Procedimientos de producción de etanol y coproductos a partir de biomasa celulósica.

Procedimiento de pretratamiento de materia prima de biomasa celulósica que comprende celulosa,

hemicelulosa, y lignina, comprendiendo el procedimiento:

poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica con un medio líquido ácido para formar una materia prima de biomasa impregnada con ácido, en el que la materia prima de biomasa impregnada con ácido comprende de 0,01 a 0,05 kg de ácido por kg materia prima de biomasa celulósica en base al peso en seco; poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O a una presión manométrica de 517 kPa a 1724 kPa y a una temperatura de 160 °C a 230 °C dentro de una zona de contacto para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa; someter la materia prima tratada con vapor dentro de una zona de despresurización a una presión manométrica controlada de 34,5 kPa a 344 kPa y a una temperatura controlada de 110 °C a 150 °C durante 2 a 30 minutos para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa y una fracción volatilizada de la materia prima tratada con vapor, en el que el control de la temperatura y la presión dentro de la zona de despresurización consiste básicamente en liberar al menos una parte de la fracción volatilizada de la misma; y

en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización es al menos un 5 % mayor que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de contacto, y en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización representa un rendimiento de xilosa de al menos un 60 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa celulósica.

Procedimientos de producción de etanol y coproductos a partir de biomasa celulósica Campo de la invención La presente invención se refiere a mejoras en uno o más aspectos de la preparación de etanol a partir de biomasa celulósica que incluyen, por ejemplo, procedimientos mejorados para la limpieza de materias primas de biomasa, impregnación ácida mejorada, y tratamiento con un vapor mejorado, o "explosión de vapor".

Antecedentes de la invención La biomasa lignocelulósica es una estructura compleja que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina en la que la celulosa y la hemicelulosa están unidas a la lignina. La celulosa es un polímero de D-glucosa con uniones ! [1-4] entre cada una de las aproximadamente 500 a 10.000 unidades de glucosa. La hemicelulosa es un polímero de azúcares, principalmente D-xilosa con otras pentosas y algunas hexosas con uniones ! [1-4] derivada de materiales herbáceos y diversas especies de madera dura. La lignina es un polímero aleatorio polifenólico complejo.

Existen una diversidad de fuentes ampliamente disponibles de biomasa lignocelulósica que incluyen, por ejemplo, rastrojos de maíz, residuos agrícolas (por ejemplo, paja, mazorcas de maíz, etc.) , materiales leñosos, cultivos energéticos (por ejemplo, sorgo, álamo, etc.) , bagazo (por ejemplo, caña de azúcar) . Por lo tanto, la biomasa lignocelulósica es un sustrato relativamente barato y fácilmente disponible para la preparación de azúcares, que se puede fermentar para producir alcoholes tales como etanol. El etanol tiene una diversidad de usos, incluyendo en combustibles. Por ejemplo, el etanol se puede usar como aditivo de la gasolina para elevar el número de octano, reducir la contaminación, y/o para reemplazar parcialmente a la gasolina y reducir las necesidades de petróleo.

En general, la preparación de etanol a partir de biomasa lignocelulósica implica (1) liberar la celulosa y la hemicelulosa de la lignina y/o aumentar la accesibilidad de la celulosa y la hemicelulosa a la hidrólisis enzimática, (2) despolimerizar los azúcares de los carbohidratos de la hemicelulosa y la celulosa en azúcares libres, y (3) fermentar los azúcares a etanol.

Los procedimientos por la preparación de etanol a partir de biomasa lignocelulósica son conocidos, pero aún queda la necesidad sin satisfacer de un procedimiento de producción de etanol que se pueda practicar de forma económica a escala comercial. Por ejemplo, existe la necesidad de procedimientos de producción de etanol que proporcionen una mejora de los rendimientos de etanol con respecto a los procedimientos convencionales y/o proporcionen coproductos útiles y mejorados de la producción de etanol.

Sumario de la invención La presente invención se refiere a procedimientos de pretratamiento de materia prima de biomasa celulósica que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina.

En una realización, el procedimiento comprende poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica con un medio ácido líquido para formar una materia prima de biomasa impregnada con ácido; en el que la materia prima de biomasa impregnada con ácido comprende de 0, 01 a 0, 05 kg de ácido por kg de materia prima de biomasa celulósica en base al peso en seco; poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O a una presión manométrica de 517 kPa a 1724 kPa y a una temperatura de 160 °C a 230 °C dentro de una zona de contacto para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa; someter la materia prima tratada con vapor dentro de una zona de despresurización a una presión manométrica controlada de 34, 5 kPa a 344 kPa y a una temperatura controlada de 110 °C a 150 °C durante 2 a 30 minutos para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa y una fracción volatilizada de la materia prima tratada con vapor, en la que el control de la temperatura y de la presión dentro de la zona de despresurización consiste básicamente en liberar al menos una parte de la fracción volatilizada de la misma; y en la que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización es al menos un 5 % mayor que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de contacto, y en la que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización representa un rendimiento de xilosa de al menos un 60 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa celulósica.

En otra realización, el procedimiento de la invención para el pretratamiento de materia prima de biomasa celulósica que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina, comprende poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica con un medio líquido ácido para formar una materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido en el que la materia prima de biomasa impregnada con ácido comprende de 0, 01 a 0, 05 kg de ácido por kg de materia prima de biomasa celulósica en base al peso en seco; poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O dentro de una zona de contacto que contiene una fase de vapor en la que la presión parcial de vapor de agua es al menos 379 kPa (manométrica) y la temperatura es de 150 °C a 240 °C para solubilizar la hemicelulosa y producir una fracción volatilizada de la materia prima impregnada con ácido; y liberar al menos una parte de la fracción volatilizada de la zona de contacto para controlar la presión en la zona de contacto durante 0, 1 a 5 minutos y producir una fracción líquida que comprende xilosa, en la que la presión se reduce en al

menos 207 kPa y la presión se controla de 172 kPa (manométrica) a 1034 kPa (manométrica) y la temperatura se controla de 130 °C a 185 °C, y en la que el contenido de xilosa de la fracción líquida representa un rendimiento de xilosa de al menos un 60 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa.

Otros objetos y características en parte serán evidentes y en parte se señalarán en lo sucesivo el presente documento.

Breve descripción de las figuras La Figura 1 representa el flujo de procedimiento de una realización de un procedimiento de producción de etanol.

La Figura 1A representa un procedimiento de limpieza en seco de la presente invención.

La Figura 2 representa un procedimiento de pretratamiento de la presente invención.

La Figura 3 representa un flujo de procedimiento de otra realización de un procedimiento de producción de etanol.

Los caracteres de referencia correspondientes indican las partes correspondientes en las figuras.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes En el presente documento se describen procedimientos mejorados para la producción de etanol a partir de biomasa lignocelulósica que incluyen, por ejemplo, procedimientos que proporcionan una mejora en el rendimiento de etanol. En el presente documento también se describen procedimientos que proporcionan diversos coproductos ventajosos. Como se detalla en el presente documento, las mejoras en el rendimiento de etanol y/o los coproductos ventajosos se pueden proporcionar mediante uno o más aspectos de diversos protocolos para el tratamiento de biomasa lignocelulósica que se puede usar en un procedimiento de producción de etanol.

Por ejemplo, se ha observado que diversos protocolos para el pretratamiento de biomasa lignocelulósica mejoran las eficacias de procedimiento. En general, estos protocolos de pretratamiento comprenden poner en contacto una materia prima de biomasa lignocelulósica con un medio líquido ácido en ciertas condiciones (por ejemplo, ciertas relaciones de masa de ácido con respecto a la alimentación de biomasa) . Como se usa en el presente documento, el término "pretratamiento" se refiere al procesamiento de la materia prima de biomasa antes de la hidrólisis de la biomasa lignocelulósica con la finalidad principal de producir azúcares fermentables por hidrólisis de hemicelulosa y/o celulosa.

Diversas realizaciones de la presente invención implican protocolos de pretratamiento que usan una materia prima y/o proporcionan una materia prima pretratada que tiene un contenido en sólidos relativamente alto (es decir, bajo contenido de humedad) . Diversos protocolos distintos proporcionan maneras prescritas para el contacto de la materia prima y el medio líquido ácido (por ejemplo, por remojo o pulverización) promoviendo la dispersión ventajosa del medio líquido ácido en la materia prima de biomasa. Estos y otros protocolos de pretratamiento también pueden usar procedimientos para la retirada de uno o más componentes volátiles por ventilación durante el contacto de la materia prima de biomasa... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de pretratamiento de materia prima de biomasa celulósica que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina, comprendiendo el procedimiento:

poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica con un medio líquido ácido para formar una materia prima de biomasa impregnada con ácido, en el que la materia prima de biomasa impregnada con ácido comprende de 0, 01 a 0, 05 kg de ácido por kg materia prima de biomasa celulósica en base al peso en seco; poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O a una presión manométrica de 517 kPa a 1724 kPa y a una temperatura de 160 °C a 230 °C dentro de una zona de contacto para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa; someter la materia prima tratada con vapor dentro de una zona de despresurización a una presión manométrica controlada de 34, 5 kPa a 344 kPa y a una temperatura controlada de 110 °C a 150 °C durante 2 a 30 minutos para producir una materia prima tratada con vapor que comprende una fracción líquida que comprende xilosa y una fracción volatilizada de la materia prima tratada con vapor, en el que el control de la temperatura y la presión dentro de la zona de despresurización consiste básicamente en liberar al menos una parte de la fracción volatilizada de la misma; y en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización es al menos un 5 % mayor que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de contacto, y en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización representa un rendimiento de xilosa de al menos un 60 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa celulósica.

2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el que la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido se pone en contacto con H2O en la zona de contacto en forma de vapor saturado a una presión manométrica de 689 kPa a 1379 kPa, o de 965 kPa a 1172 kPa.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2 en el que la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido se pone en contacto con H2O en la zona de contacto en forma de vapor saturado a una temperatura de 160 °C a 200 °C.

4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido se pone en contacto con H2O en la zona de contacto en forma de vapor saturado durante 1 a 15 minutos o de 2 a 10 minutos.

5. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que la presión manométrica dentro de la zona de despresurización es de 34, 5 kPa a 276 kPa y la temperatura es de 110 °C a 140 °C.

6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que la presión manométrica dentro de la zona de despresurización es de 69 kPa a 103 kPa y la temperatura es de 110 °C a 120 °C.

7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en el que la materia prima tratada con vapor se somete a condiciones eficaces para solubilizar hemicelulosa y producir una fracción volatilizada de la materia prima tratada con vapor en la zona de despresurización durante 5 a 20 minutos, o de 5 a 15 minutos.

8. El procedimiento de la reivindicación 7 en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida de la materia prima tratada con vapor dentro de la zona de despresurización representa un rendimiento de xilosa de al menos un 70 %, o al menos un 80 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa celulósica.

9. El procedimiento de la reivindicación 7 u 8 en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de despresurización es al menos un 10 %, al menos un 20 %, o al menos un 30 % mayor que el contenido de xilosa de la fracción líquida en la zona de contacto.

10. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en el que la fracción volatilizada de la materia prima tratada con vapor liberada de la zona de despresurización comprende furfural, ácido acético, vapor, o una combinación de los mismos.

11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en el que el procedimiento comprende:

poner en contacto continuamente la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O dentro de la zona de contacto; someter continuamente la materia prima tratada con vapor dentro de la zona de despresurización; y liberar continuamente al menos una parte de la fracción volatilizada de la zona de despresurización.

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en el que la zona de contacto y la zona de despresurización están contenidas dentro de un solo recipiente.

13. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en el que la zona de contacto y la zona de despresurización están contenidas dentro de recipientes separados.

14. Procedimiento para el pretratamiento de materia prima de biomasa celulósica que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina, comprendiendo el procedimiento:

poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica con un medio líquido ácido para formar una materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido, en el que la materia prima de biomasa impregnada con ácido comprende de 0, 01 a 0, 05 kg de ácido por kg de materia prima de biomasa celulósica en base al peso en seco; poner en contacto la materia prima de biomasa celulósica impregnada con ácido con H2O dentro de una zona de contacto que contiene una fase de vapor en la que la presión parcial de vapor de agua es al menos 379 kPa (manométrica) y la temperatura es de 150 °C a 240 °C para solubilizar hemicelulosa y producir una fracción volatilizada de la materia prima impregnada con ácido; y liberar al menos una parte de la fracción volatilizada de la zona de contacto para controlar la presión en la zona de contacto durante 0, 1 a 5 minutos y producir una fracción líquida que comprende xilosa, en el que la presión se reduce en al menos 207 kPa y la presión se controla de 172 kPa (manométrica) a 1034 kPa (manométrica) y la temperatura se controla de 130 °C a 185 °C, y en el que el contenido de xilosa de la fracción líquida representa un rendimiento de xilosa de al menos un 60 % en base al contenido de hemicelulosa de la materia prima de biomasa.

15. El procedimiento de la reivindicación 14 en el que la fracción volatilizada comprende ácido acético, furfural, hidroximetil furfural, gases condensables, o una combinación de los mismos.

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