Un método para formular un modelo NIR utilizado en el procesamiento de biomasa.

Un método para formular un modelo NIR, que comprende:

a) someter una pluralidad de muestras de materia prima de biomasa del mismo tipo a una espectroscopia de infrarrojo cercano para producir datos espectroscópicos NIR de cada una de dichas muestras;

b) medir las composiciones químicas de cada una de dichas muestras de materia prima mediante técnicas de química de fase húmeda;

c) medir los carbohidratos accesibles definidos como la cantidad total de mono y oligosacáridos solubilizados para cada una de dichas muestras de materia prima después del procesamiento bajo una condición definida de tratamiento previo/carga enzimática; y

d) generar dicho modelo NIR a partir de dichos datos espectroscópicos, de dichas composiciones químicas, y de dichas cantidades de mono y oligosacáridos solubilizados, donde dicho modelo NIR tiene la capacidad de anticipar la cantidad de carbohidrato accesible o recalcitrante producida a partir de una muestra de materia prima de prueba después del procesamiento bajo dicha condición definida de tratamiento previo/carga enzimática usando datos espectrales de dicha muestra de materia prima de prueba.

Un método para formular un modelo NIR utilizado en el procesamiento de biomasa

Campo de la Invención El presente documento se refiere a métodos y materiales implicados en determinar las características de composición de la biomasa de las plantas y la eficiencia de conversión de la biomasa para producir combustibles, químicos y/o calor y energía bajo diversas condiciones de procesamiento. Por ejemplo, el presente documento proporciona materiales y métodos para medir niveles de carbohidrato accesibles y para identificar material de plantas que tiene mayores niveles de carbohidrato accesibles,

Antecedentes de la Invención Las plantas almacenan la energía de la luz solar en la forma de enlaces químicos que componen las plantas. La energía almacenada en los materiales de plantas puede ser convertida a formas de energía tales como calor, electricidad y combustibles líquidos, dependiendo del material de planta empleado y el proceso aplicado para extraer la energía del mismo. Otros procesos pueden producir intermediarios químicos de biomasa de plantas que son útiles en una variedad de procesos industriales, por ejemplo, ácido láctico, ácido succínico, etc.

Los materiales de plantas han sido utilizados durante milenios por los humanos para generar calor mediante combustión directa en el aire. Para propósitos de construcción y procesos de calentamiento, este calor normalmente se utiliza para generar vapor, el cual es una fuente de calor más transportable utilizada para calentar construcciones diarias públicas utilizando intercambiadores de calor de diversos diseños. La producción de vapor también puede utilizarse para la transmisión de turbinas, el cual transforma la energía de calor en energía eléctrica. Estos procesos normalmente implican un proceso de combustión directo, simple del material de la planta solo, o un proceso de coencendido con carbón u otra fuente de energía.

Los combustibles tales como etanol pueden ser producidos a partir de materiales de plantas a través de un número de procesos diferentes. Por ejemplo, la sacarosa en la caña de azúcar puede ser extraída del material de la planta y fermentada directamente a etanol utilizando el microorganismo, tal como levadura de cerveza. Brasil ha convertido una parte significativa de su sector de transporte en etanol derivado de caña de azúcar, siempre que esto pueda ser realizado en una escala muy grande sobre un área geográfica extensa. Como otro ejemplo, el almidón procedente del maíz puede ser procesado utilizando α-amilasa y glucoamilasa para liberar la glucosa libre que subsecuentemente se fermenta a etanol. Los Estados Unidos utilizan una parte significativa de su cosecha de maíz para producir etanol procedente de almidón. Aunque estos avances son significativos, está limitada la capacidad de incrementar la cantidad de combustible de transporte de líquidos obtenido del material de la planta, y es insuficiente para lograr los objetivos de energía renovable mandados por la Federación debido a que únicamente una pequeña fracción de la energía solar capturada y transformada en energía química en las plantas, es convertida en biocombustibles en estos procesos industriales.

El material de las plantas puede ser utilizado para la producción de biocombustible celulósico mediante procesos bioquímicos que emplean enzimas y/o microorganismos o mediante procesos termoquímicos tales como tecnología de Biomasa a Líquidos (BtL) , utilizando catalizadores de alta temperatura y no enzimáticos. Estos también son 45 ejemplos de procesos termoquímicos/bioquímicos híbridos. Los procesos bioquímicos normalmente emplean tratamientos previos físicos y químicos, enzimas y microorganismos para destruir la matriz de lignocelulosa de la biomasa con el objeto de liberar la parte fermentable de la celulosa, hemicelulosa y otros carbohidratos de pared celular, los cuales son fermentados subsecuentemente a etanol a través de un microorganismo. Actualmente, están siendo desarrollados muchos diferentes métodos de procesamiento para la producción de biocombustible, los cuales emplean diferentes estrategias para tratamiento previo, cocteles de enzimas y microorganismos. Muchos de estos procesos están enfocados en la producción de etanol, aunque el etanol y otras moléculas útiles (por ejemplo, ácido láctico, ácido succínico, polialcanoatos, etc.) también pueden ser producidos en este tipo de proceso. La molécula del producto de conversión producida normalmente se define a través de los microorganismos seleccionados para fermentación.

Los procesos termoquímicos emplean temperaturas muy altas en un ambiente de bajo contenido de oxígeno (es decir O2) para degradar completamente los constituyentes orgánicos de la biomasa a syngas, compuesto en gran parte de gas de hidrógeno molecular (H2) y monóxido de carbono (CO) . Estas moléculas simples posteriormente son reformadas en moléculas más útiles y valiosas (combustibles o intermediarios químicos) utilizando un proceso de Fischer-Tropsch u otros métodos que emplean normalmente un catalizador químico de cierta clasificación. Estos procesos son efectivos para producir biocombustibles que son similares a los combustibles de hidrocarburo a base de petroquímicos actuales (es decir, gasolina, diesel, combustible de inyector) , aunque también se pueden producir otras moléculas de biocombustible en estos tipos de procesos (por ejemplo etanol, butanol, queroseno) .

Una forma variante de procesos termoquímicos utiliza pirólisis (es decir, degradación térmica en la ausencia total de oxígeno) para degradar parcialmente los constituyentes orgánicos presentes en las biomasas de las plantas a un bioaceite líquido químicamente heterogéneo. Esto sirve para incrementar la densidad de energía de la biomasa para facilitar el trasporte a instalaciones de procesamiento centralizadas, en donde el bioaceite se procesa en forma adicional hasta obtener una pizarra de producto deseada.

La viabilidad económica de los procesos de conversión de biomasa se ve impactada de manera significativa por la composición del material de la planta y su eficiencia de conversión a calor, electricidad, biocombustibles o intermediarios químicos bajo condiciones de procesamiento específicas. Para procesos bioquímicos que producen biocombustibles u otros químicos, la recalcitrancia de la matriz de lignocelulosa de la biomasa es un factor importante en la eficiencia de la conversión. Los métodos analíticos actuales para medir diversos parámetros relevantes para la conversión de los materiales de plantas a energía son lentos, costosos y requieren de mano de obra altamente experimentada para producir información precisa y confiable. El bajo rendimiento y alto costo de estos métodos limita su uso en la selección y cultivo de variedades de reservas de biomasa de plantas mejoradas en sus características de desempeño de conversión. Por las mismas razones, estos métodos están limitados en su uso por el monitoreo de diversos intermediarios del proceso durante el procesamiento de la biomasa. Estas dificultades en la reserva de alimentación y el desarrollo del proceso han limitado la realización del potencial de biocombustible celulósicos y obstaculizar el desarrollo de procesos económicamente viables.

El artículo “Rapid biomass analysis: New tools for compositional analysis of corn stover feedstocks and process intermediates from ethanol production”; APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY; 20030401; Hames Bonnie R; VOL 105-108; páginas 5-16 representa la técnica anterior relevante. La presente divulgación se refiere a un método de análisis de composición de materias primas de forraje de maíz utilizadas en la producción de etanol que combina espectroscopia NIR y análisis Multivarianza en el que en un paso de capacitación la composición química se determina mediante técnicas químicas de fase húmeda y en particular el contenido en azúcar no estructural se determina por análisis de composición. Además en la fase de capacitación se obtienen espectros de reflectancia NIR de la materia prima. Posteriormente, los datos composicionales y los datos espectroscópicos se combinan mediante regresión multivariable. En un ejemplo específico la biomasa es forraje de maíz para el que se obtienen los componentes de la composición glucano, galactano, arabinano y manano (“carbohidratos accesibles”) , a partir de los cuales, por cálculo y suponiendo una conversión del 100% de los azúcares del contenido de carbohidrato en etanol, puede determinarse el rendimiento de etanol. El proceso puede aplicarse como un análisis rápido para determinar, por ejemplo, el empobrecimiento de xilano (carbohidrato recalcitrante) lo que implica que el tratamiento previo es suficiente... [Seguir leyendo]

1. Un método para formular un modelo NIR, que comprende:

a) someter una pluralidad de muestras de materia prima de biomasa del mismo tipo a una espectroscopia de infrarrojo cercano para producir datos espectroscópicos NIR de cada una de dichas muestras; b) medir las composiciones químicas de cada una de dichas muestras de materia prima mediante técnicas de química de fase húmeda; c) medir los carbohidratos accesibles definidos como la cantidad total de mono y oligosacáridos solubilizados para cada una de dichas muestras de materia prima después del procesamiento bajo una condición definida de tratamiento previo/carga enzimática; y d) generar dicho modelo NIR a partir de dichos datos espectroscópicos, de dichas composiciones químicas, y de dichas cantidades de mono y oligosacáridos solubilizados, donde dicho modelo NIR tiene la capacidad de anticipar la cantidad de carbohidrato accesible o recalcitrante producida a partir de una muestra de materia prima de prueba después del procesamiento bajo dicha condición definida de tratamiento previo/carga enzimática usando datos espectrales de dicha muestra de materia prima de prueba.

2. El método de la reivindicación 1, en el que dicho paso de generación comprende la regresión de dichos datos espectrales con respecto a dichos datos de la composición química y dichas cantidades de mono y oligosacáridos.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende además:

e) medir la cantidad total de mono y oligosacáridos solubilizados para cada una de dichas muestras de materia prima después del procesamiento a través de una segunda condición definida de tratamiento previo/carga enzimática; y f) generar un segundo modelo NIR de dichas cantidades de mono y oligosacáridos solubilizados bajo dichas segundas condiciones definidas de tratamiento previo /carga enzimática, de dichos datos espectroscópicos y de dichos datos de la composición química.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la generación de dicho modelo NIR a partir de dichas composiciones químicas y de dichas cantidades de mono y oligosacáridos solubilizados comprenden generar dicho modelo NIR para carbohidrato recalcitrante.

5. Un método para seleccionar una planta, que comprende:

a) proporcionar una población de plantas de una especie de biomasa; b) recolectar datos de espectro NIR de una muestra de materia prima de cada una de las plantas en dicha población; c) aplicar a dichos datos de espectro el modelo NIR de carbohidrato accesible formulado en la reivindicación 1 en materias primas del mismo tipo que dicha muestra; d) anticipar la eficiencia de sacarificación de cada una de dichas muestras de materia prima, con base en los resultados de dicho paso de aplicación; y e) identificar una o más plantas en dicha población que tiene una mayor eficiencia de sacarificación anticipada relativa a la cantidad anticipada promedio de carbohidrato accesible para dicha población.

6. El método de la reivindicación 5, en el que dicha población de plantas es una población de plantas de pasto varilla, sorgo, hierba de plata o caña común.

7. Un método para determinar la cantidad de material de carbohidrato accesible en una muestra de materia prima, que comprende:

a) recolectar los datos de espectro NIR de una muestra de materia prima que será probada; b) aplicar el modelo NIR de carbohidrato accesible formulado en la reivindicación 1 en materias primas del mismo tipo que dicha muestra a dichos datos de espectro; y

c) anticipar la cantidad de material de carbohidrato accesible en dicha muestra de materia prima, con base en los resultados de dicho paso de aplicación.

8. Un método para determinar la cantidad de material de carbohidrato recalcitrante en una muestra de materia prima, que comprende:

a) recolectar los datos de espectro NIR de una muestra de materia prima que será probada; b) aplicar el modelo NIR de material de carbohidrato recalcitrante formulado en la reivindicación 1 en materias primas del mismo tipo que dicha muestra a dichos datos de espectro; y c) anticipar la cantidad de material de carbohidrato recalcitrante en dicha muestra de materia prima, con base en 65 los resultados de dicho paso de aplicación.

9. Un medio legible en computadora que comprende instrucciones del programa de computadora, que cuando se ejecutan a través de un procesador, llevan a cabo un método, comprendiendo el método:

a) recibir los datos de espectro NIR de una muestra de materia prima que será probada;

b) aplicar a dichos datos de espectro el modelo NIR de carbohidrato accesible formulado en la reivindicación 1 en las materias primas del mismo tipo que dicha muestra; yc) llevar a un sistema de Índice de cosecha la cantidad de material de carbohidrato accesible en dicha muestra de materia prima, con base en los resultados de dicho paso de aplicación.

10. Un método implementado en computadora, comprendiendo dicho método:

a) recolectar los datos de espectro NIR de una muestra de materia prima que será probada; b) aplicar a dichos datos de espectro el modelo NIR de carbohidrato accesible formulado en la reivindicación 1 en las materias primas del mismo tipo que dicha muestra; y

c) anticipar la eficiencia de sacarificación de dicha muestra de materia prima con base en la aplicación de dicho modelo NIR; y d) producir dicha eficiencia de sacarificación anticipada para ser utilizada por un sistema de índice de cosecha, estando configurado dicho sistema para determinar la calidad de la biomasa de las materias primas a partir de las cuales se obtiene dicha muestra de materia prima.

11. Un sistema que comprende:

una interfase para recibir los datos de espectro NIR de una muestra de materia prima; y el modelo NIR de carbohidrato accesible formulado en la reivindicación 1 en materias primas del mismo tipo que dicha muestra de materia prima, el cual produce, para ser utilizada por un sistema de índice de cosecha, una eficiencia de sacarificación anticipada de dicha muestra de materia prima con base en la aplicación de dicho modelo NIR, en donde dicho sistema de índice de cosecha está configurado para determinar la calidad de biomasa para las materias primas del mismo tipo que dicha muestra de materia prima.

12. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 y 7-11, en el que dicha muestra de materia prima es un material herbáceo.

13. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 y 7-11, en el que dicha muestra de materia prima comprende biomasa de pasto varilla, sorgo, hierba de plata o caña común. 35

14. El método de la reivindicación 7 u 8, que además comprende anticipar la cantidad de rendimiento de producto, con base en los resultados de dicho paso de aplicación.

15. El método de la reivindicación 14, en el que dicho rendimiento de producto es un rendimiento de biocombustible. 40