Pretratamiento alcalino suave y sacarificación y fermentación simultáneas de biomasa lignocelulósica en ácidos orgánicos.

Un método para la producción de un ácido orgánico como un producto de fermentación de biomasa lignocelulósica,

quecomprende los pasos de:

a) pretratamiento de biomasa lignocelulósica con un agente alcalino para obtener biomasa lignocelulósica pretratadaalcalina con un pH de entre aproximadamente 8.0 y aproximadamente 14.0;

b) sacarificación y fermentación simultánea (SSF) de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina de paso a) en unfermentador, por la cual la reducción en pH, provocada por la producción del ácido orgánico, se neutraliza por la adición debiomasa lignocelulósica pretratada alcalina como obtenida en la fase a) con un pH de entre aproximadamente 8.0 yaproximadamente 14.0, opcionalmente en combinación con un álcali, para adaptar el pH por debajo de aproximadamente8.0 y/o para mantener el pH a un específico pH por debajo de 8.0, permitiendo actividad óptima del microorganismo(s) y/oenzimas añadidas; y

c) opcionalmente recuperación del producto de fermentación;

donde la SSF del paso b) comprende una fase de pre-hidrólisis donde el pH de una parte de la biomasa pretratada alcalinaobtenida por paso a) se adapta por adición de uno o más ácidos hasta entre 2.0 y 8.0 para permitir la conversión debiomasa pretratada alcalina en azúcares fermentables para iniciar la conversión microbiana de biomasa en ácidosorgánicos.

Pretratamiento alcalino suave y sacarificación y fermentación simultáneas de biomasa lignocelulósica en ácidos orgánicos.

Campo de la invención [0001] La invención se refiere a un método para la producción de ácidos orgánicos como un producto de fermentación de biomasa lignocelulósica, donde la biomasa lignocelulósica es pretratada usando un agente alcalino. La invención además se refiere a un reactor para llevar a cabo el método de la invención.

Antecedentes de la invención [0002] Materias primas de biomasa lignocelulósica se pueden utilizar para procesos de fermentación, en particular, bioetanol y ácido láctico. Procesos convencionales para convertir materiales lignocelulósicos en productos químicos en masa, tal como ácido láctico, requiere pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación microbiana. Biomasa lignocelulósica es una fuente de carbono renovable muy disponible y poco costosa que no tiene valor alimenticio competitivo. Lignocelulosa consiste principalmente en celulosa y hemicelulosa; polímeros se desarrollan principalmente de azúcares de hexosa y azúcares de pentosa, que se introducen en una matriz del polímero fenólico de lignina. La ruta principal para derivar azúcares fermentables de lignocelulosa es a través de hidrólisis enzimática por enzimas hemicelulolíticas y celulolíticas. Un pretratamiento químico y mecánico de la lignocelulosa se requiere para reducir tamaño de partícula, para modificar y/o para eliminar la lignina y con aquello mejorar la accesibilidad de los polisacáridos para hidrólisis enzimática (Claassen et al. (1999) Microbiol. Biotecnol. 52:741-755) .

Varios pretratamientos químicos de biomasa han sido estudiados en la investigación y desarrollo de tecnología de producción de lignocelulosa-a-etanol (Mosier et al. (2005) Bioresour. Technol. 96:673-686) . Pretratamiento alcalino de biomasa lignocelulósica con cal (Ca (OH) 2) a temperaturas moderadas (lt;100°C) se mostró que era un pretratamiento prometedor para mejorar hidrólisis enzimática, y se puede caracterizar por una alta degradabilidad enzimática sin deslignificación significativa o degradación de xilano del sustrato lignocelulósico (Chang et al. (1998) Appl. Biochem. Biotecnol. 74:135-159) . Sin embargo, este pretratamiento alcalino en un valor de pH relativamente alto (gt;10) no es atractivo ya que la actividad de enzimas xilanolíticas y celulolíticas comunes, necesario para la despolimerización de (hemi) -celulosa, es baja en este pH. Por ejemplo, cepa de especie Bacillus 36D1 fue descrita como un biocatalizador para producción de ácido láctico a través de sacarización y fermentación simultáneas (por sus siglas en inglés SSF) en la que azúcares derivados de ambas hemicelulosa y celulosa se fermentan en un vaso único y donde la productividad volumétrica de SSF a ácido láctico era óptima con pH 5.0 a 50°C (Patel et al. biotecnol. Prog. 2005, 21, 1453-1460 ) ) . Por lo tanto, reducir el pH es esencial para conseguir una hidrólisis enzimática eficaz de los polisacáridos. Un método para eliminar hidróxido cálcico es lavando la biomasa tratada de cal antes de la hidrólisis enzimática (Chang et al. (1998) Appl. Biochem. Biotecnol. 74:135159) ; no obstante, esto conduce al uso de altas cantidades de agua. Otra manera para reducir el pH del material pretratado es neutralizando hidróxido cálcico con ácidos, tales como ácido sulfúrico y ácido acético, o con CO2. Aún esto produce la formación de las sales de valor bajo como subproducto, tal como yeso o carbonato cálcico. Por lo tanto, este problema de alto valor de pH (gt;10) de material lignocelulósico después del pretratamiento con cal y antes de la hidrólisis enzimática, aún no ha sido debidamente resuelto.

La presente invención proporciona un método para la producción de un ácido orgánico como un producto de fermentación de biomasa lignocelulósica, un reactor para llevar a cabo el método de la invención y uso del reactor para llevar a cabo el método de la invención, donde la naturaleza alcalina de la biomasa pretratada alcalina se usa en el proceso de sacarificación y fermentación simultánea para controlar el pH durante fermentación.

Descripción de la invención [0005] En un aspecto, la presente invención proporciona un método para la producción de un ácido orgánico como un producto de fermentación de biomasa lignocelulósica, que incluye las etapas de: a) pretratamiento de biomasa lignocelulósica con un agente alcalino para obtener biomasa lignocelulósica pretratada alcalina con un pH de entre aproximadamente 8, 0 y aproximadamente 14, 0 b) sacarificación y fermentación simultánea (SSF) de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina de fase a) en un fermentador, por la cual la reducción en pH, provocada por la producción del ácido orgánico, es neutralizada por la adición de biomasa lignocelulósica pretratada alcalina como obtenida en la fase a) con un pH de entre aproximadamente 8, 0 y aproximadamente 14, 0, opcionalmente en combinación con un álcali, para adaptar el pH por debajo de aproximadamente 8, 0 y/o para mantener el pH a un específico pH por debajo de 8, 0, permitiendo actividad óptima del microorganismo (s) y/o enzimas añadidas; y c) opcionalmente recuperación del producto de fermentación; donde el SSF de paso b) comprende una fase de pre-hidrólisis donde el pH de una parte de la biomasa pretratada alcalina obtenida por paso a) se adapta por adición de uno o varios ácidos hasta entre 2, 0 y 8, 0 para permitir la conversión de biomasa pretratada alcalina en azúcares fermentables para iniciar la conversión microbiana de biomasa en ácidos orgánicos.

El término quot;ácido orgánico como un producto de fermentaciónquot; es aquí definido como un producto que ha sido obtenido por fermentación por uno o más microorganismos, en el que el producto es una molécula orgánica que comprende al menos un grupo carboxilo. En una forma de realización, el producto de fermentación que se produce por el método de la presente invención es seleccionado del grupo que consiste en, pero no se limita a: ácido láctico, ácido cítrico, ácido itacónico, ácido succínico, ácido fumárico, ácido glicólico, ácido pirúvico, ácido acético, ácido glutámico, ácido málico, ácido maleico, ácido propiónico, ácido butírico, ácido glucónico y combinaciones de lo mismo. En una forma de realización particularmente preferida, el producto de fermentación es ácido láctico.

Alternativamente o en combinación con formas de realización preferidas precedentes, en otra forma de realización preferida, la biomasa lignocelulósica es seleccionada del grupo que consiste en, pero se no limita a: césped, madera, bagazo, paja, papel, material vegetal (paja, heno, etc.) , y combinaciones de lo mismo. En una forma de realización, la biomasa lignocelulósica es paja de trigo, paja de maíz, paja de cebada, paja de arroz, paja de centeno o paja de cualquier planta cultivada.

Alternativamente o en combinación con formas de realización preferidas precedentes, en otra forma de realización, la biomasa lignocelulósica es aire seco, teniendo al menos 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 89.5, 90 o 95% (p/p) de materia seca. En otra forma de realización, la biomasa lignocelulósica no es secada, es decir biomasa fresca puede ser utilizada.

Alternativamente o en combinación con formas de realización preferidas precedentes, en otra forma de realización preferida, la biomasa lignocelulósica sufre una pre-extracción antes del pretratamiento para eliminar componentes solubles no fermentables tales como proteínas, aminoácidos o componentes inorgánicos solubles contenidos en la biomasa que puedan interferir con hidrólisis posterior y fermentación. En otra forma de realización preferida, componentes solubles fermentables se pueden quitar de la biomasa lignocelulósica. El término quot;pre-extracciónquot; es aquí definido como cualquier tratamiento que elimina componentes solubles de la biomasa lignocelulósica.

Alternativamente o en combinación con formas de realización preferidas precedentes, en otra forma de realización preferida, el pretratamiento de biomasa lignocelulósica es precedido por o se combina y/o se integra con una trituración mecánica de biomasa lignocelulósica. Trituración mecánica se realiza para cambiar la distribución del tamaño de las partículas de la biomasa lignocelulósica de manera que la eficiencia del pretratamiento y procesos posteriores son mejorados, y el agente alcalino es íntegramente mezclado en la biomasa lignocelulósica. En una forma de realización preferida, la trituración mecánica comprende, pero no se limita a: fresado, refinación mecánica y extrusión.

Paso a) pretratamiento de biomasa... [Seguir leyendo]

1. Un método para la producción de un ácido orgánico como un producto de fermentación de biomasa lignocelulósica, que comprende los pasos de:

a) pretratamiento de biomasa lignocelulósica con un agente alcalino para obtener biomasa lignocelulósica pretratada alcalina con un pH de entre aproximadamente 8.0 y aproximadamente 14.0; b) sacarificación y fermentación simultánea (SSF) de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina de paso a) en un fermentador, por la cual la reducción en pH, provocada por la producción del ácido orgánico, se neutraliza por la adición de biomasa lignocelulósica pretratada alcalina como obtenida en la fase a) con un pH de entre aproximadamente 8.0 y aproximadamente 14.0, opcionalmente en combinación con un álcali, para adaptar el pH por debajo de aproximadamente 8.0 y/o para mantener el pH a un específico pH por debajo de 8.0, permitiendo actividad óptima del microorganismo (s) y/o enzimas añadidas; y c) opcionalmente recuperación del producto de fermentación;

donde la SSF del paso b) comprende una fase de pre-hidrólisis donde el pH de una parte de la biomasa pretratada alcalina obtenida por paso a) se adapta por adición de uno o más ácidos hasta entre 2.0 y 8.0 para permitir la conversión de biomasa pretratada alcalina en azúcares fermentables para iniciar la conversión microbiana de biomasa en ácidos orgánicos.

2. Un método según la reivindicación 1, donde la SSF del paso b) comprende además los pasos de: i) hidrólisis enzimática con una enzima hidrolítica para obtener sacáridos fermentables; y ii) fermentación microbiana usando un microorganismo que es capaz de convertir los sacáridos del paso i) en el producto de fermentación.

3. Un método según la reivindicación 1 o reivindicación 2, donde la SSF del paso b) se acciona en un modo de quimiostato, en el que la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina se usa como un nutriente.

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina se añade a la SSF del paso b) en una manera lote alimentado.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el pretratamiento de biomasa lignocelulósica es precedido por o combinado y/o integrado con una trituración mecánica de biomasa lignocelulósica, donde la trituración mecánica es preferiblemente seleccionada del grupo que consiste en: fresado, refinación mecánica y extrusión.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina está sujeta a uno o varios de los siguientes pasos antes de SSF: i) un paso de enfriamiento; ii) un paso de lavado; y/o iii) un paso de deshidratación;

donde la deshidratación es preferiblemente realizada usando filtración mientras se aplica presión a la biomasa pretratada, donde la presión aplicada está entre 0 y aproximadamente 100 bar.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la temperatura durante SSF es dispuesta entre aproximadamente 20 hasta aproximadamente 80°C y/o donde el pH durante la SSF es controlada entre aproximadamente

2.0 y aproximadamente 10.0.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el pH durante SSF se controla por adición de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina y un álcali y donde la SSF preferiblemente comprende una fase de pre-hidrólisis, una fase lote alimentado con control de pH por adición de biomasa lignocelulósica pretratada alcalina y una fase de dosificación con control de pH por adición de un álcali.

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la biomasa lignocelulósica es seleccionada del grupo que consiste en: césped, madera, bagazo, paja, papel, material vegetal, y combinaciones de los mismos.

10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el agente alcalino usado en paso a) es seleccionado del grupo que consiste en: hidróxido cálcico (Ca (OH) 2) , óxido de calcio (CaO) , amoníaco (NH3) , hidróxido sódico (NaOH) , carbonato de sodio, hidróxido potásico (KOH) , urea y combinaciones de lo mismo.

11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, donde la enzima hidrolítica de paso b) es seleccionada del

grupo que consiste en: preparaciones con celulasa, preparaciones de hemicelulasa, celobiasa, preparaciones de xilanasa, amilasa y pectinasa.

12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el ácido orgánico es seleccionado del grupo que consiste en: ácido láctico, ácido cítrico, ácido itacónico, ácido succínico, ácido fumárico, ácido glicólico, ácido pirúvico, ácido acético, ácido glutámico, ácido málico, ácido maleico, ácido propiónico, ácido butírico, ácido glucónico y combinaciones de los mismos.

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el microorganismo es una bacteria, un hongo, una arquea o un alga, donde el microorganismo es preferiblemente seleccionado de especies de Acetobacter, Bacillus coagulans, B. racemilacticus, B. laevolacticus, Cor y nebacterium glutamicum, Escherichia coli, Gluconobacter species, Pseudomonas species, bacterias del ácido lático, Rhizopus or y zae, Aspergillus niger, Aspergillus terreus y Saccharomyces cerevisiae.

14. Un reactor que comprende un contenedor para el pretratamiento alcalino de biomasa lignocelulósica unido a un fermentador para la sacarificación y fermentación simultánea (SSF) de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina, donde el reactor es para usar en el método en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y donde: 1) El contenedor comprende:

i) un dispositivo de mezcla; ii) un dispositivo de calefacción; y iii) opcionalmente, medios para pre-extracción de componentes solubles de la biomasa lignocelulósica;

2) El fermentador comprende:

i) control de pH automático; y ii) una entrada para biomasa lignocelulósica pretratada alcalina obtenible por paso de reivindicación 1 a) del contenedor, que se controla por el control de pH automático,

donde el medio de conexión entre el contenedor y el fermentador es preferiblemente una bomba, más preferiblemente un alimentador roscado para permitir alimentación automática de la biomasa lignocelulósica pretratada alcalina en el fermentador; donde el fermentador preferiblemente comprende uno o más de lo siguiente:

a) una entrada para alimentación automática de un agente alcalino, que se controla por el control de pH automático; b) una entrada para una enzima, un microorganismo y/o un ácido o base; c) una salida para muestreo y/o monitor; y/o d) regulación automática de Ia temperatura e) un ensamblaje de agitador.

15. Uso del reactor según la reivindicación 14 para la producción de un ácido orgánico de biomasa lignocelulósica según el método de reivindicaciones 1 - 13.