Separación de celulosa reactiva de biomasa lignocelulósica con alto contenido de lignina.

Un proceso para producir celulosa reactiva a partir de biomasa lignocelulósica que tiene un contenido de hemicelulosa y un contenido de lignina,

que comprende las etapas de:

(a) pretratar la biomasa lignocelulósica con vapor;

(b) mantener la biomasa lignocelulósica a una presión equivalente a una presión de vapor saturado a una primera temperatura preseleccionada hasta conseguir un grado preseleccionado de hidrólisis de hemicelulosa;

(c) comprimir la biomasa pretratada a presión para retirar de 80 a 90 % del hidrolizado de hemicelulosa, obteniéndose biomasa extraída pretratada;

(d) poner en contacto la biomasa extraída pretratada con un disolvente para hidrolizar y disolver la lignina en la biomasa extraída pretratada;

(e) mantener la biomasa extraída pretratada en contacto con el disolvente durante un periodo de tiempo seleccionado a una segunda temperatura preseleccionada;

(f) lavar la mezcla de biomasa pretratada a presión con disolvente adicional para retirar la lignina de la mezcla de biomasa pretratada y obtener una biomasa lavada con disolvente;

(g) someter la biomasa lavada con disolvente a descompresión explosiva para obtener una corriente de celulosa purificada y una corriente de vapor; y

(h) recoger la corriente de celulosa purificada y recuperar el disolvente en la corriente de vapor.

Separación de celulosa reactiva de biomasa lignocelulósica con alto contenido de lignina Campo de la invención

La invención se refiere a un proceso para fraccionar biomasa lignocelulósica. En particular, la invención se refiere a un proceso para fraccionar biomasa lignocelulósica en tres o más componentes, específicamente celulosa, hemicelulosa, lignina y otros constituyentes minoritarios de la biomasa presentes en cantidades menores, como es conocido por el documento DE 1973486 A1.

Antecedentes v descripción de la técnica anterior

Existe una demanda creciente de combustibles para transporte compuestos por materias primas renovables. Estos combustibles renovables desplazan a los combustibles fósiles dando como resultado una reducción de las emisiones de gases de invernadero, junto con otros beneficios.

En América del Norte, el etanol combustible es el combustible para transporte mayoritario. La materia prima del etanol combustible en América del Norte es principalmente maíz. El maíz contiene almidón, que se hidroliza a glucosa y se fermenta entonces a etanol. En otros países, tales como Brasil, el etanol combustible se prepara fermentando el azúcar de la caña de azúcar. Es ventajoso tiene una fuente adicional de azúcares como glucosa para preparar biocombustibles adicionales.

En el otro extremo del espectro de dificultad está la celulosa. La celulosa es uno de los materiales orgánicos más abundantes del mundo. Está presente en muchas formas de biomasa, incluyendo residuos agrícolas como rastrojo de maíz y mazorcas de maíz, residuos leñosos y otros materiales vegetales. La celulosa es un polímero de glucosa como el almidón.

Esta invención se orienta específicamente a los materiales de mayor contenido de lignina para producir celulosa reactiva pura valiosa por sí misma o como materia prima que se hidroliza fácilmente a glucosa y posteriormente se fermenta hasta productos valiosos tales como biocombustibles. Los componentes de celulosa purificada son valiosos con muchos fines. Específicamente, cuando se purifica, puede hidrolizarse más fácilmente a glucosa, que a su vez puede fermentarse más fácilmente a etanol que en procesos anteriores.

La biomasa lignocelulósica está compuesta por tres polímeros principales que constituyen las paredes de las células vegetales: celulosa, hemicelulosa y lignina. Las fibras de celulosa se entrelazan en una estructura rígida de hemicelulosa y lignina. La lignina y hemicelulosas forman complejos ligados químicamente que unen hemlcelulosas hidrosolubles en una matriz tridimensional, cementada por la lignina. La lignina cubre las mlcroflbrlllas de celulosa y las protege de la degradación enzimática y química. Estos polímeros proporcionan a las paredes de células vegetales fuerza y resistencia a la degradación, lo que hace a la biomasa lignocelulósica un reto para usar como sustrato para la producción de biocombustible.

Entre las materias primas lignocelulósicas potenciales, existe un Intervalo de contenidos de lignina. Las mazorcas de maíz tienen un bajo contenido de lignina (6-8 %), mientras que los cultivos leñosos tienen un contenido de lignina medio de 1-15 %. Los residuos de madera tienen un contenido de lignina aún mayor (2 a 3 %).

La celulosa o (3-1,4-glucano es un polímero polisacárido lineal de glucosa compuesto por unidades de celoblosa. Las cadenas de celulosa están empaquetadas por enlaces de hidrógeno en microfibrillas. Estas fibrillas se unen entre sí por hemicelulosas, polímeros amorfos de diferentes azúcares, y se cubren con lignina. La hemicelulosa es una barrera física que rodea las fibras de celulosa y protege a la celulosa frente a la degradación. La lignina es una molécula muy compleja constituida por unidades de fenilpropano ligadas en una estructura tridimensional que es particularmente difícil de biodegradar. La lignina es el componente más refractario de la pared celular vegetal. Existen enlaces químicos entre los polímeros de lignina, hemicelulosa y celulosa. Por tanto, es deseable usar una materia prima lignocelulósica que sea pobre en hemicelulosa y lignina. Existen evidencias de que cuanto mayor es la proporción de lignina, mayor es la resistencia a la hidrólisis química y biológica. Los procedimientos de pretratamiento para la producción de azúcares fermentables a partir de Miscanthus han mostrado la existencia de una relación inversa entre el contenido de lignina y la eficacia de la hidrólisis enzimática de polímeros basados en azúcares. Las microfibrillas lignocelulósicas están asociadas en forma de macrofibrillas. La complicada estructura y la presencia de lignina proporcionan a las paredes de células vegetales fuerza y resistencia a la degradación, lo que hace también de estos materiales un reto para usar como sustratos para la producción de biocombustible y bioproductos. Por tanto, es necesaria una preparación y pretratamiento apropiados para producir celulosa que sea relativamente pura y reaccione bien con un catalizador tal como enzimas.

El mejor procedimiento y condiciones de pretratamlento variarán y dependerán en gran medida del tipo de material lignocelulósico usado. La relación de celulosa-lignina es el factor principal. Otros parámetros para considerar son el área superficial accesible de celulosa, el grado de polimerización, la cristalinidad y el grado de acetilación de las hemicelulosas. Un pretratamiento eficaz debería satisfacer los siguientes requisitos: (a) producir fibra celulósica

reactiva pura, por ejemplo, sensible a hidrólisis enzimática, (b) evitar la destrucción de celulosa y hemicelulosas y (c) evitar la formación de posibles inhibidores por enzimas hidrolfticas y microorganismos termentadores.

Se han investigado varios procedimientos para el pretratamiento de materiales lignocelulósicos para producir celulosa reactiva. Estos procedimientos se clasifican en pretratamientos físicos, pretratamientos biológicos y pretratamientos fisicoquímicos. Los procedimientos físicos y biológicos solos no son suficientes. Se hace referencia a los pretratamientos que combinan tanto procesos químicos como físicos como procesos fisicoquímicos. Estos procedimientos están entre los más eficaces e incluyen los procesos más prometedores para aplicaciones industriales. La retirada de lignina e hidrólisis de hemicelulosa son a menudo casi completas. El aumento del área superficial de celulosa y la disminución de los grados de polimerización y cristalinidad de la celulosa aumentan en gran medida la reactividad global de la celulosa. Las velocidades de tratamiento son habitualmente rápidas. El proceso de explosión por vapor está bien documentado. Los procesos en lotes y continuo se han ensayado a escala de laboratorio y piloto por varios grupos de investigación y compañías. En el pretratamiento de explosión por vapor, se usan altas presiones y por ello altas temperaturas, concretamente de 16 a 26 °C durante 1 min a 2 min. La presión se reduce súbitamente, conduciendo la descompresión explosiva a una descomposición explosiva de los materiales, que conduce a la desfibración de las fibras lignocelulósicas.

El pretratamiento de explosión por vapor se ha aplicado exitosamente a un amplio intervalo de biomasas lignocelulósicas con o sin adición química. Ácido acético, ácido sulfúrico diluido o dióxido de azufre son los productos químicos más habitualmente usados. En el proceso de autohidrólisis, no se añade ácido ya que la biomasa tiene hemicelulosa que es rica en grupos acetilo, que se liberan formando ácido acético durante el proceso de aplicación de vapor. El grado de acetilación de las hemicelulosas varía entre las diferentes fuentes de biomasa. El pretratamiento no es muy eficaz para disolver la lignina, pero desestabiliza la estructura de lignina y aumenta la sensibilidad de la celulosa a hidrólisis enzimática.

El uso de amoniaco líquido en lugar de ácido diluido reduce eficazmente la fracción de lignina de los materiales lignocelulósicos. Sin embargo, durante el pretratamiento por explosión de fibra con amoniaco (AFEX), una parte de los fragmentos fenólicos de la lignina y otros extractos de pared celular permanecen sobre la superficie celulósica. El pretratamiento con AFEX no solubiliza significativamente la hemicelulosa si se compara con el pretratamiento con ácido diluido. En consecuencia, las fracciones de hemicelulosa y celulosa permanecen intactas y no pueden separarse en corrientes sólida y líquida. Además, el amoniaco debe reciclarse después del pretratamiento para reducir el coste y proteger el ambiente.

En el proceso Organosolv, se mezcla lignocelulosa con una mezcla de disolventes orgánicos y agua y se callenta para disolver la lignina y parte de la hemicelulosa, dejando... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para producir celulosa reactiva a partir de biomasa lignocelulósica que tiene un contenido de hemicelulosa y un contenido de lignina, que comprende las etapas de:

(a) pretratar la biomasa lignocelulósica con vapor;

(b) mantener la biomasa lignocelulósica a una presión equivalente a una presión de vapor saturado a una primera temperatura preseleccionada hasta conseguir un grado preseleccionado de hidrólisis de hemicelulosa;

(c) comprimir la biomasa pretratada a presión para retirar de 8 a 9 % del hidrolizado de hemicelulosa, obteniéndose biomasa extraída pretratada;

(d) poner en contacto la biomasa extraída pretratada con un disolvente para hidrolizar y disolver la lignina en la biomasa extraída pretratada;

(e) mantener la biomasa extraída pretratada en contacto con el disolvente durante un periodo de tiempo seleccionado a una segunda temperatura preseleccionada;

(f) lavar la mezcla de biomasa pretratada a presión con disolvente adicional para retirar la lignina de la mezcla de biomasa pretratada y obtener una biomasa lavada con disolvente;

(g) someter la biomasa lavada con disolvente a descompresión explosiva para obtener una corriente de celulosa purificada y una corriente de vapor; y

(h) recoger la corriente de celulosa purificada y recuperar el disolvente en la corriente de vapor.

2. El proceso de la reivindicación 1, en el que se añade un catalizador ácido a la biomasa lignocelulósica durante la etapa de mantenimiento de la biomasa lignocelulósica a presión, en el que opcionalmente el catalizador ácido es hasta un 5 % de la masa seca de la biomasa lignocelulósica.

3. El proceso de la reivindicación 1, en el que se añade un eluyente a la biomasa pretratada durante la etapa de compresión de la biomasa pretratada, en el que el eluyente es una solución que incluye agua.

4. El proceso de la reivindicación 1, en el que se pone en contacto un catalizador ácido con la biomasa extraída pretratada y se mantiene durante el periodo de tiempo seleccionado, en el que opcionalmente el catalizador ácido es hasta un 5 % de la masa seca de la biomasa extraída pretratada, y en el que preferiblemente el catalizador

ácido es ácido sulfúrico.

5. El proceso de la reivindicación 1, en el que la biomasa lavada con disolvente se descarga a presión en un lavador a presión a contracorriente para lavar la lignina de la biomasa lavada con disolvente y obtener una biomasa con un contenido de celulosa de 75 a 95 % y para recuperar el disolvente, en el que preferiblemente el contenido de celulosa es de aproximadamente 8 %.

6. El proceso de la reivindicación 1, en el que la biomasa lavada con disolvente se descomprime rápidamente

en un sistema de recuperación y se pasa rápidamente a un separador ciclónico para retirar los disolventes volátiles

por vaporización y recuperar una corriente de celulosa purificada, se lava la corriente de celulosa con agua para retirar y recoger el disolvente adicional.

7. El proceso de la reivindicación 1, en el que se lava la corriente de celulosa purificada con agua para purificación adicional de la corriente de celulosa y recuperación adicional de disolvente.

8. El proceso de la reivindicación 1, en el que se selecciona el disolvente del grupo consistente en alcohol, cetonas y trietilenglicol, en el que preferiblemente el alcohol es metanol, etanol o butanol.

9. El proceso de la reivindicación 1, en el que:

(1) la primera temperatura preseleccionada es de 15 a 2 °C; o

(2) la primera temperatura preseleccionada es de 16 a 18 °C.

1. El proceso de la reivindicación 1, en el que se lleva a cabo una etapa inicial de precalentamiento con vapor antes de pretratar la biomasa lignocelulósica, y el precalentamiento se lleva a cabo a una temperatura preseleccionada de hasta 1 °C durante un periodo de 1 a 6 minutos para retirar el aire y ajustar el contenido de humedad de la biomasa lignocelulósica a entre 3 y 6 %.

11. El proceso de la reivindicación 1, en el que se añade disolvente a una relación de 2:1 a 1:1 en comparación con el contenido de sólidos de la biomasa extraída pretratada, en el que preferiblemente la relación es de 4:1 a 7:1.

12. El proceso de la reivindicación 1, en el que la segunda temperatura preseleccionada es de 18 a 2 °C y el periodo de tiempo seleccionado es de 2 minutos a 2 horas, en el que opcionalmente la etapa de extracción con disolvente y lavado de la mezcla de biomasa pretratada se controla para conseguir un contenido de lignina de 5 a 8 % en la corriente de celulosa purificada.

13. El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de compresión de la biomasa pretratada se controla de

tal modo que la corriente de celulosa purificada tiene entre 4 y 1 % de contenido del azúcar xilosa como monómero o polímeros del mismo.

14. El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de compresión de la biomasa pretratada se controla de tal modo que la corriente de celulosa purificada tiene un 6 ± 1 % de contenido del azúcar xilosa como monómero o

polímeros del mismo.

15. El proceso de la reivindicación 1, en el que la etapa de extracción con disolvente y lavado de la mezcla de biomasa pretratada se controla para conseguir un contenido de lignina de 5 a 8 % en la corriente de celulosa purificada.