ES2927855T3 - Proceso mejorado para la hidrólisis rápida de biomasa con alto contenido de sólidos - Google Patents

Abstract

El proceso para la hidrólisis de biomasa lignocelulósica comprende los pasos de A) Poner en contacto una materia prima lignocelulósica, la materia prima compuesta por biomasa que tiene un contenido seco y agua con al menos una porción de un solvente, el solvente compuesto por hidrolizado soluble en agua especies; en el que al menos algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua que se pueden obtener a partir de la hidrólisis de la biomasa en la materia prima; B) mantener el contacto entre la materia prima de la corriente de materia prima y el solvente a una temperatura en el rango de 20°C a 200°C por un tiempo en el rango de 5 minutos a 72 horas para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa en la materia prima (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso mejorado para la hidrólisis rápida de biomasa con alto contenido de sólidos

Antecedentes

La solicitud de patente francesa n.° 2609046 enseña la hidrólisis de almidón en presencia de enzimas hidrolizantes de almidón. Se sabe que el almidón se extrae de plantas alimenticias y cereales. Un experto en la materia sabe que el almidón se hidroliza fácilmente debido a sus enlaces químicos, mientras que la celulosa no se hidroliza fácilmente. La patente enseña la adición de agua al almidón seco molido para ajustar la concentración en el sustrato amiláceo molido, expresada en materia seca, a un valor comprendido entre 50 y 400 g/litro de la mitad de la fermentación. La solicitud de patente francesa no menciona nada sobre la aplicabilidad a materias primas celulósicas.

En la técnica se sabe que el coste energético de la destilación de etanol de un proceso de fermentación se reduce drásticamente si el caldo de fermentación contiene más del 4 % de etanol. Esto requiere una concentración de azúcar superior al 8 % (p/p), que con la mayoría de los tipos de biomasa, en particular biomasas lignocelulósicas, corresponde a un contenido inicial de materia seca superior al 20 %.

Por tanto, es fundamental poder utilizar biomasas que contengan lignocelulósicos con alto contenido de materia seca, preferentemente superior al 20 % en peso.

Previamente se ha descrito la hidrólisis enzimática de la biomasa. Sin embargo, en el caso de biomasas lignocelulósicas, solo se ha hidrolizado satisfactoriamente el material que consiste en fibras y partículas con un tamaño promedio inferior a 1 pulgada (25,4 mm) y que además tiene un contenido de materia seca relativamente bajo, es decir, inferior al 20 % (p/p).

La hidrólisis enzimática de biomasa se ha realizado tradicionalmente en reactores de tanque agitado equipados con impulsores (por ejemplo, turbina Rushton o impulsor Intemig) montados en un eje impulsor colocado en el centro similares a los usados en la industria de la fermentación. Debido a este equipo, las soluciones de alta viscosidad, el material muy pegajoso o muy seco no pueden removerse de manera eficaz y no resultarán homogéneos, manteniendo áreas con muy poca o ninguna mezcla. Además, el removido de tales soluciones requiere aportes de energía muy grandes, lo que es perjudicial para la economía del proceso. Por tanto, operar con biomasas que contienen polisacáridos ha restringido previamente el límite superior posible a aprox. 20 % (p/p).

Esto se evidencia en la patente de EUA n.° 4.409.329 que describe la hidrólisis de material celulósico sólido a azúcar, donde la celulosa se hidroliza a azúcares simples por tratamiento de una suspensión granular del 3-20 % (p/p) de alimentación sólida que contiene un 30-80 % (p/p) de celulosa, con un complejo enzimático de celulasa. La carga sólida que contiene celulosa tenía un tamaño medio de partícula variable entre 0,01 y 1 pulgada (0,0254­ 25,4 mm) de diámetro. Para la mezcla se usaron palas perforadas. La enseñanza de la patente es utilizar una tasa de cizallamiento muy alta, del orden de 50.000 a 200.000 pies/minuto/pie en toda la zona de reacción.

El documento de patente US2002117167A describe la hidrólisis enzimática de hemicelulosa en material de biomasa, que comprende solubilizar al menos una parte de hemicelulosa e hidrolizar la hemicelulosa solubilizada para producir al menos un monosacárido. La biomasa seleccionada es preferentemente una suspensión acuosa de material sin procesar o pretratado. El material de biomasa puede ser cualquier material celulósico que incluya hemicelulosa. El proceso se describe como especialmente eficaz con fibras de cereales tales como maíz, trigo, arroz, avena o cebada. Sin embargo, como se indica en los ejemplos, la celulosa no se hidroliza.

El documento de patente US2004005674A describe un proceso de hidrólisis enzimática de lignocelulosa. La degradación de la lignocelulosa a azúcares comprende poner en contacto la lignocelulosa con al menos una enzima auxiliar y al menos una celulasa. El material lignocelulósico se molió (además no se especificó el tamaño medio de fibra del material) y tenía un contenido de materia seca bajo (0,2 g de material de rastrojo molido en 10 ml de solución enzimática).

El documento de patente WO 2006/056838 describe un proceso para licuefacción y sacarificación de biomasas que contienen polisacáridos, que tienen un contenido de materia seca relativamente alto. Combina la hidrólisis enzimática con un tipo de mezcla basado en el principio de la gravedad, asegurando que las biomasas queden sujetas a fuerzas mecánicas, principalmente fuerzas de cizallamiento y desgarro.

Los procesos anteriores son caros de operar debido a sus altos requisitos de cizallamiento y tiempo para hidrolizar la materia prima. Ir a la página 3a.

Por tanto, existe la necesidad de usar diseños económicos y, al mismo tiempo, tratar biomasa con alto contenido seco.

Sumario

En la técnica se sabe bien que descomponer celulosa en azúcar es muy difícil. Se ha demostrado que los esfuerzos para hidrolizar las biomasas celulósicas generalmente no son económicos. Aunque las corrientes de biomasa que contienen celulosa pueden tratarse para aumentar la accesibilidad de la celulosa a catalizadores de hidrólisis, tales como enzimas, todavía es muy difícil, en tiempo y energía, convertir la celulosa en sus azúcares básicos. Por esta razón, los sistemas de la técnica anterior retiran primero los componentes celulósicos e hidrolizan el almidón o componente de azúcar libre solo. Estos sistemas se denominan procesos de primera generación. La dificultad de la hidrólisis celulósica se pone de manifiesto en las patentes recientes de la técnica anterior citadas en la sección de antecedentes que someten los materiales celulósicos a un cizallamiento elevado y a períodos de tiempo largos para romper las fibras.

La presente memoria descriptiva desvela un proceso de hidrólisis que no necesita cizallamiento e hidroliza la celulosa en muy poco tiempo.

La presente memoria descriptiva desvela un proceso para la hidrólisis de biomasa lignocelulósica de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas 1-20.

Por tanto, la presente memoria descriptiva desvela un proceso para la hidrólisis de biomasa de alto contenido seco que comprende las etapas de poner en contacto una materia prima que comprende biomasa que tiene tanto contenido seco como agua con al menos una parte de un disolvente que comprende especies hidrolizadas solubles en agua; en donde al menos algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua obtenibles a partir de la hidrólisis de la biomasa, manteniendo el contacto entre la materia prima y el disolvente en presencia de una composición de catalizador a una temperatura en el intervalo de 20 °C a 95 °C durante un período de tiempo en el intervalo El documento de patente WO 2008/115891 A2 (Weyerhaeuser Company, EUA) describe un método de hidrólisis enzimática de materiales lignocelulósicos, que comprende: (a) en un recipiente de reactor, agitar una mezcla de materia lignocelulósica y enzimas; (b) reciclar la mezcla en un bucle de reciclado que se extiende desde y regresa al recipiente de reactor; y (c) además triturar la mezcla en el bucle de reciclado para promover una transferencia de masa eficaz hacia y desde las fibras lignocelulósicas en la materia lignocelulósica sin desactivación enzimática. Esta solicitud de patente también describe un método de hidrólisis enzimática de materiales lignocelulósicos, que comprende: (a) en un primer recipiente de reactor, agitar una mezcla de materia lignocelulósica y enzimas, incluyendo el primer recipiente de reactor un primer agitador y una primera línea de alimentación de recipiente; y (b) además agitar la mezcla en la primera línea de alimentación de recipiente para promover una transferencia de masa eficaz de las enzimas hacia y desde las fibras lignocelulósicas en la materia lignocelulósica sin desactivación enzimática.

El documento de patente WO 2007/009463 A2 (Holm Christensen Biosystemer ApS, DK) describe un método para convertir material celulósico en etanol y otros productos, comprendiendo el material celulósico al menos celulosa, lignina, hemicelulosa y ceniza, método en el que el material celulósico se limpia y se somete a pretratamiento hidrotérmico continuo sin adición de ácidos o bases u otros productos químicos, que deban recuperarse, y método en el que se produce un líquido y una fracción de fibra, sometiéndose la fracción de fibra a licuefacción enzimática y sacarificación, incluyendo el método fermentación etanólica y recuperación de producto, comprendiendo el método:

- realizar el pretratamiento hidrotérmico sometiendo el material celulósico a al menos una operación de remojo, y transportar el material celulósico a través de al menos un reactor presurizado que define una zona de presión de reactor a presión elevada; calentándose el material celulósico a una temperatura entre 170 y 230 °C, y sometiendo 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 permanencia para el pretratamiento hidrotérmico, de modo que se mantenga la estructura fibrosa de la materia prima y se mantenga al menos un 80 % de la lignina en la fracción de fibra;

- descargar la fracción de fibra prensada desde la zona de presión de reactor a una zona cerrada corriente abajo, que está a una presión menor que la zona de presión de reactor, mientras se recoge el vapor liberado sin acceso al aire;

- descargar la fracción líquida del reactor presurizado a una segunda zona cerrada, que está a una presión menor que la zona de presión de reactor, mientras se recoge el vapor liberado sin acceso al aire.

El documento de patente US 4.578.353 A (Assarsson et al.) describe un proceso para producir productos de fermentación a partir de material de carbohidratos que comprende preparar una alimentación de suspensión acuosa de material de carbohidratos, conteniendo dicha suspensión aproximadamente un 15-30 % en peso de sólidos de carbohidratos, mover continuamente dicha alimentación de suspensión mediante una sola etapa de hidrólisis en la que la alimentación de suspensión se mueve a través de una zona de precalentamiento tubular confinada y se transfiere suficiente calor a la suspensión por lo que pasa por una etapa de gelificación y se convierte en un líquido caliente que fluye libremente y dicho líquido caliente se fuerza inmediatamente a través de una abertura restrictiva y hacia una zona de reacción tubular confinada acompañado por una disminución de presión repentina a una velocidad suficiente para que el material de carbohidratos se vuelva altamente reactivo, y mover continuamente el material de carbohidratos altamente reactivo, junto con un agente hidrolizante ácido, a través de la zona de reacción tubular para producir un hidrolizado en forma fluida que contiene al menos un 80 % de glucosa, fermentar el fluido que contiene glucosa para formar un producto de fermentación, destilar el producto de fermentación para separar el producto de un residuo de destilación que contiene materiales de carbohidratos no fermentados, y reciclar al menos parte del residuo de destilación obtenido que contiene materiales de carbohidratos no fermentados para formar parte de la alimentación de suspensión a dicha etapa única de hidrólisis por lo que una parte sustancial de dichos materiales no fermentados se hidroliza para formar parte de dicho fluido que contiene glucosa fermentable de 5 minutos a 72 horas para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa.

La presente memoria descriptiva desvela que el proceso para la hidrólisis de biomasa también puede comprender las etapas de A) repartir una cantidad de biomasa que tiene un contenido seco y agua en al menos una primera corriente de materia prima y una segunda corriente de materia prima, B) crear una primera corriente de disolvente hidrolizando la primera corriente de materia prima con la adición de un catalizador a la primera corriente de materia prima, en donde la cantidad de catalizador está en el intervalo de 0,1 a 150 FPU/g de contenido seco en todas las corrientes de materia prima y realizar la hidrólisis a una temperatura en el intervalo de 20 °C a 95 °C durante un período de tiempo en el intervalo de 5 minutos a 8 horas, C) poner en contacto al menos una de las corrientes de materia prima que no es la primera corriente de materia prima con la primera corriente de disolvente y D) mantener el contacto entre la al menos una materia prima que no es la primera corriente de materia prima y la primera corriente de disolvente a una temperatura en el intervalo de 20 °C a 95 °C durante un período de tiempo en el intervalo de 5 minutos a 72 horas para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa.

Además, se desvela que al menos una parte de la composición de catalizador puede ponerse en contacto con la materia prima antes, inmediatamente, o después de poner en contacto la materia prima con el disolvente. Además, se desvela que la proporción de la biomasa con respecto a agua de la materia prima puede ser mayor que 1:6, o mayor que 1:5, o mayor que 1:4, o mayor que 1:3, o mayor que 1:2,5, o mayor que 1:2, o mayor que 1:1,5 o mayor que 1:1 o mayor que 1:0,9.

Además, se desvela que la cantidad de biomasa con respecto a agua en la materia prima está en los intervalos de proporciones de 1:4 a 9:1; 1:3,9 a 9:1, 1:3,5 a 9:1, 1:3,25 a 9:1, 1:3 a 9:1, 1:2,9 a 9:1, 1:2 a 9:1, 1,15 a 9:1, 1:1 a 9:1, y 1:0,9 a 9:1.

Además, se desvela que la proporción del peso del disolvente puesto en contacto con la materia prima con respecto al peso de la materia prima en el momento del contacto puede estar en uno cualquiera de los intervalos de 1:99 a 99:1, 10:90 a 90:10, 20:80 a 90:10, 30:70 a 90:10, 40:60 a 90:10, 50:50 a 90:10, y 60:40 a 90:10.

Además, se desvela que el catalizador comprende una enzima y la enzima es capaz de convertir un compuesto en la biomasa en un azúcar o polímero de azúcar de bajo peso molecular. Además, se desvela que la enzima es capaz de hidrolizar celulosa, preferentemente a glucosa.

Además, se desvela que el proceso podría ser un proceso discontinuo, en donde la composición de catalizador se introduce en el recipiente antes, simultáneamente, o después de la introducción de la materia prima y la materia prima y el disolvente se mantienen en el recipiente durante el período de tiempo, y tras mantener la materia prima, el disolvente y el catalizador en el recipiente durante el período de tiempo, se retira del recipiente un peso del producto hidrolizado, en donde el peso del producto hidrolizado retirado es sustancialmente equivalente al peso de la materia prima más la composición de catalizador introducida más el peso de todos los materiales que no son el disolvente introducidos en el recipiente.

El proceso también podría contener una segunda corriente de disolvente de un lote previamente hidrolizado. La retirada del producto podría ser completa o una parte del producto podría permanecer en el recipiente.

Además, se desvela que el proceso podría ser un proceso continuo, en donde la materia prima de la al menos una corriente de materia prima que no es la primera corriente de materia prima y el disolvente de la primera corriente de disolvente se introducen continuamente en un recipiente que ya contiene la corriente de disolvente, la composición de catalizador se introduce continuamente en el recipiente, y el producto hidrolizado se retira continuamente del recipiente, en donde el peso del producto hidrolizado retirado durante un período de tiempo especificado es equivalente al peso de materia prima más la composición de catalizador más el peso de todos los materiales que no son el disolvente introducidos en el recipiente durante el período de tiempo especificado.

Además, se desvela que los procesos podrían tener una etapa de premezcla basada en un bucle de reciclado de la corriente de disolvente de producto, en donde una parte del disolvente se mezcla con al menos una parte de la materia prima antes de su introducción al recipiente y todas las proporciones del disolvente con respecto a la materia prima se basan en la cantidad total de disolvente que es la cantidad de disolvente en el recipiente más la cantidad de cualquier disolvente mezclado con la al menos una parte de la corriente de materia prima.

Además, se desvela que los sólidos pueden separarse de la corriente hidrolizada y los sólidos pueden reciclarse opcionalmente en el recipiente de hidrólisis. Se desvela que los sólidos también pueden purgarse antes de añadirse al recipiente de hidrólisis o no añadirse al recipiente de hidrólisis.

Breve descripción de los dibujos

- La Figura 1 es un esquema de un proceso de hidrólisis continuo.

- La Figura 2 es un esquema de un proceso de hidrólisis continuo con un bucle de reciclado.

- La Figura 3 es un esquema de un proceso continuo de flujo pistón.

- La Figura 4 es un esquema de un proceso de hidrólisis discontinuo.

- La Figura 5 es un esquema de una realización del proceso mejorado que muestra tratamiento con exceso de catalizador.

- La Figura 6 representa el tipo de aparato usado para realizar los experimentos.

- La Figura 7 es un esquema de un proceso de hidrólisis continuo con separación de los sólidos en el producto de hidrólisis.

Descripción detallada

Este proceso utiliza el descubrimiento de que la hidrólisis enzimática de la celulosa puede ocurrir muy rápidamente y, de ese modo, opcionalmente, evitar el cizallamiento y el exceso de agua cuando la hidrólisis se realiza en presencia de una cantidad sustancial de productos ya hidrolizados de la biomasa, de acuerdo con el proceso de la reivindicación 1.

Al hacerlo así, el experto puede evitar el uso de mezcladores especiales y los altos costes de mezclado descritos en las propuestas de la técnica anterior.

El proceso comienza con la selección de una materia prima. La materia prima comprende biomasa que tiene un contenido seco y agua. Normalmente, el agua no es agua libre, sino agua absorbida en la propia biomasa. A menudo, esta biomasa 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 no acuoso, o de otro modo, sólido. La expresión biomasa y agua es el contenido seco de biomasa más el agua absorbida y libre y el agua que haya podido añadirse. Por ejemplo, la cantidad de biomasa más agua para 100 kg de biomasa con un 20 % de contenido seco es 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 puede utilizar una materia prima de biomasa y agua, donde el contenido de materia seca con respecto al agua de la materia prima es preferentemente del 15 al 80 %, del 20 al 80 %, o del 21 al 80 %, preferentemente del 25 al 70 %, o del 26-70 %, más preferentemente del 25 al 60 %, o del 26 al 60 %, incluso más preferentemente del 25 al 50 %, o del 26 al 50 % o del 25 al 40 %, o del 26 % al 40 % y lo más preferentemente del 25 al 35 %, o del 26 al 35 %, o del 26 al 34 %, o del 31 % al 49 %.

Esto puede expresarse alternativamente como contenido seco mínimo, es decir, como porcentaje en peso del contenido seco con respecto al agua en la materia prima. Esto correspondería a al menos un 18 por ciento en peso de contenido seco, preferentemente a al menos un 21 o un 20 por ciento en peso de contenido seco, preferentemente al menos un 25 por ciento en peso de contenido seco, más preferentemente al menos un 30 por ciento en peso de contenido seco, y lo más preferentemente al menos un 40 por ciento en peso de contenido seco. Por definición, el límite superior de estos contenidos es el 100 %, pero, en la práctica, el 80 por ciento en peso sería el límite superior de estos contenidos si se expresaran en intervalos.

Se cree que el proceso descrito en el presente documento puede manejar un contenido seco de casi el 100 %. Por supuesto, hay que reconocer que es esencial algo de agua para la reacción de hidrólisis.

Por tanto, algunos intervalos adecuados para la presente invención son biomasas que tienen contenidos mayores que 18 %, 20 %, 21 %, 25 %, 26 %, 30 %, 31 %, 35 %, 36 %, 40 %, 50 %, 60 % y 80 % con un límite superior del 80 %, 90 %, para cada límite inferior.

La distribución preferente de los tamaños de fibra y partícula de la biomasa puede implicar los intervalos de 0­ 150 mm, preferentemente, 5-125 mm, más preferentemente, 10-100 mm, incluso más preferentemente de 15-30 a 90 mm o 20-80 mm y lo más preferentemente de 26 a 70 mm.

La distribución preferente de los tamaños de fibra y partícula se define como una variación de al menos un 20 % (p/p) de la biomasa dentro del intervalo preferente.

Una ventaja de este proceso es que se realiza sin añadir un ácido inorgánico seleccionado preferentemente entre el grupo que consiste en ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y similares, o mezclas de los mismos o sin disolventes orgánicos solubilizantes de lignina tales como los seleccionados entre el grupo que consiste en cetonas y acetonas de 2 a 6 átomos de carbono y de las mismas, metanol, etanol.

Otra ventaja es que esta reacción puede realizarse a presión atmosférica. Alternativamente, se cree que la temperatura puede elevarse para que la reacción pueda realizarse con o sin enzimas a presiones asociadas a la temperatura en el intervalo de 100 °C a 200 °C.

La biomasa vegetal es una materia prima preferente. Además del almidón, los tres componentes principales de la biomasa vegetal son celulosa, hemicelulosa y lignina, a los que comúnmente se hace referencia con el término genérico lignocelulosa. Biomasa que contiene polisacáridos es un término genérico que incluye biomasas tanto de almidón como lignocelulósicas. Por tanto, algunos tipos de materias primas pueden ser biomasa vegetal, biomasa que contiene polisacáridos y biomasa lignocelulósica. Es decir, en la presente memoria descriptiva, una biomasa lignocelulósica puede contener almidón o no contenerlo.

Este proceso tiene como objeto principalmente la producción de hidrólisis de segunda generación, donde la materia prima lignocelulósica contiene más de un 5 % en peso del contenido seco de celulosa. Una cantidad incluso más preferente es un contenido de celulosa mayor que un 10 % en peso del contenido seco de la materia prima, siendo la más preferente mayor que al menos un 15 % en peso del contenido seco de la materia prima.

Aunque la materia prima puede estar exenta de almidón, sustancialmente libre de almidón o tener un contenido de almidón de 0. El almidón, si estuviera presente, puede ser inferior al 75 % en peso del contenido seco. No existe un intervalo de almidón preferente ya que no se cree que su presencia influya en la hidrólisis de la celulosa. Los intervalos para la cantidad de almidón, si estuviera presente, están entre un 0 y un 75 % en peso del contenido seco, del 0 al 50 % en peso del contenido seco, del 0 al 30 % en peso del contenido seco y del 0 al 25 % en peso del contenido seco.

A menudo se utiliza un pretratamiento para garantizar que la estructura del contenido lignocelulósico se vuelva más accesible a los catalizadores, tales como enzimas y, al mismo tiempo, se mantienen sustancialmente bajas las concentraciones de subproductos inhibidores nocivos tales como ácido acético, furfural e hidroximetilfurfural.

Existen varias estrategias para conseguir un aumento de accesibilidad. Las estrategias actuales implican someter el material lignocelulósico a temperaturas entre 110-250 °C durante 1-60 min, por ejemplo:

Extracción en agua caliente.

Hidrólisis ácida diluida en múltiples etapas, que retira el material disuelto antes de que se formen sustancias inhibidoras.

El ácido diluido se hidroliza en condiciones de rigurosidad relativamente bajas.

Oxidación húmeda alcalina.

Explosión de vapor.

Casi cualquier pretratamiento con desintoxicación posterior.

Si se elige un pretratamiento hidrotérmico, son preferentes las siguientes condiciones: temperatura de pretratamiento: 110-250 °C, preferentemente 120-240 °C, más preferentemente 130-230 °C, más preferentemente 140-220 °C, más preferentemente 150-210 °C, más preferentemente 160-200 °C, incluso más preferentemente 170­ 200 °C o lo más preferentemente 180-200 °C.

Tiempo de pretratamiento: 1-60 min, preferentemente 2-55 min, más preferentemente 3-50 min, más preferentemente 4-45 min, más preferentemente 5-40 min, más preferentemente 5-35 min, más preferentemente 5­ 30 min, más preferentemente 5-25 min, más preferentemente 5-20 min y lo más preferentemente 5-15 min.

El contenido de materia seca tras el pretratamiento es preferentemente al menos un 20 % (p/p). Posteriormente se contemplan otros límites superiores preferentes.

Las biomasas que contienen polisacáridos incluyen cualquier material que contenga azúcares poliméricos, por ejemplo, en forma de almidón así como almidón refinado, celulosa y hemicelulosa. Sin embargo, como se discutió anteriormente, el almidón no es un componente principal.

Los tipos pertinentes de biomasas para hidrólisis y mezcla de acuerdo con la presente invención pueden incluir biomasas obtenidas a partir de cultivos agrícolas tales como, por ejemplo: que contengan granos; rastrojo de maíz, bagazo, paja, por ejemplo, de arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo; tubérculos, por ejemplo, remolacha, patata.

La materia prima de biomasa lignocelulósica es preferentemente de la familia denominada habitualmente gramíneas. El nombre propio es la familia conocida como Poaceae o Gramineae en la Clase Liliopsida (las monocotiledóneas) de las plantas con flor. Las plantas de esta familia se denominan generalmente gramíneas e incluyen bambú. Hay aproximadamente 600 géneros y unas 9.000-10.000 o más especies de gramíneas (índice de Kew de especies de gramíneas mundiales).

Las poáceas incluyen los granos de alimento básico y cultivos de cereal que crecen en todo el mundo, césped y gramíneas forrajeras, y bambú. Las poáceas tienen generalmente tallos huecos denominados culmos, que están taponados (son sólidos) a intervalos llamados nudos, los puntos a lo largo del culmo en el que surgen las hojas. Habitualmente, las hojas de gramínea son alternas, dísticas (en un plano) o rara vez espirales y con nervado paralelo. Cada hoja se diferencia en una vaina inferior que abraza el tallo a una distancia y una brizna con márgenes normalmente enteros. Las briznas de las hojas de muchas gramíneas están endurecidas con fitolitos de sílice, lo que ayuda a disuadir a animales que pastan. En algunas gramíneas (tales como espadaña), esto hace que los bordes de las briznas de gramínea sean suficientemente afilados para cortar la piel humana. Un apéndice membranoso o franja de vellos, denominada lígula, se encuentra en la unión entre la vaina y la brizna, evita que el agua o los insectos penetren en la vaina.

Las briznas de gramínea crecen en la base de la brizna y no en las puntas de los tallos alargados. Este punto de crecimiento bajo evolucionó como respuesta a los animales que pasan y permite el pasto o la siega regular de las gramíneas sin daños graves en la planta.

Las flores de las poáceas se disponen característicamente en espiguillas, teniendo cada espiguilla uno o más flósculos (las espiguillas se agrupan además en panículas o espigas). Una espiguilla consta de dos (o a veces menos) brácteas en la base, llamadas glumas, seguidas de uno o más flósculos. Un flósculo consiste en la flor rodeada por dos brácteas llamadas lema (la externa) y palea (la interna). Normalmente, las flores son hermafroditas (maíz, monoica, es una excepción) y la polinización es casi siempre anemófila. El perianto se reduce a dos escamas, llamadas lodículos, que se expanden y contraen para extender la lema y la palea; generalmente, estos se interpretan como sépalos modificados. Esta estructura compleja puede observarse en la imagen de la izquierda, que representa una espiga de trigo (Triticum aestivum).

El fruto de las poáceas es una cariópside en la que la cubierta de la semilla se fusiona con la pared del fruto y, por tanto, no puede separarse del mismo (como en un grano de maíz).

Hay tres clasificaciones generales de hábitos de crecimiento presentes en gramíneas; tipo racimo (también denominado 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, que usan las rutas fotosintéticas C3 y C4 para la fijación de carbono. Las gramíneas C4 tienen una ruta fotosintética unida a la anatomía de hoja de Kranz especializada que las adapta particularmente a climas cálidos y una atmósfera baja en dióxido de carbono.

Las gramíneas C3 se denominan "gramíneas de estación fría", mientras que las plantas C4 se consideran "gramíneas de estación cálida". Las gramíneas pueden ser anuales o perennes. Algunos ejemplos de anuales de estación fría son trigo, centeno, pastito de invierno (hierba de la pradera anual, Poa annua y avena). Ejemplos de perennes de estación fría son dáctilo aglomerado (dáctilo, Dactylis glomerata), festuca (Festuca spp), pasto azul de Kentucky y el ballico perenne (Lolium perenne). Ejemplos de anuales de temporada cálida son maíz, hierba del Sudán y mijo perlado. Ejemplos de perennes de estación cálida son hierba de tallo azul grande, hierba de don Carlos, grama común 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, incluyendo Pharus y Leptaspis; 3) Puelioideae, un pequeño linaje que incluye el género africano Puelia; 4) Pooideae, que incluye trigo, cebada, avena, bromo (Bronnus) y juncos (Calamagrostis); 5) Bambusoideae, que incluye bambú; 6) Ehrhartoideae, que incluye arroz, y arroz silvestre; 7) Arundinoideae, que incluye el junco gigante y el junco común 8) Centothecoideae, una pequeña subfamilia de 11 géneros que en ocasiones se incluye en Panicoideae; 9) Chloridoideae, que incluye los pastos llorones (Eragrostis, aprox. 350 especies, incluyendo tef), semillas de pradera (Sporobolus, unas 160 especies), mijo de dedo (Eleusine coracana (L.) Gaertn.), y las gramíneas de Muhly (Muhlenbergia, aprox. 175 especies); 10) Panicoideae, que incluye gramínea de pánico, maíz, sorgo, caña de azúcar, la mayoría de los mijos, fonio y gramíneas de tallo azul. 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae que incluye hierba de la pampa; siendo Poa un género de aproximadamente 500 especies de gramíneas, nativas de las regiones templadas de ambos hemisferios. Las gramíneas agrícolas cultivadas por sus semillas comestibles se denominan cereales. Tres cereales comunes son arroz, trigo y maíz. De todos los cultivos, un 70 % son gramíneas.

La caña de azúcar es la fuente principal de producción de azúcar. Las gramíneas se usan para construcción. Los andamios hechos de bambú son capaces de resistir la fuerza de un tifón que rompería andamios de acero. Los bambúes más grandes y Arundo Donax tienen culmos fuertes que pueden usarse de manera similar a la madera, y las raíces de la hierba estabilizan el césped de las casas con césped. Arundo se usa para hacer lengüetas para instrumentos de viento de madera, y el bambú se usa para innumerables herramientas.

Por tanto, una biomasa lignocelulósica preferente se selecciona entre el grupo que consiste en las gramíneas. Expresado de forma alternativa, la biomasa lignocelulósica preferente se selecciona entre el grupo que consiste en las plantas que pertenecen a la familia Poaceae o Gramineae. En la mayoría de los casos, no se habrá extraído el almidón. Por tanto, otra biomasa lignocelulósica preferente es la seleccionada entre el grupo que consiste en las gramíneas a las que no se les ha extraído el almidón. Expresado de forma alternativa, la biomasa lignocelulósica preferente se selecciona entre el grupo que consiste en plantas pertenecientes a la familia Poaceae o Gramineae de las que no se ha extraído su almidón. Extraído es diferente de retirado. La planta de maíz tiene la mazorca y el rastrojo. La retirada de la mazorca retira el componente primario de almidón pero no extrae el almidón. Extraer el almidón es separar el almidón de la composición de almidón celulósico mediante un proceso químico o físico que no sea cortar o trocear.

La biomasa lignocelulósica puede cortarse en trozos en los que un 20 % (p/p) de la biomasa varía preferentemente entre 26 y 70 mm, antes del pretratamiento. El material pretratado tiene preferentemente 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 lava el cloruro potásico de la fracción de lignina.

La biomasa contendrá algunos compuestos que son hidrolizables en especies solubles en agua obtenibles a partir de la hidrólisis de la biomasa. En el caso de especies hidrolizadas solubles en agua de celulosa, la celulosa puede hidrolizarse en glucosa, celobiosa, y polímeros de glucosa superiores e incluye dímeros y oligómeros. Por tanto, algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua de celulosa son glucosa, celobiosa, y polímeros de glucosa superiores e incluye sus respectivos dímeros y oligómeros. Las celulasas carbohidrolíticas hidrolizan la celulosa en glucosa. Por tanto, las celulasas carbohidrolíticas son ejemplos de catalizadores para la hidrólisis de la celulosa.

La comprensión generalizada 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 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 enlaces p-1,4-glucosídicos internos aleatoriamente en la cadena de celulosa; 1,4-p-D-glucosidasa (EC 3.2.1.21), que hidroliza la celobiosa a glucosa y también separa las unidades de glucosa de los celooligosacáridos. Por tanto, si la biomasa contiene celulosa, entonces la glucosa es una especie hidrolizada soluble en agua obtenible a partir de la hidrólisis de la biomasa y las celulasas mencionadas anteriormente son ejemplos específicos, además de las mencionadas en la sección experimental, de catalizadores para la hidrólisis de celulosa.

Por análisis similar, los productos de hidrólisis de hemicelulosa son especies solubles en agua obtenibles a partir de la hidrólisis de la biomasa suponiendo, por supuesto, que la biomasa contenga hemicelulosa. La hemicelulosa incluye xilano, glucuronoxilano, arabinoxilano, glucomanano, y xiloglucano. Las hemicelulasas liberan los diferentes azúcares en la hemicelulosa. El sistema hemicelulítico es más complejo que el sistema celulolítico debido a la naturaleza heteróloga de la hemicelulosa. Los sistemas pueden implicar, 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 los xilooligosacáridos del extremo no reductor y liberan xilosa; endo-1,4-p-D-mananasas (EC 3.2.1.78), que escinden enlaces internos; 1,4-p-D-manosidasas (EC 3.2.1.25), que escinden manooligosacáridos en manosa. Los grupos laterales se retiran mediante varias 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), cinamoíl esterasas (EC 3.1.1.-), acetil xilano esterasas (EC 3.1.1.6) y feruloíl esterasas (EC 3.1.1.73). Por tanto, si la biomasa contiene hemicelulosa, entonces xilosa y manosa son ejemplos de una especie hidrolizada soluble en agua obtenible a partir de la hidrólisis de la biomasa que contiene hemicelulosa y las hemicelulasas mencionadas anteriormente son ejemplos específicos, así como las mencionadas en la sección experimental, de catalizadores para la hidrólisis de la hemicelulosa.

En el proceso se incluye una composición de catalizador. La composición de catalizador consiste en el catalizador, el vehículo, y otros aditivos/ingredientes usados para introducir el catalizador en el proceso. Como se discutió anteriormente, el catalizador puede comprender al menos una enzima o microorganismo que convierte al menos uno de los compuestos en la biomasa en un compuesto o compuestos de peso molecular menor, hasta, e incluyendo, el azúcar o carbohidrato básico usado para generar el compuesto en la biomasa. En la técnica se conocen bien las enzimas que pueden hacer esto para los diversos polisacáridos tales como celulosa, hemicelulosa y almidón.

De acuerdo con una realización que no está de acuerdo con la presente invención, la composición de catalizador también puede comprender un ácido inorgánico seleccionado preferentemente entre el grupo que consiste en ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y similares, o mezclas de los mismos. Se cree que el ácido inorgánico es útil para procesamiento a temperaturas mayores que 100 °C. El proceso de acuerdo con la invención se realiza sin la adición de un ácido inorgánico. Es habitual añadir el catalizador al proceso con un vehículo, tal como agua o un material de base orgánica. Con el fin de equilibrar la masa, la expresión composición de catalizador incluye, por tanto, el catalizador o catalizadores más el vehículo o vehículos usados para añadir el catalizador o catalizadores al proceso. Si se añade un tampón de pH con el catalizador, entonces también es parte de la composición de catalizador. A menudo, la biomasa lignocelulósica contendrá almidón. Las enzimas más importantes para uso en la hidrólisis de almidón son alfa-amilasas (1,4-a-D-glucano glucanohidrolasas, (EC 3.2.1.1)). Estas son hidrolasas de acción endo que escinden los enlaces 1,4-a-D-glucosídicos y pueden evitar pero no hidrolizar los puntos de ramificación 1,6-a-D-glucosídicos. Sin embargo, para la hidrólisis de almidón también pueden usarse glicoamilasas de acción exo tales como beta-amilasa (EC 3.2.12) y pululanasa (EC 3.2.1.41). El resultado de la hidrólisis de almidón es principalmente glucosa, maltosa, maltotriosa, a-dextrina y cantidades variables de oligosacáridos. Cuando se usa hidrolizado basado en almidón para la fermentación, puede ser ventajoso añadir enzimas proteolíticas. Tales enzimas pueden evitar la floculación del microorganismo y pueden generar aminoácidos disponibles para el microorganismo. Por tanto, si la biomasa contiene almidón, entonces glucosa, maltosa, maltotriosa, a-dextrina y oligosacáridos son ejemplos de una especie hidrolizada soluble en agua obtenible a partir de la hidrólisis de la biomasa que contiene almidón y las alfa-amilasas mencionadas anteriormente son ejemplos específicos, así como los mencionados en el apartado experimental, de catalizadores para la hidrólisis de almidón.

Aunque la hidrólisis puede utilizar los procesos de contacto con el disolvente representados en las Figuras 1-4, la eficacia mejorada y la velocidad de hidrólisis pueden mejorarse sustancialmente usando catalizadores frescos. Se cree que con el tiempo, una parte del catalizador en la composición de catalizador se degradará con el tiempo.

El proceso propuesto en la Figura 5 divide, o reparte la biomasa 3, corriente 1 en al menos dos corrientes, siendo hidrolizada la primera corriente de materia prima 1a en el recipiente 15 con una cantidad en exceso de catalizador introducida en una composición de catalizador a través de la corriente 2, opcionalmente sin el uso del proceso de disolvente. Tras hidrolizar la primera corriente de materia prima 1a en presencia de exceso de catalizador en la corriente 2, el producto hidrolizado 4 se retira del recipiente 15 y se conoce como el disolvente de la primera corriente de disolvente. A continuación, la primera corriente de disolvente 4 se combina con al menos una parte de la materia prima restante de la corriente de materia prima lb y el proceso de hidrólisis de disolvente comienza en el recipiente 16. El recipiente 16 podría corresponder a cualquiera de los recipientes 10 en la Figura 1, recipiente 10 u 11 en la Figura 2, recipiente 12 en la Figura 3 y recipiente 13 en la Figura 4. El producto de hidrolizado 6 se retira del recipiente como corriente 5.

La cantidad de catalizador necesaria para tratar la primera corriente de materia prima depende en gran medida del tipo de biomasa en la materia prima y del catalizador o enzima(s) elegidos. Por tanto, la mejor expresión de la cantidad de catalizador se basa en la cantidad requerida para hidrolizar el 100 % de los componentes hidrolizables en un peso dado de biomasa.

La cantidad de catalizador necesaria para la primera corriente de materia prima está en el intervalo de la cantidad mínima de catalizador requerida para hidrolizar el 100 % de la primera corriente de materia prima hasta el doble de la cantidad necesaria para hidrolizar el 100 % de todas las corrientes de materia prima.

Esto también puede expresarse en Unidades de Papel de Filtro (Filter Paper Units, FPU)/g de Materia Seca (Dry Matter, DM). La FPU se mide y define de acuerdo con el Procedimiento analítico de laboratorio NREL (Informe técnico NREL/TP-510-42628, enero de 2008). Este método usa el estándar de la industria y mide la actividad de la celulosa en términos de "unidades de papel de filtro" (FPU) por mililitro de solución enzimática original (sin diluir). Para obtener resultados cuantitativos, las preparaciones enzimáticas deben compararse basándose en una conversión significativa e igual. Una unidad de papel de filtro para una enzima dada es la cantidad de enzima necesaria para liberar 2,0 mg de azúcar reductor como glucosa a partir de 50 mg de papel de filtro de una tira de filtro Whatman n.° 1 (conversión del 4 %) en 60 minutos a 50 °C y se ha designado como la intercepción para calcular las unidades de celulosa de papel de filtro (FPU) de acuerdo con las directrices de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC). En principio, la actividad catalítica para cualquiera de los procesos podría suministrarse en cualquier forma concebible, incluyendo la adición de microorganismos que generan una actividad enzimática correspondiente a 0,001-150 FPU/g de materia seca, preferentemente 0,001-25 FPU/g de materia seca, preferentemente 0,01-20 FPU/g de materia seca, más preferentemente 0,2-16 FPU/g de materia seca, más preferentemente 2-30 FPU/g de materia seca y lo más preferentemente entre 4 y 25 FPU/g de materia seca.

En la etapa de hidrólisis de la Figura 5 (recipiente 15), la cantidad de catalizador o enzima añadida a la primera corriente de materia prima está en los intervalos de 0,001-150 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima, preferentemente 0,001-15 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima, preferentemente 0,01-30 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima, más preferentemente 0,1­ 30 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima, más preferentemente 1-25 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima y lo más preferentemente menor que 20 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima pero mayor que 0,1 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de materia prima. Aunque el análisis de FPU se conoce bien, en este caso se dividiría la cantidad de catalizador por la cantidad de materia prima total y a continuación se determinaría si esa concentración tenía la FPU dentro del intervalo. Alternativamente, si se conoce la FPU de la concentración catalítica, se añadiría suficiente catalizador para lograr la FPU requerida para la cantidad dada de materia prima. Tras hidrolizar la primera corriente de materia prima con el catalizador, el material hidrolizado se conoce como primera corriente de disolvente. La segunda corriente de disolvente sería material hidrolizado licuado de toda la corriente de materia prima e incluiría la primera corriente de disolvente más los materiales hidrolizados que no son la primera corriente de materia prima. La expresión todas las corrientes de disolvente incluiría todas las corrientes licuadas usadas como disolvente y que entran en contacto con la biomasa sin reaccionar.

A continuación, la primera corriente de disolvente, como se describe posteriormente, puede usarse como disolvente para la hidrólisis de las corrientes de materia prima restantes. A continuación, las corrientes de materia prima restantes pueden introducirse en el recipiente de hidrólisis antes, después o coincidiendo con la introducción de la primera corriente de disolvente en el recipiente. Los procesos 1, 2, 3 y 4 son solo algunos tipos de procesos que podrían usarse para hidrolizar las corrientes de materia prima restantes (aquellas corrientes que no son la primera corriente de materia prima).

Dado que la primera corriente de disolvente contiene catalizador que solo se ha usado una vez y en exceso, se cree que hidroliza mejor las corrientes restantes, ya que las corrientes de materia prima restantes se ponen en contacto posteriormente con un catalizador más fresco que el que se usaría en los procesos mostrados en las Figuras 1 a 4 sin la etapa previa del proceso mostrado en la Figura 5.

Como se muestra en el Experimento n.° 5, la materia prima se dividió en dos partes, tratándose la primera parte con la cantidad de catalizador que se usaría si las dos partes se trataran juntas.

Para todos los procesos también es común controlar el pH en las condiciones óptimas para la actividad catalítica enzimática en el intervalo de 3-12, tal como 5-10, tal como 6-9, tal como 7-8 y preferentemente 4-11.

Debido al alto contenido seco, puede ser necesario un reactor especial para la hidrólisis en el recipiente 15. En el documento de patente WO 2006/056838 puede encontrarse un reactor que se considera adecuado.

El proceso también usa un disolvente de una corriente de disolvente. En términos sencillos, la composición del disolvente, excluyendo los materiales insolubles en agua, es lo que será similar, si no exacta, a la composición de producto tras hidrólisis de la biomasa. En la mayoría de los casos, el disolvente comprenderá el hidrolizado obtenido a partir de la materia prima de biomasa tras hidrólisis e incluye las enzimas, tampones y cualquier material distinto añadido a la reacción de hidrólisis.

Aunque el disolvente es biomasa hidrolizada, el disolvente se añade a la materia prima, no lo crea la materia prima. Por ejemplo, en la Figura 4, en el proceso discontinuo, la cantidad de material de tipo disolvente aumentará con el tiempo a medida que se hidrolice la materia prima y, aunque esto se una al disolvente del disolvente, no se considera parte del disolvente con fines de cálculo de proporciones de disolvente con respecto a materia prima que, en el caso de la Figura 4, se calcula cuando la materia prima entra en el recipiente y entra en contacto con el disolvente.

En la práctica, el disolvente para la corriente de disolvente procederá generalmente de la biomasa previamente hidrolizada. Si, por ejemplo, se separa el hidrolizado de las enzimas, tampones, insolubles, etc., entonces el hidrolizado es el disolvente. La corriente de disolvente debería comprender especies hidrolizadas solubles en agua, en donde al menos algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua obtenibles o que podrían obtenerse, a partir de la hidrólisis de la materia prima de biomasa. Por ejemplo, un modo preferente para operar el proceso discontinuo de la Figura 4 es mantener una parte del lote en el recipiente para usar como disolvente para la siguiente carga. En el proceso continuo, tal como un reactor agitado continuo (CSTR), el disolvente está disponible constantemente.

Se sabe bien que, en el reactor continuo, la materia prima y catalizador se introducen continuamente en el recipiente y el producto se retira continuamente. Sin embargo, la continuidad no siempre significa sin arranques y paradas, por ejemplo, un goteo constante se considera una alimentación continua, pero no es una alimentación continua exacta, ya que hay momentos en los que la alimentación no es continua. Por tanto, en el contexto del reactor continuo, el término continuo significa que la alimentación y los productos pueden introducirse o retirarse intermitentemente con el tiempo y no tienen que alimentarse y retirarse al mismo tiempo.

Como se describe en la sección experimental, cuando la biomasa de alto contenido seco se coloca en una parte del disolvente, la disolución y la hidrólisis son extremadamente rápidas, de hecho, visualmente evidentes.

Por tanto, la corriente de disolvente, y el disolvente, incluyen el agua y las especies hidrolizadas solubles en agua. Al menos algunas, si no todas las especies hidrolizadas solubles en agua, son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua que pueden obtenerse a partir de la hidrólisis de la biomasa en la composición de materia prima. Dado que el disolvente contiene especies no disueltas, que pueden denominarse sólidos dispersos, con fines de balance de masa, a menos que se excluya específicamente un elemento, el término disolvente y la expresión corriente de disolvente se refieren a la cantidad total de material, tanto en composición como en peso, e incluyen las especies solubles en agua y especies insolubles en agua, catalizador, vehículos, tampones de pH, compuestos de control de pH tales como ácidos o bases añadidos durante la reacción y otros compuestos que están presentes en el disolvente.

El proceso incluye un momento de contacto, definido como cuando se juntan la materia prima y el disolvente. En el proceso discontinuo, como se muestra en la Figura 4, este momento de contacto ocurre cuando la corriente de materia prima 3 entra en el recipiente 13 a través de la línea 1 y entra en contacto con la corriente de disolvente 4 en el fondo del recipiente.

El punto de adición de la composición de catalizador con respecto al contacto no es tan crítico. Puede añadirse a la corriente de materia prima antes del momento de contacto de la materia prima con el disolvente. Puede añadirse simultáneamente en el momento de contacto de la materia prima con el disolvente, o puede añadirse después del momento de contacto de la materia prima con el disolvente. También puede añadirse a la corriente de disolvente antes de añadir la corriente de materia prima a la corriente de disolvente. También puede repartirse y añadirse durante cualquier combinación de las tres etapas con respecto al momento del contacto.

La cantidad de catalizador a añadir se establece fácilmente a partir de la técnica y se añade basándose en la cantidad de catalizador por cantidad de contenido seco en la biomasa, que depende de la composición de la biomasa.

De acuerdo con el proceso, la materia prima, el disolvente y la composición de catalizador y otros materiales tales como un tampón de pH y ácidos/bases usados para controlar el pH durante la reacción se mantendrán preferentemente a una temperatura dentro del intervalo de 20 °C a 100 °C y más preferentemente en el intervalo de 20 °C y 99 °C, siendo el más preferente de 20 °C a 95 °C. Esta temperatura se basa en la mejor temperatura para las reacciones catalizadas, por ejemplo, hidrólisis de los materiales en la biomasa con respecto a compuestos de menor peso molecular, por ejemplo, hidrolizados.

También se cree posible que la presión desempeñe un papel y que la reacción pueda realizarse con o sin enzimas o catalizadores ácidos a presiones asociadas a temperaturas entre 100 °C y 200 °C.

Por tanto, se cree que el mayor intervalo operativo para el proceso es de 20 °C a 200 °C.

Una ventaja de este proceso es que se realiza sin añadir un ácido inorgánico tal como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y similares, o mezclas de los mismos o sin añadir disolventes orgánicos solubilizantes de lignina tales como los seleccionados entre el grupo que consiste en cetonas y acetona de 2 a 6 átomos de carbono y mezclas de las mismas, metanol, etanol.

La reacción continúa durante un período de tiempo en el intervalo de 5 min a 72 horas hasta que se alcanza el punto final deseado. Este período de tiempo se conoce como tiempo de permanencia o tiempo de reacción. Aunque un intervalo preferente puede ser de 5 minutos a 8 horas, otros tiempos de permanencia preferentes son 5 minutos a 16 horas, 5 minutos a 24 horas, 5 minutos a 36 horas, 5 minutos a 48 horas, 5 minutos a 60 horas, y 5 minutos a 72 horas.

El tiempo de permanencia puede cubrir un intervalo de valores. Por ejemplo, el tiempo de permanencia puede ser mayor que 8 horas, siendo un intervalo preferente menor que 72 horas, siendo otro intervalo preferente mayor que 8 horas y menor que 60 horas, siendo otro intervalo preferente mayor que 8 horas y menor que 48 horas, siendo otro intervalo preferente mayor que 8 horas y menor que 36 horas, y siendo otro intervalo preferente mayor que 8 horas y menor que 24 horas.

El tiempo de permanencia también puede establecerse de manera funcional como el tiempo que se tarda en llegar al punto final deseado. En este caso, el punto final deseado también puede expresarse como porcentaje de las biomasas disponibles para hidrólisis. Por ejemplo, si una materia prima de 100 kg de biomasa tiene 80 kg de biomasa disponible para hidrólisis, el punto final deseado se alcanza preferentemente cuando un 45 % de la biomasa disponible para hidrólisis se ha hidrolizado, o más preferentemente cuando se ha alcanzado un 55 % de la biomasa disponible para hidrólisis, o incluso más preferentemente cuando se ha alcanzado un 65 % de la biomasa disponible para hidrólisis.

Después de completar el tiempo de reacción deseado, el producto hidrolizado (hidrolizado) resultante puede retirarse del recipiente y procesarse adicionalmente.

En el proceso discontinuo mostrado en la Figura 4, se retira una cantidad de producto hidrolizado 6 del fondo del recipiente y se coloca en el segundo recipiente 14 para su procesamiento posterior. La cantidad retirada del recipiente 13 es generalmente la misma que la cantidad de materiales introducidos en el recipiente, dejando de ese modo disolvente en el primer recipiente para que entre en contacto con otro lote más de materia prima y composición de catalizador. Sin embargo, en una realización, el recipiente 13 puede vaciarse completamente y la materia prima y el disolvente pueden añadirse al recipiente al mismo tiempo o casi al mismo tiempo.

Como se muestra en la Figura 4, la corriente de materia prima 3, compuesta por biomasa y agua, se suministra a través de la línea de alimentación 1 al reactor de tanque agitado discontinuo 13. La composición de catalizador que contiene el catalizador o los catalizadores se suministra a través de la línea de alimentación 2 al reactor 13. La materia prima y la composición de catalizador en la fase 3 entran en contacto con la fase de disolvente 4 y se hidrolizan progresivamente. Aunque se muestran como tres fases distintas, las fases estarán presentes realmente como una mezcla en todo el recipiente. Tras el período de tiempo deseado, o tiempo de permanencia, o tiempo de reacción, el hidrolizado líquido o producto de hidrólisis o producto de hidrólisis se retira del reactor a través de la válvula 20 a través de la línea de producto 5, y se alimenta al recipiente 14 que podría usarse para sacarificación y fermentación simultáneas. El hidrolizado líquido puede no ser completamente líquido, sino que puede incluir algunos sólidos que aún no se hayan hidrolizado y algunos sólidos que no son hidrolizables. La cantidad de producto retirada es aproximadamente igual a la cantidad de corriente de materia prima y composición de catalizador introducida en el recipiente 13. Las líneas discontinuas entre el recipiente 13 y 14 representan que la cantidad retirada y colocada en el recipiente 14 es aproximadamente la de la fase 3, es decir, la cantidad introducida en el recipiente (fase 3). Si el recipiente va a usarse para un segundo lote, la corriente de disolvente que queda en el reactor (también conocida como residuo) ayudará a acelerar la reacción.

Para un experto en la materia debería ser evidente que no es necesario que la cantidad retirada lote a lote coincida exactamente con la cantidad cargada en cada nivel lote a lote, pero la cantidad retirada en una serie de lotes debería ser sustancialmente igual a la cantidad cargada ya que, de otro modo, el recipiente funcionaría con una cantidad de disolvente demasiado baja o el recipiente se desbordaría. En los procesos discontinuo y continuo descritos en el presente documento, se sabe que a menudo hay variaciones en las tasas de adición y tasas de retirada del producto con el tiempo y lote a lote, de modo que las expresiones "igual a" o "sustancialmente igual a" pretenden incluir estas variaciones.

Un parámetro de control es la proporción del peso del disolvente que incluye el peso de los sólidos dispersos, tampones de pH, catalizador(es), vehículos, control(es) de tampón y cualquier otro producto en el disolvente, con respecto al peso de materia prima (biomasa más agua) en la materia prima en el momento del contacto de la materia prima con el disolvente.

Se espera que haya una proporción por debajo de la cual no haya, o haya solo un efecto limitado, en la reacción de hidrólisis. Como corolario, aunque teóricamente no existe un límite superior para la proporción, existe un punto donde la corriente de disolvente adicional tiene poco impacto en la tasa de hidrólisis y simplemente aumenta el coste el equipo debido al tamaño y el coste operativo.

Se espera que la cantidad de disolvente usada para una cantidad dada de biomasa dependa al menos de la cantidad de contenido seco de la biomasa (se espera que un peso de alto contenido seco requiera más disolvente), el tipo de biomasa y catalizador, el pH, la temperatura de operación y el tipo de mezcla empleada.

La proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima en el momento del contacto se explica mejor con referencia a las realizaciones.

Como se muestra en la Figura 1, la corriente de materia prima 3, compuesta por biomasa y agua, se suministra al reactor de tanque agitado continuo 10 a través de la línea 1. Los catalizadores, habitualmente enzimas, se suministran como parte de la composición de catalizador introducida en el reactor 10 a través de la línea indicada por 2. Dentro del recipiente 10 está la corriente de disolvente 4 de un peso conocido, o determinable. Dado que en el reactor agitado continuo el tiempo de permanencia es tal que el material que sale del reactor a través de la línea 5 se hidroliza hasta el punto deseado, la cantidad de corriente de disolvente es el peso del material en el recipiente más la cantidad en cualquiera de los bucles de reciclado y tanques de reciclado en cualquier momento dado. La biomasa y el catalizador se mezclan con el disolvente y la hidrólisis se produce a un ritmo muy rápido. El producto de reacción líquido (hidrolizado) (6) se extrae del reactor a través de la línea de producto 5. La cantidad de líquido que sale del reactor a través de la línea 5 en un período de tiempo especificado es igual a la tasa más la composición de catalizador más otros materiales que puedan haberse añadido al recipiente durante el mismo período de tiempo especificado.

La proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima en el momento del contacto, es, en este caso, el peso del material en el recipiente más la cantidad en cualquiera de los bucles de reciclado y tanques de reciclado que recirculan en el recipiente (disolvente) con respecto a la tasa de adición instantánea de biomasa más el agua añadida al recipiente en unidades comunes de tiempo. Las personas familiarizadas con el proceso continuo reconocerán esta proporción como el tiempo de permanencia.

Por ejemplo, un recipiente contiene 400 kg de disolvente, para un tiempo de permanencia de 4 h. La materia prima se añade a 100 kg/h y el producto de hidrolizado se retira a 100 kg/h. La proporción es 400:100 o 4, o el tiempo de permanencia de 4 h. Por tanto, para el CSTR, la proporción es el tiempo de permanencia.

La Figura 2 muestra el proceso de la Figura 1 con una corriente de reciclado. Como se muestra en la figura, la biomasa y el agua se suministran a través de la línea de alimentación 1 al premezclador 11, donde se ponen en contacto con una parte del disolvente, llegando hidrolizado líquido de la línea 7. La mezcla se suministra a través de la línea 8 a un reactor de tanque agitado continuo 10. La composición de catalizador se suministra a través de la línea de alimentación 2 al reactor 10. La biomasa se hidroliza progresivamente y el hidrolizado líquido, o producto 6, se extrae del reactor a través de la línea de salida 5, que a continuación se divide en la corriente de reciclado 7 y la línea de producto 5. La cantidad de material que sale de la línea de producto 5 durante un período de tiempo especificado es igual a la tasa más la composición de catalizador más otros materiales distintos de los que vienen de la línea 7, que se añaden al recipiente durante el mismo período de tiempo especificado.

Una realización adicional del proceso que se representa en la Figura 5, y que puede trasladarse a las realizaciones mostradas, es separar algunos o todos los sólidos del hidrolizado líquido. Dependiendo de lo completa que sea la reacción, los sólidos pueden devolverse opcionalmente al recipiente de hidrólisis 16 o al recipiente 15 para hidrólisis adicional. Si la hidrólisis se completa sustancialmente, los sólidos pueden retirarse antes de pasar la corriente de producto a la siguiente etapa.

Esta mejora se muestra en la Figura 7. En la Figura 7, la corriente 5 se alimenta a un dispositivo de separación de sólidos 12 para retirar al menos algunos de los sólidos y probablemente parte del líquido en la corriente de sólidos 9, siendo la corriente 5A la corriente líquida con algunos sólidos retirados. Como se indicó anteriormente, al menos una parte de los sólidos puede devolverse opcionalmente al recipiente de hidrólisis 16 o al recipiente 15. La separación no tiene que ocurrir necesariamente antes de tomar la corriente 9 antes o después de la purga de regreso al recipiente 16 o 15, pero preferentemente ocurre antes de pasar la corriente de producto 6 a la siguiente etapa. Como se muestra en la Figura 7, la corriente 9 puede reciclarse nuevamente en los recipientes 16 o 15, puede retirarse completamente del proceso, o una parte de la corriente 9 puede retirarse (purgarse) del proceso y el resto reciclarse nuevamente a cualquiera de los recipientes 15, 16, o ambos.

En la técnica se conocen bien algunos dispositivos para separar sólidos de una corriente líquida e incluyen, pero no se limitan a, filtros, ciclones, centrifugadoras, prensas, decantadores, decantadores por gravedad, separadores (skimmers) y similares. Un dispositivo de separación preferente se selecciona entre el grupo que consiste en hidrociclones y centrifugadoras.

Por analogía, un experto en la materia puede modificar el proceso de flujo de pistón de la Figura 3 para separar al menos algunos de los sólidos de la corriente 5.

Las simulaciones han demostrado que al reciclar los sólidos y pasar la mayor parte del producto de hidrólisis, la tasa de conversión para un recipiente de tamaño determinado y el tiempo de permanencia pueden aumentar tanto como en un 400 %.

En este caso, la proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima es el peso del material en el recipiente más la cantidad de disolvente añadida al premezclador 11 en una hora con respecto al peso de la biomasa más el agua añadida al recipiente en una hora. De nuevo, el tiempo de permanencia también expresa la proporción.

Por analogía similar, existe la realización del reactor de flujo de pistón como se representa en la Figura 3. Con referencia a la Figura 2, es evidente que el proceso de la Figura 3 puede considerarse una "modificación" del proceso en la Figura 2, de modo que todo el disolvente de la corriente se suministra a través del premezclador 11 y no queda nada en el recipiente 10. Como se muestra en la Figura 3, la corriente de materia prima 3 que contiene biomasa y agua se suministra a través de la línea de alimentación 1 a un reactor de flujo pistón continuo 12. La composición de catalizador se suministra a través de la línea de alimentación 2 al reactor 12. La corriente de disolvente se añade a los materiales a través de la línea de alimentación 7, que se desvía de la línea 5, que contiene el producto hidrolizado. Los ingredientes forman una suspensión que se hidroliza progresivamente y el hidrolizado líquido 6 se extrae del reactor a través de la línea de producto 5 y que se divide en la corriente 7. La cantidad de producto 6 retirada por unidad de tiempo (tasa) es igual a la tasa más la composición de catalizador 2 más los demás materiales que no sean los que entran de la línea 7. El momento de contacto es cuando la corriente de materia prima entra en contacto con la corriente de disolvente. La proporción del peso con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima en el momento del contacto es, en este caso, el peso del material en la corriente 7 por unidad de tiempo con respecto al peso de la biomasa más el agua añadida al recipiente por la misma unidad de tiempo.

En el proceso discontinuo mostrado en la Figura 4 y descrito anteriormente, la proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima en el momento del contacto en este caso es el peso del material en el recipiente (la corriente de disolvente marcada como fase 4) con respecto al peso de biomasa más el agua añadida por carga. Si se añade disolvente adicional, se añadiría al peso de 4 que ya está en el reactor. Si se modifica el proceso discontinuo para tener una premezcla de la biomasa con el disolvente, la proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima en el momento del contacto es, en este caso, el peso del disolvente en el recipiente más el peso del disolvente en la carga con respecto al peso de la biomasa más el agua añadida al recipiente por carga.

Los valores de la proporción del peso de disolvente con respecto al peso de biomasa más el agua en la materia prima pueden variar de 1:99 a 100:1. Sin embargo, es más preferente que el intervalo sea de 5:95 a 95:5, o incluso más preferente de 10:90 a 90:10, siendo más preferente la proporción de 20:80 a 80:20, siendo el intervalo de 20:80 a 60:40 el más preferente, pero también siendo intervalos adecuados de 10:90 a 90:10, de 20:80 a 90:10, de 30:70 a 90:10, de 40:60 a 90:10, de 50:50 a 90:10 y de 60:40 a 90:10.

Los valores de la proporción del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima también pueden expresarse como una proporción mínima, ya que se cree que no existe un valor máximo teórico. Por tanto, la proporción sería al menos 0,8:1,0, o más preferentemente al menos 1:1, o incluso más preferentemente al menos 1,2:1, siendo más preferente al menos 1,5:1, siendo incluso más preferente 2:1, y siendo incluso más preferente 3:1.

Dado que la hidrólisis de la celulosa es la característica fundamental del proceso, la proporción del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima puede sustituirse por el uso de la celulosa y sus productos de hidrólisis. Como se desvela en los ejemplos, ninguno de los productos de hidrólisis se retiró antes de introducir la siguiente cantidad sucesiva de materia prima. De ese modo, la proporción de la cantidad de celulosa más la cantidad de los productos de celulosa hidrolizada en el disolvente con respecto a la cantidad de celulosa en la materia prima es la misma que las proporciones del peso del disolvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la materia prima. La cantidad de celulosa en la materia prima y el disolvente se determinan fácilmente. La cantidad de producto hidrolizado de celulosa puede determinarse mediante la determinación de los productos en el disolvente y restando la cantidad de aquellos productos que provienen de la hidrólisis de algo que no sea celulosa o en la materia prima inicial usada para preparar el disolvente. Por ejemplo, el almidón también se hidroliza a glucosa y otras especies hidrolizables en común con la celulosa. Por tanto, la cantidad de glucosa y otras especies hidrolizables en común con la celulosa en el disolvente tendría que reducirse al menos en la cantidad que provenía del almidón. Esto puede determinarse conociendo la cantidad de almidón en la alimentación a partir de la que se preparó el disolvente y la cantidad de almidón en el disolvente, siendo la diferencia la cantidad de especies hidrolizables que provienen del almidón.

La proporción de control puede expresarse como una proporción mínima de la cantidad de celulosa más la cantidad de los productos de celulosa hidrolizada en el disolvente con respecto a la cantidad de celulosa en la materia prima. Esta proporción debería ser al menos 0,8:1,0, o más preferentemente al menos 1:1, o incluso más preferentemente al menos 1,2:1, siendo más preferente al menos 1,5:1, siendo aún más preferente 2:1, y siendo incluso más preferente 3:1. Los ejemplos que se enumeran a continuación también establecerían una proporción de al menos 4:1 y al menos 5:1 que también funciona. Debería indicarse que en el Ejemplo 5, mientras que el aumento de la proporción redujo el tiempo de hidrólisis, la mejora fue menor con cada cantidad adicional de disolvente. Debería señalarse que la proporción es exclusiva para la celulosa y sus productos de hidrólisis. Por tanto, la glucosa y los productos que se conocen como productos de hidrólisis de la celulosa que están presentes en la materia prima deben restarse de los presentes en el disolvente. Además, también es necesario restar del disolvente cualquier producto derivado de la hidrólisis de hemicelulosa o almidón u otro material no celulósico. Esto incluiría determinar cuánto almidón se redujo a glucosa y restar esa glucosa.

Dado que el disolvente se usa mejor antes de la separación de cualquier material que no sea insoluble, la composición relativa de los materiales solubles en agua en la parte líquida del disolvente es la misma que la composición relativa de los productos solubles en agua de la hidrólisis de la materia prima sin separación de los componentes solubles en agua. Aunque puede añadirse agua para diluir los componentes solubles en agua, sus cantidades relativas entre sí siguen siendo las mismas.

Para un experto en la materia hay muchas configuraciones disponibles, que incluyen una serie de recipientes continuos, o reactores semidiscontinuos o en combinación con o sin reactores de flujo pistón.

Ensayos experimentales de reducción de la viscosidad

Aparato experimental

2 reactores de vidrio idénticos, con las siguientes características geométricas (véase la Figura 6):

• T (diámetro del reactor) = 0,15 m

• Z (altura del reactor) = 0,30 m

• camisa para fluido de intercambio de calor alrededor de toda la superficie lateral y el fondo, con una anchura de 4 cm;

• fondo semisférico;

• tapa con junta y sello, con 5 aberturas (1 orificio central para eje agitador; 4 orificios laterales para añadir materiales o para toma de muestras, que durante los ensayos estarán cerrados con tapones).

Los dos reactores están equipados con dos agitadores de anclaje diferentes (A y B) para dar las siguientes configuraciones:

Configuración A:

D ("envergadura") = 0,136 m

5 (anchura de la pala) = 0,01 m

H (altura del anclaje) = 0,12 cm

C (separación, distancia pala-pared) = 0,007 m

D/T = 0,907

D/S = 13,6

T/S = 15

Configuración B:

en esta configuración, las palas están inclinadas a 45 grados para raspar mejor la pared D ("envergadura") = 0,145 m

LS (anchura de la pala) = 0,0141 m

S (anchura de la pala de proyección) = 0,01 m

H (altura del anclaje) = 0,145 cm

C (separación, distancia pala-pared) = 0,0025 m

D/T = 0,967

D/S = 14,5

T/S = 15

La agitación la proporcionan los motores de control Heidolph RZR 2102 (potencia: 140 W).

Dos baños térmicos aseguran el mantenimiento de la temperatura al hacer circular agua a 45 °C en las camisas del reactor.

Materiales

Los materiales de partida usados son Sorgo y Arundo Donax pretratados. Los materiales se almacenaron a -18 °C para evitar la degradación.

Las características de los materiales de partida son las siguientes:

Sorgo Arundo

Conte % p 20,41 % 30,39 %

WIS

% p 16,01 % 24,51 %

WSS % p 4,40 % 5,88 % Sólidos solubilizados/sólidos totales % p 21,58 % 19,34 % Agua % p 79,59 % 69,61 % Glucosa % p 0,03 % 0,10 % Xilosa % p 0,34 % 1,19 % Celobiosa % p 0,00 % 0,00 % Galactos % p 0,00 % 0,00 % Arabinos % p 0,00 % 0,00 % Ácido fór % p 0,00 % 0,00 % Ácido acé % p 0,28 % 0,58 % 5-HMF % p 0,01 % 0,05 % Furfural % p 0,04 % 0,19 % Ácido lev % p 0,00 % 0,00 % Ácido láct % p 0,00 % 0,00 % Glucoligó % p 0,23 % 0,22 %

Xiloligóm

% p 1,48 %

1,96 %

continuación

WIS es el porcentaje de sólidos no solubilizados en agua (en el material total).

WSS es el porcentaje de sólidos solubilizados en agua (en el material total).

La suma de WSS y WIS es igual al valor del contenido seco.

Las características composicionales se determinaron usando métodos analíticos estándares, los métodos seguidos son:

Determinación de carbohidratos estructurales y lignina en biomasa

Procedimiento analítico de laboratorio (Laboratory Analytical Procedure, LAP) Fecha de Publicación: 25/4/2008 Informe técnico NREL/TP-510-42618 revisado en abril de 2008.

Determinación de contenido a extraerse en biomasa

Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de Publicación: 17/7/2005

Informe técnico NREL/TP-510-426J 9 de enero de 2008.

Preparación de muestras para análisis composicional

Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de Publicación: 28/9/2005

Informe técnico NREL/TP-510-42620 enero de 2008

Determinación de sólidos totales en biomasa y sólidos disueltos totales en muestras de proceso líquidas Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de Publicación: 31/3/2008

Informe técnico NREL/TP-510-42621 revisado en marzo de 2008

Determinación de cenizas en biomasa

Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de Publicación: 17/7/2005

Informe técnico NREL/TP-510-42622 enero de 2008

Determinación de azucares, subproductos, y productos de degradación en muestras de proceso de fracción líquida Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) Fecha de Publicación: 8/12/2006

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 Publicación: 21/3/2008

Informe técnico NREL/TP-510-42627 marzo de 2008

El cóctel enzimático usado tiene las siguientes características, mantenidas constantes para todos los ensayos:

La preparación enzimática de complejo de celulasa es una solución que cataliza la descomposición del material celulósico en glucosa, celobiosa y glucooligómeros de mayor peso molecular. Las soluciones enzimáticas de hemicelulasa y xilanasa catalizan principalmente la despolimerización de la hemicelulosa en sus constituyentes en forma de azúcares simples u oligómeros; además, muestran actividades catalíticas secundarias en menor medida. El complejo enzimático es una solución enzimática que actúa sobre diversos carbohidratos y muestra la capacidad de potenciar la actividad de la solución preparada de ese modo.

El cóctel descrito tiene las siguientes actividades:

La FPU se mide y se define de acuerdo con el Procedimiento analítico de laboratorio NREL (Informe técnico NREL/TP-510-42628, enero de 2008). Este método usa el estándar de la industria y mide la actividad de la celulosa en términos de "unidades de papel de filtro" (filter paper units, FPU) por mililitro de solución enzimática original (sin diluir). Para obtener resultados cuantitativos, las preparaciones enzimáticas deben compararse basándose en una conversión significativa e igual. Una unidad de papel de filtro para una enzima determinada es la cantidad de enzima necesaria para liberar 2,0 mg de azúcar reductor como glucosa a partir de 50 mg de papel de filtro de una tira de filtro Whatman n.° 1 (conversión del 4 %) en 60 minutos a 50 °C y se ha designado como la intercepción para calcular las unidades de celulosa de papel de filtro (FPU) de acuerdo con las directrices de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC).

La actividad de xilanasa en FXU se mide con respecto a un estándar enzimático con una actividad conocida. Una medida de espectrofotómetro en el sobrenadante que se describe a continuación se compara con una curva estándar obtenida mediante muestras estándares.

Las muestras de xilanasa se incuban con un sustrato de arabinoxilano de trigo teñido con remazol. Se hace que el sustrato no convertido precipite con etanol. La intensidad de la coloración azul del sobrenadante debido a los productos de degradación del sustrato teñidos con remazol no precipitados es proporcional a la actividad de la endoxilanasa. El perfil de color puede variar de una enzima a otra.

Donde:

C es actividad enzimática leída a partir de la curva estándar (FXU/ml)

F es volumen de muestra (ml)

D es dilución adicional de la muestra (por ejemplo, segunda o tercera dilución)

W es peso de muestra (g).

Una FBG es la cantidad de enzima que, de acuerdo con el procedimiento estándar (método de Somogyi Nelson) descrito a continuación, libera glucosa o carbohidrato reductor con una capacidad de reducción equivalente a 1 mol de glucosa por minuto.

Condiciones de reacción estándares:

• Debería diluirse una muestra para dar una actividad entre 0,02-0,10 FBG/ml.

• Sustrato: beta glucano al 0,5 %

• Temperatura: 30 °C

• pH: 5,0

• Tiempo de retención: 30 min.

La beta glucanasa fúngica reacciona con beta glucano durante el proceso de formación de glucosa o carbohidrato reductor que se determina como azúcar reductor.

Además, para mantener el pH en un valor de aproximadamente 5, ya que no es posible utilizar un medidor de pH (debido a la naturaleza del material), se usa una solución tampón de citrato 1 N, para una cantidad total del 1 % en la cantidad de material cargado.

Ensayo n.° 1

Material: Sorgo (descrito anteriormente).

Se instalaron los reactores (incluyendo mezcladores) y el fluido intercambiador de calor se lleva a temperatura (45 °C). Se calibraron 2 motores para proporcionar (sin material, solo con la inercia de agitación), a una tasa de removido de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento), un valor de torque igual a 0,0 Ncm.

Ambos reactores se llenaron con 1,5 kg de material recién descongelado, y se inició la tasa de removido para homogeneizar el material. En ninguno de los 2 reactores se veía agua libre. La densidad del material en estas condiciones fue aproximadamente igual a 600 kg/m3. Ambos sistemas de agitación, a 12 rpm, indicaron una sobrecarga (el valor de torque proporcionado estaba fuera de la escala de medición, en más de 200 Ncm).

En el momento t = 0, en ambos reactores, se añadió una solución (peso total aproximadamente 96 g) compuesta como sigue:

• 29,4 ml de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, determinado para proporcionar una actividad del complejo celulasa de 20 FPU/g de glucanos (es decir, glucanos como la suma de celobiosa y glucooligómeros en la fase líquida y glucanos en la fase sólida), y como consecuencia se proporcionan otras actividades. Estas 20 FPU/g de glucanos son aproximadamente 9 FPU/g de materia seca total, calculado sobre el contenido de celulosa de la materia prima.

• 16,5 gramos de solución tampón (citrato) como se describió anteriormente y se determina que es aproximadamente el 1 % del material total.

• 48,5 gramos de H²O, para diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua a añadir se determina de forma que la solución total a añadir (H²O cóctel citrato) sea igual a aproximadamente un 30 % del contenido seco del material pretratado inicial.

Tras la adición, en cada reactor había 1,6 kg de material total, con un contenido seco (calculado) de aproximadamente 19,2 %. La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 180 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. En este punto, no había agua libre y el nivel del material en el reactor era el mismo que anteriormente (en esta etapa, la densidad estimada era aproximadamente 650 kg/m3).

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

Durante el ensayo, el torque medido en el motor del reactor A es siempre inferior al de B. Tras aproximadamente 5 horas, el material en el reactor A tenía aspecto líquido (valores de torque de aproximadamente 20 N cm a 100 rpm), mientras que el otro (aunque la reacción ocurrió en parte, como lo demuestra el hecho de que el torque había bajado a valores de aproximadamente 140 Ncm a 100 rpm, desde más de 200 Ncm iniciales) tenía aspecto sólido.

Tras una hora adicional (t = 6 h), en la que las condiciones en los dos reactores no cambian sustancialmente, todo el material del reactor B (que tenía una liberación de líquido libre despreciable, pero aún tenía aspecto sólido) se introdujo en el reactor A. Tras la adición, la agitación se fijó igual a 200 rpm durante unos segundos para homogeneizar el material, y a continuación se ajustó en 100 rpm, con un torque de 120 Ncm, y el aspecto del material era un sólido muy húmedo. En aproximadamente 10 minutos, el valor de torque medido descendió a 20 Ncm, y el material asumió el aspecto de un líquido, similar al presente en el reactor A antes de la adición. El ensayo se detuvo tras 10 minutos más, cuando el torque había descendido a aproximadamente 15 Ncm a 100 rpm. La densidad del material, medida en este punto, fue aproximadamente 1100 kg/m3

Ensayo n.° 2.

Material: Sorgo (descrito anteriormente).

Se instalaron los reactores (incluyendo mezcladores) y el fluido intercambiador de calor se lleva a temperatura (45 °C). Se calibraron 2 motores para proporcionar (sin material, solo con la inercia de removido), a una velocidad de agitación de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento), un valor de torque igual a 0,0 Ncm.

En el ensayo n.° 2, en el reactor A, se realizó un ensayo en las mismas condiciones del Ensayo n.° 1 (realizado en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor B, se llenó con 1,5 kg de material proveniente del ensayo n.° 1 (aspecto líquido, densidad 1100 kg/m3, torque medido a 100 rpm igual a aproximadamente 15 N cm). A este material, se añadieron 1,5 kg de sorgo pretratado (con las características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 20,41 %) y la misma disolución utilizada en el ensayo n.° 1 (aproximadamente 96 g totales). Se calculó que el contenido seco, tras diversas adiciones, era igual al 19,2 %. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco real podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material. En este punto, el material homogeneizado tenía una densidad aparente de aproximadamente 800 kg/m3, y un valor de torque igual, a 100 rpm, a aproximadamente 150 Ncm.

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

Durante el ensayo n.° 2, en el reactor B se consiguió un resultado significativamente mejor con respecto al ensayo n.° 1, en el que no se había alcanzado aún la licuefacción tras 6 h. En particular, tras aproximadamente 3 h (un período de tiempo menor que el necesario en el reactor A), el material tenía un aspecto líquido, con un valor de torque a 100 rpm igual a aproximadamente 20 N cm (mientras que en el reactor A, el valor medido era aproximadamente 100 Ncm, y el material tenía aspecto de sólido húmedo). Tras aproximadamente 7 horas de ensayo, el material en los dos reactores tenía un aspecto similar, pero el resultado se alcanzó en el reactor B en aproximadamente un 60 % del tiempo.

Los ensayos de análisis composicional del material obtenido en el reactor B (tras 7 h) mostraron un rendimiento de hidrólisis enzimática en glucosa (con respecto a los glucanos totales) igual a aproximadamente un 25 % y en xilosa (con respecto a los xilanos totales) igual a aproximadamente un 50 %. Estos valores son mayores que los obtenidos en ensayos anteriores de reducción de viscosidad.

Además, en el material final se realizó una medida de pH, y se encontró que era igual a 3,9. Este valor es menor que el que, de acuerdo con los datos bibliográficos, asegura la mayor actividad enzimática (pH = 5).

Ensayo n.° 3

Material: Arundo Donax (descrito anteriormente).

El procedimiento seguido en el ensayo n.° 3 fue el mismo usado en el ensayo n.° 1 (ensayos con sorgo).

En los dos reactores, cada uno llenado con 1,5 kg de arundo pretratado (contenido seco medido igual a un 30,4 %), no se veía agua libre. La densidad del material en estas condiciones fue aproximadamente igual a 600 kg/m3. Ambos sistemas de agitación, a 12 rpm, indicaron una sobrecarga.

En el momento t = 0, en ambos reactores se añadió una solución (peso total aproximadamente 140 g, compuesto como sigue:

• 44,1 ml de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, determinado para proporcionar una actividad del complejo celulasa de 20 FPU/g de glucanos (es decir, glucanos como la suma de celobiosa y glucooligómeros en la fase líquida y glucanos en la fase sólida), y como consecuencia se proporcionan otras actividades.

• 17,3 gramos de solución tampón (citrato) como se describió anteriormente y se determina que es aproximadamente el 1 % del material total.

• 78,4 gramos de H²O, para diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua a añadir se determina de forma que la solución total a añadir (H²O cóctel citrato) sea igual a aproximadamente un 30 % del contenido seco del material pretratado inicial.

Tras la adición, en cada reactor había 1,6 kg de material total, con un contenido seco (calculado) de aproximadamente un 27,8 %. La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 180 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. En este punto, no había agua libre y el nivel del material en el reactor era el mismo que anteriormente (en esta etapa, la densidad estimada era aproximadamente 650 kg/m3).

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

Durante el ensayo, el torque medido en el motor del reactor A es siempre inferior al de B. Tras aproximadamente 6,5 horas, el material en el reactor A tenía aspecto líquido (valores de torque de aproximadamente 20 Ncm a 100 rpm), mientras que en el otro (aunque la reacción ocurrió en parte, como lo demuestra el hecho de que el torque había bajado a valores de aproximadamente 140 Ncm a 100 rpm, de más de 200 Ncm iniciales) tenía aspecto sólido.

Tras 30 minutos adicionales, en los que las condiciones en los dos reactores no cambian sustancialmente, todo el material del reactor B (que tenía una liberación de líquido libre despreciable, pero aún tenía aspecto sólido) se introdujo en el reactor A. Tras la adición, la agitación se fijó igual a 200 rpm durante unos segundos para homogeneizar el material, y a continuación se ajustó en 100 rpm, con un torque de 130 Ncm, y el aspecto del material era un sólido muy húmedo. En aproximadamente 20 minutos, el valor de torque medido disminuyó a 20 Ncm, y el material asumió el aspecto de un líquido, similar al presente en el reactor A antes de la adición. El ensayo se detuvo tras 40 minutos más, cuando el torque había bajado a aproximadamente 15 Ncm a 100 rpm. La densidad del material, medida en este punto, fue aproximadamente 1100 kg/m3.

Ensayo n.° 4

Material: Arundo Donax (descrito anteriormente).

El procedimiento seguido en el ensayo n.° 4 fue el mismo que el usado en el ensayo n.° 2 (ensayos con sorgo). En el ensayo n.° 4, en el reactor A, se realizó un ensayo en las mismas condiciones del ensayo n.° 3 (realizado en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor B se llenó con 1,5 kg de material proveniente del ensayo n.° 3 (aspecto líquido, densidad 1100 kg/m3, torque medido a 100 rpm igual a aproximadamente 15 N cm). A este material, se añadieron 1,5 kg de arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 30,4 %) y la misma solución utilizada en el ensayo n.° 3 (aproximadamente 140 g totales). Se calculó que el contenido seco, tras diversas adiciones, era igual al 27,8 %. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco real podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material. En este punto, el material homogeneizado tenía una densidad aparente de aproximadamente 750 kg/m3, y un valor de torque igual, a 100 rpm, a aproximadamente 170 Ncm.

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

Durante el ensayo n.° 4, en el reactor B se consiguió un resultado significativamente mejor con respecto al ensayo n.° 3, en el que aún no se había alcanzado la licuefacción tras 7 h. En particular, tras aproximadamente 5 h (un período de tiempo menor que el necesario en el reactor A), el material tenía un aspecto líquido, con un valor de torque a 100 rpm igual a aproximadamente 20 N cm (mientras que en el reactor A, el valor medido era aproximadamente 90 N cm, y el material tenía aspecto de sólido húmedo). Tras aproximadamente 8 horas de ensayo, el material en los dos reactores tenía un aspecto similar, pero el resultado se alcanzó en el reactor B en aproximadamente un 75 % del tiempo.

Ensayo n.° 5

Material: Arundo Donax (descrito anteriormente).

El reactor B se llenó con 1,5 kg de material proveniente del ensayo n.° 3 (aspecto líquido, densidad 1100 kg/m3, torque medido a 100 rpm igual a aproximadamente 15 N cm). A este material, se añadieron 0,5 kg de arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 30,4 %).

En el momento t = 0, en ambos reactores se añadió una solución (peso total aproximadamente 46,5 g), compuesto como sigue:

• 14,7 ml de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, determinado para proporcionar una actividad del complejo celulasa de 20 FPU/g de glucanos (es decir, glucanos como la suma de celobiosa y glucooligómeros en la fase líquida y glucanos en la fase sólida), y como consecuencia se proporcionan otras actividades.

• 28,8 gramos de solución tampón (citrato) como se describió anteriormente y se determina que es aproximadamente el 5 % del material total.

• 3,1 gramos de H²O, para diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua a añadir se determina de forma que la solución total a añadir (H²O cóctel citrato) sea igual a aproximadamente un 30 % del contenido seco del material pretratado inicial.

Tras la adición, en el reactor había 2,05 kg de material total, con un contenido seco (calculado) de aproximadamente un 27,8 %. La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. En este punto, el material homogeneizado tenía una densidad aparente de aproximadamente 900 kg/m3, y un valor de torque igual a 100 rpm a aproximadamente 150 Ncm.

La reacción se realizó manteniendo la tasa de removido igual a 100 rpm durante la primera hora. Cada 20 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

Tras aproximadamente 65 minutos, el material tenía un aspecto líquido (valores de torque de aproximadamente 30 Ncm a 100 rpm). La densidad estimada era aproximadamente 1100 kg/m3.

En este punto, al material en el reactor se añadieron 500 g de Arundo Donax pretratado y 46,5 g de la solución descrita anteriormente. Tras la adición, en el reactor había aproximadamente 2,6 kg de material total, con un porcentaje seco (calculado) de aproximadamente un 27,8 %. La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para homogeneizar el material, que tenía una densidad aparente de aproximadamente 950 kg/m3, y un valor de torque igual a 100 rpm a aproximadamente 120 Ncm.

Tras aproximadamente 45 minutos, el material tenía un aspecto líquido (valores de torque de aproximadamente 30 Ncm a 100 rpm). La densidad estimada era aproximadamente 1100 kg/m3.

En este punto, al material en el reactor se añadieron 500 g de Arundo Donax pretratado y 46,5 g de la solución descrita anteriormente. Tras la adición, en el reactor había aproximadamente 3,15 kg de material total, con un porcentaje seco (calculado) de aproximadamente un 27,8 %. La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor.

La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para homogeneizar el material, que tenía una densidad aparente de aproximadamente 950 kg/m3, y un valor de torque igual a 100 rpm a aproximadamente 120 Ncm.

Tras aproximadamente 35 minutos, el material tenía un aspecto líquido (valores de torque de aproximadamente 30 Ncm a 100 rpm). La densidad estimada era aproximadamente 1100 kg/m3.

El ensayo se detuvo tras aproximadamente 8 horas. La licuefacción de 1,5 kg de material pretratado se logró globalmente en 2 h y 25 minutos, un período de tiempo igual a aproximadamente un 50 % del tiempo requerido por el reactor B en el ensayo n.° 4 y a aproximadamente un 38 % del tiempo requerido por el reactor A en los ensayos n.° 3 y n.° 4.

Ensayo n.° 6

Material: Sorgo (descrito anteriormente).

Se instalaron los reactores (incluyendo mezcladores) y el fluido intercambiador de calor se lleva a temperatura (45 °C). Se calibraron 2 motores para proporcionar (sin material, solo con la inercia de removido), a una velocidad de agitación de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento), un valor de torque igual a 0,0 Ncm.

En el ensayo n.° 6, en el reactor B, se realizó un ensayo en las mismas condiciones del ensayo n.° 2 (realizado en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor A se llenó con 0,75 kg de sorgo pretratado (características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 20,4 %). Al sólido, que tenía una densidad de aproximadamente 600 kg/m3, se añadió una solución (peso total aproximadamente 96 g) compuesta como sigue:

• 29,4 ml de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, determinado para proporcionar una actividad del complejo celulasa de 40 FPU/g de glucanos (es decir, glucanos como la suma de celobiosa y glucooligómeros en la fase líquida y glucanos en la fase sólida), y como consecuencia se proporcionan otras actividades. Estas 40 FPU/g de glucanos son aproximadamente 18 FPU/g de materia seca total, calculado sobre el contenido de celulosa de la materia prima.

• 16,5 gramos de solución tampón (citrato) como se describió anteriormente y se determina que es aproximadamente el 2 % del material total.

• 48,5 gramos de H²O, para diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua a añadir se determina de forma que la solución total a añadir (H²O cóctel citrato) sea igual a aproximadamente un 60 % del contenido seco del material pretratado inicial.

De este modo, el reactor A trabajó con una carga de enzima por gramo de glucanos del doble con respecto a los ensayos n.° 1 y n.° 2. Además, se calculó que el contenido seco inicial era igual a un 17,5 % (menor que el calculado en los ensayos n.° 1 y n.° 2). La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor.

La tasa de removido se elevó a aproximadamente 180 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. La densidad aparente del material obtenido fue aproximadamente 700 kg/m3, y el torque medido a 100 rpm fue igual a aproximadamente 160 Ncm.

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

En este ensayo, en el reactor A, se consiguió un resultado significativamente mejor con respecto a los ensayos n.° 1 y n.° 2 (realizados en el mismo reactor) y también con respecto a la reacción realizada en el reactor B. En particular, tras aproximadamente una hora, el material tenía un aspecto líquido (densidad aparente aproximadamente 1000­ 1100 kg/m3), con un valor de torque a 100 rpm de aproximadamente 20 Ncm. Al mismo tiempo, en el reactor B, el material tenía aspecto de sólido húmedo, con un valor de torque a 100 rpm igual a aproximadamente 100 Ncm. En este punto, en el reactor A se añadieron además 750 g de sorgo pretratado (como se describió en la sección anterior, contenido seco igual a un 20,41 %). Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de los ensayos previos, 19,2 %, y la carga de enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de los ensayos previos (20 FPU/g de glucanos). La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material. En este punto, el material homogeneizado tenía una densidad aparente de aproximadamente 800 kg/m3, y un valor de torque igual, a 100 rpm, de aproximadamente 120 Ncm.

Tras una hora adicional de removido, el material tenía nuevamente un aspecto líquido, con valores de densidad y torque iguales a aproximadamente los mismos medidos antes de la adición. Tras aproximadamente 7 h de ensayo, el material tenía un aspecto similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido en aproximadamente un 65 % del tiempo necesario en el B y aproximadamente un 39 % del tiempo necesario en el reactor A en los ensayos n.° 1 y n.° 2.

Ensayo n.° 7

Material: Arundo Donax (descrito anteriormente).

En el ensayo n.° 7, en el reactor B, se realizó un ensayo en las mismas condiciones del ensayo n.° 4 (realizado en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor A se llenó con 0,75 kg de arundo pretratado (características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 30,4 %). Al sólido, que tenía una densidad de aproximadamente 600 kg/m3, se añadió una solución (peso total aproximadamente 140 g) compuesta como sigue:

• 44,1 ml de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, determinado para proporcionar una actividad del complejo celulasa de 40 FPU/g de glucanos (es decir, glucanos como la suma de celobiosa y glucooligómeros en la fase líquida y glucanos en la fase sólida), y como consecuencia se proporcionan otras actividades.

• 17,3 gramos de solución tampón (citrato) como se describió anteriormente y se determina que es aproximadamente el 2 % del material total.

• 78,4 gramos de H²O, para diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua a añadir se determina de forma que la solución total a añadir (H²O cóctel citrato) sea igual a aproximadamente un 60 % del contenido seco del material pretratado inicial.

De este modo, el reactor A trabajó con una carga de enzima por gramo de glucanos del doble con respecto a los ensayos n.° 3 y n.° 4. Además, se calculó que el contenido seco inicial era igual a un 25,6 % (menor que el calculado en los ensayos n.° 3 y n.° 4). La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor.

La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. La densidad aparente del material obtenido fue aproximadamente 750 kg/m3, y el torque medido a 100 rpm fue igual a aproximadamente 180 Ncm.

Ambas reacciones se realizaron en paralelo, manteniendo igual la velocidad de agitación en ambos casos, la tasa de removido se fijó igual a 12 rpm durante la primera hora, y a continuación se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

En este ensayo, en el reactor A, se consiguió un resultado significativamente mejor con respecto a los ensayos n.° 3 y n.° 4 (realizados en el mismo reactor) y también con respecto a la reacción realizada en el reactor B. En particular, tras aproximadamente 2,5 horas, el material tenía un aspecto líquido (densidad aparente aproximadamente 1000­ 1100 kg/m3), con un valor de torque a 100 rpm de aproximadamente 20 Ncm. Al mismo tiempo, en el reactor B, el material tenía aspecto de sólido húmedo, con un valor de torque a 100 rpm igual a aproximadamente 130 Ncm. En este punto, en el reactor A se añadieron además 750 g de arundo pretratado (como se describió en la sección anterior, contenido seco igual a un 30,4 %). Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de los ensayos previos, 27,8 %, y la carga de enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de los ensayos previos (20 FPU/g de glucanos). La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material.

Tras 1,5 horas de removido adicionales, el material tenía nuevamente un aspecto líquido, con valores de densidad y torque iguales a aproximadamente los medidos antes de la adición. Tras aproximadamente 8 h de ensayo, el material tenía un aspecto similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido en aproximadamente un 80 % del tiempo necesario en B y aproximadamente un 57 % del tiempo necesario en el reactor A en los ensayos n.° 3 y n.° 4.

En el material final se realizó una medida de pH, y se encontró que era igual a 2,4. Este valor es menor que el que, de acuerdo con los datos bibliográficos, asegura la mayor actividad enzimática (pH = 5).

Ensayo n.° 8

Material: Arundo Donax (descrito anteriormente).

El reactor A se llenó con 1,5 kg de material proveniente del ensayo n.° 7 (aspecto líquido, densidad 1100 kg/m3, torque medido a 100 rpm igual a aproximadamente 15 Ncm). A este material, se añadieron 0,75 kg de arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa, en particular contenido seco igual a un 30,4 %). Se añadieron aproximadamente 140 g de solución usada en el ensayo n.° 7 al material. Tras la adición, en el reactor había 2,4 kg de material total.

De este modo, el reactor trabajó con una carga de enzima por gramo de glucanos del doble con respecto a los ensayos n.° 3 y n.° 4. Además, se calculó que el contenido seco inicial era igual a un 25,6 % (menor que el calculado en los ensayos n.° 3 y n.° 4). La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor.

La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material y la solución añadida. La densidad aparente del material obtenido fue aproximadamente 850 kg/m3, y el torque medido a 100 rpm fue igual a aproximadamente 150 Ncm.

La reacción se realizó manteniendo la tasa de removido se ajustó igual a 100 rpm. Cada 20 minutos, la tasa de removido se elevó a 180 rpm (durante unos segundos) para homogeneizar el material.

En particular, tras aproximadamente 2 horas, el material tenía un aspecto líquido (densidad aparente aproximadamente 1000-1100 kg/m3), con un valor de torque a 100 rpm de aproximadamente 25 Ncm.

En este punto, se añadieron además al reactor 750 g de arundo pretratado (como se describió en la sección anterior, contenido seco igual a un 30,4 %), y la cantidad total de material fue 3,15 kg. Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de los ensayos previos, 27,8 %, y la carga de enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de los ensayos previos (20 FPU/g de glucanos). La presencia de condensación bajo la cubierta sugiere que el contenido seco realmente podría ser mayor. La tasa de removido se elevó a aproximadamente 150 rpm (durante un momento) para mezclar el material.

En este punto, el material homogeneizado tenía una densidad aparente de aproximadamente 900 kg/m3, y un valor de torque igual a 100 rpm de aproximadamente 135 Ncm.

Tras 1 hora más de removido, el material tenía nuevamente un aspecto líquido, con un valor aparente de densidad igual a aproximadamente 1100 kg/m3 y torque igual a aproximadamente 25 Ncm a 100 rpm. Tras aproximadamente 8 h de ensayo, el material tenía un aspecto similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido en aproximadamente un 80 % del tiempo necesario en B y aproximadamente un 57 % del tiempo necesario en el reactor A en los ensayos n.° 3 y n.° 4. El ensayo se realizó durante aproximadamente 8 horas.

La licuefacción de 1,5 kg de material pretratado se logró globalmente en 3 h, un período de tiempo igual a aproximadamente un 75 % del tiempo que necesitó el reactor en el ensayo n.° 7.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para la hidrólisis de biomasa lignocelulósica que comprende las etapas de

A) poner en contacto una materia prima lignocelulósica, teniendo la materia prima comprendida por biomasa un contenido seco y agua con al menos una parte de un disolvente, el disolvente comprendido por especies hidrolizadas solubles en agua; en donde al menos algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua obtenibles a partir de la hidrólisis de la biomasa en la materia prima;

B) mantener el contacto entre la materia prima de la corriente de materia prima y el disolvente en presencia de una composición de catalizador, a una temperatura en el intervalo de 20 °C a 200 °C durante un período de tiempo en el intervalo de 5 minutos a 72 horas para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa en la materia prima; en donde dicho catalizador comprende al menos una enzima o microorganismo que convierte al menos uno de los compuestos en la biomasa en un compuesto o compuestos de peso molecular menor;

en donde la proporción de la cantidad de celulosa más la cantidad de los productos de celulosa hidrolizada en el disolvente con respecto a la cantidad de celulosa en la materia prima es al menos 0,8:1;

y en donde dichas especies hidrolizadas solubles en agua son especies hidrolizadas solubles en agua de celulosa elegidas entre glucosa, celobiosa, y polímeros de glucosa superiores, incluyendo sus respectivos dímeros y oligómeros; y especies hidrolizadas solubles en agua de hemicelulosa elegidas entre xilano, glucuronoxilano, arabinoxilano, glucomanano, y xiloglucano;

y en donde dicho proceso se realiza sin añadir un ácido inorgánico o disolventes orgánicos solubilizantes de lignina; y en donde dicha materia prima lignocelulósica contiene más de un 5 % en peso del contenido seco de celulosa.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el contenido seco comprende celulosa, hemicelulosa, en donde al menos algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua obtenibles a partir de la hidrólisis de la celulosa en la materia prima y el contacto entre la materia prima y el disolvente se realiza en presencia de un catalizador para la hidrólisis de la celulosa.

3. El proceso de la reivindicación 2, en donde la proporción del peso de la celulosa más los productos de hidrólisis de celulosa en el disolvente con respecto al peso de la celulosa en la materia prima lignocelulósica se selecciona entre el grupo que consiste en mayor que 1:1, mayor que 1,5:1, mayor que 2:1, mayor que 3:1, mayor que 4:1, y mayor que 5:1.

4. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en donde al menos una parte de la composición de catalizador se pone en contacto con la materia prima antes de poner en contacto la materia prima con al menos una parte del disolvente.

5. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la proporción de la biomasa con respecto a agua de la materia prima se selecciona entre el grupo que consiste en mayor que 1:4, mayor que 1:3, mayor que 1:2, mayor que 1:1,5, mayor que 1:1, y mayor que 1:0,9.

6. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde la composición de catalizador comprende una enzima.

7. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la temperatura está en el intervalo seleccionado entre el grupo que consiste en 20 a 105 °C, y 20 a 95 °C.

8. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el período de tiempo está en el intervalo seleccionado entre el grupo que consiste en 5 minutos a 48 horas, 5 minutos a 36 horas, 5 minutos a 24 horas, 5 minutos a 12 horas, 5 minutos a 8 horas.

9. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el proceso es un proceso discontinuo que comprende las etapas de

A) introducir la materia prima en un recipiente que ya contiene al menos una parte del disolvente,

B) introducir la composición de catalizador en el recipiente antes, simultáneamente con, o después de la introducción de la materia prima en el recipiente,

C) mantener la materia prima, el disolvente, y la composición de catalizador en el recipiente en dicho intervalo de temperatura de 20 °C a 200 °C durante un período de tiempo en el intervalo de 5 minutos a 72 horas,

D) retirar el producto hidrolizado del recipiente.

10. El proceso de la reivindicación 9 en donde todo el producto hidrolizado se retira del recipiente antes de introducir más materia prima y disolvente que contiene especies hidrolizadas solubles en agua.

11. El proceso de la reivindicación 9, en donde una parte del producto hidrolizado, específicamente un residuo, se deja en el recipiente.

12. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el proceso es un proceso continuo que comprende las etapas de

A) introducir continuamente la materia prima en un recipiente que ya contiene al menos una parte del disolvente, B) introducir la composición de catalizador en el recipiente,

C) retirar continuamente un peso del producto hidrolizado del recipiente.

13. El proceso de la reivindicación 12, en donde el proceso es un proceso de flujo pistón.

14. El proceso de la reivindicación 12, en donde el proceso utiliza un reactor agitado continuamente.

15. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde una parte en la corriente de disolvente se mezcla con la materia prima antes de la introducción en el recipiente y la proporción del disolvente con respecto a la corriente de materia prima se basa en la cantidad del disolvente en el recipiente más la cantidad del disolvente con la corriente de materia prima.

16. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en donde, antes de poner en contacto la materia prima lignocelulósica con el disolvente, se reparte una cantidad de la materia prima en al menos una primera corriente de materia prima para crear una primera corriente de disolvente por hidrólisis de la materia prima de la primera corriente de materia prima con la adición de un catalizador a la primera corriente de materia prima, en donde la cantidad de catalizador está en el intervalo de 0,1 a 150 FPU/g de contenido seco de toda la materia prima y la hidrólisis se realiza a una temperatura en el intervalo de 20 °C a 95 °C durante un período de tiempo en el intervalo de 5 minutos a 72 horas y la materia prima lignocelulósica, el disolvente, y el disolvente de la primera corriente de disolvente se ponen en contacto entre sí y el contacto se mantiene en el intervalo de temperatura de 20 °C a 95 °C en el intervalo de tiempo de 5 minutos a 72 horas.

17. Los procesos de la reivindicación 16, en donde una parte de la primera corriente de disolvente se mezcla con la materia prima que no es la primera corriente de materia prima antes de la introducción en un recipiente y todas las proporciones de la corriente de disolvente con respecto a la corriente de materia prima se basan en la cantidad total de corriente de disolvente que es la cantidad de la primera corriente de disolvente y el disolvente en el recipiente.

18. Los procesos de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, en donde al menos una parte de los sólidos en el producto hidrolizado se separa del producto hidrolizado.

19. Los procesos de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en donde al menos una parte de sólidos se separa del producto hidrolizado y se recicla al proceso.

20. Los procesos de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en donde la separación de al menos una parte de los sólidos de la corriente de producto hidrolizado se realiza mediante un dispositivo seleccionado entre el grupo que consiste en hidrociclones y centrifugadoras.