Pretratamiento de biomasa lignocelulósica para eliminación de compuestos inhibidores.

Un procedimiento para pretratamiento de biomasa lignocelulósica,

que comprende las etapas de calentar la biomasa lignocelulósica con vapor de agua a una temperatura preseleccionada, a una presión preseleccionada y durante un tiempo preseleccionado para hidrolizar y solubilizar las hemicelulosas de la biomasa lignocelulósica, descomponiendo de forma explosiva la biomasa lignocelulósica mediante la liberación rápida de la presión para descomponer la biomasa lignocelulósica en fibras y extrayendo de la mezcla de reacción resultante una porción licuada de la biomasa lignocelulósica antes o después de la descomposición explosiva, para la eliminación de compuestos de la biomasa lignocelulósica que son inhibitorios para la hidrólisis enzimática de la celulosa y de la fermentación de azúcar a etanol, caracterizado en que la etapa de extracción se interrumpe una vez alcanzado en la mezcla de reacción un contenido de materia seca (dm) del 4% al 8% (p/p dm) de xilosa, como monómero u oligómero.

DESCRIPCION Pretratamiento de biomasa lignocelulósica para eliminación de compuestos inhibidores CAMPO DE LA INVENCIÓN 5 La presente invención se refiere en general a la producción de etanol a partir de biomasa y, en particular, a un procedimiento para el pretratamiento de biomasa lignocelulósica, como se conoce desde US 2008/0057555 A1. ANTECEDENTES DE LA INVENCION 10 El consumo mundial de energía se prevé que aumente un 54% entre 2001 y 2025. Para satisfacer las necesidades futuras, un considerable esfuerzo de investigación está siendo dirigido al desarrollo de fuentes sostenibles de energía neutras en carbono. Los biocombustibles representan una atractiva alternativa frente a los actuales combustibles derivados del petróleo, ya 15 que pueden ser utilizados en el transporte con pocos cambios en las tecnologías actuales y tienen un significativo potencial para mejorar la sostenibilidad y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los biocombustibles incluyen etanol combustible. El etanol combustible se produce a partir de la biomasa mediante la conversión del almidón o la celulosa en azúcares, tras la fermentación de los azúcares en etanol, y posteriormente 20 destilando y deshidratando el etanol para crear un combustible de alto octanaje que puede sustituir en todo o en parte a la gasolina. En América del Norte, la materia prima para la producción del etanol combustible es principalmente el maíz, mientras que en Brasil se utiliza la caña de azúcar. Hay desventajas en la utilización de plantas destinadas a alimentos o piensos para 25 producir combustible. Por otra parte, la disponibilidad de tales materias alimenticias está limitada por el área total disponible de tierra agrícola adecuada. Por lo tanto, se están haciendo esfuerzos para generar etanol desde fuentes no alimentarias, como la celulosa, y desde cultivos que no requieren tierra agrícola de primera. Una de dichas fuentes no alimentaria es la biomasa lignocelulósica. La biomasa lignocelulósica puede clasificarse en cuatro 30 categorías principales: (1) residuos de madera (aserrín, corteza u otros) , (2) residuos urbanos de papel, (3) residuos agrícolas (incluyendo el rastrojo de maíz, mazorcas de maíz y bagazo de caña de azúcar) , y (4) cultivos energéticos (principalmente compuestos de altas hierbas leñosas de rápido crecimiento, como el mijo y el miscanthus) . La biomasa lignocelulósica se compone de tres polímeros primarios que conforman las paredes celulares vegetales: 35 celulosa, hemicelulosa y lignina. Las fibras de celulosa se encuentran encerradas en una estructura rígida de hemicelulosa y lignina. La lignina y la hemicelulosa forman complejos químicamente ligados que unen a las hemicelulosas hidrosolubles en una matriz tridimensional, cementadas entre sí por la lignina. La lignina cubre las microfibrillas de celulosa y las protege de la degradación enzimática y química. Estos polímeros proporcionan fuerza y resistencia a la degradación a las paredes celulares vegetales, lo que constituye un desafío al uso de la biomasa lignocelulósica como sustrato para la producción de 40 biocombustibles. Hay dos enfoques principales para la producción de etanol combustible a partir de biomasa: termoquímico y bioquímico. Los procesos termoquímicos convierten la biomasa en un gas reactivo denominado gas de síntesis. El gas de síntesis se convierte a alta temperatura y presión en etanol a través de una serie de procesos catalizados. Los procesos bioquímicos 45 utilizan biocatalizadores denominados enzimas para convertir el contenido de celulosa y hemicelulosa en azúcares, que luego fermentan a etanol y otros combustibles tales como el butanol. La conversión bioquímica de la biomasa lignocelulósica en etanol, en general, implica cinco pasos básicos (1) Preparación previa, en la que la biomasa a tratar se limpia y es ajustada por tamaño y contenido de humedad; (2) Tratamiento previo, 50 con la exposición de la biomasa en crudo a alta presión y temperatura durante un tiempo específico; con o sin aditivos catalizadores; (3) Hidrólisis, mediante conversión de la biomasa pretratada a azúcares simples usando preparaciones especiales de enzimas para hidrolizar los polisacáridos de la pared celular vegetal pretratada a una mezcla de azúcares simples; (4) Fermentación, mediante bacterias o levaduras, para convertir estos azúcares a un combustible tal como etanol; y (5) Destilación y deshidratación del etanol/combustible. 55

Procesos de pretratamiento, tales como la explosión de vapor, generalmente originan amplia distribución de la hemicelulosa y, en cierta medida, la degradación de xilosa y glucosa a subproductos no deseados. Ciertos métodos de pretratamiento también pueden emplear el aditivo de ácidos para catalizar la hidrólisis de la hemicelulosa. A menudo, cuando la biomasa tiene suficientes residuos de acetato, se utilizan aditivos como el ácido sulfúrico sobre los azúcares de la 60 hemicelulosa para acidificar suficientemente la mezcla. También se pueden añadir álcalis durante el pretratamiento para eliminar la lignina. Sin embargo, ácidos y álcalis son en sí mismos inhibidores de la hidrólisis y de la fermentación. Por otra parte, la lignina y algunos derivados solubles de lignina son tóxicos para la levadura y también se han mostrado inhibidoras de la hidrólisis. Además, la hemicelulosa de algunas materias primas está altamente acetilada lo que significa que la descomposición y la licuefacción de la hemicelulosa, que se produce durante el pretratamiento, conduce a la formación de ácido acético. El ácido acético es un potente inhibidor de la hidrólisis y de la fermentación. Productos de descomposición 5 de la hemicelulosa tales como ácido acético, ácido fórmico, metil furfural y furfural hidroxilo, etc., que se producen durante el pretratamiento de la biomasa, permanecen en la biomasa pretratada y son transportados a través de las etapas de hidrólisis y fermentación, lo que afecta negativamente a los procesos enzimáticos y el proceso de fermentación. Un inhibidor clave de las actividades catalíticas de las enzimas celulolíticas son las formas solubles de la hemicelulosa, 10 predominantemente los xilo-oligosacáridos solubles, cadenas poliméricas solubles de xilosa. Los productos de descomposición de la hemicelulosa que permanecen en la biomasa pretratada y son transportados a través de las etapas de hidrólisis y fermentación pueden afectar negativamente a la conversión enzimática de la celulosa en glucosa, de manera predominante los xilo-oligosacáridos que deben ser eliminados. Los productos de descomposición de la hemicelulosa reducen la eficacia de las enzimas que hidrolizan la celulosa, lo que requiere un aumento de los niveles de enzima añadida, 15 el costo de lo cual es un factor importante en la provisión de un procedimiento comercial rentable. Además, el pretratamiento y las etapas de preparación también tienen un significativo impacto y la recuperación de una hemicelulosa utilizable (etc.) de uso corriente es igualmente importante como valor añadido. Además, todas las formas de biomasa lignocelulósica tienen algún nivel de esteroles, ácidos grasos, éteres y otros 20 productos extractivos, que también puede resultar inhibitorio. Diversas técnicas han sido exploradas y descritas para el pretratamiento de material de biomasa de tamaño reducido con el objetivo de producir un sustrato que pueda ser más rápida y eficientemente hidrolizado para producir mezclas de azúcares fermentables. 25 Estos enfoques tienen en común el uso de condiciones y procesos que aumentan en gran medida el área de superficie a la que los reactivos acuosos y las enzimas tienen acceso. En particular, aumentan el porcentaje de celulosa que se abre a la hidrólisis enzimática de celulosa en glucosa. Desafortunadamente, muchos de los productos de degradación liberados en la etapa de pretratamiento son también inhibidores, como descrito anteriormente, lo que retarda los procesos de hidrólisis y 30 fermentación posteriores. Esto resulta en un aumento de los costos de los bienes de equipo y deviene en un proceso antieconómico. Un enfoque para abordar el efecto inhibidor de todas estas sustancias es el uso de condiciones más severas del pretratamiento, que puede por ejemplo ser adaptado para hidrolizar y degradar eficazmente la hemicelulosa hasta el 35 punto de que muy poca xilosa y xilano-oligosacáridos permanecen para interferir con las enzimas de celulosa. Sin embargo este procedimiento crea otra importante desventaja al causar una significativa degradación de la celulosa, que reduce el rendimiento de la glucosa y en última instancia el rendimiento de etanol, a menudo originando una reducción de la eficiencia global del proceso de etanol comercialmente significativa. 40 En otro enfoque se utilizan xilanasas para hidrolizar... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para pretratamiento de biomasa lignocelulósica, que comprende las etapas de calentar la biomasa lignocelulósica con vapor de agua a una temperatura preseleccionada, a una presión preseleccionada y durante un tiempo preseleccionado para hidrolizar y solubilizar las hemicelulosas de la biomasa lignocelulósica, descomponiendo de forma 5 explosiva la biomasa lignocelulósica mediante la liberación rápida de la presión para descomponer la biomasa lignocelulósica en fibras y extrayendo de la mezcla de reacción resultante una porción licuada de la biomasa lignocelulósica antes o después de la descomposición explosiva, para la eliminación de compuestos de la biomasa lignocelulósica que son inhibitorios para la hidrólisis enzimática de la celulosa y de la fermentación de azúcar a etanol, caracterizado en que la etapa de extracción se interrumpe una vez alcanzado en la mezcla de reacción un contenido de materia seca (dm) del 4% al 10 8% (p/p dm) de xilosa, como monómero u oligómero. 2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el contenido de materia seca DM de xilosa es de aproximadamente 6%. 15 3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de extracción líquida se realiza separando los sólidos fibrosos del líquido de la biomasa lignocelulósica pretratada. 4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que un efluente se utiliza para aumentar el nivel de extracción de inhibidor, en el que la etapa de extracción efluente opcionalmente se realiza tras el previo tratamiento con una prensa de 20 tornillo, un filtro, un filtro-prensa, una prensa de cinta, una centrifugadora o una escurridora. 5. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la etapa de extracción efluente se realiza bajo una presión de hasta 24 bares (350 psi) , en el que opcionalmente la etapa de extracción líquida se realiza con un dispositivo sellado de compresión mecánica. 25 6. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la etapa de extracción líquida se realiza bajo una presión de hasta 24 bares (350 psi) , con un dispositivo de compresión mecánica sellado usando un efluente para mejorar la eliminación de inhibidor. 30 7. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que: (1) la etapa de extracción líquida se realiza tras pretratamiento con una prensa de tornillo, un filtro, un filtro-prensa, una prensa de cinta, una centrifugadora o una escurridora añadiendo un efluente; (2) la etapa de extracción líquida se realiza durante el pretratamiento bajo presión y después del pretratamiento tras reducir la presión; o 35 (3) la etapa de extracción líquida se realiza durante el pretratamiento bajo presión y después del pretratamiento con un efluente. 8. El procedimiento de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la etapa de eliminación se realiza para la eliminación de la hemicelulosa hidrolizada soluble en agua y para la hidrólisis de la hemicelulosa y para los componentes de la degradación y 40 para los mismos productos de degradación en suspensión o solubles en agua. 9. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que la hemicelulosa hidrolizada soluble en agua y la hidrólisis de hemicelulosa y los productos de la degradación incluyen xilo-oligosacáridos, xilosa, manosa-, galactosa-, ramnosa- y arabinosa- monómeros y oligómeros a base de azúcares, ácido acético y ácido fórmico. 45 10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que los otros componentes inhibitorios para los posteriores procedimientos de hidrólisis y fermentación de la celulosa son extraídos en las etapas de extracción, en el que opcionalmente los otros componentes son ácidos grasos, esteroles, ésteres, o éteres. 50 11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que los oligómeros solubles de xilosa creados en la hidrólisis de hemicelulosa durante el pretratamiento son 30% a 90% del xilano hidrolizado en la biomasa pretratada. 12. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2, en el que la biomasa lignocelulósica es pretratada por auto-hidrólisis o catálisis ácida diluida. 55 13. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2, en el que la eliminación se realiza mediante lavado a contracorriente usando agua como efluente. 14. El procedimiento de la reivindicación 5 y 6 y 13, en el que los orígenes del efluente son corrientes reciclables o agua 60 efluente reciclada.

15. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2, en el que una concentración combinada de xilosa y xilo-oligosacáridos en la biomasa pretratada tras las etapas de extracción/eliminación está entre 4% y 6% para minimizar la cantidad de enzimas celulolíticas necesaria para hidrolizar la celulosa reactiva obtenida.