propias plantas de producción de etanol. Sin embargo, existe un considerable exceso (del orden de 16 millones de toneladas) que podría causar graves problemas ambientales.

Técnica anterior

Por consiguiente, la tecnología para producir etanol a partir de este exceso de bagazo, además de contribuir a resolver problemas ambientales, también tendría un valor añadido para este producto residual agroindustrial, dando lugar a ventajas económicas para el país.

El desarrollo de la biotecnología ha dado lugar a nuevas técnicas de manipulación de microorganismos para hacerlos más resistentes y capaces de adaptarse a ambientes más adversos. Por lo tanto, se han realizado muchos estudios hacia el uso de productos secundarios o residuos agrícolas industriales, y especialmente de materiales basados en celulosa tales como paja de cereales, mazorcas de maíz, virutas de diferentes tipos de maderas y bagazo de caña de azúcar, etc., y también técnicas para adaptar microorganismos exclusivamente para la producción de alcohol a escala industrial.

Estudios publicados por M.D. Ferrari et al., "Ethanol production from eucalyptus wood hemicellulose hydrolysate by Pichia stipitis" (John Wiley & Sons, Inc. 1992) , M. Moniruzzaman, "Alcohol fermentation of enzymatic hydrolysate of exploded rice straw by Pichia stipitis" (World Journal of Microbiology & Biotechnology 11: 646-648, 1995) ; P. V. Gurgel et al., "Evaluation of sugarcane bagasse acid hydrolyzate treatments for xylitol production", (Braz. J. Chem. Eng., Vol. 15, No. 3, Sao Paulo septiembre, 1998) , J. N. Nigam, "Ethanol production from hardwood spent sulfite liquor using an adapted strain of Pichi a stipitis" (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 26: 145-150. 2001) , y Heizir F. de Castro et al., "Alternative approach for utilization of pentose stream from sugarcane bagasse by an induced flocculent Pichia stipitis" (Applied Biochemistr y and Biotechnology, Vol. 107, No. 1, 3 de abril del 2003, págs. 547-556 (10) ) , son prueba de los esfuerzos de especialistas en todo el mundo para conseguir sus objetivos. Sin embargo, aunque los resultados han sido prometedores, aún son insatisfactorios porque los rendimientos conseguidos son menores que los deseados.

El proceso para producir alcohol de acuerdo con la presente invención representa un importante avance en cuanto a conseguir los objetivos brasileños proporcionando resultados hasta ahora no obtenidos.

De acuerdo con T. W. Jeffries - "Genetic Engineering of Pichia stipitis for the improved fermentation of xylose" (7th International Conference on Biotechnology in the Pulp and Paper Industr y , Vancouver, BC, Canadá, 16-19 de junio de 1998) , el rendimiento normalmente conseguido en estos procesos es de 0, 3 a 0, 44 g de sustrato de etanol/g tal como xilosa y la velocidad de producción es de aproximadamente 0, 5 g/l.h.

El documento de ROBERTO, I.C. ET AL.: "Utilization of sugar cane bagasse hemicellulosic hydrolysate by Pichia stipitis for the production of ethanol" (PROCESS BIOCHEMISTRY, vol. 26, 1991, páginas 15-21) describe un proceso para la producción de etanol a partir de un hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de bagazo de caña de azúcar que comprende las etapas de homogenización del bagazo de caña de azúcar, junto con ácido sulfúrico, en el que la proporción de sólido: líquido es de 1:6, y la fermentación del hidrolizado se realiza empleando Pichia stipitis que no se ha adaptado al hidrolizado.

El documento VAN ZYL, C. ET AL.: "Production of Ethanol from Sugar Cane Bagasse Hemicellulose Hidrolyzate by Pichia stipitis" (APPLlED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY, vol. 17, 1988, páginas 357-369) describe un proceso para producir etanol a partir de un hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de bagazo de caña de azúcar que comprende las etapas de homogenización del bagazo de caña de azúcar junto con ácido sulfúrico, en el que la proporción de sólido: líquido es de 1:10, y la fermentación del hidrolizado se realiza empleando Pichia stipitis que no se ha adaptado al hidrolizado.

El documento AMARTEY, S. & JEFFRIES, T.: "An improvement in Pichia stipitis fermentation of acid-hydrolysed hemicellulose achieved by overliming (calcium hydroxide treatment) and strain adaptation" (WORLD JOURNAL OF MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY, vol. 12, no. 3, 1996, páginas 281-283) describe el hecho de que la velocidad de fermentación de etanol a partir de un hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de mazorca de maíz podría aumentarse si Pichia stipitis se hubiese adaptado al hidrolizado.

Con el proceso de la presente invención ha sido posible conseguir velocidades de producción de hasta 1, 10 g/l.h. Este aumento en cuanto a la velocidad de producción hace que el proceso sea económicamente viable a escala industrial; y resuelve los problemas ambientales resultantes del exceso de residuos de caña.

Estas y otras ventajas serán evidentes a medida que se describa la invención con más detalle.

Sumario de la invención

La invención proporciona un proceso para producir etanol a partir de hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de bagazo de caña de azúcar, caracterizado por que comprende las etapas de:

a) homogenización del bagazo de caña de azúcar junto con ácido sulfúrico, en el que la proporción de sólido: líquido se encuentra en el intervalo de 1:4 a 1:2; b) hidrólisis del material homogeneizado; c) extracción de la fase líquida (hidrolizado) ; d) neutralización del hidrolizado; e) filtración del hidrolizado; f) fermentación del hidrolizado usando una concentración inicial de biomasa de Pichia stipitis aclimatada o complementada con la misma, con agitación y oxigenación.

Típicamente, la etapa de hidrólisis (b) y/o la etapa de extracción (c) se realiza en un reactor a presión.

Se prefiere que la etapa de neutralización del hidrolizado (d) se realice usando hidróxido de calcio.

Generalmente, la duración de hidrólisis en la etapa (b) se encuentra en el intervalo de 30 a 50 minutos.

Típicamente, la fermentación se produce en 25 a 40 horas.

La velocidad de producción es generalmente de 0, 97 a 1, 10 g/l.h.

Típicamente, el ácido sulfúrico es ácido sulfúrico diluido. Se prefiere que el ácido sulfúrico diluido tenga una concentración menor del 12% en peso, más preferentemente menor del 10% en peso, particularmente menor del 5% en peso, incluso más preferentemente menor del 2% en peso, especialmente aproximadamente del 1% en peso.

En general, la etapa de hidrólisis (b) se realiza en una autoclave.

La etapa de hidrólisis (b) puede realizarse a una presión menor de 2 atmósferas, preferentemente aproximadamente de 1 atmósfera. Preferentemente, la presión corresponde a una temperatura de 110-130 ºC (por ejemplo, aproximadamente 121 ºC) .

Típicamente, la duración de la etapa de hidrólisis (b) se determina de acuerdo con la proporción sólido: líquido en la etapa de homogeneización (a) .

En el proceso para producir etanol a partir de bagazo de caña azúcar de acuerdo con la presente invención,... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para producir etanol a partir de un hidrolizado de una fracción de hemicelulosa de bagazo de caña de azúcar, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

a) homogenización del bagazo de caña de azúcar junto con ácido sulfúrico, en el que la proporción sólido: líquido se encuentra en el intervalo de 1:4 a 1:2; b) hidrólisis del material homogeneizado; c) extracción de la fase líquida (hidrolizado) ; d) neutralización del hidrolizado; e) filtración del hidrolizado; f) fermentación del hidrolizado usando una concentración inicial de biomasa de Pichia stipitis aclimatada, o complementada con la misma, con agitación y oxigenación.

2. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1, en el que la etapa de hidrólisis (b) y/o la etapa de extracción (c) se realizan en un reactor a presión.

3. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1 ó 2, en el que la etapa (d) de neutralización del hidrolizado se realiza usando hidróxido de calcio.

4. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado por que la duración de la hidrólisis en la etapa (b) se encuentra en el intervalo de 30 a 50 minutos.

5. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado por que la fermentación se produce durante 25 a 40 horas.

6. Un proceso de acuerdo con cualquier Reivindicación anterior, caracterizado por que la velocidad de producción es de 0, 97 a 1, 10 g/l.h.

7. Un proceso de acuerdo con cualquier Reivindicación anterior, en el que el ácido sulfúrico es ácido sulfúrico diluido.

8. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 7, en el que la concentración del ácido sulfúrico diluido es inferior al 12% en peso.

9. Un proceso de acuerdo con cualquier Reivindicación anterior, en el que la etapa de hidrólisis (b) se realiza en una autoclave.

10. Un proceso de acuerdo con cualquier Reivindicación anterior, en el que la etapa de hidrólisis (b) se realiza a una presión inferior a 2 atmósferas.

11. Un proceso de acuerdo con la Reivindicación 10, en el que la presión corresponde a una temperatura de 110130 ºC.

12. Un proceso de acuerdo con cualquier Reivindicación anterior, en el que la duración de la etapa de hidrólisis (b) se determina de acuerdo con la proporción sólido: líquido que se aplica en la etapa de homogeneización (a) .