Sistema y procedimiento para la extracción previa de la hemicelulosa mediante el uso de un proceso de tratamiento previo continúo de hidrólisis y explosión de vapor.

Sistema para el tratamiento previo de materia prima (14) de biomasa celulósica,

que comprende:

un primer reactor presurizado (12) que recibe la materia prima (14), en el cual la materia prima (14) eshidrolizada en el primer reactor presurizado (12);

un dispositivo de cierre (18) que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga de materiaprima del primer reactor presurizado (12), y un segundo acople presurizado a un segundo conjunto reactorpresurizado;

un drenaje para un líquido, que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima (14) enal menos uno del primer reactor presurizado (12) y el dispositivo de cierre (18);

recibiendo el segundo conjunto reactor presurizado la materia prima presurizada (14) del dispositivo decierre (18) a una presión algo mayor que la presión del primer reactor presurizado (12), y

un dispositivo de expansión aguas abajo del segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivode expansión libera rápidamente la presión de la materia prima (14) descargada del segundo conjuntoreactor presurizado, de modo que la materia prima (14) sufre una reacción de explosión de vapor,en el cual el primer reactor presurizado (12) y el segundo conjunto reactor presurizado incluyen cada unouna fase de vapor que recibe calentamiento por vapor de agua directo y una fase líquida para hacerreaccionar o calentar la materia prima.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2009/035273.

Solicitante: ANDRITZ INC..

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: One Namic Place Glens Falls, NY 12801 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: STROMBERG, BERTIL, SHIN,NAMHEE, PSCHORN,THOMAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • D21B1/36 SECCION D — TEXTILES; PAPEL.D21 FABRICACION DEL PAPEL; PRODUCCION DE LA CELULOSA.D21B MATERIAS PRIMAS FIBROSAS O SU TRATAMIENTO MECANICO.D21B 1/00 Materias primas fibrosas o su tratamiento mecánico (pretratamiento de materiales finamente divididos antes de la cocción D21C 1/00; métodos de refinado de la pulpa D21D 1/00; purificación de la suspensión de pulpa por medios mecánicos D21D 5/00). › Desintegración explosiva por reducción rápida de la presión.
  • D21C1/02 D21 […] › D21C PRODUCCION DE CELULOSA POR ELIMINACION DE SUSTANCIAS NO CELULOSICAS DE LAS MATERIAS QUE CONTIENEN LA CELULOSA; REGENERACION DE LIQUIDOS RESIDUALES; APARATOS PARA ESTE EFECTO.D21C 1/00 Tratamiento previo de materiales finamente divididos antes de la cocción (de papeles viejos D21C 5/02). › con el agua o el vapor.
  • D21C3/22 D21C […] › D21C 3/00 Reducción a pasta de las materias que contienen celulosa. › Otras características de los procedimientos de reducción a pasta.
  • D21C3/26 D21C 3/00 […] › Procedimientos de varios estadios.
  • D21C7/00 D21C […] › Lejiadoras.

PDF original: ES-2399580_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento para la extracción previa de la hemicelulosa mediante el uso de un proceso de tratamiento previo continúo de hidrólisis y explosión de vapor

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. La presente invención se refiere al tratamiento previo de materia prima de biomasa celulósica, tales como residuos agrícolas (incluidos tallos, forrajes y cortezas) , pajas e hierbas, residuos forestales y de aserradero (incluidas virutas y clareos triturados) . En particular, la invención se refiere a la hidrólisis previa y al tratamiento previo de explosión de vapor a fin de extraer azúcares de carbono de materias primas de biomasa.

2. Las altas presiones y/o las altas temperaturas son habituales en los tratamientos previos utilizados para generar alcoholes, por ejemplo etanol, de las materias primas celulósicas. En estos tratamientos previos habituales, algunos azúcares C5 se convierten en componentes que inhiben la fermentación del alcohol de los azúcares C6 en el paso de fermentación que sigue al tratamiento previo. La retirada de estos componentes inhibidores, tales como aldehídos (por ejemplo, HMF, furtural y formaldehido) , fenólicos monoméricos (por ejemplo vanilina y aldehído de coniferilo) , ácidos (por ejemplo ácido fórmico) y otros inhibidores, deberá aumentar la producción de alcohol en el paso de fermentación C6, después del tratamiento previo.

3. La patente US-A-4966 650 describe un procedimiento para fraccionar las ligninas de la lignocelulosa explotada por vapor a fin de proporcionar fracciones con diferentes propiedades.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

4. Se ha desarrollado un sistema para el tratamiento previo de materia prima de biomasa celulósica, que incluye: un primer reactor presurizado que recibe la materia prima, en el cual la materia prima es hidrolizada en el primer reactor presurizado; un dispositivo de cierre que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga del primer reactor presurizado, y un segundo acople presurizado a un segundo reactor presurizado; un drenaje para un líquido, que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima en al menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de cierre; recibiendo el segundo conjunto de reactor presurizado la materia prima del dispositivo de cierre a una presión algo mayor que la presión en el primer reactor presurizado, y un dispositivo de expansión aguas abajo del segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la materia prima descargada del segundo reactor presurizado, de modo que la materia prima sufra una reacción de explosión de vapor, donde el primer reactor y el segundo reactor incluyen cada uno una fase de vapor que recibe el calentamiento de vapor directo, y la reacción o calentamiento de la materia prima.

5. En otra realización, el sistema para el tratamiento previo de la materia prima de biomasa celulósica puede comprender: un primer reactor presurizado que recibe la materia prima, en el cual la materia prima es hidrolizada en el primer reactor a una presión manométrica en un rango de 1, 5 bares a 6 bares, y a una temperatura de al menos 110 grados Celsius; un dispositivo de cierre y extracción que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga de materia prima del primer reactor presurizado, y un segundo acople presurizado a un segundo reactor presurizado; una etapa de lavado que introduce líquido en la materia prima en al menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de cierre y extracción; un drenaje para retirar un líquido, incluyendo material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima en al menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de cierre y extracción; recibiendo el segundo conjunto de reactor presurizado la materia prima presurizada del dispositivo de cierre y extracción e infundiendo un vapor y vapor de agua en la materia prima en el segundo reactor presurizado, en el cual el conjunto de reactor aplica una presión manométrica a la materia prima en un rango de 8 bares a 25, 5 bares, y teniendo el segundo conjunto reactor presurizado una descarga presurizada acoplada a un conducto de descarga, y un dispositivo de expansión aguas abajo del segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la materia prima descargada del segundo reactor presurizado, de manera que la materia prima sufre una reacción de explosión de vapor.

6. Se ha desarrollado un procedimiento para el tratamiento previo de materia prima de biomasa celulósica que comprende: tratar previamente la materia prima en un primer reactor presurizado, en el cual la materia prima es hidrolizada en el primer reactor presurizado; descargar la materia prima del primer reactor presurizado a un primer dispositivo de cierre presurizado que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga de la materia prima del primer reactor presurizado; mantener una fase de vapor en el primer reactor presurizado mediante la inyección de vapor en el primer reactor presurizado, en el cual el vapor inyectado proporciona energía térmica a la materia prima en el primer reactor presurizado; lavar la materia prima en una zona aguas abajo del primer reactor presurizado o el dispositivo de cierre presurizado; drenar un líquido, que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima de al menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de cierre presurizado; descargar la materia prima del dispositivo de cierre presurizado a través de un segundo acople a un segundo reactor presurizado; en el cual la materia prima se mantiene a una presión superior en el segundo reactor presurizado que en el primer reactor presurizado; en el segundo reactor presurizado, infundir a las células de la materia prima con

vapor o vapor de agua, inyectando vapor o vapor de agua en el segundo reactor presurizado, y liberar rápidamente la presión aplicada a la materia prima para provocar una expansión del vapor en las células de la materia prima, pudiendo refinarse la materia prima.

BREVE DESCRIPCIÒN DE LOS DIBUJOS

7. La FIGURA 1 ilustra un diagrama esquemático de un flujo a través de un proceso de dos reactores para el tratamiento previo de materia prima de biomasa celulósica.

8. La FIGURA 2 ilustra un sistema de reactor con un primer reactor inclinado con una entrada más baja que la descarga, y un segundo reactor horizontal.

9. La FIGURA 3 ilustra un sistema de reactor con un primer reactor inclinado con una entrada más alta que la descarga, y un segundo reactor horizontal.

10. La FIGURA 4 ilustra un sistema de reactor con un segundo reactor cónico.

11. La FIGURA 5 ilustra un sistema de reactor con una serie de separadores de ciclón.

12. La FIGURA 6 describe un sistema de reactor con un distribuidor de tornillo a presión.

13. La FIGURA 7 describe un sistema de reactor con un primer reactor vertical.

14. La FIGURA 8 ilustra una disposición alternativa de un sistema de reactor con un segundo reactor cónico.

DESCRIPCIÒN DETALLADA DE LA INVENCIÒN

15. La FIGURA 1 muestra un dibujo de flujo de un proceso 10 de tratamiento previo de la materia prima de biomasa celulósica, que tiene un primer reactor presurizado 12 para hidrolizar y disolver la hemicelulosa de la materia prima

14. La hemicelulosa se disuelve en un líquido para extraer azucares C5 antes de que la materia prima fluya a un segundo reactor presurizado 16, a fin de cocinar la celulosa restante de la materia prima. Un cierre presurizado 18 permite un flujo continuo de materia prima directamente del primer reactor 12 al segundo reactor 16.

16. La materia prima 14 puede ser un material de biomasa celulósica tales como residuos agrícolas (incluidos tallos, forrajes y cortezas) , pajas e hierbas, residuos forestales y de aserradero (incluidas virutas y clareos triturados) . La materia prima 14 se introduce en una cubeta de almacenamiento 20 donde se mantiene la materia prima, al menos temporalmente, a presión atmosférica. La cubeta de almacenamiento puede proporcionar una vaporización previa para calentar la materia prima. Desde la cubeta de almacenamiento 20, un transportador 22 lleva la materia prima a un dispositivo de cierre a presión 24, tal como una válvula giratoria, distribuidor de tornillo a presión o un MSD Impressafiner®, vendido por Andritz Inc, de Glens Falls, Nueva York, EE.UU. El dispositivo de cierre a presión 24 sirve como portal de entrada para la materia prima a un primer reactor presurizado 12.

17. En el primer reactor presurizado 12, se trata previamente la materia prima de biomasa celulósica utilizándose la hidrólisis,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema para el tratamiento previo de materia prima (14) de biomasa celulósica, que comprende:

un primer reactor presurizado (12) que recibe la materia prima (14) , en el cual la materia prima (14) es hidrolizada en el primer reactor presurizado (12) ; un dispositivo de cierre (18) que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga de materia prima del primer reactor presurizado (12) , y un segundo acople presurizado a un segundo conjunto reactor presurizado; un drenaje para un líquido, que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima (14) en al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el dispositivo de cierre (18) ; recibiendo el segundo conjunto reactor presurizado la materia prima presurizada (14) del dispositivo de cierre (18) a una presión algo mayor que la presión del primer reactor presurizado (12) , y un dispositivo de expansión aguas abajo del segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la materia prima (14) descargada del segundo conjunto reactor presurizado, de modo que la materia prima (14) sufre una reacción de explosión de vapor, en el cual el primer reactor presurizado (12) y el segundo conjunto reactor presurizado incluyen cada uno una fase de vapor que recibe calentamiento por vapor de agua directo y una fase líquida para hacer reaccionar o calentar la materia prima.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el cual el primer reactor presurizado (12) tiene una zona inferior que recibe la materia prima y una zona superior que incluye el orificio de descarga de materia prima, y el drenaje se encuentra en la zona inferior y descarga el material hemicelulósico disuelto del primer reactor presurizado (12) . en el cual el primer reactor presurizado (12) está preferentemente inclinado de manera que el orificio de descarga de la materia prima está situado en un extremo inferior del reactor, en el cual el drenaje para el material hemicelulósico disuelto pasa preferentemente a través de una válvula de reducción y a un depósito, comprendiendo además preferentemente una fuente (53, 32) de al menos un ácido suave, gas de dióxido de azufre (SO2) , oxígeno, aire comprimido, amoniaco, vapor, agua u otro agente catalizador, y en el cual la fuente (53, 32) está preferentemente acoplada a una entrada de al menos uno del primer reactor presurizado (12) o el segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivo de cierre (18) es preferentemente un distribuidor de tornillo presurizado, que comprende además preferentemente un dispositivo de descarga de reactor que recibe la materia prima

(14) del segundo conjunto reactor presurizado y que suministra la materia prima (14) al dispositivo de expansión, en el cual el segundo conjunto reactor presurizado incluye un segundo reactor presurizado (16) y un dispositivo de descarga (36) del reactor, acoplado a un orificio presurizado de descarga de la materia prima del segundo reactor a presión.

3. Sistema para el tratamiento previo de materia prima (14) de biomasa celulósica, que comprende:

un primer reactor presurizado (12) que recibe la materia prima (14) , en el cual la materia prima (14) se hidroliza en el primer reactor presurizado (12) a una presión manométrica en un rango de 1, 5 bares a 6 bares, y a una temperatura de al menos 110 grados Celsius; un dispositivo de cierre y extracción (18) que tiene un primer acople presurizado al orificio de descarga de la materia prima del primer reactor presurizado (12) y un segundo acople presurizado a un segundo conjunto reactor presurizado; una etapa de lavado (15) que introduce un líquido de lavado en la materia prima (14) en al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el dispositivo de cierre y extracción (18) ; un drenaje para retirar un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima (14) en al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el dispositivo de cierre y extracción; recibiendo el segundo conjunto reactor presurizado la materia prima presurizada (14) del dispositivo de cierre y extracción, e infundiendo un vapor o vapor de agua en la materia prima (14) , en el segundo conjunto reactor presurizado, aplicando el conjunto reactor una presión manométrica a la materia prima (14) en un rango de 8 bares a 25, 5 bares, y teniendo el segundo conjunto reactor presurizado una descarga presurizada acoplada a un conducto de descarga, y un dispositivo de expansión aguas abajo del segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la materia prima (14) descargada del segundo conjunto reactor presurizado, de manera que la materia prima (14) sufre una reacción de explosión de vapor.

4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado porque el dispositivo de cierre y extracción (18) es un dispositivo presurizado de cierre y extracción, e incluye un drenaje de líquido para el material hemicelulósico disuelto del dispositivo presurizado de cierre y extracción.

5. Sistema según las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque el segundo conjunto reactor presurizado incluye un segundo reactor presurizado (16) y un dispositivo de descarga (36) del reactor, acoplado a un orificio presurizado de descarga de la materia prima del segundo reactor a presión.

6. Sistema según la reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo de descarga del reactor incluye al menos uno de una refinadora de fresa de discos, una refinadora de discos de panel de fibras de densidad media (MDF) , un compresor de discos de alta presión o un distribuidor de tapón de descarga.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque el dispositivo de expansión reduce la presión de la materia prima (14) en al menos diez bares, en el cual el primer reactor presurizado (12) está preferentemente inclinado de modo que un extremo inferior del primer reactor presurizado (12) está opuesto a un extremo del primer reactor presurizado que tiene el orificio de descarga de la materia prima, y un drenaje en el extremo inferior del primer reactor presurizado descarga el material hemicelulósico disuelto del primer reactor presurizado (12) , comprendiendo además preferentemente una fuente (53, 32) de al menos uno de un ácido suave, gas de dióxido de azufre (SO2) , oxígeno, aire comprimido, amoniaco y un agente catalizador, vapor, agua, y la fuente (53, 32) va acoplada a una entrada de al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el segundo conjunto reactor presurizado, en el cual el segundo conjunto reactor presurizado incluye preferentemente un segundo reactor presurizado (16) , y un dispositivo de descarga (36) del reactor, acoplado a un orificio presurizado de descarga de la materia prima del segundo reactor a presión (16) .

8. Procedimiento para el tratamiento previo de materia prima (14) de biomasa celulósica, que comprende:

tratar previamente la materia prima (14) en un primer reactor presurizado (12) , en el cual la materia prima

(14) es hidrolizada en el primer reactor presurizado (12) ; descargar la materia prima (14) del primer reactor presurizado (12) a un dispositivo de cierre presurizado

(18) que tiene un primer acople presurizado a un orificio de descarga de la materia prima del primer reactor presurizado (12) ; mantener una fase de vapor en el primer reactor presurizado (12) mediante la inyección de vapor en el primer reactor presurizado (12) , en la cual el vapor inyectado proporciona energía térmica a la materia prima en el primer reactor presurizado (12) ; lavar la materia prima (14) en una zona aguas abajo del primer reactor presurizado (12) o el dispositivo de cierre presurizado (18) ; drenar un líquido, que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la materia prima (14) de al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el dispositivo de cierre presurizado (18) ; descargar la materia prima (14) del dispositivo de cierre presurizado (18) a través de un segundo acople, a un segundo reactor presurizado (16) , en el cual la materia prima (14) se mantiene a una presión superior en el segundo reactor presurizado (16) que en el primer reactor presurizado (12) ; en el segundo reactor presurizado (16) , infundir a las células de la materia prima (14) con vapor o vapor de agua, inyectando vapor o vapor de agua en el segundo reactor presurizado (16) , y liberar rápidamente la presión aplicada a la materia prima (14) infundida con el agua para provocar la expansión del vapor en las células de la materia prima (14) , y refinar la materia prima (14) .

9. Procedimiento según la reivindicación 8, que comprende además la introducción de al menos uno de un ácido suave, gas de dióxido de azufre (SO2) , oxígeno, aire comprimido, vapor, agua y agentes catalizadores a la materia prima (14) en al menos uno del primer reactor presurizado (12) y el segundo reactor presurizado (16) , en el cual la etapa de tratamiento previo de la materia prima (14) tiene lugar preferentemente en el primer reactor presurizado (12) que tiene una temperatura interna en un rango de 110ºC a 160ºC, una presión en un rango de 150 kPa a 600 kPa, y en el cual la materia prima (14) permanece preferentemente en el primer reactor presurizado (12) durante un periodo de 10 a 60 minutos, en el cual la etapa de tratamiento previo de la materia prima (14) tiene lugar preferentemente en el primer reactor presurizado (12) que tiene una temperatura interna en un rango de 110ºC a 175ºC, una presión en un rango de 150 kPa a 1000 kPa, y en el cual la materia prima (14) permanece preferentemente en el primer reactor presurizado (12) durante un periodo de 10 a 60 minutos, en el cual la materia prima (14) fluye preferentemente como una corriente continua a través del primer reactor presurizado (12) , el dispositivo de cierre presurizado (18) , el segundo reactor presurizado (16) , con la rápida liberación de la presión aguas abajo del segundo reactor presurizado (16) , en el cual la rápida liberación de la presión reduce preferentemente la presión de la materia prima (14) , en al menos 10 bares.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 y 9, en el cual la etapa de lavado tiene lugar entre la citada etapa de descarga y la citada etapa de drenaje, y lava el material hemicelulósico disuelto en dicha materia prima, entre el primer reactor presurizado (12) y el segundo reactor presurizado (16) .

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el cual la etapa de lavado se realiza a una temperatura por debajo de los 160ºC.

12. Procedimiento según las reivindicaciones 10 a 11, caracterizado porque la etapa de lavado se realiza a una 5 temperatura por debajo de 140ºC.

13. Proceso según las reivindicaciones 8 a 12, en el cual el proceso es un proceso continuo, en el cual la materia prima preferentemente fluye a través del primer y el segundo reactor presurizado (16) como un flujo continuo,

en el cual la inyección de vapor o el vapor de agua en el segundo reactor forma preferentemente una fase de vapor en el segundo reactor presurizado (16) .


 

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