ES2873928T3 - Proceso de pretratamiento de biomasa mejorado - Google Patents

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Abstract

Un proceso para el tratamiento de biomasa lignocelulósica que comprende las etapas de A) empapar la biomasa lignocelulósica en una etapa de empapado a baja temperatura en un líquido compuesto de agua a una temperatura en el rango de 25 a 100 °C durante 1 minuto a 24 horas y la etapa de empapado a baja temperatura es seguido por una etapa de separación para separar al menos una porción del líquido de la biomasa lignocelulósica empapada a baja temperatura; B) empapar una materia prima de biomasa lignocelulósica en vapor o agua líquida o una mezcla de los mismos en el rango de temperatura de 145 a 165 °C durante 1 minuto a 24 horas para crear una biomasa empapada que contiene un contenido seco y un primer líquido; C) Separar al menos una porción del primer líquido de la biomasa empapada para crear una primera corriente líquida y una primera corriente sólida; en el que la primera corriente sólida comprende la biomasa empapada; D) Vapor que explota la primera corriente sólida para crear una corriente de vapor que explota que comprende sólidos y un segundo líquido, E) combinar al menos una porción del líquido de la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada, F) purificar la primera corriente líquida para crear una primera corriente líquida purificada eliminando al menos una porción de al menos un inhibidor seleccionado del grupo que consiste en ácido acético, ácido fórmico, ácido levulínico, furfural, 5-HMF, antes de combinar la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada.

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de pretratamiento de biomasa mejorado
Antecedentes
En el campo de la biomasa, la conversión de biomasa lignocelulósica en etanol es una práctica común. Si la biomasa es una biomasa que contiene polisacáridos y es lignocelulósica, a menudo se utiliza un pretratamiento para garantizar que la estructura del contenido lignocelulósico sea más accesible a las enzimas y al mismo tiempo, las concentraciones de subproductos inhibidores nocivos tales como ácido acético, furfural e hidroximetil furfural son usualmente altas y presentan problemas en el procesamiento posterior.
En términos generales, cuanto más severo es el tratamiento, más accesibles son los contenidos celulósicos del material. La severidad de la explosión de vapor se conoce en la literatura como Ro, y es una función del tiempo y la temperatura expresados como
R O = t . e [CRT -100V14.75]
con temperatura, T, expresada en Celsius y tiempo, t, expresados en unidades comunes. La fórmula también se expresa como Log (Ro), a saber
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Generalmente se considera que un alto valor de Ro está asociado con un alto número de subproductos no deseados que inhiben la hidrólisis y fermentación de la biomasa, tal como el furfural.
Informe NREL No. TP-421-4978, noviembre de 1992, McMillan JD, "Processes for Pretreating Lignocellulosic Biomass: A Review" incluso afirmó en sus conclusiones que "los procesos basados en explosiones de vapor no son atractivos a largo plazo debido a la formación de productos de degradación reduce los rendimientos” y exhortó a investigar procesos alternativos, tales como la explosión de la fibra de amoniaco y los tratamientos basados en fluidos supercríticos.
El documento WO 2007 009 463 describe un aparato y un método para la conversión de material celulósico, tal como paja picada y rastrojo de maíz, y desechos domésticos, en etanol y otros productos. El material celulósico se somete a un pretratamiento hidrotermal continuo sin adición de productos químicos, y se produce un líquido y una fracción de fibra. La fracción de fibra se somete a licuefacción enzimática y sacarificación. El método comprende: - realizar el pretratamiento hidrotermal sometiendo el material celulósico a al menos una operación de remojo, y transportar el material celulósico a través de al menos un reactor presurizado, y someter el material celulósico a al menos una operación de prensado, creando una fracción de fibra y una fracción líquida; - seleccionar la temperatura y el tiempo de residencia para el pretratamiento hidrotérmico, de tal manera que se mantenga la estructura fibrosa de la materia prima y se mantenga al menos el 80 % de la lignina en la fracción de fibra.
Por tanto, existe la necesidad de tener un proceso severo con un alto Ro que al mismo tiempo produzca un producto con bajo furfural.
Resumen
En esta especificación se divulga un proceso de acuerdo con la reivindicación 1 para el pretratamiento mejorado de biomasa lignocelulósica que incluye las etapas de empapar una materia prima de biomasa lignocelulósica en vapor o agua líquida en el rango de temperatura de 145 a 165 °C, durante 1 minuto hasta 24 horas, preferiblemente 1 minuto hasta 2.5 horas, y lo más preferiblemente 1 minuto hasta 2 horas para crear una biomasa empapada que contiene un contenido seco y un primer líquido; separar al menos una porción del primer líquido de la biomasa empapada para crear una primera corriente líquida y una primera corriente sólida, en donde la primera corriente sólida comprende la biomasa empapada; explosión de vapor de la primera corriente sólida para crear una corriente de vapor explosionada que comprende sólidos y un segundo líquido; combinar al menos una porción del líquido de la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada; purificar la primera corriente líquida para crear una primera corriente líquida purificada eliminando al menos una porción de al menos un inhibidor seleccionado del grupo que consiste en ácido acético, ácido fórmico, ácido levulínico, furfural, 5HMF, antes de combinar la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada, separando opcionalmente algo del segundo líquido de la corriente de vapor explosionada para crear una segunda corriente líquida y una segunda corriente sólida. También se divulga que el proceso puede comprender la etapa adicional de combinar al menos una porción del líquido de la primera corriente líquida con la segunda corriente sólida.
También se divulga una etapa opcional en la que la corriente de vapor explosionada se lava con al menos un tercer líquido para crear una tercera corriente líquida antes de la introducción de la corriente de vapor explosionada en la etapa de separación.
Se divulga una etapa de purificación adicional en la que la primera corriente líquida se purifica para crear una primera corriente líquida purificada antes de combinar la primera corriente líquida con la segunda corriente sólida.
Se divulga una etapa adicional en la que la segunda corriente líquida se purifica para crear una segunda corriente líquida purificada y luego la segunda corriente líquida purificada se combina con la segunda corriente sólida. Se divulga además purificar la tercera corriente líquida y luego combinarla con la segunda corriente sólida.
El prensado se divulga como una forma de separar el líquido de la biomasa empapada.
La evaporación instantánea se divulga como una etapa para purificar la primera corriente líquida. Se divulga además que esta evaporación instantánea se realiza sin reducir la presión de la primera corriente líquida a la presión atmosférica antes de la evaporación instantánea. Se divulga además que la evaporación instantánea se realiza a la presión de la primera corriente líquida al final de la separación del primer líquido de la biomasa empapada.
Se divulga la depuración con vapor de todas y cada una de las corrientes líquidas en combinación o por separado. También se divulga el uso del vapor de la etapa de explosión de vapor y/o la etapa de empapado.
También se divulga la purificación de cualquiera de las corrientes líquidas con carbón activado. También se divulga cómo concentrar las corrientes para eliminar el agua. También se divulga que las corrientes se pueden combinar después de que se haya hidrolizado al menos una porción de la segunda corriente sólida.
También se divulga en esta especificación una composición del proceso que comprende un sólido, un líquido, una cantidad de C5 basada en la cantidad de arabinan y xilano y los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el líquido y sólido del composición, una cantidad de C6 basada en el contenido de glucano que incluye los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros de glucano en el líquido y sólido de la composición y furfural en donde la relación entre la cantidad de C5 y la cantidad de C6 es menor que 0.50 y la relación de la cantidad de furfural, que siempre está presente en la composición, con la cantidad de c 5 y C6 añadidos juntos, está entre O y 0.0140, también expresada como mayor que O y menor que 0.0140; está entre O y 0.0100, también expresado como mayor que O y menor que 0.0100; está entre O y 0.0060, también expresado como mayor que O y menor que 0.0060; está entre O y 0.0040, también expresado como mayor que O y menor que 0.0040; 0 y 0.0030, también expresados como mayor que O y menor que 0.0030; 0 y 0.0020, también expresados como mayor que O y menor que 0.0020; 0 y 0.0010, también expresados como mayor que O y menor que 0.0010; o entre O y 0.0009, también expresado como mayor que O y menor que 0.0009. Se divulga además que la relación de la cantidad de C5 y la cantidad de C6 es menor que 0.44. Se divulga otra composición de biomasa que comprende un sólido, un líquido, una cantidad de C5 basada en la cantidad de arabinan y xilano y los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el líquido y sólido de la composición, una cantidad de C6 basada en el contenido de glucano que incluye los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros de glucano en el líquido y sólido de la composición y furfural en donde la relación de la cantidad de C5 a la cantidad de C6 es mayor que 0.50 y la relación de cantidad del furfural a la cantidad de C5 y C6 sumados juntos es cualquiera de los rangos entre O y 0.09, también expresados como mayor que O y menor que 0.09; entre O y 0.0060, también expresado como mayor que O y menor que 0.0060; entre O y 0.0050, también expresado como mayor que O y menor que 0.0050; entre O y 0.0040; entre O y 0.0030, también expresado como mayor que O y menor que 0.0030 y entre O y 0.0016, también expresado como mayor que O y menor que 0.0016.
Se divulga además que la cantidad de sólidos en peso total de cualquiera de las novedosas composiciones está en cualquiera de los rangos del 3 al 85 %, del 3 al 65 %, del 3 al 20 %, del 11 al 99 %; 14 a 99 %; del 16 al 99 %; 19 a 99 %; 21 a 99 %; 24 a 99 %; 26 a 99 %; 29 a 99 %; 31 a 99 %; 36 a 99 %; y del 41 al 99 %.
Breve descripción de figuras
La figura 1 es un esquema de una realización del proceso.
La figura 2 es un esquema de una segunda realización del proceso.
La figura 3 es un esquema de una tercera realización del proceso.
La figura 4 es un esquema de una cuarta realización del proceso.
La figura 5 es un esquema de una quinta forma de realización del proceso.
La figura 6 es un esquema de una sexta realización del proceso.
La figura 7 es un esquema de una séptima realización del proceso.
La figura 8 es un esquema de una octava realización del proceso.
La figura 9 es un esquema de una novena realización del proceso.
Descripción detallada
En todos los casos de este texto, la palabra "corriente" se usa para significar que también se compone del material. Por ejemplo, la segunda corriente líquida estaría compuesta por el segundo líquido, la segunda corriente líquida purificada estaría compuesta por el segundo líquido purificado. Combinar corrientes significa que los materiales de las corrientes se mezclan.
El proceso actúa sobre una materia prima en una corriente de materia prima. La corriente de materia prima se compone de biomasa que tiene un contenido seco y agua. Usualmente, el agua no es agua libre, sino que es agua absorbida por la propia biomasa. Esta biomasa a menudo se expresa de acuerdo con su contenido seco (no agua). Una biomasa con un contenido seco del 20 % corresponde a una biomasa que tiene un 80 % de agua y un 20 % de contenido que no es agua, o contenido sólido de otro modo. El término biomasa y agua es el contenido seco de la biomasa más el agua absorbida y libre y el agua que se haya podido agregar. Por ejemplo, la cantidad de biomasa más agua para 100 kg de biomasa con un 20 % de contenido seco es de 100 kg. La cantidad de biomasa más agua para 100 kg de biomasa con un 20 % de contenido seco más 10 kg de agua es 110 kg.
Se cree que el proceso descrito es capaz de utilizar una corriente de materia prima de biomasa y agua donde el contenido de materia seca al agua de la corriente de materia prima es preferiblemente 20-80 %, o 21-80 %, preferiblemente 25-70 % o 26-70 %, más preferiblemente 25-60 %, o 26-60 %, incluso más preferiblemente 25-50 %, o 26-50 % o 25-40 %, o 26 % a 40 % y lo más preferiblemente 25-35 %, o 26- 35 % o 26-34 % o 31 %-49 %.
Después del tratamiento, la cantidad de sólidos en peso total de las composiciones puede estar en cualquiera de los rangos del 3 al 85 %, 3 al 85 %, 3 al 65 %, 3 al 20 %, 11 al 99 %; 14 a 99 %; 16 al 99 %; 19 a 99 %; 21 a 99 %; 24 a 99 %; 26 a 99 %; 29 a 99 %; 31 a 99 %; 36 a 99 %; y del 41 al 99 %.
Esto puede expresarse alternativamente como un contenido seco mínimo, es decir, como un porcentaje en peso del contenido seco en relación con el agua en la corriente de materia prima. Esto correspondería a al menos 20 por ciento en peso de contenido seco, preferiblemente al menos 25 por ciento en peso de contenido seco, más preferiblemente al menos 30 por ciento en peso de contenido seco y lo más preferiblemente al menos 40 por ciento en peso de contenido seco. El límite superior de estos contenidos es por definición el 100 %, pero en la práctica el 80 % en peso sería el límite superior de estos contenidos si se expresaran en rangos.
Por lo tanto, los rangos adecuados para esta invención son biomasas que tienen contenidos secos de más del 3 %, 15 %, 20 %, 21 %, 25 %, 26 %, 30 %, 31 %, 35 %, 36 %, 40 %, 50 %, 60 % y 80 % con un límite superior de 100 % o 90 % para cada límite inferior.
La distribución de los tamaños de fibra y partículas de la biomasa puede involucrar los rangos de 0-150 mm, preferiblemente, 5-125 mm, más preferiblemente, 10-100 mm, incluso más preferiblemente 15-30 a 90 mm o 20-80 mm y lo más preferiblemente 26 a 70 mm.
La distribución preferida de los tamaños de fibra y partículas se define como al menos el 20 % (p/p) de la biomasa dentro del intervalo preferido.
La biomasa vegetal es una materia prima preferida. Aparte del almidón, los tres componentes principales de la biomasa vegetal son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, a las que se hace referencia comúnmente con el término genérico lignocelulosa. Las biomasas que contienen polisacáridos como término genérico incluyen tanto las biomasas de almidón como las lignocelulósicas. Por lo tanto, algunos tipos de materias primas pueden ser biomasa vegetal, biomasa que contiene polisacáridos y biomasa lignocelulósica. Una biomasa lignocelulósica típica contendrá celulosa, con cantidades de al menos 5 por ciento en peso de la cantidad total de biomasa seca, con al menos 10 % y 20 % en peso de la cantidad total de biomasa seca. La biomasa lignocelulósica también puede contener almidón en cantidades preferiblemente inferiores al 50 % en peso, siendo incluso más preferidas menos del 45, 35 y 15 por ciento en peso. Si la biomasa es una biomasa que contiene polisacáridos y es lignocelulósica, a menudo se utiliza un pretratamiento para garantizar que la estructura del contenido lignocelulósico sea más accesible a las enzimas y, al mismo tiempo, las concentraciones de subproductos inhibidores nocivos tales como ácido acético, furfural e hidroximetil furfural siguen siendo sustancialmente bajos.
Las biomasas lignocelulósicas que contienen polisacáridos de acuerdo con la presente invención incluyen cualquier material que contenga azúcares poliméricos, por ejemplo tanto en forma de almidón como de almidón refinado, celulosa y hemicelulosa.
Los tipos relevantes de biomasas celulósicas y biomasas lignocelusósicas de polisacáridos para hidrólisis y pretratamiento de acuerdo con la presente invención pueden incluir biomasas derivadas de gramíneas y más específicamente cultivos agrícolas tales como, por ejemplo: almidón, por ejemplo granos que contienen almidón y almidón refinado; rastrojo de maíz, bagazo, paja por ejemplo de arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo; madera blanda, por ejemplo Pinus sylvestris, Pinus irradian; madera dura, por ejemplo Salix spp. Eucalyptus spp.; tubérculos, por ejemplo, remolacha, patata; cereales de por ejemplo arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo y maíz; papel de desecho, fracciones de fibra del procesamiento de biogás, estiércol, residuos del procesamiento de palma de aceite, residuos sólidos urbanos o similares con un contenido de materia seca similar.
La materia prima de biomasa lignocelulósica es preferiblemente de la familia usualmente denominada gramíneas. El nombre propio es la familia conocida como Poaceae o Gramineae en la Clase Liliopsida (las monocotiledóneas) de las plantas con flores. Las plantas de esta familia se denominan usualmente gramíneas o, para distinguirlas de otros graminoides, verdaderas gramíneas. El bambú también está incluido. Hay alrededor de 600 géneros y entre 9,000 y 10,000 o más especies de gramíneas (índice de Kew de Especies de Gramíneas Mundiales).
Las poaceae incluye los granos alimenticios básicos y los cultivos de cereales que se cultivan en todo el mundo, césped y pastos forrajeros y bambú. Las poaceae generalmente tienen tallos huecos llamados culmos, que están taponados (sólidos) a intervalos llamados nudos, los puntos a lo largo del culmo en los que surgen las hojas. Las hojas de la hierba son usualmente alternas, dísticas (en un plano) o raramente espirales y con nervaduras paralelas. Cada hoja se diferencia en una vaina inferior que abraza el tallo por una distancia y una hoja con márgenes usualmente enteros. Las láminas de las hojas de muchos pastos se endurecen con fitolitos de sílica, lo que ayuda a desalentar a los animales que pastan. En algunos pastos (tales como el pasto espada), esto hace que los bordes de las hojas de pasto sean lo suficientemente afilados como para cortar la piel humana. Un apéndice membranoso o franja de pelos, llamado lígula, se encuentra en la unión entre la vaina y la hoja, evitando que el agua o los insectos penetren en la vaina.
Las hojas de la hierba crecen en la base de la hoja y no en las puntas de los tallos alargados. Este bajo punto de crecimiento evolucionó en respuesta al pastoreo de animales y permite que los pastos se pasten o se corten con regularidad sin causar daños graves a la planta.
Las flores de Poaceae están dispuestas de manera característica en espiguillas, cada espiguilla tiene uno o más flósculos (las espiguillas se agrupan en panículas o espigas). Una espiguilla consiste en dos (o a veces menos) brácteas en la base, llamadas glumas, seguidas de una o más flósculos. Un flósculo consiste en la flor rodeada por dos brácteas llamadas lemma (la externa) y la pálea (la interna). Las flores son usualmente hermafroditas (el maíz, monoico, es una excepción) y la polinización es casi siempre anemófila. El perianto se reduce a dos escamas, llamadas lódicas, que se expanden y contraen para extender la lemma y la pálea; estos se interpretan generalmente como sépalos modificados. Esta compleja estructura se puede ver en la imagen de la izquierda, representando una espiga de trigo (Triticum aestivum).
El fruto de Poaceae es una cariópside en la que la cubierta de la semilla se fusiona con la pared del fruto y, por lo tanto, no se puede separar de ella (como en un grano de maíz).
Hay tres clasificaciones generales de hábitos de crecimiento presentes en las gramíneas; tipo racimo (también llamado cespitoso), estolonífero y rizomatoso.
El éxito de las gramíneas radica en parte en su morfología y procesos de crecimiento, y en parte en su diversidad fisiológica. La mayoría de las gramíneas se dividen en dos grupos fisiológicos, utilizando las vías fotosintéticas C3 y C4 para la fijación de carbono. Las gramíneas C4 tienen una vía fotosintética vinculada a la anatomía especializada de la hoja de Kranz que las adapta particularmente a climas cálidos y una atmósfera baja en dióxido de carbono.
Los pastos C3 se denominan "pastos de estación fría", mientras que las plantas C4 se consideran "pastos de estación cálida". Los pastos pueden ser bien sea anuales o perennes. Ejemplos de estación fría anual son trigo, centeno, pasto azul anual (esteba anual, Poa annua y avena). Ejemplos de estación fría perenne son el pasto ovillo (pata de gallo, Dactylis glomerata), la festuca (Festuca spp), el pasto azul de Kentucky y el raigrás perenne (Lolium perenne). Ejemplos de estación cálida anual son el maíz, el pasto sudan y el mijo perla. Ejemplos de temporada cálida perenne son pasto tallo azul, pasto india, pasto bermuda y pasto varilla.
Una clasificación de la familia de las gramíneas reconoce doce subfamilias: estas son 1) anomochlooideae, un pequeño linaje de gramíneas de hoja ancha que incluye dos géneros (Anomochloa, Streptochaeta); 2) Pharoideae, un pequeño linaje de gramíneas que incluye tres géneros, incluidos Pharus y Leptaspis; 3) Puelioideae un pequeño linaje que incluye el género africano Puelia; 4) Pooideae, que incluye trigo, cebada, avena, pasto bromo (Bronnus) y juncos (Calamagrostis); 5) Bambusoideae que incluye bambú; 6) Ehrhartoideae, que incluye arroz y arroz silvestre; 7) Arundinoideae, que incluye la caña gigante y la caña común. 8) Centothecoideae, una pequeña subfamilia de 11 géneros que a veces se incluye en Panicoideae; 9) Chloridoideae, incluidas las gramíneas (Eragrostis, ca.350 especies, incluido el teff), las semillas colgantes (Sporobolus, unas 160 especies), el mijo dedo (Eleusine coracana (L.) Gaertn.) y las gramíneas muhly (Muhlenbergia, ca. 175) especies); 10) Panicoideae incluyendo pasto panicum, maíz, sorgo, caña de azúcar, la mayoría de los mijos, fonio y pastos de tallo azul. 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, incluida la hierba de la pampa; con Poa, que es un género de unas 500 especies de gramíneas, nativas de las regiones templadas de ambos hemisferios.
Los pastos agrícolas que se cultivan por sus semillas comestibles se denominan cereales. Tres cereales comunes son el arroz, el trigo y el maíz (cereal). De todos los cultivos, el 70 % son gramíneas.
La caña de azúcar es la principal fuente de producción de azúcar. Los pastos se utilizan para la construcción. Los andamios hechos de bambú pueden resistir vientos con fuerza de tifón que romperían los andamios de acero. Los bambúes más grandes y Arundo donax tienen tallos robustos que se pueden usar de manera similar al maderamen, y las raíces de pasto estabilizan el césped de las casas de césped. Arundo se usa para fabricar cañas para instrumentos de viento y el bambú se usa para innumerables implementos.
Por tanto, se selecciona una biomasa lignocelulósica preferida del grupo que consiste en las gramíneas. En otras palabras, la biomasa lignocelulósica preferida se selecciona del grupo que consiste en las plantas que pertenecen a la familia Poaceae o Gramineae.
Si las biomasas que contienen polisacáridos son lignocelulósicas, el material se puede cortar en trozos en los que el 20 % (p/p) de la biomasa varía preferiblemente entre 26 y 70 mm, antes del pretratamiento. El material pretratado tiene preferiblemente un contenido de materia seca superior al 20 % antes de entrar en el proceso. Además de liberar los carbohidratos de la biomasa, el proceso de pretratamiento esteriliza y disuelve parcialmente la biomasa y al mismo tiempo elimina el cloruro de potasio de la fracción de lignina.
La biomasa contendrá algunos compuestos hidrolizables en una especie soluble en agua obtenible a partir de la hidrólisis de la biomasa. Por ejemplo, la celulosa se puede hidrolizar en glucosa, celobiosa y polímeros de glucosa superior e incluye dímeros y oliogmeros. La celulosa es hidrolizada en glucosa por las celulasas carbohidrolíticas. La comprensión predominante del sistema celulolítico divide las celulasas en tres clases; exo-1,4-p-D-glucanasas o celobiohidrolasas (CBH) (EC 3.2.1.91), que escinden las unidades de celobiosa de los extremos de las cadenas de celulosa; endo-1,4-p-D-glucanasas (EG) (EC 3.2.1.4), que hidrolizan los enlaces p-1,4-glucosídicos internos al azar en la cadena de celulosa; 1,4-p-D-glucosidasa (EC 3.2.1.21), que hidroliza la celobiosa en glucosa y también escinde las unidades de glucosa de los celooligosacáridos. Por tanto, si la biomasa contiene celulosa, entonces la glucosa es una especie hidrolizada soluble en agua que se puede obtener a partir de la hidrólisis de la biomasa.
Mediante un análisis similar, los productos de hidrólisis de la hemicelulosa son especies solubles en agua que se pueden obtener a partir de la hidrólisis de la biomasa, asumiendo, por supuesto, que la biomasa contiene hemicelulosa. La hemicelulosa incluye xilano, glucuronoxilano, arabinoxilano, glucomanano y xiloglucano. Los diferentes azúcares de la hemicelulosa son liberados por las hemicelulasas. El sistema hemicelulítico es más complejo que el sistema celulolítico debido a la naturaleza heteróloga de la hemicelulosa. Los sistemas pueden involucrar, entre otros, endo-1,4-p-D-xilanasas (EC 3.2.1.8), que hidrolizan enlaces internos en la cadena de xilano; 1,4-p-D-xilosidasas (EC 3.2.1.37), que atacan a los xilooligosacáridos desde el extremo no reductor y liberan xilosa; endo-1,4-p-D-mananasas (EC 3.2.1.78), que escinden los enlaces internos; 1,4-p-D-manosidasas (EC 3.2.1.25), que escinden manooligosacáridos en manosa. Los grupos laterales son eliminados por una serie de enzimas; tales como a-D-galactosidasas (EC 3.2.1.22), a-L-arabinofuranosidasas (EC 3.2.1.55), a-D-glucuronidasas (EC 3.2.1.139), cinamoil esterasas (EC 3.1.1.-), acetil xilano esterasas (EC 3.1.1.6) y feruloil esterasas (EC 3.1.1.73).
Con referencia a la Figura 1, la primera etapa en el proceso es empapar una corriente de materia prima de biomasa 1 en una sustancia tal como agua bien sea en forma de vapor, vapor o forma líquida o líquido y vapor juntos, la corriente 2 etiquetada, para producir un producto 3. El producto 3 es una biomasa empapada que contiene un primer líquido, siendo el primer líquido normalmente agua en su forma líquida o vapor o alguna mezcla.
Este empapado se puede realizar mediante diversas técnicas que exponen una sustancia al agua, que puede ser vapor o líquido o una mezcla de vapor y agua o, más en general, agua a alta temperatura y alta presión. La temperatura debe estar en el rango de 145 a 165 °C. Aunque el tiempo puede ser prolongado, tal como hasta, pero menos de 24 horas, o menos de 16 horas, o menos de 12 horas, o menos de 9 horas o menos de 6 horas; el tiempo de exposición es preferiblemente bastante corto, variando de 1 minuto a 6 horas, de 1 minuto a 4 horas, de 1 minuto a 3 horas, de 1 minuto a 2.5 horas, más preferiblemente de 5 minutos a 1.5 horas, de 5 minutos a 1 hora, de 15 minutos a 1 hora.
Si se usa vapor, preferiblemente está saturado, pero podría sobrecalentarse. La etapa de empapado puede ser discontinua o continua, con o sin agitación. La realización de acuerdo con la invención se muestra en la Figura 9, que tiene un empapado a baja temperatura antes del empapado a alta temperatura. La temperatura del empapado a baja temperatura está en el rango de 25 a 90 °C. Aunque el tiempo puede ser prolongado, tal como hasta, pero menos de 24 horas, o menos de 16 horas, o menos de 12 horas, o menos de 9 horas o menos de 6 horas; el tiempo de exposición es preferiblemente bastante corto, variando de 1 minuto a 6 horas, de 1 minuto a 4 horas, de 1 minuto a 3 horas, de 1 minuto a 2.5 horas, más preferiblemente de 5 minutos a 1.5 horas, de 5 minutos a 1 hora, de 15 minutos a 1 hora.
Este empapado a baja temperatura se muestra en la Figura 9, siendo 31 la materia prima de biomasa, 32 es el agua o líquido, 33 es la biomasa empapada a baja temperatura. 34 es el líquido, y sería una cuarta corriente líquida que se ha separado de la biomasa empapada a baja temperatura, siendo 1 la materia prima de biomasa después del empapado a baja temperatura.
Cualquiera de las etapas de empapado también podría incluir la adición de otros compuestos, por ejemplo H2SO4, NH3 , con el fin de lograr un mayor rendimiento más adelante en el proceso.
El producto 3 que comprende el primer líquido se pasa luego a una etapa de separación donde el primer líquido se separa de la biomasa empapada. El líquido no se separará por completo de tal manera que se separe al menos una porción del líquido, preferiblemente con la mayor cantidad de líquido posible en un marco de tiempo económico. El líquido de esta etapa de separación se conoce como la primera corriente líquida que comprende el primer líquido, etiquetado como 5 en la Figura 1. El primer líquido será el líquido utilizado en el empapado, generalmente agua y las especies solubles de la materia prima. Como se muestra en las Tablas 1 a 16, estas especies solubles en agua son glucano, xilano, galactano, arabinano, Glucooligómeros, xilooligómeros, galactoligómeros y arabinoligómeros. La biomasa sólida, etiquetada con 4, se llama la primera corriente sólida ya que contiene la mayoría, si no todos, los sólidos.
La separación del líquido se puede realizar de nuevo mediante técnicas conocidas y probablemente algunas que aún se han inventado. Un equipo preferido es una prensa, ya que una prensa generará un líquido a alta presión que es útil como se describe más adelante.
A continuación, se explota con vapor la primera corriente sólida 4 para crear una corriente 6 de vapor explosionada. La explosión de vapor es una técnica bien conocida en el campo de la biomasa y se cree que cualquiera de los sistemas disponibles hoy y en el futuro son adecuados para esta etapa. La gravedad de la explosión de vapor se conoce en la literatura como Ro, y es una función del tiempo y la temperatura y se expresa como
Ro = te[(T-100)/14-75]
con temperatura, T expresada en Celsius y tiempo, t, expresados en unidades comunes.
La fórmula también se expresa como Log (Ro), a saber
Log(Ro) = Ln(t) [(T-100)/14.75],
Como se divulga en las condiciones operativas a continuación, este proceso producirá una composición de sólidos bajo un alto Ro, y que es novedoso por su bajo contenido de furfural. Como se muestra en los datos, el furfural no es un compuesto de origen natural en la biomasa. El furfural se elabora cuando la biomasa se expone a altas temperaturas.
El log (Ro) está preferiblemente en los rangos de 2.8 a 5.3, 3 a 5.3, 3 a 5.0 y 3 a 4.3.
La corriente de vapor explosionada se puede lavar opcionalmente al menos con agua y también pueden usarse otros aditivos. Es concebible que se pueda utilizar otro líquido en el futuro, por lo que no se cree que el agua sea absolutamente esencial. En este punto, el agua es el líquido preferido y si se usa agua, se considera el tercer líquido. El efluente líquido del lavado opcional es la tercera corriente líquida 8. Aunque se muestra en el dibujo que acompaña a esta especificación, esta etapa de lavado no se considera esencial y es opcional.
La corriente de vapor explosionada lavada que comprende la biomasa explosionada lavada se etiqueta con 7. La corriente explosionada lavada se procesa luego para eliminar al menos una porción del líquido en el material explosionada lavado. Esta etapa de separación también es opcional. El término en el cual se retira una porción, es para recordar que si bien es deseable retirar la mayor cantidad de líquido posible (prensado), es poco probable que sea posible una eliminación del 100 %. En cualquier caso, no es deseable eliminar el 100 % del agua ya que se necesita agua para la reacción de hidrólisis subsiguiente. El proceso preferido para esta etapa es de nuevo una prensa, pero se cree que son adecuadas otras técnicas conocidas y las que aún no se han inventado. Los sólidos separados de este proceso están en la segunda corriente sólida 10. Se anota la corriente 9 y es la segunda corriente líquida. La realización de la Figura 7 muestra el proceso sin el lavado y separación opcionales del líquido del material de vapor explosionada.
El líquido de la primera corriente líquida se combina luego con los sólidos de la segunda corriente sólida para formar la corriente 20.
El producto de este proceso se destaca como muy específico, ya que se logra una o cualquier combinación de las siguientes mejoras:
A) los niveles de inhibidores y productos indeseables para las siguientes etapas (por ejemplo, hidrólisis enzimática, fermentación, separación del producto final) con los diversos materiales en la biomasa son mucho más bajos que en otros procesos;
B) el rendimiento global de solubilización de hemicelulosa es mayor que en otros procesos;
C) se mejora la desestructuración de la biomasa con respecto a otros procesos.
Las novedosas composiciones de este proceso se pueden caracterizar sobre la base de sus cantidades de C5, C6 y furfural. Para evitar efectos de dilución, la expresión de la relación C5's/C6's y furfural a C5's más C6's, estando presente el furfural, es suficiente para caracterizar las nuevas composiciones.
El total de C5 en la composición es la suma de arabinan y xilano en la composición que incluye los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el líquido y sólido de la composición. El C6 total en la composición es el contenido de glucano que incluye los monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros en el líquido y el sólido.
Como se conoce en la literatura, una biomasa de vapor exlosionado típica tendrá una relación de furfural a [C5's más C6's] x 10000 de al menos 50, con una relación de C5's a C6's mayor que 0.55. Como se muestra en las corrientes experimentales de las Tablas 13 y 14, el proceso descrito en este documento es capaz de producir un producto de vapor explosionada con un contenido de furfural mayor que 0, que siempre está presente, pero que tiene una relación de furfural a (C5's más C6's) x 10000 de menos de 60. Por lo tanto, una composición que tiene una relación de C5 a C6 en el rango de 0.45 a 0.54, y una relación de furfural a [C5 más C6] x 10000 entre 0 y 60, o más preferiblemente 0 y 50, o más preferiblemente se contempla 0 y 30. También se observa en las Tablas 13 y 14 que la otra característica novedosa es que el producto es bajo en C5, lo que también reduce el contenido de furfural.
Como se puede ver a partir de las Tablas 13 y 14, estas composiciones de la explosión de vapor se pueden caracterizar por tener siempre furfural y tener una relación de C5 a C6 de menos de 0.45 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 40, o más preferiblemente, una relación de C5 a C6 de menos de 0.45 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 15, o más preferiblemente la relación de C5 a C6 de menos de 0.45 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 10; o más preferiblemente una relación de C5 a C6 de menos de 0.40 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 40, o incluso más preferiblemente una relación de C5 a C6 de menos de 0.40 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 9, la relación de C5 a C6 menos de 0.35 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 10, o incluso más preferiblemente, la relación de C5 a C6 menos de 0.30 y una relación de furfural a C5's más C6's x 10000 de menos de 7.
Como también se muestra en las Tablas 13 y 14, la composición de la corriente líquida también es única y se puede describir como que siempre que tiene furfural y que tiene una relación de C5 a C6 mayor que 4.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 80, o más preferiblemente una relación de C5 a C6 mayor que 4.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 60, o incluso más preferiblemente una relación de C5 a C6 mayor que 4.0 y una relación de furfural a C5's más C6's x 10000 de menos de 30, o un rango más amplio de una relación de C5's a C6's mayor que 3.0 y una relación de furfural a C5's más C6's x 10.000 de menos de 160.
También se contempla la composición de la corriente líquida que siempre tiene furfural y una relación de C5 a C6 mayor que 1.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 800, o más preferiblemente una relación de C5 a C6 mayor que 1.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 700, o incluso más preferiblemente una relación de C5 a C6 mayor que 1.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 400, o o el rango amplio más estrecho de una relación de C5 a C6 mayor que 1.0 y una relación de furfural a C5 más C6 x 10000 de menos de 300.
Una progresión adicional del proceso, Fig.2, es purificar la primera corriente líquida para eliminar aún más inhibidores tales como el ácido acético, ácido fórmico, ácido levulínico, furfural, 5-HMF, compuestos fenólicos y, más en general, cualquier producto indeseable que pueda formarse durante las etapas anteriores. Algunos de estos compuestos se pueden eliminar mediante evaporación instantánea, que es el método preferido para aprovechar la temperatura y la presión de la corriente después del prensado.
Por ejemplo, la primera corriente líquida (temperatura: 185 °C, fase líquida saturada) se sometió a evaporación instantánea usando condiciones convencionales a presión atmosférica. Para 100 gramos de la corriente de alimentación, que tiene 0.1 gramos de furfural, 2 gramos de ácido acético, 0.1 gramos de ácido fórmico y 82 gramos de agua en evaporación instantánea, se eliminaron 0.045 gramos de furfural, 0.024 gramos de ácido acético, 0.06 gramos de ácido fórmico y 14.7 gramos de agua. Esto significa que el 45 % de furfural, el 12 % de ácido acético, el 6 % de ácido fórmico y el 17 % del agua se eliminaron sin costes operativos adicionales y sin pérdida de azúcares.
Otra ventaja de la etapa de evaporación instantánea es que los azúcares en la corriente líquida purificada 11 están concentrados.
En el proceso de evaporación instantánea, la presión del prensado en la separación se conservaría preferiblemente hasta que el material pase al tanque de evaporación instantánea y se eliminen los volátiles. La purificación de la primera corriente líquida se puede realizar de nuevo mediante cualquier otra técnica conocida (por ejemplo, depuración con vapor) y probablemente algunas que aún se hayan inventado. Este primer material purificado puede encontrarse en la primera corriente 11 de material purificado y luego combinarse con la segunda corriente 10 sólida.
En la Figura 3 se muestra un refinamiento aún mayor, que consiste en purificar el efluente de lavado opcional, la tercera corriente líquida 8, en una segunda corriente líquida purificada 12, y luego combinarla con la segunda corriente sólida 10. Debido a la naturaleza de los volátiles, se cree que la depuración con vapor usando métodos convencionales o no convencionales es el enfoque preferido, incluso si se puedan utilizar cualquier otro método o técnicas conocidas y probablemente algunas que se han inventado todavía.
Si es posible, en base a su composición, el vapor procedente de la explosión del vapor se utiliza preferiblemente para realizar la depuración con vapor.
De manera similar, con referencia a la Figura 3, se podría purificar la segunda corriente líquida 9, para crear un segundo líquido purificado en la segunda corriente líquida purificada 13 y combinarlo con el material en la segunda corriente sólida 10. De nuevo, dados los atributos conocidos, se cree que la depuración con vapor es la solución preferida.
Dado que la depuración con vapor es común, se cree que una realización preferida del proceso de depurar con vapor de las segunda y tercera corrientes líquidas en la misma unidad. También se cree que la depuración con vapor también se prefiere para la primera corriente líquida purificada, generalmente después de la evaporación instantánea. Por lo tanto, otra realización es la Figura 4, donde las corrientes líquidas se purifican en la misma unidad, preferiblemente depurando con vapor para producir la corriente purificada 14 que luego se combina con la segunda corriente sólida 10.
Si es posible, en base a su composición, el vapor proveniente de la explosión del vapor se puede utilizar para realizar cualquier depurado con vapor.
Por ejemplo, en un proceso como el representado en la figura 2, en el que la etapa de purificación consiste en una etapa de evaporación instantánea atmosférica de la primera corriente líquida 5 y una etapa posterior de depuración con vapor del líquido resultante, realizada utilizando todo el vapor producido por la explosión de vapor, resulta que se eliminan el 30 % del agua, el 80 % del ácido acético, el 85 % del furfural y el 65 % del ácido fórmico contenido en la primera corriente líquida 5.
Si se necesitara una purificación adicional dependiendo de la materia prima y el tipo de biomasa, la corriente purificada 14 se puede purificar adicionalmente con otro proceso Fig.5, tal como carbón activado, carbono activado, tamices moleculares o membranas para producir la corriente 15. Debido a que se espera que la corriente purificada tenga un gran contenido de agua, se cree deseable concentrar los reactivos de hidrólisis y eliminar el agua, por lo tanto, se cree que una etapa de concentración es útil para la realización preferida, Fig. 6. La etapa de concentración de agua puede ser una cualquiera de las siguientes técnicas conocidas tales como la ebullición, cristalización y similares. Durante la etapa de concentración, hay una cierta eliminación de inhibidores volátiles. Después de la etapa de concentración, la corriente 16 se combina con los materiales en la corriente 10.
Como se muestra en los datos siguientes, las diversas etapas de este proceso han aumentado la eficacia de la reacción de hidrólisis.
Discusión
La superioridad del pretratamiento se puede ver comparando los resultados presentados en los ejemplos de trabajo 5-6 en comparación con los ejemplos de control 1, 2, 3 y 4.
La cantidad de inhibidores generados a partir de la fracción de xilano en el pretratamiento es considerablemente menor que los generados en el proceso continuo de explosión de vapor.
Utilizando Arundo solo el 1.3 % de los xilanos presentes en la materia prima se degradan a compuesto inhibidor (Ejemplo 5) con el pretratamiento, mientras que en el proceso de explosión de vapor un 19.3 % (Ejemplo 1) y un 63.8 % (Ejemplo 2) se degradan a compuesto inhibidor.
Se observa un comportamiento similar para la degradación del glucano usando Arundo. Solo el 0.1 % de los glucanos presentes en la materia prima se degradan a compuesto inhibidor (Ejemplo 5) con el pretratamiento, mientras que en el proceso de explosión de vapor un 1.9 % (Ejemplo 1) y un 4.5 % (Ejemplo 2) se degradan a compuesto inhibidor. Usando sorgo, solo el 0.97 % de los xilanos presentes en la materia prima se degradan a compuesto inhibidor (Ejemplo 6) con el pretratamiento, mientras que en el proceso de explosión de vapor un 61.7 % (Ejemplo 3) y un 94.9 % (Ejemplo 4) se degradan a compuesto inhibidor.
Se observa un comportamiento similar para la degradación del glucano usando Arundo. Sólo el 0.1 % de los glucanos presentes en la materia prima se degradan a compuesto inhibidor (Ejemplo 6) con el pretratamiento, mientras que en el proceso de explosión de vapor un 8.0 % (Ejemplo 3) y un 9.5 % (Ejemplo 4) se degradan a compuesto inhibidor. El rendimiento global de solubilización del azúcar fermentable (suma de xilano y glucanos solubilizados) es otra ventaja del pretratamiento.
Con el sorgo se obtiene un rendimiento global en azúcares fermentables (suma de xilano y glucanos solubilizados) del 91.2 % después de la hidrólisis enzimática con el pretratamiento (Ejemplo 5) que es considerablemente mayor con los valores obtenidos con la explosión de vapor tradicional (65.9 % en el Ejemplo 1 y 69.0 % en el Ejemplo 2).
Con Arundo se obtiene un rendimiento global en azúcares fermentables (suma de xilano y glucanos solubilizados) del 91.3 % después de la hidrólisis enzimática con el pretratamiento (Ejemplo 6) que es considerablemente mayor con los valores obtenidos con la explosión de vapor tradicional (56.0 % en el Ejemplo 3 y 50.6 % en el ejemplo 4) Resumen experimental
El Arundo y el sorgo fueron sometidos a diferentes procesos de pretratamiento. La explosión continua de vapor tradicional se comparó con el pretratamiento que consiste en un proceso de empapado y un proceso de explosión de vapor posterior.
En el pretratamiento, la fracción líquida generada a partir del proceso de empapado se recicla como una corriente única.
En el proceso de empapado se produce la solubilización de la mayor parte de la fracción hemicelulósica. En este proceso se genera una cantidad baja de inhibidor debido a la condición operativa más leve.
El material empapado se somete luego a un proceso de prensado con el fin de eliminar la fracción líquida (aproximadamente 62 %).
A continuación, la fracción sólida se somete a un tratamiento de explosión de vapor en el que se produce la solubilización de la hemicelulosa restante y la desestructuración de la fracción de celulosa.
La fracción líquida generada en el proceso de empapado se somete a un proceso de refinado y luego se recicla al material de vapor explosionada.
El pretratamiento conduce a menos inhibidor en la corriente que sale de la sección de pretratamiento con la consiguiente menor pérdida de azúcar fermentable en comparación con el pretratamiento tradicional de explosión de vapor, y aumenta la accesibilidad enzimática del material pretratado. El material pretratado procedente de la explosión de vapor tradicional y el pretratamiento se sometieron a hidrólisis enzimática con el fin de evaluar la accesibilidad enzimática.
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima que ingresa en el proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de la hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Ejemplo 1
Arundo tiene la siguiente composición: 37.5 % de glucanos, 19.3 % de xilanos, 5.8 % de grupos acetilo, 22.6 % de lignina Klason 6.3 % de ceniza, 8.5 % de extractivos.
Se sometió Arundo a explosión continua de vapor (reactor Stake Tech) a 200°C durante 6 minutos. Este pretratamiento conduce a una solubilización del 70.6 % de xilano y del 8.6 % de glucano. Un 19.3 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y el 1.9 % de los glucanos se degradaron a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador con el fin de alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizador tiene una actividad de 60 FPU/g de glucanos y 109 FXU/g de xilano para Arundo pretratado. La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición de la corriente que ingresa a la hidrólisis enzimática
Figure imgf000011_0001
Después de la hidrólisis enzimática, se analizaron las fracciones líquida y sólida del proceso con el fin de cuantificar el rendimiento de la solubilización de glucano y xilano. En el proceso de hidrólisis enzimática, el rendimiento de solubilización de glucano fue del 71 %, mientras que el rendimiento de solubilización de xilano fue del 84 %.
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 69.3 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 59.3 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 65.9 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima. El rendimiento global de Arundo está en la Tabla 2
________ Tabla 2. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano________
Arundo
EXPLOSIÓN DE VAPOR (200 °C, 6 min)
La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 71
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 84
Rendimiento del proceso de glucano (%) 69.3
Rendimiento del proceso de xilano (%) 59.3
FPU/gcelulosa 60
FPU/gxilanos 220
Ejemplo 2
Arundo tiene la siguiente composición: 37.5 % de glucanos, 19.3 % de xilanos, 5.8 % de grupos acetilo, 22.6 % de lignina Klason 6.3 % de ceniza, 8.5 % de extractivos.
Se sometió Arundo a explosión continua de vapor (reactor Stake Tech) a 215°C durante 6 minutos. Este pretratamiento conduce a una solubilización del 90.8 % del xilano y del 7.1 % del glucano. Un 63.8 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y un 4.5 % de los glucanos se degradaron a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador con el fin de alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad de 60 FPU/g de glucanos y 248 FXU/g de xilano para Arundo pretratado.
La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Composición de la corriente que ingresa a la hidrólisis enzimática
Figure imgf000012_0001
Después de la hidrólisis enzimática, se analizaron las fracciones líquida y sólida del proceso con el fin de cuantificar el rendimiento de la solubilización de glucano y xilano. En el proceso de hidrólisis enzimática, el rendimiento de solubilización de glucano fue del 82 %, mientras que el rendimiento de solubilización de xilano fue del 99 %.
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de la hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 87.8 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 35 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 69.0 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima.
El rendimiento global de Arundo está en la Tabla 4.
Tabla 4. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano
Arundo
EXPLOSIÓN DE VAPOR (215 °C, 6 min)
La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 92
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 99
Rendimiento del proceso de glucano (%) 87.8
Rendimiento del proceso de xilano (%) 35.0
FPU/gcelulosa 60
FPU/gxilanos 220
Ejemplo 3
La fibra de sorgo tiene la siguiente composición: 35.8 % de glucanos, 20.0 % de xilanos, 5.61 % de grupos acetilo, 17.3 % de lignina Klason 6.4 % de ceniza, 14.8 % de extractivos.
El sorgo picado se sometió a explosión continua de vapor (reactor Stake Tech) a 200°C durante 6 minutos. Este pretratamiento conduce a una solubilización del 86.6 % de xilano y del 25.5 % de glucano. Un 61.7 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y el 8.0 % de los glucanos se degradaron a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador para alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad de 60 FPU/g de glucanos y 220 FXU/g de xilano para el sorgo pretratado.
La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5. Com osición de la corriente ue in resa a la hidrólisis enzimática
Figure imgf000013_0001
continuación
Figure imgf000014_0002
Después de la hidrólisis enzimática, se analizaron las fracciones líquida y sólida del proceso con el fin de cuantificar el rendimiento de la solubilización de glucano y xilano. En el proceso de hidrólisis enzimática, el rendimiento de solubilización de glucano fue del 77 %, mientras que el rendimiento de solubilización de xilano fue del 85 %.
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima (Tabla 1) que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 70.8 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 32.1 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 56.0 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima.
El rendimiento global de sorgo está en la Tabla 6.
Tabla 6. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano
Sorgo
EXPLOSIÓN DE VAPOR (200 °C, 6 min)
La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 77
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 85
Rendimiento del proceso de glucano (%) 70.8
Rendimiento del proceso de xilano (%) 32.1
FPU/gcelulosa 60
FPU/gxilanos 220
Ejemplo 4
La fibra de sorgo tiene la siguiente composición: 35.8 % de glucanos, 20.0 % de xilanos, 5.61 % de grupos acetilo, 17.3 % de lignina Klason 6.4 % de ceniza, 14.8 % de extractivos.
El sorgo picado se sometió a explosión continua de vapor (reactor Stake Tech) a 207°C durante 6 minutos. Este pretratamiento condujo a una solubilización del 94.9 % de xilano y del 23.4 % de glucano. Un 86.3 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y un 9.5 % de los glucanos se degradaron a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador para alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad de 60 FPU/g de glucanos y 248 FXU/g de xilano para el sorgo pretratado. La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se muestra en la Tabla 7.
Tabla 7. Com osición de la corriente ue in resa en la hidrólisis enzimática.
Figure imgf000014_0001
continuación
Figure imgf000015_0001
Después de la hidrólisis enzimática, se analizaron las fracciones líquida y sólida del proceso con el fin de cuantificar el rendimiento de la solubilización de glucano y xilano. En el proceso de hidrólisis enzimática, el rendimiento de solubilización de glucano fue del 79 %, mientras que el rendimiento de solubilización de xilano fue del 99 %.
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de la hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 71.5 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 13.4 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 50.60 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima.
El rendimiento global de sorgo se muestra en la Tabla 8.
_________ Tabla 8. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano_________
Sorgo
EXPLOSIÓN DE VAPOR (207 °C, 6 min)
La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 79
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 99
Rendimiento del proceso de glucano (%) 71.5
Rendimiento del proceso de xilano (%) 13.4
FPU/gcelulosa 60
FPU/gxilanos 248
Ejemplo 5
Arundo tiene la siguiente composición: 37.5 % de glucanos, 19.3 % de xilanos, 5.8 % de grupos acetilo, 22.6 % de lignina Klason 6.3 % de ceniza, 8.5 % de extractivos.
Se sometió Arundo a un proceso de empapado discontinuo durante 100 min a 160 °C, en el que se produjo una primera solubilización de la materia prima. En este proceso se generaron una fase sólida y una fase líquida. La fase sólida se sometió a un pretratamiento por explosión de vapor por lotes a 200 °C durante 8 minutos. La fase líquida generada en el proceso de empapado se recicló luego al material de vapor explosionada.
Este pretratamiento conduce a una solubilización del 81.2 % de xilano y del 3.7 % de glucano. Un 1.3 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y un 0.1 % de glucanos se degradó a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador con el fin de alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad de 34 FPU/g de glucanos y 68 FXU/g de xilano para Arundo pretratado. La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se indica en la tabla 9.
Tabla 9. Com osición de la corriente ue in resa a la hidrólisis enzimática.
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El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima (Tabla 1) que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 87.4 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 97.5 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 91.2 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima.
El rendimiento global de Arundo está en la Tabla 10.
Tabla 10. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano
Arundo
Empapar (160 °C, 100 min) Exp. de vapor (200 °C, 8 min) La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 87.6
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 98.8
Rendimiento del proceso de glucano (%) 87.4
Rendimiento del proceso de xilano (%) 97.5
FPU/gcelulosa 34
FPU/gxilanos 68
Ejemplo 6
La fibra de sorgo tiene la siguiente composición: 35.8 % de glucanos, 20.0 % de xilanos, 5.61 % de grupos acetilo, 17.3 % de lignina Klason, 6.4 % de cenizas, 14.8 % de extractivos
La fibra de sorgo se sometió a un proceso de empapado discontinuo durante 25 min a 180 °C, en el que se produjo una primera solubilización de la materia prima. En este proceso se generaron una fase sólida y una fase líquida. La fase sólida se sometió a un pretratamiento por explosión de vapor por lotes a 200 °C durante 8 minutos. La fase líquida generada en el proceso de empapado se recicló luego al material de vapor explosionado.
Este pretratamiento conduce a una solubilización del 63.6 % de xilano y del 6.3 % de glucano. Un 0.97 % de xilano se degradó a compuestos inhibidores (furfural y otros productos de degradación) y un 0.1 % de los glucanos se degradaron a compuestos inhibidores (HMF y ácido fórmico).
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador para alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad de 34 FPU/g de glucanos y 59 FXU/g de xilano para el sorgo pretratado. La composición de la corriente que ingresa en la hidrólisis enzimática se indica en la tabla 11.
Tabla 11. Com osición de la corriente ue in resa a la hidrólisis enzimática
Figure imgf000017_0001
continuación
Figure imgf000018_0001
El rendimiento global del proceso se calculó a partir de la composición de la materia prima (Tabla 1) que ingresa al proceso de pretratamiento, teniendo en cuenta el balance de materia del proceso y el rendimiento de hidrólisis enzimática sobre glucano y xilano.
Se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 87.8 % para el glucano, mientras que se calculó un rendimiento de solubilización del proceso del 97.8 % para el xilano. En este proceso se calcula un rendimiento global de solubilización del 91.3 %, denominado como la suma de glucano y xilano presentes en la materia prima.
El rendimiento global de sorgo está en la Tabla 12.
Tabla 12. Hidrólisis enzimática y rendimiento del proceso de glucano y xilano
Sorgo
Empapar (180 °C, 25 min) Explosiónde vapor (200 °C, 8 min) La hidrólisis enzimática produce glucanos (%) 87.9
La hidrólisis enzimática produce xilanos (%) 98.9
Rendimiento del proceso de glucano (%) 87.8
Rendimiento del proceso de xilano (%) 97.8
FPU/gcelulosa 34
FPU/gxilanos 59
Las Tablas 13 y 14 muestran el análisis de corriente de las alimentaciones a medida que fueron tomadas a través de las diversas etapas del proceso como se describe en la Figura 1 bajo las condiciones descritas en las tablas usando el equipo en esta especificación.
Tabla 13 SORGO
Control Prueba1 Prueba2 Prueba3 Prueba4 Prueba5 Material Sorgo Sorgo Sorgo Sorgo Sorgo Sorgo Empapar (4 de la Figura 1)
Tiempo (min) - 60 100 15 25 25 Temperatura (°C) - 160 160 180 180 180 Log(R0) - 3.545 3.767 3.532 3.753 3.753 C5 (% peso/peso base de materia seca) 20.0 % 20.2 % 17.4 % 17.6 % 17.5 % 18.3 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 35.2 % 44.9 % 52.0 % 43.3 % 50.6 % 47.5 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.000 % 0.007 % 0.005 % 0.033 % 0.058 % 0.021 % Relación C5/C6 0.570 0.450 0.335 0.407 0.346 0.385 Furfural/(C5+C6) * 10A(4) 0.000 1.092 0.698 5.401 8.487 3.190 Explosión de vapor (6 desde Figura 1)
Tiempo (min) 8 12 8 8 8 Temperatura (°C) 200 200 200 200 200 Log(Ro) 3.847 4.024 3.847 3.847 3.847 C5 (% peso/peso base de materia seca) 19.9 % 16.7 % 17.4 % 17.2 % 18.3 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 44.8 % 52.0 % 43.3 % 50.6 % 47.5 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.087 % 0.060 % 0.086 % 0.047 % 0.256 % Relación C5/C6 0.444 0.321 0.402 0.340 0.386 Furfural/C5+C6 *10A(4) 13.466 8.741 14.119 6.990 38.852 Corriente líquida (5 desde Figura 1)
C5 (% peso/peso base de materia seca) 18.0 % 24.1 % 26.6 % 23.2 % 20.7 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 4.95 % 3.56 % 6.97 % 4.22 % 5.72 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.069 % 0.435 % 0.326 % 0.365 % 0.378 % Relación C5/C6 3.638 6.749 3.825 5.501 3.623 Furfural/(C5+C6) *10A4 30.091 157.376 97.113 132.866 142.787 Proceso global (20 desde Figura 1)
C5 (% peso/peso base de materia seca) 19.5 % 19.4 % 19.5 % 19.4 % 19.3 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 35.2 % 35.2 % 35.2 % 35.2 % 35.1 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.083 % 0.190 % 0.140 % 0.153 % 0.292 % Relación C5/C6 0.553 0.552 0.554 0.552 0.548 Furfural/(C5+C6) * 10A(4) 15.164 34.860 25.584 28.035 53.632
Tabla 14 ARUNDO
Control Prueba1 Prueba2 Prueba3 Prueba4 Prueba5 Material Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Empapar (4 desde Figura 1)
Tiempo (min) - 100 100 60 25 15 Temperatura (°C) - 160 160 160 180 180 Log(R0) - 3.767 3.767 3.545 3.753 3.532 (continuación)
Empapar (4 desde Figura 1)
C5 (% peso/peso base de materia seca) 19.3 % 18.4 % 18.4 % 19.0 % 15.5 % 16.1 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 37.0 % 47.3 % 47.3 % 45.0 % 51.7 % 49.3 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.000 % 0.015 % 0.015 % 0.005 % 0.015 % 0.014 % Relación C5/C6 0.521 0.390 0.390 0.421 0.300 0.326 Furfural/(C5+C6) * 10A(4) 0.000 2.324 2.324 0.807 2.221 2.140 Explosión de vapor (6 desde Figura 1)
Tiempo (min) 8 12 8 8 8 Temperatura (°C) 200 200 200 200 200 Log(Ro) 3.847 4.024 3.847 3.847 3.847 C5 (% peso/peso base de materia seca) 18.0 % 17.9 % 18.8 % 15.4 % 15.9 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 47.2 % 47.2 % 45.0 % 51.7 % 49.3 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.182 % 0.173 % 0.056 % 0.045 % 0.027 % Relación C5/C6 0.380 0.379 0.417 0.298 0.323 Furfural/(C5+C6) * 10A(4) 27.980 26.625 8.855 6.751 4.145 Corriente líquida (5 desde Figura 1)
C5 (% peso/peso base de materia seca) 20.5 % 20.5 % 18.9 % 26.4 % 26.7 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 2.43 % 2.43 % 3.95 % 3.23 % 4.91 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.120 % 0.120 % 0.067 % 0.174 % 0.248 % Relación C5/C6 8.441 8.441 4.773 8.177 5.426 Furfural/C5+C6 *10A(4) 52.203 52.203 29.411 58.721 78.382 Proceso global (20 desde Figura 1)
C5 (% peso/peso base de materia seca) 18.5 % 18.5 % 18.8 % 18.7 % 18.9 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 37.0 % 37.0 % 37.0 % 36.9 % 36.9 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.168 % 0.161 % 0.059 % 0.084 % 0.089 % Relación C5/C6 0.502 0.501 0.508 0.507 0.513 Furfural/(C5+C6) * 10A(4) 30.276 29.051 10.496 15.162 15.853
Las siguientes dos series de experimentos, 15 y 16, se llevaron a cabo en un proceso continuo sobre paja de trigo y Arundo respectivamente. Hay alguna composición sin furfural y se cree que esto es causado por una cantidad excesiva de vapor que mantiene el furfural en la corriente de vapor después de la explosión de vapor.
______________________________________ Tabla 15A - Paja de trigo______________________________________
Control Prueba1 Prueba2 Prueba3 Prueba4 Prueba5 MATERIAL Paja de Paja de Paja de Paja de trigo Paja de trigo Paja de trigo trigo trigo trigo Empapar
Temperatura (°C) - 155 165 165 165 165 Tiempo (min) - 97 67 67 67 67 Log(Rü) - 3.61 3.74 3.74 3.74 3.74 Explosión de vapor
Temperatura (°C) - 195 195 200 205 195 (continuación)
Explosión de vapor
Tiempo (min) - 4 4 4 4 4 Log(R0) - 3.40 3.40 3.55 3.69 3.40 C5 (% peso/peso base de materia 21.6 % 11.2 % 10.0 % 8.6 % 6.9 % 9.1 % seca)
C6 (% peso/peso base de materia 34.9 % 45.3 % 44.2 % 49.2 % 48.9 % 44.9 % seca)
Furfural (% peso/peso base de materia 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % seca)
Relación C5/C6 0.62 0.25 0.23 0.18 0.14 0.20 Furfural/(C5+C6) * 104 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia - 32.9 % 39.6 % 39.6 % 39.6 % 21.5 % seca)
C6 (% peso/peso base de materia - 11.6 % 14.9 % 14.9 % 14.9 % 14.8 % seca)
Furfural (% peso/peso base de materia - 0.90 % 0.83 % 0.83 % 0.83 % 2.95 % seca)
Relación C5/C6 - 2.85 2.66 2.66 2.66 1.45 Furfural/C5+C6 *104 - 202.42 151.76 151.76 151.76 810.50 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia 21.6 % 14.7 % 14.0 % 13.0 % 11.7 % 10.2 % seca)
C6 (% peso/peso base de materia 34.9 % 39.8 % 40.3 % 44.4 % 43.9 % 42.3 % seca)
Furfural (% peso/peso base de materia 0.00 % 0.15 % 0.11 % 0.12 % 0.12 % 0.25 % seca)
Relación C5/C6 0.62 0.37 0.35 0.29 0.27 0.24 Furfural/(C5+C6) *104 0.00 27.07 20.49 20.18 21.70 48.02
Tabla 15B - Paja de trigo
MATERIAL Prueba6 Prueba7 Prueba8 Prueba9 Prueba10 Prueba11
Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de trigo trigo trigo trigo trigo trigo Empapar
Temperatura (°C) 165 165 165 165 165 165 Tiempo (min) 67 67 51 51 51 37 Log(R0) 3.74 3.74 3.62 3.62 3.62 3.48
Explosión de vapor
Temperatura (°C) 200 205 195 200 205 195 Tiempo (min) 4 4 4 4 4 4 Log(R0) 3.55 3.69 3.40 3.55 3.69 3.40 C5 (% peso/peso base de materia seca) 5.8 % 4.9 % 8.5 % 6.0 % 4.7 % 14.5 % (continuación)
Explosión de vapor
C6 (% peso/peso base de materia seca) 44.1 % 44.9 % 44.9 % 43.9 % 40.9 % 49.6 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca 0.05 % 0.06 % 0.04 % 0.06 % 0.06 % 0.00 % Relación C5/C6 0.13 0.11 0.19 0.14 0.12 0.29 Furfural/(C5+C6) * 104 10.88 12.10 7.98 11.58 13.62 0.00
Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 21.5 % 21.5 % 19.7 % 19.7 % 19.7 % 26.6 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 14.8 % 14.8 % 14.4 % 14.4 % 14.4 % 14.7 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 2.95 % 2.95 % 2.32 % 2.32 % 2.32 % 2.95 % Relación C5/C6 1.45 1.45 1.37 1.37 1.37 1.81 Furfural/(C5+C6) * 104 810.50 810.50 681.43 681.43 681.43 713.38
Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 7.2 % 6.4 % 9.5 % 7.2 % 6.1 % 15.2 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 41.6 % 42.4 % 42.1 % 41.2 % 38.5 % 47.6 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.30 % 0.31 % 0.25 % 0.26 % 0.27 % 0.17 % Relación C5/C6 0.17 0.15 0.23 0.18 0.16 0.32 Furfural/(C5+C6) * 104 61.89 63.08 48.54 54.54 60.22 27.69
Tabla 15C - Paja de trigo
Prueba12 Prueba13 Prueba14 Prueba15 Prueba16 Prueba17 MATERIAL Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de trigo trigo trigo trigo trigo trigo Empapar
Temperatura (°C) 165 165 165 165 165 170 Tiempo (min) 37 37 27 27 27 37 Log(Rü) 3.48 3.48 3.35 3.35 3.35 3.63 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 200 205 195 200 205 195 Tiempo (min) 4 4 4 4 4 4 Loq(Ro) 3.55 3.69 3.40 3.55 3.69 3.40 C5 (% peso/peso base de materia seca) 7.6 % 4.9 % 14.0 % 8.0 % 5.7 % 8.2 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 50.6 % 47.9 % 49.9 % 49.8 % 48.2 % 53.5 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.02 % 0.03 % 0.00 % 0.00 % 0.03 % 0.00 % Relación C5/C6 0.15 0.10 0.28 0.16 0.12 0.15 Furfural/(C5+C6) *104 3.96 4.85 0.00 0.00 5.71 0.00 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 26.6 % 26.6 % 29.8 % 29.8 % 29.8 % 27.3 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 14.7 % 14.7 % 16.4 % 16.4 % 16.4 % 13.5 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 2.95 % 2.95 % 1.99 % 1.99 % 1.99 % 1.70 % (continuación)
Corriente líquida
Relación C5/C6 1.81 1.81 1.81 1.81 1.81 2.03 Furfural/(C5+C6) * 104 713.38 713.38 430.07 430.07 430.07 417.42 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 8.7 % 6.2 % 15.1 % 9.5 % 7.5 % 9.9 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 48.5 % 46.0 % 47.6 % 47.4 % 45.8 % 49.9 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.20 % 0.20 % 0.14 % 0.14 % 0.18 % 0.15 % Relación C5/C6 0.18 0.13 0.32 0.20 0.16 0.20 Furfural/(C5+C6) * 104 34.20 37.95 21.90 25.26 33.63 25.38
Tabla 15D' - Pa¡a de trigo
Prueba18 Prueba19 Prueba20 Prueba21 Prueba22 Prueba23 Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de Paja de MATERIAL trigo trigo trigo trigo trigo trigo Empapar
Temperatura (°C) 170 170 155 155 155 155 Tiempo (min) 37 37 72 72 72 72 Log(Ro) 3.63 3.63 3.48 3.48 3.48 3.48 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 200 205 195 200 195 195 Tiempo (min) 4 4 4 4 4 4 Log(Rü) 3.55 3.69 3.40 3.55 3.40 3.40 C5 (% peso/peso base de materia seca) 5.6 % 4.9 % 14.3 % 10.4 % 18.7 % 17.0 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 48.8 % 48.8 % 49.4 % 46.7 % 43.6 % 44.7 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.02 % 0.02 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % Relación C5/C6 0.12 0.10 0.29 0.22 0.43 0.38 Furfural/(C5+C6) *104 4.46 4.39 0.00 0.00 0.00 0.00 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 27.3 % 27.3 % 22.7 % 22.7 % 29.3 % 31.7 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 13.5 % 13.5 % 12.3 % 12.3 % 14.3 % 14.3 % Furfural (% peso/peso base de materia
1.70 % 1.70 % 2.01 % 2.01 % 1.61 % 1.96 % seca)
Relación C5/C6 2.03 2.03 1.85 1.85 2.05 2.22 Furfural/(C5+C6) * 104 417.42 417.42 574.97 574.97 369.56 427.34 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 7.6 % 6.9 % 15.2 % 11.7 % 19.3 % 18.6 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 45.7 % 45.7 % 45.4 % 43.1 % 41.9 % 41.4 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.17 % 0.17 % 0.21 % 0.21 % 0.10 % 0.21 % (continuación)
Proceso global
Relación C5/C6 0.17 0.15 0.33 0.27 0.46 0.45
Furfural/(C5+C6) * 104 32.67 32.95 35.37 39.14 15.65 35.64
Tabla 15E - Paja de trigo
Prueba24 Prueba25 Prueba26 MATERIAL Paja de trigo Paja de trigo Paja de trigo Empapar
Temperatura (°C) 155 155 155 Tiempo (min) 132 132 132 Log(Ro) 3.74 3.74 3.74 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 190 195 200 Tiempo (min) 4 4 4 Log(Rü) 3.25 3.40 3.55 C5 (% peso/peso base de materia seca) 14.0 % 11.2 % 10.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 45.7 % 45.6 % 45.8 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.00 % 0.00 % 0.00 % Relación C5/C6 0.31 0.25 0.24 Furfural/(C5+C6) * 104 0.00 0.00 0.00 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 27.8 % 27.8 % 27.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 12.4 % 12.4 % 12.4 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 2.62 % 2.62 % 2.62 % Relación C5/C6 2.24 2.24 2.24 Furfural/(C5+C6) * 104 651.91 651.91 651.91 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 15.6 % 13.1 % 12.7 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 42.0 % 41.9 % 42.1 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.30 % 0.30 % 0.30 % Relación C5/C6 0.37 0.31 0.30 Furfural/(C5+C6) * 104 51.30 53.70 53.88
Tabla 16A - Arundo
Control Prueba1 Prueba2 Prueba3 Prueba4 Prueba5 MATERIAL Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Empapar
Temperatura (°C) - 52 127 127 127 52 Tiempo (min) - 165 155 155 155 175 Log(Ro) - 3.630 3.723 3.723 3.723 3.924 (continuación)
Explosión de vapor
Temperatura (°C) - 6 6 4 6 6 Tiempo (min) - 195 200 195 195 195 Log(R0) - 3.575 3.723 3.399 3.575 3.575 C5 (% peso/peso base de materia seca) 20.0 % 12.1 % 10.4 % 11.0 % 14.0 % 6.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 33.7 % 42.5 % 49.0 % 53.5 % 45.8 % 51.6 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.0 % 0.0 % 0.1 % 0.0 % 0.0 % 0.0 % Relación C5/C6 0.521 0.28 0.21 0.20 0.31 0.13 Furfural/(C5+C6) * 104 0.000 0.00 14.66 3.51 7.08 3.51 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) - 20.9 % 32.2 % 29.1 % 22.9 % 25.7 % C6 (% peso/peso base de materia seca) - 12.13 % 18.66 % 16.46 % 20.60 % 11.10 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) - 0.953 % 1.589 % 1.706 % 0.737 % 2.915 % Relación C5/C6 - 1.720 1.724 1.769 1.113 2.314 Furfural/(C5+C6) * 104 - 288.973 312.769 374.226 169.278 792.653 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) - 13.2 % 14.6 % 15.6 % 16.2 % 11.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) - 38.5 % 43.2 % 44.0 % 39.6 % 40.8 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) - 0.126 % 0.375 % 0.455 % 0.213 % 0.793 % Relación C5/C6 - 0.344 0.338 0.355 0.409 0.290 Furfural/(C5+C6) * 104 - 24.337 64.984 76.369 38.271 150.873
Tabla 16B - Arundo
Prueba6 Prueba7 Prueba8 Prueba9 Prueba10 Prueba11 MATERIAL Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Empapar
Temperatura (°C) 52 52 52 52 52 52 Tiempo (min) 175 175 175 175 175 175 Log(Ro) 3.924 3.924 3.924 3.924 3.924 3.924 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 2 2 6 2 2 6 Tiempo (min) 195 210 195 195 205 205 Log(R0) 3.098 3.540 3.575 3.098 3.393 3.870 C5 (% peso/peso base de materia seca) 6.8 % 4.3 % 5.0 % 6.0 % 5.0 % 4.4 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 52.6 % 47.8 % 47.5 % 48.8 % 47.5 % 50.2 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.0 % 0.0 % 0.0 % 0.0 % 0.0 % 0.0 % Relación C5/C6 0.13 0.09 0.10 0.12 0.10 0.09 Furfural/(C5+C6) *104 3.60 3.82 5.08 3.26 5.08 4.34 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 25.7 % 25.7 % 24.0 % 24.0 % 24.0 % 24.0 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 11.10 % 11.10 % 13.08 % 13.08 % 13.08 % 13.08 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 2.915 % 2.915 % 2.328 % 2.328 % 2.328 % 2.328 % Corriente líquida
Relación C5/C6 2.314 2.314 1.835 1.835 1.835 1.835 Furfural/(C5+C6) *104 792.653 792.653 627.740 627.740 627.740 627.740 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 11.7 % 10.8 % 10.6 % 11.3 % 10.6 % 10.5 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 41.9 % 36.7 % 37.4 % 38.3 % 37.4 % 38.6 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.768 % 0.894 % 0.703 % 0.696 % 0.703 % 0.744 % Relación C5/C6 0.280 0.294 0.283 0.295 0.283 0.272 Furfural/(C5+C6) * 104 143.325 188.168 146.649 140.422 146.649 151.571
Tabla 16C - Arundo
Prueba1 2 Prueba13 Prueba14 Prueba15 Prueba16 Prueba17 MATERIAL Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Empapar
Temperatura (°C) 127 127 127 97 97 187 Tiempo (min) 155 155 155 165 165 155 Log(Ro) 3.723 3.723 3.723 3.901 3.901 3.891 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 6 2 2 6 2 6 Tiempo (min) 195 195 213 195 195 195 Log(Ro) 3.575 3.098 3.628 3.575 3.098 3.575 C5 (% peso/peso base de materia seca) 12.3 % 13.2 % 10.1 % 11.4 % 13.6 % 14.1 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 42.1 % 36.2 % 48.2 % 45.4 % 46.9 % 45.2 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 0.0 % 0.0 % 0.1 % 0.0 % 0.0 % 0.0 % Relación C5/C6 0.29 0.37 0.21 0.25 0.29 0.31 Furfural/(C5+C6) *104 4.56 2.30 11.54 2.07 1.65 2.10 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 24.0 % 24.0 % 24.0 % 24.8 % 24.8 % 26.2 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 15.73 % 15.73 % 15.73 % 11.47 % 11.47 % 14.90 % Furfural (% peso/peso base de materia
seca) 1.178 % 1.178 % 1.178 % 1.372 % 1.372 % 1.501 % Relación C5/C6 1.527 1.527 1.527 2.166 2.166 1.759 Furfural/(C5+C6) *104 296.352 296.352 296.352 377.872 377.872 365.159 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 14.9 % 15.4 % 13.5 % 14.1 % 15.9 % 16.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 36.2 % 32.2 % 40.2 % 38.6 % 39.7 % 38.4 % (continuar)
Proceso global
Furfural (% peso/peso base de materia
0.283 seca) % 0.244 % 0.341 % 0.284 % 0.287 % 0.344 % Relación C5/C6 0.413 0.479 0.336 0.364 0.400 0.438 Furfural/(C5+C6) * 104 55.330 51.220 63.585 53.986 51.659 62.326
Tabla 16D - Arundo
Prueba18 Prueba19 Prueba20 Prueba21 Prueba22 MATERIAL Arundo Arundo Arundo Arundo Arundo Empapar
Temperatura (°C) 187 67 67 65 65 Tiempo (min) 155 165 165 165 165 Log(Rü) 3.891 3.740 3.740 3.727 3.727 Explosión de vapor
Temperatura (°C) 2 6 2 4 4 Tiempo (min) 195 195 195 195 205 Lop(Rü) 3.098 3.575 3.098 3.399 3.694 C5 (% peso/peso base de materia seca) 14.8 % 11.4 % 13.1 % 15.91 % 10.80 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 43.5 % 44.9 % 46.5 % 44.74 % 49.06 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.0 % 0.0 % 0.0 % 0.04 % 0.08 % Relación C5/C6 0.34 0.26 0.28 0.36 0.22 Furfural/(C5+C6) * 104 2.08 4.52 2.21 6.07 12.76 Corriente líquida
C5 (% peso/peso base de materia seca) 26.2 % 20.3 % 20.3 % 24.8 % 24.8 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 14.90 % 10.91 % 10.91 % 10.64 % 10.64 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 1.501 % 0.958 % 0.958 % 2.187 % 2.187 % Relación C5/C6 1.759 1.862 1.862 2.335 2.335 Furfural/(C5+C6) * 104 365.159 306.865 306.865 616.267 616.267 Proceso global
C5 (% peso/peso base de materia seca) 17.3 % 13.4 % 14.7 % 17.9 % 14.1 % C6 (% peso/peso base de materia seca) 37.4 % 37.1 % 38.3 % 37.2 % 40.0 % Furfural (% peso/peso base de materia seca) 0.331 % 0.238 % 0.232 % 0.511 % 0.576 % Relación C5/C6 0.462 0.362 0.385 0.480 0.353 Furfural/(C5+C6) * 104 60.614 47.022 43.701 92.755 106.421
Procedimiento de hidrólisis enzimática
Este procedimiento se utiliza para medir la eficacia de un pretratamiento determinado basándose en una carga máxima de enzima.
Este procedimiento describe la sacarificación enzimática de celulosa y hemicelulosa a partir de biomasa lignocelulósica nativa o pretratada a glucosa y xilosa con el fin de determinar el grado máximo de digestibilidad posible (un nivel de saturación de una preparación de celulasa disponible comercialmente o producida internamente y tiempos de hidrólisis se utilizan hasta una semana).
Biomasa pretratada - Biomasa que ha sido sometida a molienda, tratamiento químico con agua o vapor, ácido o álcali fuerte o diluido, u otros métodos físicos o químicos para hacer que el contenido de celulosa del material sea más accesible a la acción enzimática.
Enzima celulasa: una preparación enzimática que exhibe las tres actividades celulolíticas sinérgicas: actividades endo-1,4-p-D-glucanasa, exo-1,4-p-glucosidasa o p-D-glucosidasa, que están presentes para diferentes grados en diferentes preparaciones de celulasa.
Los materiales pretratados se utilizaron para hidrólisis enzimática (EH) en fermentador de 3 litros (Infors HT, Labfors 3). Se procesó EH a una concentración de sólidos del 7.5 %, utilizando una solución de enzima comercial. La temperatura y el pH se mantuvieron a 45°C y 5.0, el agitador se mantuvo a 400 rpm.
Se añade a un fermentador de laboratorio una cantidad de material pretratado cuya composición se puede resumir en disolvente, sólido soluble, sólido insoluble. A este material se le añaden disolvente (agua, regulador, solución antibacteriana) y solución de catalizador para alcanzar un contenido de sólidos total del 7.5 %. Se calcula que la solución de catalizadores tiene una actividad expresada en FPU/g de celulosa de 34.
La composición del catalizador se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 15
Figure imgf000028_0001
El pH se mantiene en el valor deseado mediante la adición de solución reguladora o mediante soluciones básicas o ácidas.
Se toma una alícuota de la fracción líquida en diferentes momentos y se analiza el contenido de azúcar (glucosa, xilosa y celobiosa). Se recupera la fase sólida al final de la reacción. Una alícuota de la fase sólida se lava tres veces en un volumen de agua de 3 veces a 50 °C. Durante el lavado se elimina toda la fracción soluble adsorbida sobre el sólido. A continuación, el sólido lavado se somete a humedad e hidrólisis ácida cuantitativa con H2SO4 al 72 % siguiendo métodos estándar (NREL) para cuantificar su composición.
Reactivos
7.1 Reactivos
Azida de sodio (20 mg/ml en agua destilada)
Complejo de enzima celulasa de actividad conocida, FPU/mL.
Enzima xilanasa de actividad conocida, FXU/mL
Determinación analítica
La materia prima se sometió a humedad y determinación de extractivos y a hidrólisis ácida cuantitativa con H2SO4 al 72 % siguiendo métodos estándar (NREL/TP-510-42618, NREL/TP-510-42619, NREL/TP-510-42622). El residuo sólido después de la hidrólisis se recuperó por filtración y se consideró como lignina Klason. Los hidrolizados se analizaron en busca de monosacáridos (glucosa procedente de celulosa; xilosa y arabinosa procedente de hemicelulosas) y ácido acético (procedente de grupos acetilo) mediante HPLC. La determinación cromatográfica se realizó utilizando un Dionex P680A_LPG equipado con una columna de resina de intercambio iónico Biorad Aminex HPX-87A bajo las siguientes condiciones: fase móvil, 0.05 mol/L de ácido sulfúrico; tasa de flujo, 0.6 ml/min; y temperatura de la columna, 65 °C.
El contenido de humedad de las muestras se determinó mediante secado en horno a 105°C hasta peso constante. Después del pretratamiento, los residuos sólidos se recuperaron por filtración, se lavaron con agua, se secaron al aire y se pesaron para determinar el rendimiento. Se ensayó la composición de alícuotas de los residuos sólidos del pretratamiento usando los mismos métodos que para el análisis de la materia prima aplicados sobre la fracción sólida lavada de la corriente.
El contenido de sólidos insolubles de las muestras se determinó siguiendo el método estándar (NREL/TP-510-42627).
Una alícuota de la fase líquida fuera del empapado y la fase líquida que acompaña al material de explosión de vapor se secó en horno hasta un peso constante para determinar el contenido en sólidos no volátiles (NREL/TP-510-42621). Se utilizaron licores para la determinación directa por HPLC de monosacáridos, furfural hidroximetilfurfural y ácido acético. Se sometió una alícuota de licores a hidrólisis ácida cuantitativa con H2SO4 al 4 % (p/p) a 121 °C durante 60 min, antes del análisis por HPLC (NREL/TP-510-42623). Las concentraciones de gluco, arabino, xilooligosacáridos se calcularon a partir de los aumentos en las concentraciones de glucosa, xilosa y arabinosa, analizadas por HPLC, después de la hidrólisis del licor (método NREL).
Método analítico NREL
Determinación de carbohidratos estructurales y lignina en biomasa
Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 25/4/2008
Informe técnico NREL/TP-510-42618 Revisado en abril de 2008
Determinación de extractivos en biomasa
Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 7/17/2005
Informe técnico NREL/TP-510-42619 Enero de 2008
Preparación de muestras para análisis composicional
Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 9/28/2005
Informe técnico NREL/TP-510-42620 Enero de 2008
Determinación de sólidos totales en biomasa y sólidos disueltos totales en muestras de proceso líquido Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 3/31/2008
Informe técnico NREL/TP-510-42621 Revisado en marzo de 2008
Determinación de cenizas en biomasa
Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 7/17/2005
Informe técnico NREL/TP-510-42622 Enero de 2008
Determinación de azúcares, subproductos y productos de degradación en muestras de proceso de fracción líquida Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 12/08/2006
Informe técnico NREL/TP-510-42623 Enero de 2008
Determinación de sólidos insolubles en material de biomasa pretratado
Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de emisión: 03/21/2008
NREL/TP-510-42627 marzo de 2008

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para el tratamiento de biomasa lignocelulósica que comprende las etapas de
A) empapar la biomasa lignocelulósica en una etapa de empapado a baja temperatura en un líquido compuesto de agua a una temperatura en el rango de 25 a 100 °C durante 1 minuto a 24 horas y la etapa de empapado a baja temperatura es seguido por una etapa de separación para separar al menos una porción del líquido de la biomasa lignocelulósica empapada a baja temperatura;
B) empapar una materia prima de biomasa lignocelulósica en vapor o agua líquida o una mezcla de los mismos en el rango de temperatura de 145 a 165 °C durante 1 minuto a 24 horas para crear una biomasa empapada que contiene un contenido seco y un primer líquido;
C) Separar al menos una porción del primer líquido de la biomasa empapada para crear una primera corriente líquida y una primera corriente sólida; en el que la primera corriente sólida comprende la biomasa empapada;
D) Vapor que explota la primera corriente sólida para crear una corriente de vapor que explota que comprende sólidos y un segundo líquido,
E) combinar al menos una porción del líquido de la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada,
F) purificar la primera corriente líquida para crear una primera corriente líquida purificada eliminando al menos una porción de al menos un inhibidor seleccionado del grupo que consiste en ácido acético, ácido fórmico, ácido levulínico, furfural, 5-HMF, antes de combinar la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que al menos algo del segundo líquido en la corriente de vapor explosionada se separa de la corriente de vapor explosionada para crear una segunda corriente líquida.
3. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que la biomasa lignocelulósica se empapa en la etapa B por un tiempo dentro de un rango seleccionado del grupo que consiste de 1 minuto a 6 horas, 1 minuto a 4 horas, 1 minuto a 3 horas, 1 minuto a 2.5 horas y 1 minuto a 2.0 horas.
4. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la corriente de vapor explosionada se lava con al menos un tercer líquido para crear una tercera corriente líquida.
5. El proceso de la reivindicación 4, en el que la tercera corriente líquida se purifica y luego se combina con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada.
6. El proceso de la reivindicación 5, en el que la combinación de la tercera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada se realiza después de que al menos una porción de la corriente de vapor explosionada haya sido hidrolizada.
7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la combinación de al menos una porción de la primera corriente líquida con al menos una porción de la corriente de vapor explosionada se realiza después de que al menos una porción de la corriente de vapor explosionada haya sido hidrolizada.
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