Proceso para producir etanol.

Un método para producir etanol, dicho método consiste en:

(a) cultivar un microorganismo homoacetogénico en un medio que contiene una fuente de hidratos de carbono paraproducir acetato,

ácido acético o mezclas de los mismos;

(b) hacer reaccionar el acetato con una amina y ácido carbónico, con lo cual se forma un complejo entre la amina yel acetato;

(c) descomponer térmicamente el complejo de la amina para formar ácido acético y regenerar la amina;

(d) esterificar el ácido acético del complejo de la amina para formar un éster acetato en presencia de un alcohol y

(e) hidrogenar el éster acetato para recuperar el etanol.

Proceso para producir etanol

Ámbito de la invención Esta invención se refiere a un proceso para la conversión de hidratos de carbono de cualquiera de las numerosas fuentes en etanol para combustible o para uso químico. La invención utiliza una combinación de fermentación y conversión química para aumentar en gran manera el rendimiento de etanol a partir de hidratos de carbono si se compara con la técnica anterior. Además puede producirse un coproducto de alto valor que puede utilizarse para la alimentación animal.

Antecedentes de la invención El etanol es un compuesto químico importante, empleado en las bebidas y los alimentos humanos, como un producto químico industrial y como combustible o componente de combustibles, por ejemplo la gasolina reformulada para reducir las emisiones producidas por los automóviles. Esta invención se refiere principalmente a la producción de etanol para el uso de producto químico o de combustible.

Existen varios procedimientos tradicionales de producción de etanol basados en la fermentación de hidratos de carbono. En el proceso más típico se hidroliza un hidrato de carbono derivado de cereales para obtener sus componentes azúcar y se fermenta con levaduras para obtener el etanol. El dióxido de carbono se genera en el proceso a partir de una fracción del hidrato de carbono por el metabolismo de la levadura. La generación del dióxido de carbono es inherente al metabolismo de la levadura. Esta producción de CO2 por la levadura limita el rendimiento de etanol de la levadura a un 52% como máximo, porcentaje referido al peso. Esta es una limitación importante para la producción económica del etanol, ya que el CO2 tiene poco valor y por lo general se emite a la atmósfera y puede convertirse en una carga para el medio ambiente.

Además, la levadura tiene una capacidad limitada cuando se tienen que transformar azúcares que no sean glucosa. La glucosa es el principal azúcar que se produce por hidrólisis del almidón de cereales, pero no es el único azúcar producido en hidratos de carbono en general. Se ha realizado un intenso esfuerzo de investigación para la conversión potencial de la biomasa en etanol. La biomasa en forma de residuos agrícolas, por ejemplo combustible de maíz para estufas, paja de arroz, estiércol, etc. y las cosechas de biomasa en forma de mijo erecto (Panicum virgatum) o álamos o incluso los residuos municipales, como los periódicos, pueden convertirse, todos ellos, en etanol. Sin embargo, la principal limitación de estos procesos es la complejidad del material hidrolizado que se obtiene del tratamiento de la biomasa para producir el medio de fermentación. El material hidrolizado contiene típicamente glucosa, pero también grandes cantidades de otros azúcares, como es la xilosa, que la levadura no es capaz de metabolizar. Estas es otra limitación del rendimiento potencial de los procesos de obtención de etanol basados en la levadura.

La investigación se ha dirigido al uso de organismos distintos de la levadura, que a diferencia de esta, pueden consumir muchos, por no decir la mayor parte de los azúcares derivados de la hidrólisis de la biomasa. Entre los ejemplos se incluyen las bacterias Zymomonas sp. y E. coli que se han sometido a ingeniería genética para que puedan utilizar la xilosa. De este modo ha crecido el abanico potencial de sustratos azúcar que pueden convertirse en etanol. Hay un grupo de organismos que se ha propuesto para la producción de etanol, a saber, el Clostridium sp. Estos termófilos producen normalmente no solo ácido acético, sino también etanol. Sin embargo se cree que estos organismos producen etanol en un rendimiento limitado. Se supone en general en la bibliografía técnica sobre la fermentación del etanol que esta limitación del rendimiento viene determinada por el mecanismo bioquímico llamado mecanismo de Embden-Myerhof, según el cual todos los organismos producen etanol, en el supuesto de que sean idóneos para la producción de etanol, incluidos los termófilos.

Por tanto, ninguno de estos desarrollos ha abordado el problema inherente al rendimiento de etanol a partir de azúcar debido a la coproducción de CO2 causada por los organismos.

Una parte importante de los procesos industriales para la producción de etanol es la producción de productos secundarios valiosos, destinados principalmente a la alimentación animal o humana. En el proceso de molienda seca de los cereales, los productos secundarios incluyen los cereales secos de destilación (DDG) y los solubles (DDGS) . En el proceso de molienda húmeda de cereales, los productos secundarios incluyen el germen, la harina de gluten y la fibra. Estos productos secundarios han encontrado grandes mercados en el sector de la alimentación animal. Sin embargo, ambos procesos y en gran medida, los ingredientes del cereal original, es decir, las fracciones de aceite, proteína y fibra, pasan por el proceso sin cambiar de composición, mientras que la fracción de hidratos de carbono se convierte en gran parte en etanol. Por consiguiente, el valor de estos productos secundarios se basa en la composición inherente a los componentes vegetales.

Aparte del etanol, hay otros productos químicos que pueden producirse por fermentación industrial de hidratos de carbono. Los ejemplos más importantes son el ácido acético y el ácido láctico. El ácido acético es un ingrediente alimentario importante en forma de vinagre y un producto químico importante. El vinagre de uso alimentario se produce típicamente a partir de etanol potable por acción del Acetobacter sp. que oxida el etanol a ácido acético tomando para ello el oxígeno del aire.

Los principales usos industriales del ácido acético son como disolvente, como compuesto intermedio para la síntesis de otros productos químicos, por ejemplo el acetato de vinilo y para la producción de acetato de celulosa. Otros usos importantes que se han propuesto recientemente para el ácido acético es la producción de acetato cálcicomagnésico (CMA) que se emplearía como sal para deshielo de carreteras en lugar del cloruro sódico (NaCl) . El CMA tiene un impacto medioambiental mucho menor que el NaCl, ya que es mucho menos corrosivo y es biodegradable.

Los investigadores han propuesto la producción de ácido acético de calidad industrial o técnica por fermentación de hidratos de carbono. Sin embargo, actualmente no hay producción por fermentación debido a factores de tipo económico, referentes principalmente a la recuperación del ácido acético de los caldos diluidos de la fermentación. Como caldo de fermentación, el ácido acético se produce típicamente en concentraciones bajas, en torno al 5 % o menos en agua. Dado que el ácido acético tiene un punto de ebullición superior al del agua, se tendrá que separar por destilación toda el agua, en torno al 95 % del caldo, para poder recuperar el ácido acético o bien tendrá que recurrirse a otros procesos más complejos para recuperar el ácido acético.

En relación con este ámbito de la producción de ácido acético está el uso de los llamados acetógenos, un grupo de bacterias que utilizan un mecanismo bioquímico único para producir ácido acético a partir de azúcares con un rendimiento del 100% en carbono. Por ejemplo, un mol de glucosa puede convertirse en tres moles de ácido acético por acción del Clostridium thermoaceticum. Estas bacterias convierten interiormente el CO2 en acetato. Estas bacterias se llaman microorganismos homofermentativos u homoacetógenos. No convierten los hidratos de carbono en CO2 y solamente producen ácido acético. Los ejemplos de homoacetógenos se han descrito en Drake, H.L. (coordinador) , “Acetogenesis”, Chapman & Hall, 1994, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia. Además de estos organismos homofermentativos convierten típicamente un amplio abanico de azúcares en ácido acético, incluidas la glucosa, xilosa, fructosa, lactosa y otros. Son, pues, particularmente indicados para la fermentación de hidrolizados complejos de biomasa. Sin embargo, esta línea de investigación no ha superado las limitaciones económicas del proceso de fermentación del ácido acético y no ha conseguido hacer lo competitivo en la vía basada en gas natural.

Por consiguiente, el ácido acético industrial se fabrica actualmente a partir de carbón, petróleo o gas natural. El proceso principal consiste en la conversión de natural gas en metanol y la posterior carbonilación del metanol empleando monóxido de carbono para convertirlo directamente en ácido acético. En la patente US-3, 769, 329 se describe este proceso.

En lo que respecta a la vía del gas natural, se ha propuesto producir etanol a partir de ácido acético mediante la síntesis... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir etanol, dicho método consiste en:

(a) cultivar un microorganismo homoacetogénico en un medio que contiene una fuente de hidratos de carbono para producir acetato, ácido acético o mezclas de los mismos;

(b) hacer reaccionar el acetato con una amina y ácido carbónico, con lo cual se forma un complejo entre la amina y el acetato;

(c) descomponer térmicamente el complejo de la amina para formar ácido acético y regenerar la amina;

(d) esterificar el ácido acético del complejo de la amina para formar un éster acetato en presencia de un alcohol y

(e) hidrogenar el éster acetato para recuperar el etanol.

2. El método según la reivindicación 1, en el que por lo menos un 60% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.

3. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que por lo menos un 70% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.

4. El método según una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, en el que por lo menos un 80% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.

5. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos un 90% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.

6. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que esencialmente nada del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en dióxido de carbono.

7. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de hidratos de carbono se elige entre el grupo formado por el maíz, el trigo, la biomasa, la madera, el papel residual, el estiércol, el suero de queso, las melazas, las remolachas azucareras y la caña de azúcar.

8. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el microorganismo homoacetogénico se elige entre el grupo formado por los microorganismos del género Clostridium, los microorganismos del género Acetobacterium y los microorganismos del género Peptostreptococcus.

9. El método según la reivindicación 8, en el que el microorganismo del género Clostridium es el Clostridium thermoaceticum o el Clostridium formicoaceticum.

10. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de hidratos de carbono se hidroliza enzimáticamente para generar azúcares y aminoácidos antes del cultivo.

11. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el pH del medio se sitúa entre aprox. pH 6 y pH 8.

12. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio contiene por lo menos aprox. un 20 % de nitrógeno.

13. El método según la reivindicación 1, en el que dicho ácido carbónico se produce empleando dióxido de carbono.

14. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el éster se elige entre el grupo formado por el éster metílico, el éster etílico y mezclas de los mismos.

15. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el alcohol se elige entre el grupo formado por el metanol, etanol y mezclas de los mismos.

16. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el éster es un éster volátil.

17. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la esterificación se lleva a cabo por destilación reactiva.

18. El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el hidrógeno para el paso de la hidrogenación se produce aplicando un método que comprende de un miembro del grupo formado por el reformado de vapor, una fuente renovable y una biomasa.