Procedimiento de producción de bioaceite a partir de biomasa.

Procedimiento que es para la producción de bioaceite a partir de biomasas que incluyan al menos un polisacárido y comprende los pasos de:

- someter a dicha biomasa a hidrólisis ácida en presencia de una solución acuosa de al menos un ácido orgánico seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de ácidos alquil- o aril-sulfónicos que tengan de C7 a C20 átomos de carbono, o de ácidos carboxílicos halogenados, a una temperatura que va desde 80ºC hasta 160ºC, obteniendo una primera mezcla que comprende una primera fase sólida y una primera fase acuosa;

- someter a dicha primera mezcla a hidrólisis enzimática obteniendo una segunda mezcla que comprende una segunda fase sólida y una segunda fase acuosa;

- someter a dicha segunda fase acuosa a fermentación en presencia de al menos una levadura oleaginosa obteniendo una suspensión acuosa que comprende células de dicha levadura oleaginosa;

- someter a dicha suspensión acuosa a tratamiento térmico obteniendo una fase oleosa que comprende bioaceite y una tercera fase acuosa, en donde dicho tratamiento térmico es realizado a una temperatura que va desde 150ºC hasta 330ºC.

Procedimiento de producción de bioaceite a partir de biomasa [0001] La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de bioaceite a partir de biomasa que incluye al menos un polisacárido.

Más específicamente, la presente invención se refiere a un procedimiento de producción de bioaceite a partir de biomasa que incluye al menos un polisacárido, comprendiendo dicho procedimiento los pasos de someter a dicha biomasa a hidrólisis ácida, someter a la mezcla obtenida de dicha hidrólisis ácida a hidrólisis enzimática, someter a los azúcares obtenidos de dichas hidrólisis ácida y enzimática a fermentación en presencia de al menos una levadura oleaginosa, y someter a tratamiento térmico a la suspensión acuosa que comprende células de dicha levadura oleaginosa y que ha sido obtenida de dicha fermentación.

El bioaceite así obtenido puede ser ventajosamente usado en la producción de biocarburantes que pueden usarse tal cual, o bien en una mezcla con otros carburantes, para vehículos automóviles. O bien dicho bioaceite puede usarse tal cual (biocombustible) , o en una mezcla con combustibles fósiles (aceite combustible, lignito, etc.) para la generación de energía eléctrica.

Hablando en general, una biomasa es toda sustancia que tenga una matriz orgánica, vegetal o animal y pueda destinarse a finalidades energéticas, tal como por ejemplo como materia prima para la producción de biocarburantes y/o biocombustibles, o como componentes que puedan ser añadidos a carburantes y/o combustibles. La biomasa puede por consiguiente formar una fuente de energía renovable como alternativa a las tradicionales materias primas de origen fósil que normalmente se usan en la producción de carburantes. Con esta finalidad es particularmente útil la biomasa lignocelulósica.

Es conocida en la técnica la producción de azúcares a partir de biomasa, y en particular a partir de biomasa lignocelulósica.

La biomasa lignocelulósica es una estructura compleja que comprende tres componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina. Sus cantidades relativas varían según el tipo de biomasa lignocelulósica que se use. En el caso de las plantas, por ejemplo, dichas cantidades varían según la especie y la edad de la planta.

La celulosa es el mayor constituyente de la biomasa lignocelulósica y está generalmente presente en cantidades que van desde un 30% en peso hasta un 60% en peso con respecto al peso total de la biomasa lignocelulósica. La celulosa consta de moléculas de glucosa (de aproximadamente 500 a 10000 unidades) unidas entre sí por medio de un enlace β-1, 4-glucosídico. El establecimiento de enlaces de hidrógeno entre las cadenas ocasiona la formación de dominios cristalinos que les dan resistencia y elasticidad a las fibras vegetales. En la naturaleza tan sólo puede encontrarse en su estado puro en plantas anuales tales como el algodón y el lino, mientras que en las plantas leñosas va siempre acompañada de hemicelulosa y lignina.

La hemicelulosa, que está generalmente presente en una cantidad que va desde un 10% en peso hasta un 40% en peso con respecto al peso total de la biomasa lignocelulósica, se da en forma de un polímero mixto, relativamente corto (de 10 a 200 moléculas) y ramificado, que está constituido tanto por azúcares con seis átomos de carbono (glucosa, manosa, galactosa) como por azúcares con cinco átomos de carbono (xilosa, arabinosa) . Algunas propiedades importantes de las fibras vegetales son debidas a la presencia de hemicelulosa, cuya principal propiedad es la de favorecer la imbibición de dichas fibras vegetales, cuando está presente agua, ocasionado su hinchamiento. La hemicelulosa también tiene propiedades adhesivas, y por consiguiente tiende a endurecerse o desarrollar una consistencia córnea cuando se deshidrata, con la consecuencia de que dichas fibras vegetales devienen rígidas y son embebidas más lentamente.

La lignina está generalmente presente en una cantidad que va desde un 10% en peso hasta un 30% en peso con respecto al peso total de la biomasa lignocelulósica. Su función principal consiste en unir y cementar las distintas fibras vegetales entre sí, para así darle a la planta compacidad y resistencia, y también proporciona protección contra los insectos, los agentes patógenos, las lesiones y la luz ultravioleta. La lignina se usa principalmente como combustible, pero en la actualidad también se usa extensamente en la industria como dispersante, endurecedor y agente emulsionante, para laminados de plástico, cartones y productos de caucho. También puede ser tratada químicamente para producir compuestos aromáticos tales como vainillina, siringaldehído y p-hidroxibenzaldehído, que pueden ser usados en la química farmacéutica, o en la industria cosmética y alimentaria.

A fin de optimizar la transformación de biomasa lignocelulósica en productos para uso energético, es conocida la técnica de someter a dicha biomasa a un tratamiento preliminar para separar la lignina e hidrolizar la celulosa y la hemicelulosa para convertirlas en azúcares simples tales como por ejemplo glucosa y xilosa. Dichos azúcares pueden usarse como fuentes de carbono en procesos de fermentación en presencia de microorganismos para la producción de alcoholes y/o lípidos.

La solicitud de patente US 2008/0102176, por ejemplo, describe un método que es para la extracción de grasas vegetales y comprende los pasos de: pulverizar la materia prima que contiene celulosa a fin de obtener partículas con un diámetro de 1-2 mm; sumergir las partículas en ácido sulfúrico a una concentración igual a un 1-2% para acidificar dichas partículas a fin de incrementar la hidrólisis de la celulosa y de regular el pH ajustándolo a un valor de 4, 5 ± 0, 5; retirar las partículas acidificadas por el ácido sulfúrico y añadir, en secuencia, celulasa y una levadura oleaginosa a las partículas acidificadas y someterlas a fermentación por espacio de 8-9 días a una temperatura de 25-30ºC y con una humedad de un 85-90%; añadir un hidrocarburo alifático como solvente a los productos de fermentación a fin de extraer las grasas, obteniendo así una mezcla de extracción; y retirar las partículas acidificadas que queden en la mezcla de extracción y separar las grasas del solvente mediante destilación, obteniendo así aceite crudo. La celulasa es preferiblemente Trichoderma viride y la levadura oleaginosa es Rhodotorula glutinis. Las grasas obtenidas pueden ser convertidas en biodiesel tras esterificación.

Dai et al. describen la producción de biodiesel a partir de levaduras oleaginosas en el artículo: “Biodiesel generation from oleaginous yeast Rhodotorula glutinis with xylose assimilating capacity” publicado en el “African Journal of Biotechnology” (2007) , vol. 6 (18) , páginas 2130-2134. En este artículo, la biomasa lignocelulósica es molida y sometida a hidrólisis ácida en presencia de ácido sulfúrico. Los azúcares así obtenidos son usados como fuentes de carbono en un proceso de fermentación en presencia de una cepa de Rhodotorula glutinis previamente seleccionada, pudiendo también usarse pentosas, y en particular xilosa, con la finalidad de obtener aceites que son posteriormente extraídos mediante el método de extracción Soxhlet y sometidos a transesterificación a fin de obtener biodiesel.

Son también conocidas en la técnica varias clases de tratamientos térmicos (tales como, por ejemplo, procesos de licuefacción y tratamientos hidrotérmicos) que permiten que las biomasas sólidas (tales como por ejemplo biomasas lignocelulósicas, biomasas derivadas de desechos orgánicos, desechos agrícolas y/o desechos derivados de la industria agrícola, o biomasas derivadas de desechos domésticos) sean convertidas en productos líquidos a fin de transformar un material voluminoso, que es difícil de manipular y tiene una baja densidad de energía, en un bioaceite que tenga una alta densidad de energía (es decir, un alto valor calorífico) y que pueda usarse tal cual como biocarburante y/o biocombustible, o como fuente de productos químicos o como fuente de biocarburantes y/o biocombustibles.

Pueden hallarse mayores detalles relativos a los tratamientos térmicos (tratamientos hidrotérmicos o tratamientos de licuefacción) de biomasas por ejemplo en “Energy Sources, Part A: Recover y , Utilization and Environmental Effects”, “Mechanisms of Thermochemical Biomass Conversion Processes, Part 3: Reactions of Liquefaction” (2008) , 30:7, páginas 649-659; o en “Energy & Environmental Science” (2008) , “Thermochemical biofuel production in hidrothermal media: A review of sub-and supercritical water Technologies”, 1, páginas 32-65.... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento que es para la producción de bioaceite a partir de biomasas que incluyan al menos un polisacárido y comprende los pasos de:

- someter a dicha biomasa a hidrólisis ácida en presencia de una solución acuosa de al menos un ácido orgánico seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de ácidos alquil- o aril-sulfónicos que tengan de C7 a C20 átomos de carbono, o de ácidos carboxílicos halogenados, a una temperatura que va desde 80ºC hasta 160ºC, obteniendo una primera mezcla que comprende una primera fase sólida y una primera fase acuosa;

- someter a dicha primera mezcla a hidrólisis enzimática obteniendo una segunda mezcla que comprende una segunda fase sólida y una segunda fase acuosa;

- someter a dicha segunda fase acuosa a fermentación en presencia de al menos una levadura oleaginosa obteniendo una suspensión acuosa que comprende células de dicha levadura oleaginosa;

- someter a dicha suspensión acuosa a tratamiento térmico obteniendo una fase oleosa que comprende bioaceite y una tercera fase acuosa, en donde dicho tratamiento térmico es realizado a una temperatura que va desde 150ºC hasta 330ºC.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en donde dichos ácidos alquil- o aril-sulfónicos tienen de C9 a C15 átomos de carbono.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en donde dicha primera temperatura va desde 100ºC hasta 150ºC.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho polisacárido es seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de celulosa, hemicelulosa o mezclas de las mismas.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha biomasa es una biomasa lignocelulósica.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en donde dicha biomasa lignocelulósica es seleccionada de entre los miembros del grupo que consta de:

- los productos de cosechas expresamente cultivadas para su uso energético, comprendiendo los subproductos, residuos y desechos de dichas cosechas o de su procesamiento;

- los productos de cultivos agrícolas, forestación y silvicultura, comprendiendo madera, plantas, residuos y subproductos de procesamientos agrícolas, de forestación y de silvicultura;

- los subproductos de agrocomestibles destinados a la alimentación humana o animal;

- los residuos tratados no químicamente de la industria papelera;

- el desecho procedente de la recogida diferenciada de desechos urbanos sólidos.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha biomasa es tratada sometiéndola a un preliminar proceso de molienda o cribado antes de ser sometida a hidrólisis ácida.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en donde dicha biomasa es tratada hasta obtener partículas que tienen un diámetro que va desde 0, 1 mm hasta 10 mm.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha biomasa está presente en la mezcla de reacción en una cantidad que va desde un 5% en peso hasta un 40% en peso con respecto al peso total de la mezcla de reacción.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho ácido orgánico que es al menos uno es soluble en agua y extraíble con un solvente orgánico insoluble en agua.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos ácidos alquil- o arilsulfónicos son seleccionados de entre los miembros del grupo que consta de ácido dodecilsulfónico, ácido paratoluenosulfónico, ácido 1-naftalenosulfónico, ácido 2-naftalenosulfónico, ácido 1, 5-naftalenodisulfónico o mezclas de los mismos.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos ácidos carboxílicos halogenados son seleccionados de entre los que tienen un número de átomos de carbono de no más de 20, tales como ácido trifluoroacético, ácido dicloroacético, ácido tricloroacético, ácido perfluorooctanoico o mezclas de los mismos.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho ácido orgánico que es al menos uno está presente en la solución acuosa a una concentración que va desde un 0, 1% en peso hasta un 5% en peso con respecto al peso total de la solución acuosa.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha hidrólisis ácida es realizada por espacio de un periodo de tiempo que va desde 20 minutos hasta 6 horas.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha primera fase sólida comprende lignina y celulosa.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha primera fase acuosa comprende al menos un azúcar que tiene de C5 a C6 átomos de carbono y dicho ácido orgánico que es al menos uno.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha primera mezcla es sometida a extracción con un solvente orgánico insoluble en agua.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en donde dicho solvente orgánico insoluble en agua es seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de: hidrocarburos halogenados tales como cloruro de metileno, monoclorobenceno, diclorobenceno o mezclas de los mismos; hidrocarburos aromáticos tales como tolueno, xileno

o mezclas de los mismos; y alcoholes alifáticos de C4-C6 tales como n-butanol, n-pentanol o mezclas de los mismos.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho procedimiento comprende el paso de reutilizar dicho ácido orgánico que es al menos uno en dicha hidrólisis ácida.

20. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho procedimiento comprende el paso de reutilizar dicho solvente orgánico que es al menos uno y es insoluble en agua en dicha extracción.

21. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha segunda fase sólida comprende lignina.

22. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha segunda fase acuosa comprende al menos un azúcar que tiene de C5 a C6 átomos de carbono.

23. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha fermentación es realizada a una temperatura que va desde 20ºC hasta 40ºC.

24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha fermentación es realizada por espacio de un periodo de tiempo que va desde 3 días hasta 10 días.

25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha fermentación es realizada a un pH que va desde 4, 5 hasta 6, 5.

26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha levadura oleaginosa es seleccionada de entre los miembros del grupo que consta de: Rhodotorula glutinis, Rhodotorula gracilis, Rhodotorula graminis, Lypomices starkeyi, Lypomices lipofer, Trigonopsis variabilis, Candida kefyr, Candida curvata, Candida lipolytica, Torulopsis sp. y Pichia stipitis.

27. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha fermentación es una fermentación alimentada.

28. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha suspensión acuosa, al final de la fermentación, es enviada a un tratamiento de espesamiento en donde la concentración de las células de levadura es llevada a valores que van desde un 5% en peso hasta un 50% en peso con respecto al peso total (peso en seco) de la suspensión acuosa.

29. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho tratamiento térmico es realizado a una presión que va desde 0, 1 MPa hasta 25 MPa.

30. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho tratamiento térmico es realizado por espacio de un periodo de tiempo igual a 1 minuto o de más de 1 minuto.

31. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho tratamiento térmico es realizado por espacio de un periodo de tiempo que va desde 0, 5 horas hasta 2 horas.

32. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde al final de dicho tratamiento térmico la mezcla obtenida (fase oleosa + fase acuosa) es enfriada hasta una temperatura que va desde 40ºC

hasta 90ºC, antes de ser aportada a una sección de separación/recuperación de las fases siguientes: dicha fase oleosa que comprende bioaceite y dicha tercera fase acuosa.

33. Procedimiento según la reivindicación 32, en donde dicha tercera fase acuosa es enviada de regreso a la fermentación.