Conversión de biomasa lignocelulósica por medio de tratamiento previo con sulfito.

Un proceso para la producción de monosacáridos, productos químicos a base de azúcar,

biocombustibles omateriales junto con lignina sulfonada a partir de biomasa lignocelulósica que comprende al menos las siguientesetapas:

(i) el pretratamiento de una biomasa lignocelulósica en una etapa de cocción con sulfito;

(ii) la separación de la biomasa lignocelulósica pretratada de la etapa (i) en

(a) una fase líquida de "licor residual con sulfito" que comprende 60% o más de la lignina de la biomasalignocelulósica en forma de lignina sulfonada, y en

(b) una pulpa que comprende 70% o más de la celulosa de la biomasa lignocelulósica;

(iii) la hidrólisis de la pulpa (b) de la etapa (ii) en una plataforma química de los azúcares que comprendemonosacáridos;

(iv) opcionalmente el procesamiento adicional de los monosacáridos de la etapa (iii) que resulta en productosquímicos útiles, biocombustibles y / o proteínas; y

(v) la conversión directa o procesamiento adicional de la lignina sulfonada de la fase líquida (a) de la etapa (ii) enproductos químicos y / o materiales útiles,

caracterizado porque la etapa de hidrólisis (iii) es una etapa de hidrólisis enzimática.

Conversión de biomasa lignocelulósica por medio de tratamiento previo con sulfito La presente invención se refiere a un proceso para la producción de biocombustibles de segunda generación y / o productos químicos a base de azúcar - por ejemplo, etanol, butanol, etc. - y / o materiales - por ejemplo plásticos, proteínas de las células individuales, etc. -junto con lignina sulfonada (lignosulfonato) a partir de biomasa lignocelulósica, en particular, a partir de biomasa lignocelulósica que comprende, entre otros, cultivos energéticos, plantas anuales, residuos agrícolas o de madera.

En particular, la presente invención se refiere a un proceso para la producción de monosacáridos, productos químicos a base de azúcar, biocombustibles o materiales junto con lignina sulfonada a partir de biomasa lignocelulósica que comprende al menos los siguientes pasos:

(i) el pretratamiento de una biomasa lignocelulósica en una etapa de cocción con sulfito,

(ii) la separación de la biomasa lignocelulósica pretratada de la etapa (i) en

(a) una fase líquida de "licor residual con sulfito" que comprende 60% o más de la lignina de la biomasa lignocelulósica en forma de lignina sulfonada, y en

(b) una pulpa que comprende 70% o más de la celulosa de la biomasa lignocelulósica;

(iii) la hidrólisis de la pulpa (b) de la etapa (ii) en una plataforma química de los azúcares que comprende monosacáridos;

(iv) opcionalmente el procesamiento adicional de los monosacáridos de la etapa (iii) que resulta en productos químicos útiles, biocombustibles y / o proteínas; y

(v) la conversión directa o procesamiento adicional de la lignina sulfonada de la fase líquida (a) de la etapa (ii) en productos químicos y / o materiales útiles,

en donde la etapa de hidrólisis (iii) es una etapa de hidrólisis enzimática.

Antecedentes y estado del arte Como es generalmente aceptado, los recursos para los productos químicos derivados del petróleo y para el petróleo utilizado como combustible (fósil) son limitados. Un recurso alternativo utilizado en la actualidad es el "biocombustible", como el obtenido a partir de biomasa. Se pueden utilizar diversas fuentes de biomasa.

"Los biocombustibles de primera generación" son los biocombustibles obtenidos a partir de azúcar, almidón, aceite vegetal o grasas animales utilizando tecnología convencional. Ejemplos de materias primas básicas para la producción de biocombustibles de primera generación son las semillas o granos tales como el trigo, que producen almidón que se hidroliza y se fermenta en etanol, o semillas de girasol, que se comprimen para producir aceite vegetal que se puede transformar en biodiesel. Sin embargo, estas materias primas podían en vez de eso entrar en la cadena alimenticia de animales o humanos. Por lo tanto, los biocombustibles de primera generación han sido criticados por desviar alimentos fuera de la cadena alimentaria humana, dando lugar a la escasez de alimentos y aumentos de precios.

Por el contrario, "los biocombustibles de segunda generación" se puede producir de forma sostenible mediante el uso de la biomasa formada por partes no comestibles residuales (es decir, no digeribles) de los cultivos actuales, tales como tallos, hojas, bagazo (residuo de fibra de la caña de azúcar) , cáscaras, etc. que quedan atrás una vez que se ha extraído el cultivo alimenticio, así como otras materias primas que no se utilizan con fines alimentarios (cultivos no alimentarios) , tales como madera, plantas anuales y cereales que se componen de grano pequeño, y los residuos de la industria tales como aserrín, cáscara y pulpa proveniente del prensado de la fruta, del procesamiento de vino, etc.

Un problema común en la producción de biocombustibles de segunda generación a partir de biomasa es la extracción de la materia prima fermentable, a partir de la biomasa "leñosa" o fibrosa. En particular, los carbohidratos que pueden ser hidrolizados y fermentados (en particular celulosa y, si está presente, hemicelulosa) se entrelazan con la lignina (por lo tanto, en adelante, tal biomasa se denomina como "biomasa lignocelulósica") .

La lignina es un polímero heterogéneo complejo que no puede ser sometido al ciclo de hidrólisis / fermentación aplicado a la celulosa / hemicelulosa. La lignina como comúnmente se produce no es una sustancia particularmente útil y por lo general se desecha o se quema (generando algún beneficio en forma de calor del proceso) después de la separación. En una biorrefinería eficiente en el futuro, todos los principales componentes de la lignocelulosa no sólo tienen que estar separados, sino que también todos tienen que ser utilizados. Los carbohidratos pueden utilizarse como una plataforma para los productos químicos a base de azúcar, por ejemplo, etanol.

El pretratamiento (antes de la hidrólisis) del material lignocelulósico se logra convencionalmente por medio de calentamiento con vapor, explosión de vapor o pretratamiento enzimático, entre otros.

En el documento WO 2006/128304 se presenta un proceso continuo para el tratamiento de una materia prima lignocelulósica. Este método comprende el pretratamiento de la materia prima lignocelulósica bajo presión en un reactor de tratamiento previo a un pH aproximadamente entre 0, 4 y aproximadamente 2, 0. Una parte menor de la lignina se disolverá en condiciones ácidas como estas, pero la mayor parte de la fracción de lignina de la biomasa de este proceso no será soluble en agua, y se separará junto con otros insolubles.

Otro método de conversión de material lignocelulósico se describe en la patente de los Estados Unidos No.

6.423.145. Un método modificado de ácido diluido de la hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa en material lignocelulósico bajo condiciones para obtener mayores rendimientos totales de azúcar fermentable, de lo que es posible obtener usando ácido diluido solo, que comprende: impregnar una materia prima lignocelulósica con una mezcla de una cantidad de solución acuosa de un catalizador ácido diluido y un catalizador de una sal metálica suficiente para proporcionar mayores rendimientos totales de azúcar fermentable, que lo que es posible obtener cuando se hidroliza con ácido diluido solo; la carga de la materia prima lignocelulósica impregnada en un reactor y calentada durante un período de tiempo suficiente para hidrolizar sustancialmente toda la hemicelulosa y más del 45% de la celulosa hasta azúcares solubles agua; y la recuperación de los azúcares solubles en agua. Este proceso produce ligninas insolubles que pueden ser separadas junto con la biomasa no hidrolizada y otros insolubles.

Un método más reciente de pretratamiento se describe en la solicitud de patente de los Estados Unidos No. 2008/0190013. Esta patente divulga un método para la conversión de material lignocelulósico en biocombustible. En formas de realización particulares, el método comprende el tratamiento previo del material lignocelulósico disolviendo el material en líquidos iónicos. El material lignocelulósico pretratado se puede aislar, por ejemplo por precipitación con un disolvente de regeneración (por ejemplo, agua) , y se utiliza directamente en la formación de biocombustible, incluyendo someter a hidrólisis para formar el azúcar y su fermentación para formar el combustible, tal como el bioetanol. El líquido iónico puede ser reciclado para su uso posterior, tal como por evaporación del agua introducida durante la precipitación, y el reciclaje proporciona una ruta a una fracción rica en hemicelulosa y un líquido iónico de características consistentes de calidad y disolución de la madera. Las hemicelulosas recuperadas tienen un uso significativo potencial para productos y aplicaciones especiales. Este proceso también produce ligninas insolubles en agua.

La patente sueca No. 527.646 propone un proceso para la producción de combustibles para motores y celdas de combustible a partir de material lignocelulósico. La lignina se disuelve a partir del material lignocelulósico por medio de cocción, preferiblemente por medio de cocción con soda. El licor de la cocción se gasifica para producir gas de síntesis y posteriormente metanol, DME, etc., mientras que la celulosa y la hemicelulosa en la pulpa se hidrolizan por medio de ácido (fuerte o débil) o enzimas y luego se fermentan hasta etanol.

Un artículo de J. Y. Zhu et al. ("Sulfite Pretreatment (SPORL) for robust enzymatic saccharification of spruce and red pine"; Bioresource Tecnology 100 (2009) 2411 - 2418) publicado en línea el 31 de diciembre de 2008 reporta pretratamiento con sulfito para superar la resistencia de la lignocelulosa para la bioconversión eficiente de las maderas... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la producción de monosacáridos, productos químicos a base de azúcar, biocombustibles o materiales junto con lignina sulfonada a partir de biomasa lignocelulósica que comprende al menos las siguientes 5 etapas:

(i) el pretratamiento de una biomasa lignocelulósica en una etapa de cocción con sulfito;

(ii) la separación de la biomasa lignocelulósica pretratada de la etapa (i) en

(a) una fase líquida de "licor residual con sulfito" que comprende 60% o más de la lignina de la biomasa lignocelulósica en forma de lignina sulfonada, y en (b) una pulpa que comprende 70% o más de la celulosa de la biomasa lignocelulósica;

(iii) la hidrólisis de la pulpa (b) de la etapa (ii) en una plataforma química de los azúcares que comprende 15 monosacáridos;

(iv) opcionalmente el procesamiento adicional de los monosacáridos de la etapa (iii) que resulta en productos químicos útiles, biocombustibles y / o proteínas; y

(v) la conversión directa o procesamiento adicional de la lignina sulfonada de la fase líquida (a) de la etapa (ii) en productos químicos y / o materiales útiles,

caracterizado porque la etapa de hidrólisis (iii) es una etapa de hidrólisis enzimática.

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los monosacáridos comprenden hexosas y pentosas.

3. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la biomasa lignocelulósica comprende madera, plantas anuales, residuos agrícolas o residuos, bagazo o cultivos energéticos, y / o en donde la biomasa lignocelulósica utilizada en el proceso no requiere (pre) tratamiento mecánico y / o en donde la etapa de cocción al sulfito (i) es el único (pre) tratamiento químico antes de la hidrólisis.

4. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la parte orgánica de la fase líquida "de licor residual con sulfito" comprende predominantemente lignina en forma de lignina sulfonada, es decir, comprende al menos 70 % de la lignina presente inicialmente en la biomasa lignocelulósica.

5. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el valor del pH en el que se 35 realiza la cocción al sulfito de la etapa de pretratamiento (I) es mayor que 5.

6. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se lleva a cabo una cocción ácida como el único pretratamiento químico.

7. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa de pretratamiento al sulfito es una cocción ácida y la cantidad de SO2 es de 10 a 60 % p / p y la cantidad de base (ion hidróxido) es de 1 a 10 % p / p.

8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la etapa de pretratamiento al sulfito 45 es una cocción alcalina.

9. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la cantidad de Na2SO3 es de 5 a 60 % p / p, mientras que la cantidad de base es de 5 a 25 % p / p.

10. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la etapa de pretratamiento al sulfito es una cocción alcalina débil.

11. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa de hidrólisis (III) es una etapa de hidrólisis enzimática que emplea complejos de enzimas extracelulares o asociados con la membrana 55 celular.

12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 11 en donde la etapa de hidrólisis (iii) es una etapa de hidrólisis enzimática y se reciclan las enzimas.

13. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se usa bagazo como la materia prima y la etapa de fermentación (iv) comprende la metabolización del hidrolizado de la etapa (iii) en biocombustibles tales como etanol y butanol, o en done se utiliza bagazo como la materia prima y la etapa de fermentación (iv) comprende la metabolización del hidrolizado de la etapa (iii) en proteínas de biomasa.

14. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una etapa de deslignificación alcalina / con oxígeno (i’) es parte del proceso total integrado.