Procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos a través de fermentación de biomasa y catálisis zeolítica.

Procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos, que comprende las siguientes etapas:

a. la reacción fermentativa de biomasa para formar compuestos orgánicos volátiles en un biorreactor;

b. la separación de los compuestos orgánicos volátiles mediante arrastre por gas con ayuda de un gas de soporte;

c. la adsorción de los compuestos orgánicos volátiles a partir de la corriente de gas;

d. la desorción del adsorbedor de los compuestos orgánicos volátiles adsorbidos;

e. la reacción catalítica de los compuestos orgánicos volátiles.

Procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos a través de fermentación de biomasa y catálisis zeolítica

Campo de la invención

La invención se refiere a un procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos a partir de biomasa. Estado conocido de la técnica

A partir de la bibliografía se conocen procesos que posibilitan la preparación de compuestos orgánicos a partir de alcohol obtenido por vía fermentativa. Estos procesos se componen, básicamente, de las etapas fermentación de azúcares, destilación del medio de fermentación, reacción catalítica del alcohol térmicamente separado para formar compuestos orgánicos y separación de los compuestos orgánicos del agua del proceso, (véanse, p. ej. los documentos US 3936353; CA 2360981).

Apartándose de lo anterior, de acuerdo con el documento de patente US 4690903, el alcohol obtenido por fermentación puede ser obtenido por sorción en un adsorbedor a partir del caldo de fermentación, teniendo lugar la sorción directamente en el caldo de fermentación. En el caso de una zeolita en calidad de adsorbedor es opcionalmente posible transferir las zeolitas cargadas a una zona de reacción en la que el alcohol sorbido se hace reaccionar catalíticamente con la zeolita para formar compuestos orgánicos.

Para una reacción de alcoholes para formar compuestos orgánicos con una baja relación oxígeno a carbono se adecúan, en particular, reacciones de deshidratación. Para esta deshidratación de alcoholes (la mayoría de las veces etanol) se describen en la bibliografía zeolitas del tipo MFI en la forma H (H-ZSM-5, SÍO2/AI2O3 > 10) en calidad de catalizador (véanse, p. ej., los documentos US 3936353; US 4690903; US 4621164; Oudejans et al. App. Catalysls Vol. 3, 1982, pág. 109; Aguayo et al., J. Chem. Technol. Blotechnol. Vol. 77, 2002, pág. 211). Además, se conocen también modificaciones de la zeolita H-ZSM-5, p. ej. mediante impregnación con metales/óxidos de metales o ácido fosfórico, a través de las cuales se puede influir sobre la selectividad de la reacción para dar eteno (documento US 4698452), o también sobre la selectividad de la reacción para formar compuestos aromáticos (documento WO 2007/137566 A1). Junto a zeolitas H-ZSM-5 se han investigado, como otros catalizadores para la deshidratación de etanol, también otros tipos de zeolita (documento US 4621164; Oudejans et al., App. Catalysis Vol. 3, 1982, pág. 109), tamices moleculares mesoporosos (Varisll et al., Chem. Eng. Sci. Vol. 65, 2010, pág. 153) e hidroxiapatito (Tsuchlda et al., Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 47; 2008, pág. 1443).

Conforme al estado conocido de la técnica, la deshidratación tiene lugar en un reactor de lecho fijo a temperaturas entre 150°C y 500°C, presiones absolutas de 1 bar a 100 bar y velocidades espaciales horarias de líquido (LHSV = caudal de precursor líquldo/volumen de catalizador) en el Intervalo de 0,5 h'1 a 50 h'1 (véase, p. ej., el documento US 4621164; Oudejans et al., App. Catalysis Vol. 3, 1982, pág. 109).

Mediante la mezcladura de la corriente de entrada de etanol con agua, puede aumentarse la proporción de componentes aromáticos en la corriente de producto y puede reducirse la desactivación del catalizador en virtud de una coqulzaclón (Oudejans et al., App. Catalysis Vol. 3, 1982, pág. 109). El rendimiento de compuestos orgánicos líquidos puede verse asimismo afectado por la variación de la proporción de agua (documento US 4621164). Una baja proporción de agua determina una elevada proporción de los compuestos orgánicos, y viceversa.

El documento WO 2008/066581 A1 describe un procedimiento para la preparación de al menos un buteno a partir de 2-butanol acuoso en presencia de agua; para ello, el butanol y el agua se hacen reaccionar entre sí. El reactivo de butanol/agua puede proceder, opcionalmente, del caldo de fermentación. Además, se propone que el caldo de fermentación clarificado sea tratado, por ejemplo mediante arrastre por gas. En este caso, se genera un gas de soporte enriquecido que comprende 2-butanol y agua. Este gas de soporte enriquecido puede emplearse directamente en la reacción para formar hidrocarburos, o puede someterse a una destilación, de manera que se obtiene una corriente acuosa de 2-butanol que puede ser empleada para la reacción para formar hidrocarburos. No obstante, no se enseña desorción alguna de compuestos orgánicos volátiles en el preludio de la reacción catalítica.

El documento WO 2010/037635 A1 describe un procedimiento de arrastre por gas con la adsorción a un

adsorbedor, así como la desorción del mismo. La desorción cumple el objetivo de poder utilizar de nuevo el

adsorbedor. Sin embargo, no se enseña qué medidas se han de tomar con el fin de mejorar una eventual reacción

catalítica dispuesta a continuación.

Lo desventajoso en todos los procedimientos correspondientes al estado conocido de la técnica para la preparación de compuestos orgánicos a partir de azúcares es que los productos secundarios de la fermentación volátiles (p. ej. furanos) así como los aditivos volátiles empleados habitualmente en la fermentación (p. ej. amoníaco en calidad de agente ajustador del pH) no pueden ser separados selectivamente. Estos conducen en la subsiguiente reacción catalítica a una desactivación del catalizador (de zeolita) y, por consiguiente, a una reducción de la actividad del catalizador y de la selectividad (véase, p. ej. Hutchings, Studies in Surface Science and Catalysis Vol. 61, 1991, pág. 405).

Asimismo, es desventajoso que conforme al estado conocido de la técnica, la fermentación necesaria para la preparación del alcohol no pueda ser acoplada directamente con la reacción catalítica. Sin embargo, la

fermentación es inhibida, por norma general, a concentraciones elevadas del producto intermedio, con lo cual se

delimita el rendimiento y la productividad (rendimiento espacio-tiempo) de compuestos orgánicos. Por ejemplo, Domínguez et al. (Biotech. Bioeng., 2000, Vol. 67, págs. 336-343) muestran que la reacción de azúcares C5 para formar etanol con la levadura Pichia stipitis es inhibida en el caso de etanol sólo al 2% (p/v). Asimismo, en el caso de la fermentación con clostridios para formar acetona, butanol y etanol, se observa una influencia inhibidora y crecientemente tóxica de los productos formados, de manera que no se superan, por norma general, concentraciones de butanol de 1,5% (p/v) (Hággstróm L., Biotech. Advs., 1985, Vol. 3, págs., 13-28).

En el caso de empleo de zeolitas para la sorción del alcohol en el medio de fermentación es adicionalmente desventajoso que el comportamiento de sorción de la zeolita disminuya con un tiempo de permanencia creciente en virtud de procesos de formación de incrustaciones. Asimismo, la separación de la zeolita de otros sólidos contenidos en el medio de fermentación (p. ej., células, productos secundarios del metabolismo, componentes de medios nutricios) es técnicamente compleja. Además, en el caso de los procedimientos de separación térmicos descritos en el estado conocido de la técnica para la separación del alcohol a partir del medio de fermentación es desventajoso el que en el caso de una simple destilación, la composición de la corriente de destilado quede limitada por la concentración de partida y por el equilibrio termodinámico de sustancias. Mediante la aplicación de una destilación o bien rectificación múltiple puede variarse la composición de la corriente de destilado. Sin embargo, en este caso es particularmente desventajoso que, en virtud de la condensación múltiple del destilado condicionada por el procedimiento sea necesario un elevado consumo de energía.

Sumario de la invención

Ante estos antecedentes, la misión de la presente invención estriba en desarrollar un procedimiento rentable para la preparación de compuestos orgánicos a partir de biomasa que elimine los inconvenientes del estado conocido de la técnica y permita un elevado rendimiento de compuestos orgánicos con una complejidad de aparatos lo más baja posible.

Este problema pudo resolverse, sorprendentemente, mediante la combinación de una fermentación con separación del producto a través de arrastre por gas, adsorción, desorción y reacción catalítica, con lo que es posible una transformación de biomasa en compuestos orgánicos, y en donde todas las etapas del procedimiento pueden discurrir en paralelo.

Por consiguiente, de acuerdo con la invención se proporciona un procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos, que comprende las siguientes etapas:

a. la reacción fermentativa de biomasa para formar compuestos orgánicos volátiles en un biorreactor;

b. la separación de... [Seguir leyendo]

1.- Procedimiento para la preparación de compuestos orgánicos, que comprende las siguientes etapas:

a. la reacción fermentativa de biomasa para formar compuestos orgánicos volátiles en un biorreactor;

b. la separación de los compuestos orgánicos volátiles mediante arrastre por gas con ayuda de un gas de soporte;

c. la adsorción de los compuestos orgánicos volátiles a partir de la corriente de gas;

d. la desorción del adsorbedor de los compuestos orgánicos volátiles adsorbidos;

e. la reacción catalítica de los compuestos orgánicos volátiles.

2.- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que en la etapa d del procedimiento, la proporción de compuestos orgánicos volátiles en la corriente de material desorbido oscila entre 10% (p/p) y 90% (p/p).

3.- Procedimiento según la reivindicación 2, en el que a continuación de las etapas a hasta e del procedimiento tiene lugar una condensación de la corriente de producto.

4.- Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las etapas a hasta e del procedimiento discurren en paralelo.

5.- Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que en el caso de los compuestos orgánicos volátiles se trata de alcoholes y/o cetonas y/o aldehidos y/o ácidos orgánicos.

6.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de soporte o bien los gases de soporte son retornados después de la adsorción y/o después de la reacción catalítica.

7.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por que, además, se llevan a cabo una o más de las etapas de procedimiento individuales bajo las siguientes condiciones:

a. la fermentación tiene lugar a temperaturas entre 10 y 70°C,

b. en el caso del arrastre por gas, la tasa de gasificación específica oscila entre 0,1 y 10 wm,

c. la temperatura en el caso de la adsorción oscila entre 10 y 100°C, y la presión oscila entre 0,5 y 10 bar,

d. la desorción tiene lugar a través de un aumento de la temperatura y/o un descenso de la presión,

e. la reacción catalítica tiene lugar a una temperatura de 150 a 500°C, una presión absoluta de 0,5 a 100 bar y una GHSV de 100 a 20000 h'1,

f. la condensación tiene lugar a través de un descenso de la temperatura y/o un aumento de la presión,

g. en el caso de la decantación, los compuestos orgánicos se separan en forma de la fase más ligera.

8.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones precedentes, en el que el adsorbedor es una zeolita.

9.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones precedentes, en el catalizador es una zeolita.

10.- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el adsorbedor es una zeolita que presenta una relación SÍO2/AI2O3 de al menos 100.

11.- Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 9, en el que en el caso del adsorbedor de zeolita y en el caso del catalizador de zeolita se trata del mismo material.

12.- Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el material de zeolita se carga en varias columnas paralelas que, en el sentido de una configuración en revólver, desplazadas una de otra en el tiempo, alternan entre varias etapas del procedimiento, eligiéndose estas etapas del procedimiento a partir de adsorción, desorción, reacción catalítica así como, posiblemente, regeneración.

13.- Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la desorción y la reacción catalítica desplazadas en el tiempo tienen lugar en cada caso en la misma columna.

14.- Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la adsorción, desorción y reacción catalítica tienen lugar en un único aparato.

15.- Procedimiento según la reivindicación 14, en el que en caso del aparato se trata de un adsorbedor radial, reactor de lecho de traslación o de un reactor de flujo aéreo.