Método y sistema para sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica.

Método de sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica con el uso de recipientes de presión plurales,

comprendiendo el método una etapa de descarga y carga, una etapa de calentamiento, una etapa de hidrólisis, y una etapa de disminución de temperatura, que se llevan a cabo secuencialmente en cada uno de dichos recipientes de presión, en el que:

dicha etapa de descarga y carga es una etapa de retirada de una suspensión de cada uno de dichos recipientes de presión después de dicha etapa de disminución de temperatura y carga de una suspensión preparada por molienda de dicha biomasa celulósica y mezcla de dicha biomasa celulósica molida de ese modo con agua en el mismo recipiente de presión;

dicha etapa de calentamiento es una etapa de cierre hermético del recipiente de presión y calentamiento del recipiente de presión;

dicha etapa de hidrólisis es una etapa de hidrólisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulósica en sacáridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presión;

dicha etapa de disminución de temperatura es una etapa de evaporación por expansión instantánea de vapor de la suspensión a alta temperatura y alta presión contenida en el recipiente de presión para disminuir la temperatura del mismo;

se requiere el mismo tiempo para completar las tres etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrólisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrólisis es n veces (donde n es un número natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras tres etapas; y el número de recipientes de presión usado es un múltiplo de (3 + n); y

mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presión plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demás recipientes de presión lleva a cabo dicha etapa de disminución de temperatura y permite que se realice una recuperación de calor mediante el suministro de vapor de expansión instantánea descargado desde el recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de disminución de temperatura al recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de calentamiento.

Método y sistema para sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a un método de hidrólisis y a un sistema para producir de forma eficaz sacáridos a partir de biomasas, particularmente biomasas celulósicas, usadas como materiales de partida.

Descripción de la técnica relacionada Como parte de la utilización de energía de la biomasa, se han realizado intentos para obtener etanol (bioetanol) por hidrólisis de celulosa o hemicelulosa, que son los constituyentes principales de las plantas. Se planea que el etanol obtenido de ese modo se utilice como combustible para mezclar con combustible de automóvil o como combustible alternativo para la gasolina.

Los constituyentes principales de las plantas incluyen celulosa (un polímero de glucosa, que es un sacárido C6 que comprende seis átomos de carbono) , hemicelulosa (un polímero de un sacárido C5 que comprende cinco átomos de carbono y un sacárido C6) , lignina, almidón, y similares. El etanol se produce a partir de sacáridos, tales como un sacárido C5, un sacárido C6, y un oligosacárido que es un complejo de estos sacáridos, usados como materiales de partida, mediante la acción de la fermentación de una levadura fúngica o similar.

Se prevé el uso industrial de tres métodos de hidrólisis de una biomasa celulósica que comprende celulosa, hemicelulosa o similar en sacáridos, que incluyen: 1) un método de hidrólisis de tal biomasa mediante la potencia oxidativa de un ácido fuerte, tal como ácido sulfúrico; 2) un método de hidrólisis de tal biomasa mediante levadura; y 3) un método que utiliza la potencia oxidativa de agua supercrítica, agua subcrítica o similar. Sin embargo, el método hidrolítico 1) que usa un ácido requiere necesariamente un tratamiento para neutralizar el ácido añadido después de la hidrólisis de la celulosa o la hemicelulosa en sacáridos y antes de la fermentación de los sacáridos en etanol debido a que el ácido añadido actúa como inhibidor frente a la fermentación de la levadura o similar. El coste de tal tratamiento hace difícil poner en práctica este método en vista del aspecto económico.

La perspectiva para la realización a escala industrial el método de hidrólisis 2) que usa levadura es todavía incierta en vista de la rentabilidad debido a que aún no se ha encontrado una levadura eficaz para el método 2) y, si se encontrara, se espera que tal levadura acarree un alto coste de producción de la misma, aunque el método 2) se puede llevar a cabo mediante un proceso a temperatura normal y presión normal.

En cuanto al método 3) de hidrólisis de celulosa o similar en sacáridos mediante el uso de agua supercrítica o subcrítica, el documento de Patente 1 ha desvelado un método de producción de polisacáridos insolubles en agua, que se caracteriza por la hidrólisis de polvo celulósico al poner en contacto el polvo con agua caliente presurizada de 240 a 340 ºC. El documento de Patente 2 ha desvelado un método que incluye: hidrolizar astillas de biomasa con agua caliente presurizada a una presión de vapor saturada o superior de 140 a 230 ºC durante un período de tiempo predeterminado para extraer la hemicelulosa; y a continuación llevar a cabo la hidrólisis usando agua caliente presurizada calentada a una temperatura no inferior a la temperatura de hidrólisis de la celulosa para extraer celulosa. El documento de Patente 3 ha desvelado un método de producción de glucosa y/o celo-oligosacárido soluble en agua, que se caracteriza por que la celulosa que tiene un grado de polimerización medio no inferior a 100 se hidroliza mediante las etapas de: poner en contacto la celulosa con agua supercrítica o subcrítica a una temperatura no inferior a 250 ºC y no superior a 450 ºC y a una presión no inferior a 15 MPa y no superior a 450 MPa durante un período de tiempo no inferior a 0, 01 segundos y no superior a 5 segundos; enfriar la celulosa; y a continuación poner la celulosa en contacto con agua subcrítica a una temperatura no inferior a 250 ºC y no superior a 350 ºC y a una presión no inferior a 15 MPa y no superior a 450 MPa durante un período de tiempo no inferior a 1 segundo y no superior a 10 minutos.

Por otra parte, el documento de Patente 4 ha desvelado un método de tratamiento de un residuo de tipo biomasa, que incluye: colocar un objeto para tratamiento que contiene un disolvente que contiene alcohol de bajo peso molecular como componente principal y el residuo de tipo biomasa en un recipiente cerrado; y tratar el objeto mediante presurización y calentamiento del interior del recipiente cerrado de modo que el alcohol de bajo peso molecular alcance su estado supercrítico. Además, el documento de Patente 5 ha desvelado un método de hidrólisis y licuefacción de biomasa, que incluye tratar una biomasa celulósica mediante el uso de un disolvente mixto preparado por adición al 5-20 % el volumen de agua a un alcohol alifático C1 a C8 en condiciones supercríticas o subcríticas del alcohol.

Documento de Patente 1: Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2000-186102

Documento de Patente 2: Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2002-59118

Documento de Patente 3: Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2003-212888

Documento de Patente 4: Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2001-170601

Documento de Patente 5: Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2005-296906

Los documentos de Patente US 4.992.105, WO 96/25553 y US 4.941.944 desvelan métodos de hidrólisis de materiales celulósicos que implican el uso de temperaturas y presiones elevadas. En el documento de Patente WO 96/09882 se desvela un método de hidrólisis de materiales orgánicos que comprende el uso de una pluralidad de recipientes de reacción presurizados.

En comparación con el método hidrolítico que usa un ácido fuerte, el método de sacarificación hidrolítica de celulosa y hemicelulosa como constituyentes principales de una biomasa mediante el uso de agua supercrítica o subcrítica a alta temperatura y alta presión requiere un coste de procesamiento inferior y es más ecológico debido a que este método no requiere ningún tratamiento de neutralización de ácido. Sin embargo, este método tiene la desventaja de que sin una refrigeración inmediata después de la finalización de la hidrólisis, los sacáridos producidos de ese modo se degradarían en gran medida a ácidos orgánicos o similar debido a que el uso de agua supercrítica o subcrítica hace que la celulosa y la hemicelulosa se hidrolicen completamente en los sacáridos en varios segundos a varios minutos debido a su fuerte poder oxidativo.

Con un sistema pequeño a escala de laboratorio para la hidrólisis, parece que tal degradación se puede prevenir mediante la refrigeración rápida del agua supercrítica o subcrítica en el recipiente de calentamiento. Con un sistema de hidrólisis a escala industrial, sin embargo, es muy difícil refrigerar una gran cantidad de agua supercrítica o subcrítica en un período de tiempo corto. Por esta razón, el método de hidrólisis de biomasa celulósica que usa agua supercrítica o subcrítica a alta temperatura y alta presión, cuando se aplica a un sistema a escala de una planta, proporcionará un bajo rendimiento de sacáridos, lo que conforma uno de los factores que evitan que este método se ponga en práctica.

Cuando se usa una gran cantidad de agua supercrítica o subcrítica, la suspensión se tiene que calentar con una gran cantidad de energía, lo que conforma un factor que aumenta el coste de procesamiento. El método de hidrólisis de biomasa celulósica, que somete una suspensión que contiene alcohol o similar como disolvente a hidrólisis en condiciones supercríticas o subcríticas, requiere una presión de vapor muy elevada y, por lo tanto, requiere una mayor cantidad de energía y tiene que usar un sistema que tenga una elevada resistencia a la presión.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar un método y un sistema para hidrolizar celulosa y/o hemicelulosa contenida en una biomasa en monosacáridos y oligosacáridos (en lo sucesivo en el presente documento denominados "sacáridos") mediante el uso de agua a alta temperatura y alta presión en condiciones subcríticas, cuyo método y sistema son excelentes en eficacia térmica y rendimiento de sacáridos.

Sumario de la invención El inventor de la presente invención ha descubierto que en la hidrólisis de celulosa o hemicelulosa en sacáridos mediante el uso de agua a alta temperatura y alta presión en condiciones subcríticas es posible refrigerar una gran cantidad de suspensión a una temperatura no superior... [Seguir leyendo]

1. Método de sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica con el uso de recipientes de presión plurales, comprendiendo el método una etapa de descarga y carga, una etapa de calentamiento, una etapa de hidrólisis, y una etapa de disminución de temperatura, que se llevan a cabo secuencialmente en cada uno de dichos recipientes de presión, en el que:

dicha etapa de descarga y carga es una etapa de retirada de una suspensión de cada uno de dichos recipientes de presión después de dicha etapa de disminución de temperatura y carga de una suspensión preparada por molienda de dicha biomasa celulósica y mezcla de dicha biomasa celulósica molida de ese modo con agua en el mismo recipiente de presión; dicha etapa de calentamiento es una etapa de cierre hermético del recipiente de presión y calentamiento del recipiente de presión; dicha etapa de hidrólisis es una etapa de hidrólisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulósica en sacáridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presión; dicha etapa de disminución de temperatura es una etapa de evaporación por expansión instantánea de vapor de la suspensión a alta temperatura y alta presión contenida en el recipiente de presión para disminuir la temperatura del mismo; se requiere el mismo tiempo para completar las tres etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrólisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrólisis es n veces (donde n es un número natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras tres etapas; y el número de recipientes de presión usado es un múltiplo de (3 + n) ; y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presión plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demás recipientes de presión lleva a cabo dicha etapa de disminución de temperatura y permite que se realice una recuperación de calor mediante el suministro de vapor de expansión instantánea descargado desde el recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de disminución de temperatura al recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de calentamiento.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de hidrólisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 140 ºC y no superior a 180 ºC para hidrolizar la hemicelulosa en sacáridos.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que: la suspensión que resulta de dicha etapa de descarga y carga se somete a una separación sólido-líquido; se prepara una suspensión que comprende el contenido sólido obtenido después de la disolución de la hemicelulosa hidrolizada en agua; la suspensión obtenida después de la separación sólido-líquido se somete de nuevo a dicha etapa de descarga y carga; y dicha etapa de hidrólisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 240 ºC y no superior a 280 ºC para hidrolizar la celulosa en sacáridos.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de hidrólisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 240 ºC y no superior a 280 ºC para hidrolizar la celulosa en sacáridos.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de descarga y carga incluye la adición de etanol en una cantidad no inferior a un 2 % en moles y no superior a un 10 % en moles a la suspensión de partida.

6. Sistema para la sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica, que comprende recipientes de presión plurales configurados cada uno para llevar a cabo etapas secuenciales que incluyen:

una etapa de descarga y carga de retirada de una suspensión de cada uno de los recipientes de presión después de una etapa de disminución de temperatura y carga de una suspensión preparada por molienda de dicha biomasa celulósica y a continuación mezcla de dicha biomasa celulósica molida de ese modo con agua en el mismo recipiente de presión; una etapa de calentamiento de cierre hermético del recipiente de presión y calentamiento del recipiente de presión; una etapa de hidrólisis de hidrólisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulósica en sacáridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presión; y la etapa de disminución de temperatura de evaporación por expansión instantánea de vapor de la suspensión a alta temperatura y alta presión contenida en el recipiente de presión para disminuir la temperatura del mismo, en el que se requiere el mismo tiempo para completar las tres etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrólisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrólisis es n veces (donde n es un número natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras tres etapas; y el número de recipientes de presión usado es un múltiplo de (3 + n) ; mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presión plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demás recipientes de presión lleva a cabo dicha etapa de disminución de temperatura y permite que se realice una recuperación de calor mediante el suministro de vapor de expansión instantánea descargado desde el recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de disminución de temperatura al recipiente de presión que lleva a cabo la etapa de calentamiento.