Pretratamiento de biomasa con disolvente orgánico para mejorar la sacarificación enzimática.

Un método para producir biomasa enriquecida en carbohidratos con una elevada retención de hemicelulosa quecomprende:

(a) proporcionar biomasa lignocelulósica que comprende lignina, celulosa y hemicelulosa;

(b) suspender la biomasa de (a) en una disolución de disolvente orgánico que comprende agua, amoníaco enuna cantidad de aproximadamente 2% a aproximadamente 20% respecto al peso de biomasa seca y uno o másnucleófilos, mediante lo cual se forma una suspensión de biomasa-disolvente en condiciones alcalinas;

(c) calentar la suspensión de biomasa-disolvente hasta una temperatura de aproximadamente 100-220 ºCdurante aproximadamente 5 minutos hasta aproximadamente 5 horas, mediante lo cual la lignina esfragmentada y disuelta en la suspensión; y

(d) filtrar el líquido libre a presión tras calentar la suspensión de (c), mediante lo cual la lignina disuelta eseliminada y se produce una biomasa enriquecida en carbohidratos con un elevado rendimiento de retención dehemicelulosa.

Pretratamiento de biomasa con disolvente orgánico para mejorar la sacarificación enzimática La solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. nº 61/139179, presentada el 19 de diciembre de 2008.

Campo de la invención Se proporciona y se describen métodos para producir biomasa lignocelulósica enriquecida en carbohidratos fácilmente sacarificables. Específicamente, se prepara biomasa pretratada a través de fragmentación y extracción selectiva simultáneas de lignina en una disolución en disolvente orgánico en presencia de concentraciones moderadas de amoníaco y uno o más nucleófilos a temperaturas elevadas en condiciones alcalinas. Los sólidos enriquecidos en carbohidratos que quedan en la biomasa pretratada pueden someterse entonces a sacarificación enzimática para obtener azúcares fermentables, que pueden someterse a un procesamiento adicional para la producción de productos diana.

Antecedentes de la invención Las materias primas y los residuos celulósicos y lignocelulósicos, tal como residuos agrícolas, madera, residuos forestarles, lodos de la fabricación de papel y residuos sólidos municipales e industriales, proporcionan una fuente renovable potencialmente grande para la producción de productos químicos, plásticos, combustibles y piensos. Las materias primas y los residuos celulósicos y lignocelulósicos, compuestos por celulosa, hemicelulosa, pectinas y lignina son tratados generalmente mediante una serie de sistemas químicos, mecánicos y enzimáticos para liberar principalmente azúcares de hexosas y pentosas, que pueden ser fermentados a continuación para dar lugar a productos útiles.

Los métodos de pretratamiento se usan a menudo para hacer que los polisacáridos de biomasa lignocelulósica sean más fácilmente accesibles a las enzimas celulolíticas. Uno de los impedimentos principales para la digestión de enzimas celulolíticas es la presencia de lignina, una barrera que limita el acceso de las enzimas a sus sustratos, y una superficie a la cual se unen las enzimas de forma no productiva. Debido a los costes significativos asociados a la sacarificación enzimática, es deseable minimizar la carga de enzimas mediante desactivación de la lignina frente a la adsorción enzimática o mediante su extracción directa.

Otro reto es la falta de accesibilidad de la celulosa a la hidrólisis enzimática bien debido a su protección por hemicelulosa y lignina o bien a su cristalinidad. Los métodos de pretratamiento que buscan superar estos retos incluyen: explosión por vapor, agua caliente, ácido diluido, explosión de fibras con amoníaco, hidrólisis alcalina (que incluye la percolación recirculada de amoníaco) , deslignificación oxidativa y organosolv.

Los métodos de organosolv, tal como se han llevado a la práctica previamente para el tratamiento de biomasa lignocelulósica, tanto para la producción de pulpa o para aplicaciones de biocombustibles, aunque generalmente exitosas en la eliminación de lignina, han adolecido de bajos rendimientos de recuperación de azúcares, particularmente de xilosa. Por ejemplo, el uso de mezclas etanol-agua ligeramente ácidas (por ejemplo, EtOH al 42% en peso) a temperatura elevada para eliminar lignina de biomasa lignocelulósica (Kleinert, T. N., Tappi 57: 99102, 1974) dio como resultado una pérdida sustancial de carbohidratos. La hidrólisis ácida diluida a 95 ºC seguida de extracción con disolventes orgánicos y sacarificación enzimática (Lee, Y-H. y col., Biotech. Bioeng., 29: 572-581, 1987) dio como resultado una pérdida sustancial de hemicelulosa durante la hidrólisis, una pérdida adicional de carbohidratos tras la extracción con disolvente orgánico y un bajo rendimiento (~50% de los carbohidratos totales) en la sacarificación enzimática del residuo.

El tratamiento de biomasa con agua gas y metilamina seguido de extracción con disolvente orgánico y a continuación extracción con agua, requería tres etapas y dio como resultado una pérdida sustancial de carbohidratos (Siegfried, P. y Götz, R., Chem. Eng. Technol., 15: 213-217, 1992) . El tratamiento con poliaminas o etilamina en mezclas de agua-alcohol alifático más catalizador a temperatura elevada requería de una elevada relación líquido/sólidos y concentraciones bajas de alcohol conducían a un bajo rendimiento de recuperación de azúcares, particularmente de xilano (Patente de EE.UU. 4597830A) . El tioglicolato en disolución alcalina acuosa usado para tratar biomasa lignocelulósica a temperatura elevada, seguido de un lavado con agua caliente, requería el uso de hidróxidos de metal alcalino o alcalinotérreo. Este método requiere la eliminación costosa de los iones inorgánicos, un elevado % en peso de tioglicolato, y el uso de grandes volúmenes de agua (Patente de EE.UU. 3.490.993) . El tratamiento con mezclas de disolvente orgánico-agua en presencia de sulfuro/bisulfuro a temperaturas elevadas requería una elevada relación disolvente/sólidos y un elevado contenido de azufre, y daba como resultado una pérdida sustancial de carbohidratos (Patente de EE.UU. 4.329.200A) .

El uso de disolvente orgánico acuoso que contiene elevadas concentraciones de amoníaco a temperaturas elevadas para tratar biomasa lignocelulósica (Park J. K. y Phillips, J.A., Chem. Eng. Comm., 65: 187-205, 1988) requería el uso de una elevada relación de líquido a sólidos en el pretratamiento y daba como resultado una pérdida sustancial de hemicelulosa y una baja sacarificación enzimática de la celulosa.

Otras desventajas de los métodos aplicados previamente incluyen, corrientes separadas de hexosas y pentosas (por ejemplo, ácido diluido) , una extracción inadecuada de lignina o la falta de separación de lignina extraída a partir del polisacárido, particularmente en las materias primas con un elevado contenido de lignina (por ejemplo, bagazo de caña de azúcar, maderas blandas) , eliminación de productos residuales (por ejemplo, las sales formadas en la neutralización del ácido o de la base) , y bajos rendimientos de recuperación de carbohidratos debido a la ruptura o a la pérdida en los etapas de lavado. Otros problemas incluyen un elevado coste de energía, capital inmovilizado y recuperación de catalizador de pretratamiento, e incompatibilidad con las enzimas de sacarificación.

Uno de los retos principales del pretratamiento de biomasa es maximizar la extracción o la neutralización química (con respecto a la unión no productiva de enzimas celulolíticas) de la lignina a la vez que se minimiza la pérdida de carbohidratos (celulosa más hemicelulosa) a través de procesos económicos y eficientes. Cuanto mayor sea la selectividad, mayor será el rendimiento global a azúcares monoméricos después del pretratamiento combinado con la sacarificación enzimática.

Por lo tanto, existe una necesidad de desarrollo de un proceso en una sola etapa que use una relación líquido a sólido sustancialmente menor en el pretratamiento, y una base reciclable sin una pérdida sustancial de hemicelulosa ni una baja sacarificación de celulosa. La presente descripción aborda dicha necesidad. En esta descripción, se usan concentraciones de bajas a moderadas de amoníaco en presencia de uno o más nucleófilos para una fragmentación mediada por una disolución en disolvente orgánico y una extracción selectiva de lignina a temperaturas elevadas en condiciones alcalinas. Este proceso económico mantiene el contenido de hemicelulosa de la biomasa a la vez que elimina selectivamente lignina y produce una biomasa enriquecida en carbohidratos que es altamente susceptible a la sacarificación enzimática. La biomasa pretratada producida mediante los procesos descritos en la presente memoria da como resultado rendimientos muy elevados de azúcares fermentables tras sacarificación (glucosa, así como xilosa) y, a su vez, elevados rendimientos a los productos diana tras fermentación (por ejemplo, productos químicos de elevado valor añadido y combustibles) . Sorprendentemente, el uso de bajas a moderadas concentraciones de amoníaco y la presencia de uno o más nucleófilos dio como resultado una mejoría significativa en la fragmentación y la extracción de lignina, y una elevada retención de carbohidratos, particularmente con respecto a la hemicelulosa.

Resumen de la invención La presente invención proporciona un método para producir biomasa enriquecida en carbohidratos fácilmente sacarificable y para extraer lignina de forma selectiva a partir de biomasa lignocelulósica reteniendo simultáneamente de forma casi cuantitativa los carbohidratos, particularmente la hemicelulosa. Los métodos incluyen el tratamiento de biomasa lignocelulósica con una disolución de disolvente orgánico que comprende de bajas a moderadas concentraciones... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir biomasa enriquecida en carbohidratos con una elevada retención de hemicelulosa que comprende:

(a) proporcionar biomasa lignocelulósica que comprende lignina, celulosa y hemicelulosa;

(b) suspender la biomasa de (a) en una disolución de disolvente orgánico que comprende agua, amoníaco en una cantidad de aproximadamente 2% a aproximadamente 20% respecto al peso de biomasa seca y uno o más nucleófilos, mediante lo cual se forma una suspensión de biomasa-disolvente en condiciones alcalinas;

(c) calentar la suspensión de biomasa-disolvente hasta una temperatura de aproximadament.

10. 220 ºC durante aproximadamente 5 minutos hasta aproximadamente 5 horas, mediante lo cual la lignina es fragmentada y disuelta en la suspensión; y

(d) filtrar el líquido libre a presión tras calentar la suspensión de (c) , mediante lo cual la lignina disuelta es eliminada y se produce una biomasa enriquecida en carbohidratos con un elevado rendimiento de retención de hemicelulosa.

2. El método de la Reivindicación 1, en el que dicho uno o más nucleófilos se selecciona del grupo que consiste en NaOH, una o más alquilaminas, sulfuro, hidrosulfuro, polisulfuro, hidropolisulfuro, reactivos de tiol y combinaciones de los mismos.

3. El método de la Reivindicación 1, en el que la una o más alquilaminas se selecciona del grupo que consiste en R-NH2, R2-NH, R3N, (H2N-R-NH2) , (H2N-R (NH2) 2) , (OH-R-NH2) , ( (HO) 2-R-NH2) , (OH-R- (NH2) 2) , (HS-R-NH2) , ( (HS) 2R-NH2) , (HS-R- (NH2) 2) y (H2N-R (OH) (SH) y combinaciones de las mismas, en donde R es de manera independiente un alcano, alqueno o alquino, de 1-6 carbonos, lineal, cíclico o ramificado, monovalente, divalente o trivalente.

4. El método de la Reivindicación 3, en el que R es de manera independiente metilo, etilo, propilo o butilo.

5. El método de la Reivindicación 3, en el que la alquilamina es metilamina.

6. El método de la Reivindicación 1, en el que la relación de disolución de disolvente a biomasa de la etapa (b) tiene una relación másica de aproximadamente 10 a 1 hasta 0, 5 a 1.

7. Un método de fragmentación y extracción selectiva simultáneas de lignina procedente de biomasa lignocelulósica para producir una biomasa sustancialmente libre de lignina que comprende:

(a) proporcionar:

1) una cantidad de biomasa lignocelulósica que comprende lignina y carbohidratos;

2) una disolución de disolvente multi-componente que comprende entre aproximadamente 40% y aproximadamente 70% de etanol en agua;

3) amoníaco en una cantidad de 2% a aproximadamente 205;

4) y uno o más nucleófilos (s) ;

(b) poner en contacto dicha biomasa con la disolución de disolvente multi-componente de (a) para formar una mezcla de biomasa-disolvente;

(c) colocar la mezcla de disolvente-biomasa en un recipiente sellado a presión en el que se calienta la mezcla de (b) a una temperatura de aproximadamente 100 ºC a aproximadamente 220 ºC durante aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 5 horas, con lo que la lignina se fragmenta y se disuelve en el disolvente;

(d) eliminar la lignina disuelta de (c) mediante filtración; y

(e) lavar el residuo con disolvente orgánico, con lo que se produce una biomasa sustancialmente libre de lignina.

8. El método de la Reivindicación 7, en el que la biomasa sustancialmente libre de lignina tiene aproximadamente entre el 60% y aproximadamente el 100% del peso original de la biomasa.

9. El método de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 ó 7, en el que la disolución de disolvente orgánico comprende además un componente adicional seleccionado del grupo que consiste en hidróxidos o carbonatos alcalinos o alcalinotérreos, amoníaco, tioles, sulfuros, hidrosulfuros, polisulfuros, hidropolisulfuros y combinaciones de los mismos.

10. El método de las reivindicaciones 1 ó 7, en el que la disolución de disolvente, y cualquier amoníaco o componentes sin reaccionar, son recirculables.

11. El método de las reivindicaciones 1 ó 7, en el que dicha disolución de disolvente comprende un disolvente seleccionado del grupo que consiste en alcoholes, dioles y disolventes apróticos.

12. El método de la reivindicación 11, en el que la disolución de disolvente orgánico comprende un disolvente seleccionado del grupo que consiste en metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol y hexanol, isómeros de los mismos, y dioles de los mismos.