Tratamiento de biomasa para producir materiales útiles para biocombustibles.

Un método que comprende:

(a) proporcionar una biomasa que contiene polisacáridos;

(b) poner en contacto la biomasa con una solución que contiene al menos un ácido α-hidroxisulfónico, hidrolizando de esta manera la biomasa para producir al menos un producto que contiene azúcar fermentable; y

(c) opcionalmente, retirar el ácido α-hidroxisulfónico en su forma componente del producto por calentamiento y/o reducción de la presión para producir un producto con ácido retirado que contiene al menos un azúcar fermentable sustancialmente libre del ácido α-hidroxisulfónico.

Tratamiento de biomasa para producir materiales útiles para biocombustibles Campo de la invención La invención se refiere a un proceso para tratar biomasa y, más específicamente, a un pretratamiento de biomasa para la producción de azúcares a partir de materiales que contienen polisacáridos, para su uso en biocombustible u otros productos de alto valor.

Antecedentes de la invención La biomasa lignocelulósica se considera un recurso renovable abundante para combustibles y productos químicos debido a la presencia de azúcares en las paredes celulares de las plantas. Más del 50 % del carbono orgánico en la superficie de la tierra está contenido en las plantas. Esta biomasa lignocelulósica está comprendida por hemicelulosa, celulosa y porciones más pequeñas de lignina y proteína. La celulosa es un polímero comprendido en su mayor parte por glucosa polimerizada por condensación y la hemicelulosa es un precursor para los azúcares de pentosa, principalmente xilosa. Estos azúcares pueden convertirse fácilmente en combustible y componentes valiosos, con la condición de que se liberen de las paredes celulares y polímeros que los contienen. Sin embargo, las paredes celulares de las plantas han desarrollado una considerable resistencia a los microbios, degradación mecánica o química para producir los azúcares componentes. Se ha realizado un número de enfoques para superar esta contumacia y la degradación de estos polímeros en azúcares, la sacarificación, tiene una larga historia. Los métodos generales se esbozan esquemáticamente en la Figura 1.

Los enfoques originales que datan de principios del siglo XIX implican una hidrólisis completa usando ácidos minerales concentrados, tales como ácido clorhídrico, nítrico o sulfúrico. Se han logrado numerosas ventajas para estos procesos, consiguiendo mayores rendimientos de azúcar a partir de la materia prima de biomasa. Estos enfoques con mayor concentración de ácido proporcionan mayores rendimientos de azúcares, pero debido a razones económicas y medioambientales los ácidos deben recuperarse. El principal obstáculo para la práctica de esta forma de sacarificación han sido los desafíos asociados con la recuperación del ácido (M. Galbe y G. Zacchi, A review of the production of ethanol from softwood, Appl. Microbiol. Biotechnol. 59 (2002) , pág. 618-628) . Se han descrito recientes esfuerzos hacia la separación de ácido sulfúrico y azúcares usando una separación mediante resina de iones, o ácido clorhídrico y azúcares mediante extracción con amina y posterior regeneración térmica del ácido, en la Patente de Estados Unidos Nº 5.820.687 y en el documento WO2010026572. Ambos enfoques son complejos y caros.

Se han intentado también procesos con ácido diluido para realizar la sacarificación química, y uno de estos ejemplos es el proceso Scholler -Tornesch. Sin embargo, el uso de ácido diluido requiere mayores temperaturas y esto normalmente da como resultado bajos rendimientos de los azúcares deseados debido a la degradación térmica de los monosacáridos. En el pasado se han realizado numerosos enfoques de este tipo, y todos han fallado para satisfacer los obstáculos económicos. Véase Lim Koon Ong, Conversion of lignocellulosic biomass to fuel ethanol-A brief review, The Planter, Vol. 80, Nº 941, agosto de 2004 y Cell Wall Saccharification, Ralf MÃller, Outputs from the EPOBIO project, 2006; Publicado por CPL Press, Tall Gables, The Sydings, Speen, Newbur y , Berks RG14 1RZ, RU.

La sacarificación de la celulosa enzimáticamente mantiene la promesa de mayores rendimientos de azúcares en condiciones más moderadas y, por lo tanto, se considera que es mucho más económicamente atractiva. La contumacia de la biomasa en bruto para la hidrólisis enzimática necesita un pretratamiento para potenciar la susceptibilidad de la celulosa a las enzimas hidrolíticas. Se ha desarrollado un número de métodos de pretratamiento tal como se describe en Nathan Mosier, Charles Wyman, Bruce Dale, Richard Elander, Y. Y. Lee, Mark Holtzapple, Michael Ladisch "Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass" Bioresource Technology 96 (2005) pág. 673-686, para alterar la composición estructural y química de la biomasa para mejorar la conversión enzimática. Tales métodos incluyen el tratamiento con explosión de vapor ácido diluido descrito en la Patente de Estados Unidos Nº 4.461.648, pretratamiento hidrotérmico sin la adición de productos químicos descrito en el documento WO 2007/009463 A2, explosión por congelación de amoniaco descrita en AFEX; Holtzapple, M. T., Jun, J., Ashok, G., Patibandla, S.L., Dale, B.E., 1991, The ammonia freeze explosion (AFEX) process-a practical lignocellulose pretreatment, Applied Biochemistr y and Biotechnology 28/29, pág. 59-74 y la extracción con organosolve descrita en la Patente de Estados Unidos Nº 4.409.032. A pesar de esto, el tratamiento se ha citado como el proceso más caro en la conversión de biomasa a combustibles ("Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production" Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48 (8) , 37133729.)

Un pretratamiento que se ha explorado exhaustivamente es el proceso con ácido sulfúrico diluido (H2SO4) a alta temperatura que hidroliza eficazmente la porción hemicelulósica de la biomasa hacia azúcares solubles y expone la celulosa de manera que la sacarificación enzimática sea exitosa. Los parámetros que pueden emplearse para controlar las condiciones del pretratamiento son tiempo, temperatura y carga de ácido. Estos a menudo se combinan en una ecuación matemática denominada factor de severidad combinado. En general, cuanto mayor sea la carga de

ácido empleada, menor será la temperatura que puede emplearse; esto es a expensas del ácido y su reciclado. A la inversa, cuanto menor es la temperatura, mayor es el tiempo que tarda el proceso de pretratamiento; esto es a expensas de la productividad volumétrica. Es deseable reducir la temperatura porque los azúcares de pentosa se descomponen fácilmente para formar furfurales y otras especies que representan una pérdida de rendimiento, y estos compuestos son venenos para la fermentación aguas abajo. Sin embargo, el uso de mayores concentraciones de ácido requeridas para reducir las temperaturas de pretratamiento por debajo de la cual la formación de furfural resulta fácil (B. P. Lavarack, G. J. Griffin, D. Rodman "The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to product xylose, arabinose, glucose and other products." Biomass and Bioenergy 23 (2002) pág. 367-380) , una vez más requiere la recuperación del ácido fuerte. Si se emplean corrientes de ácido diluido y mayores temperaturas la reacción de pretratamiento produce mayores cantidades de furfural y el ácido que pasa hacia aguas abajo debe neutralizarse, dando como resultado sales inorgánicas que complican el procesamiento aguas abajo y que requieren sistemas de tratamiento de agua residual más caros.

El documento WO2010/046051 describe un proceso para la producción de lípidos a partir de biomasa incluyendo, al menos, un polisacárido que comprende: someter dicha biomasa a hidrólisis ácida en presencia de una solución acuosa de al menos un ácido orgánico seleccionado entre ácidos alquil-o aril-sulfónicos que tienen de C7 a C20 átomos de carbono, preferentemente de C9 a C15 átomos de carbono, o a partir de ácidos carboxílicos halogenados, a una temperatura que varía de 80 º C a 160 º C, preferentemente de 100 º C a 150 º C, obtener una primera mezcla que comprende una primera fase sólida y una primera fase acuosa; someter dicha primera mezcla a hidrólisis enzimática obteniendo una segunda mezcla que comprende una segunda fase sólida y una segunda fase acuosa; someter dicha segunda fase acuosa a fermentación en la presencia de al menos una levadura oleaginosa obteniendo una biomasa celular oleaginosa que comprende lípidos. Para recuperar los ácidos sulfónicos usados en el documento WO2010/046051 es necesaria extracción, que requiere cantidades significativas de disolventes orgánicos.

Sumario de la invención Dada la información anterior, es deseable utilizar un ácido fuerte que se invierta fácilmente hacia componentes recuperables y/o reciclables, preferentemente neutros. Tal sistema sería beneficioso tanto para métodos de hidrólisis de ácido concentrado como para pretratamiento de biomasa con ácido diluido.

En una realización la presente invención comprende un método que comprende: (a) proporcionar una biomasa que contiene polisacáridos; y (b) poner en contacto la biomasa con una solución que contiene al menos un ácido αhidroxisulfónico, hidrolizando de esta manera la biomasa para producir al menos un producto que contiene... [Seguir leyendo]

1. Un método que comprende:

(a) proporcionar una biomasa que contiene polisacáridos;

(b) poner en contacto la biomasa con una solución que contiene al menos un ácido α-hidroxisulfónico, hidrolizando de esta manera la biomasa para producir al menos un producto que contiene azúcar fermentable; y

(c) opcionalmente, retirar el ácido α-hidroxisulfónico en su forma componente del producto por calentamiento y/o reducción de la presión para producir un producto con ácido retirado que contiene al menos un azúcar fermentable sustancialmente libre del ácido α-hidroxisulfónico.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 donde el ácido α-hidroxisulfónico está presente en una cantidad de aproximadamente el 1 % en peso a aproximadamente el 55 % en peso, basado en la solución.

3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 donde el ácido α-hidroxisulfónico se produce a partir de (a) un compuesto de carbonilo o un precursor de un compuesto de carbonilo con (b) dióxido de azufre o un precursor para un dióxido de azufre y (c) agua.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 donde el α-hidroxisulfónico se genera in situ.

5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 donde la etapa (b) se realiza a una temperatura dentro del intervalo de aproximadamente 50 º C a aproximadamente 150 º C y a una presión dentro del intervalo de 1 barg a aproximadamente 10 barg.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 donde el al menos un azúcar fermentable comprende al menos una pentosa y/o al menos una hexosa.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 donde en la etapa (b) se producen al menos una pentosa y al menos una hexosa.

8. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende adicionalmente (d) separar una corriente líquida que contiene dicho azúcar fermentable y una corriente sólida húmeda que contiene la biomasa restante del producto al que se ha retirado el ácido.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 que comprende adicionalmente (e) hidrolizar la corriente sólida húmeda produciendo de esta manera una corriente de azúcar.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9 que comprende adicionalmente (f) fermentar la corriente de azúcar produciendo de esta manera productos fermentados.

11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende adicionalmente hidrolizar y fermentar la corriente que contiene azúcar fermentable produciendo de esta manera productos fermentados.

12. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 donde el ácido α-hidroxisulfónico retirado como componentes se recicla a la etapa (b) como componentes o en su forma recombinada.

13. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 donde la biomasa está en contacto con el ácido α-hidroxisulfónico a una temperatura de 120 º C o menor.

14. Un método que comprende:

(a) proporcionar una biomasa que contiene polisacáridos;

(b) poner en contacto la biomasa con una solución que contiene al menos un ácido α-hidroxisulfónico, hidrolizando de esta manera la biomasa para producir al menos un producto que contiene azúcar fermentable;

(c) calentar el al menos un producto que contiene azúcar fermentable hasta una temperatura de al menos 110 º C, produciendo de esta manera una corriente que contiene furfural; y

(d) retirar el ácido α-hidroxisulfónico en su forma componente de la corriente que contiene furfural por calentamiento y/o reducción de la presión para producir un producto con ácido retirado que contiene furfural sustancialmente libre del ácido α-hidroxisulfónico; y

(e) opcionalmente, reciclar el ácido α-hidroxisulfónico retirado como componentes o en su forma recombinada a la etapa (b) .

15. Una composición que comprende (a) biomasa que contiene polisacáridos, (b) al menos un ácido αhidroxisulfónico y (c) agua.

16. La composición de la reivindicación 15 que comprende adicionalmente (d) al menos un azúcar fermentable.