MX2011010185A - Un proceso mejorado para la hidrolisis rapida de biomasa con alto contenido de solidos. - Google Patents

Abstract

El proceso para la hidrólisis de biomasa lignocelulósica comprende los siguientes pasos: A) poner en contacto una carga de alimentación lignocelulósica -dicha carga de alimentación compuesta por biomasa que tiene contenido de materia seca y agua- con al menos una porción de un solvente, que está compuesto 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 que se obtienen a partir de la hidrólisis de la biomasa en la carga de alimentación; B) mantener el contacto entre la carga de alimentación de la corriente de carga de alimentación y el solvente a una temperatura en el rango que oscila entre 20 °C y 200 °C durante un período que fluctúa en el rango entre 5 minutos y 72 horas, para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa en la carga de alimentación.

Description

UN PROCESO MEJORADO PARA LA HIDRÓLISIS RÁPIDA DE BIOMASA CON ALTO CONTENIDO DE SÓLIDOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención tiene aplicaciones en el campo de los biocombustibles y se relaciona con un procedimiento mejorado para la hidrólisis rápida de biomasa lignocelulósica con alto contenido de sólidos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La solicitud de patente francesa con el número 2609046 instruye sobre la hidrólisis del almidón en presencia de enzimas que hidrolizan el almidón. Se sabe que el almidón se extrae de las plantas alimenticias y de granos. El experto en la técnica tiene el conocimiento acerca de que el almidón se hidroliza con facilidad debido a sus enlaces químicos, mientras que la celulosa no se hidroliza fácilmente. La solicitud de patente explica como agregar agua al almidón seco triturado para ajustar la concentración en el sustrato almidonoso triturado —expresado en materia seca— a un valor comprendido entre 50 y 400 g/litro del término medio de fermentación. La solicitud de patente francesa no menciona nada respecto a la aplicación de la carga de alimentación celulósica .

En la técnica es conocido el hecho de que el gasto de energía de la destilación del etanol a partir de un proceso de fermentación se reduce en forma drástica si el caldo de fermentación contiene más del 4% de etanol. Esto requiere una concentración de azúcar superior al 8% (p/p) , lo que corresponde —con la mayoría de los tipos de biomasa, en particular, biomasas lignocelulósicas— a un contenido de materia seca inicial superior al 20%.

Por ende, es imperante poder utilizar biomasas que contengan materiales lignocelulosicos con contenidos altos de materia seca, preferentemente superiores al 20% en peso.

La hidrólisis enzimática de la biomasa ha sido descrita anteriormente. No obstante, en el caso de las biomasas lignocelulósicas, solamente se hidrolizó con éxito el material que consiste en fibras y partículas con un tamaño promedio inferior a 25.4 mm (1 pulgada) y que además tiene un contenido de materia seca relativamente bajo, es decir, inferior al 20% (p/p) .

La hidrólisis enzimática de la biomasa se ha llevado a cabo tradicionalmente en reactores de tanque con agitación equipados con propulsores (por ejemplo, turbina Rushton o propulsor Intemig) montados sobre un eje propulsor ubicado en el centro, similar al que se usa en la industria de la fermentación. Debido a este equipo, las soluciones de alta viscosidad, el material muy seco o el material muy pegajoso no se pueden agitar de manera eficiente y generan áreas remanentes no homogéneas con mezcla pobre o nula. Asimismo, la agitación de dichas soluciones requiere ingresos de energía muy grandes, que son perjudiciales para la economía del proceso. Por esta razón, la operación con las biomasas que contienen polisacáridos se ha restringido previamente, a un límite superior posible de aproximadamente el 20% (p/p) .

Esto se evidencia en el documento de patente de los Estados Unidos con el número 4409329, que describe la hidrólisis de material de celulosa sólida en azúcar, donde la celulosa se hidroliza en azúcares simples al tratar una suspensión granular en el rango que oscila entre el 3% y el 20% (p/p) de alimentación sólida que contiene entre el 30% y el 80% (p/p) de celulosa, con un complejo de enzima celulasa. La carga que contiene celulosa sólida tenía un media del tamaño de partícula que varía entre 0.0254 y 25.4 mm (entre 0.01 y 1 pulgada) de diámetro. Las paletas perforadas del rotor se usaron para mezclar. La enseñanza de esta patente consiste en utilizar una velocidad de corte muy alta —del orden que fluctúa entre 15,240 y 60,960 metros/minuto— en toda la zona de reacción.

El documento de patente de los Estados Unidos con el número 2002117167A describe la hidrólisis enzimática de la hemicelulosa en el material de biomasa, que comprende solubilizar al menos una porción de hemicelulosa e hidrolizar la hemicelulosa solubilizada para producir al menos un monosacárido . La biomasa seleccionada es —preferentemente— una solución acuosa de material crudo y pretratado. El material de biomasa puede ser cualquier material celulósico que incluya hemicelulosa. Se describe al proceso como especialmente efectivo con fibras de granos tales como maíz, trigo, arroz, avena o cebada. Sin embargo —como se advierte en los ejemplos— la celulosa no se hidroliza.

El documento de patente de los Estados Unidos con el número 2004005674A describe un proceso para la hidrólisis enzimática de la lignocelulosa. La degradación de la lignocelulosa en azúcares comprende poner en contacto la lignocelulosa con al menos una enzima auxiliar y al menos una celulasa. El material lignocelulósico se trituró (el tamaño promedio de la fibra del material no se especificó en mayor detalle) y tuvo un contenido bajo de materia seca (0.2 g de material de forraje triturado en 10 mi de solución enzimática) .

El documento con el número O 2006/056838 describe un proceso para licuar y sacarificar las biomasas que contienen polisacáridos y que tienen un contenido de materia seca relativamente alto. Combina la hidrólisis enzimática con un tipo de mezclado que se basa en el principio de gravedad, asegurándose de que las biomasas se sometan a fuerzas mecánicas, principalmente fuerzas de corte y desgarre.

Los procesos anteriores son costosos en cuanto a su operación, debido a sus requisitos de alto corte y al tiempo para hidrolizar la carga de alimentación. Por ende, existe la necesidad de usar diseños económicos y, al mismo tiempo, tratar la biomasa de alto contenido seco.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Es ampliamente conocido en la técnica que es muy difícil que la celulosa se descomponga en azúcar. Los esfuerzos por hidrolizar las biomasas celulósicas, en general, no han resultado económicos. Si bien las corrientes de biomasa que contienen material celulósico se pueden tratar a fin de incrementar la accesibilidad de la celulosa a los catalizadores de hidrólisis —tales como enzimas— es aún muy difícil, en cuanto al tiempo y a la energía, convertir la celulosa en sus azúcares básicos. Es por esta razón que los sistemas de la técnica anterior remueven los componentes celulósicos primero, e hidrolizan el almidón o el componente de azúcar libre en forma individual. Estos sistemas se denominan procesos de primera generación. La dificultad de la hidrólisis de los materiales celulósicos queda evidenciada en las patentes recientes de la técnica anterior —que se citaron anteriormente en la sección dedicada a los antecedentes— que someten los materiales celulósicos a alto corte y durante largos períodos de hidrólisis, para desintegrar las fibras.

Esta memoria descriptiva describe un proceso de hidrólisis que no necesita corte y que hidroliza la celulosa en un tiempo muy corto.

Por ende, esta memoria descriptiva describe un proceso para la hidrólisis de biomasa con alto contenido seco que comprende los siguientes pasos: poner en contacto una carga de alimentación compuesta por biomasa que tiene tanto contenido seco como agua, con al menos una porción de un solvente compuesto por especies hidrolizadas solubles en agua, en donde al menos parte de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua que se obtienen a partir de la hidrólisis de la biomasa; y mantener el contacto entre la carga de alimentación y el solvente en presencia de una composición catalizadora a una temperatura en el rango que oscila entre 20 °C y 95 °C durante un período en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 72 horas, para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa.

Esta memoria descriptiva describe que el proceso para la hidrólisis de la biomasa, también puede comprender los pasos que se indican a continuación: A) distribuir proporcionadamente una cantidad de biomasa que tiene contenido seco y agua en al menos una primera corriente de carga de alimentación y una segunda corriente de carga de alimentación, B) crear una primera corriente de solvente al hidrolizar la primera corriente de carga de alimentación con la adición de un catalizador a la primera corriente de carga de alimentación —en donde la cantidad de catalizador se encuentra en el rango comprendido entre 0.1 y 150 FPU/g de contenido seco en todas las corrientes de carga de alimentación— y realizar la hidrólisis a una temperatura en el rango que oscila entre 20 °C y 95 °C durante un periodo en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 8 horas, C) poner en contacto al menos una de las corrientes de carga de alimentación, distinta a la primera corriente de carga de alimentación, con la primera corriente de solvente y D) mantener el contacto entre dicha al menos una carga de alimentación, distinta a la primera corriente de carga de alimentación, y la primera corriente de solvente a una temperatura en el rango que oscila entre 20 °C y 95 °C durante un periodo en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 72 horas, para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa .

También se describe que al menos una porción de la composición catalizadora se pone en contacto con la carga de alimentación en forma anterior, inmediata o posterior a poner en contacto la carga de alimentación con el solvente. También se describe que la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación puede ser superior a 1:6; o superior a 1:5; o superior a 1:4; o superior a 1:3; o superior a 1:2.5; o superior a 1:2; o superior a 1:1.5; o superior a 1:1 o superior a 1:0.9.

También se describe que la cantidad de biomasa con respecto al agua en la carga de alimentación, se encuentra en una relación que comprende los siguientes rangos: desde 1:4 hasta 9:1; desde 1:3.9 hasta 9:1; desde 1:3.5 hasta 9:1; desde 1:3.25 hasta 9:1; desde 1:3 hasta 9:1; desde 1:2.9 hasta 9:1; desde 1:2 hasta 9:1; desde 1.15 hasta 9:1; desde 1:1 hasta 9:1 y desde 1:0.9 hasta 9:1.

También se describe que la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación al momento del contacto, puede estar comprendida en uno cualquiera de los siguientes rangos: desde 1:99 hasta 99:1, desde 10:90 hasta 90:10, desde 20:80 hasta 90:10, desde 30:70 hasta 90:10, desde 40:60 hasta 90:10, desde 50:50 hasta 90:10 y desde 60:40 hasta 90:10.

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

También se describe que el proceso podría ser un proceso por lotes, en donde la composición catalizadora se introduce en el recipiente en forma anterior, simultánea o posterior a la introducción de la carga de alimentación, y la carga de alimentación y el solvente se mantienen en el recipiente — dentro del rango de temperatura— durante el período y — después de mantener la carga de alimentación, el solvente y el catalizador en el recipiente dentro del rango de temperatura durante el período— se remueve una cantidad en peso del producto hidrolizado del recipiente, en donde el peso del producto hidrolizado removido es sustancialmente equivalente al peso de la carga de alimentación más la composición catalizadora introducida, más el peso de todos los otros materiales distintos al solvente introducido en el recipiente. El proceso también podría contener una segunda corriente de solvente a partir de un lote previamente hidrolizado. La remoción del producto podría ser completa, o podría permanecer una porción del producto en el recipiente.

También se describe que el proceso podría ser un proceso continuo, en el cual la carga de alimentación de dicha al menos una corriente de carga de alimentación, distinta a la primera corriente de carga de alimentación, y el solvente de la primera corriente de solvente se introducen de manera continua en un recipiente que ya contiene la corriente de solvente; se introduce de manera continua la composición catalizadora en el recipiente y el producto hidrolizado se remueve de manera continua del recipiente. El peso del producto hidrolizado removido durante un lapso especifico, es equivalente al peso de la carga de alimentación más la composición catalizadora más el peso de todos los otros materiales distintos al solvente introducido en el recipiente durante el periodo especifico.

También se describe que los procesos podrían tener un paso de premezclado basado en un ciclo de reciclado del producto de la corriente de solvente, en donde una porción del solvente se mezcla con al menos una porción de la carga de alimentación antes de introducirse en el recipiente y todas las relaciones del solvente con respecto a la carga de alimentación se basan en la cantidad total de solvente, que es la cantidad de solvente en el recipiente más la cantidad de cualquier solvente mezclado con al menos una porción de la corriente de carga de alimentación.

También se describe que los sólidos se pueden separar de la corriente hidrolizada y que los sólidos se reciclan opcionalmente en el recipiente de hidrólisis. Se describe que los sólidos se pueden purgar antes de agregarse al recipiente de hidrólisis o no agregarse en absoluto al recipiente de hidrólisis .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es un esquema de un proceso continuo de hidrólisis .

La figura 2 es un esquema de un proceso continuo de hidrólisis con un ciclo de reciclado.

La figura 3 es un esquema de un proceso continuo de flujo pistón {plug flow) .

La figura 4 es un esquema de un proceso de hidrólisis por lotes.

La figura 5 es un esquema de una forma de realización del proceso mejorado que muestra el tratamiento con catalizador en exceso.

La figura 6 ilustra el tipo de aparato usado para llevar a cabo los experimentos.

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

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Este proceso hace uso del descubrimiento referido a que la hidrólisis enzimática de la celulosa puede tener lugar muy rápidamente y, por ende, se evitan opcionalmente el corte y el exceso de agua cuando la hidrólisis se realiza en presencia de una cantidad sustancial de productos ya hidrolizados a partir de la biomasa. Al hacer esto, el operario puede evitar el uso de mezcladoras especiales y los altos costos de mezclado descritos en las propuestas de la técnica anterior.

El proceso comienza con la selección de una carga de alimentación. La carga de alimentación está compuesta por biomasa, que tiene contenido seco y agua. Por lo general el agua no es agua libre, sino agua absorbida en la biomasa misma. Esta biomasa a menudo se expresa de acuerdo con su contenido seco (no acuoso) . Una biomasa con un contenido seco del 20% corresponde a una biomasa que tiene 80% de agua y 20% de contenido no acuoso o sólido. La expresión "biomasa y agua" hace referencia al contenido seco de la biomasa más el agua libre y el agua absorbida que pudieran haber sido agregadas. Por ejemplo, la cantidad de biomasa más el agua para 100 kg de biomasa con un contenido seco del 20% es de 100 kg. La cantidad de biomasa —más el agua para 100 kg de biomasa con un contenido seco del 20% más 10 kg de agua— es de 110 kg.

Se cree que el proceso descrito es capaz de utilizar una carga de alimentación de biomasa y agua, donde el contenido de materia seca con respecto al agua de la carga de alimentación oscila preferentemente entre el 15% y el 80%, entre el 20% y el 80%, o entre el 21% y el 80%; preferentemente entre 25% y el 70%, o entre el 26% y el 70%; más preferentemente entre el 25% y el 60%, o entre el 26% y el 60%, incluso más preferentemente entre el 25% y el 50%, o entre el 26% y el 50%, o entre el 25% y el 40% o entre el 26% y el 40%; y óptimamente entre el 25% y el 35%, o entre el 26% y el 35%, o entre el 26% y el 34% o entre el 31% y el 49%.

A modo alternativo, se puede expresar como el contenido seco mínimo; es decir, como el porcentaje en peso del contenido seco relativo al agua en la carga de alimentación. Esto correspondería a un contenido seco del 18% en peso, preferentemente a al menos 21% o 20% en peso, preferentemente a al menos 25% en peso, más preferentemente a al menos 30% en peso y óptimamente a al menos 40% en peso. El límite superior de estos contenidos es, por definición, del 100%, pero en la práctica el límite superior para estos contenidos sería del 80% en peso, si se expresaran en rangos.

Se cree que el proceso descrito en la presente es capaz de manejar un contenido seco de casi el 100%. Por supuesto, se reconoce que es esencial utilizar cierta cantidad de agua para la reacción de hidrólisis.

Por ende, los rangos adecuados para esta invención son las biomasas que tienen contenidos secos mayores al 18%, 20%, 21%, 25%, 26%, 30%, 31%, 35%, 36%, 40%, 50%, 60% y 80%, con un límite superior del 80%, 90%, para cada limite inferior.

La distribución preferida de las fibras y los tamaños de partículas de la biomasa pueden comprender los rangos que oscilan entre 0 y 150 mm; preferentemente, entre 5 y 125 mm; más preferentemente, entre 10 y 100 mm; incluso más preferentemente, entre 15 a 30 mm y 90 mm o entre 20 y 80 mm y óptimamente entre 26 y 70mm.

La distribución preferida de las fibras y los tamaños de partículas se define como de al menos un 20% (p/p) de la biomasa que oscila dentro del intervalo preferido.

Una ventaja de este proceso consiste en que se puede realizar sin agregar 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 solventes orgánicos que solubilizan lignina, tales como los seleccionados entre el grupo que consiste en carbono, cetonas y acetonas que comprenden desde 2 hasta 6 átomos de carbono, y mezclas de los mismos, metanol y etanol.

Otra ventaja es que esta reacción se puede realizar a presión atmosférica. En forma alternativa, se cree que la temperatura se puede elevar de manera tal que la reacción se pueda realizar con o sin enzimas, a presiones asociadas con un rango de temperatura que oscila entre 100 °C y 200 °C.

Una carga de alimentación preferida es la biomasa vegetal. Además del almidón, los tres constituyentes principales de la biomasa vegetal son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, que son denominadas comúnmente bajo el término genérico "lignocelulosa" . La "biomasa que contiene polisacáridos" es una denominación genérica que incluye tanto el almidón como las biomasas lignocelulósicas . Por ende, algunos tipos de cargas de alimentación pueden ser biomasa vegetal, biomasa que contiene polisacáridos y biomasa lignocelulósica . Para mayor claridad, en esta memoria descriptiva, una biomasa lignocelulósica puede contener almidón o puede no contenerlo.

Este proceso está destinado principalmente a la producción de hidrólisis de segunda generación, donde la carga de alimentación lignocelulósica contiene un contenido seco de celulosa de más del 5% en peso. Si bien un contenido seco del 5% en peso es una cantidad preferida, una cantidad aún más preferida es un contenido de celulosa superior al 10% en peso del contenido seco de la carga de alimentación, siendo óptimo un contenido seco de la carga de alimentación superior a —al menos— el 15% en peso.

La carga de alimentación puede estar libre de almidón, o sustancialmente libre almidón, o tener un contenido de almidón de 0. Sin embargo, de estar presente, el almidón puede ser menor al 75% en peso del contenido seco. No existe un rango preferido para el almidón, ya que se cree que su presencia no afecta la hidrólisis de la celulosa. Los rangos para la cantidad de almidón, de estar presente, oscilan entre el 0% y el 75% en peso del contenido seco, entre el 0% y el 50% en peso del contenido seco, entre el 0% y el 30% en peso del contenido seco y entre el 0% y el 25% en peso del contenido seco.

Con frecuencia, se utiliza un pretratamiento para asegurar que la estructura del contenido lignocelulósico se torne más accesible a los catalizadores —tales como enzimas— y, al mismo tiempo, que las concentraciones de los subproductos inhibitorios dañinos, tales como ácido acético, furfural e hidroximetil furfural, permanezcan sustancialmente bajas.

Existen varias estrategias para lograr la accesibilidad incrementada, muchas de las cuales pueden aún ser inventadas. Las estrategias actuales comprenden someter el material lignocelulósico a temperaturas que oscilan entre 110 °C y 250 °C durante un lapso desde 1 hasta 60 minutos, por ejemplo: extracción por agua caliente; hidrólisis con ácido diluido en múltiples fases, que remueve el material disuelto antes de que se formen las sustancias inhibitorias; hidrólisis con ácido diluido bajo condiciones de severidad relativamente bajas; oxidación alcalina húmeda; explosión por vapor; casi cualquier pretratamiento con desintoxicación subsiguiente .

Si se elige un pretratamiento hidrotérmico, se prefieren las siguientes condiciones: temperatura de pretratamiento: desde 110 ° C hasta 250 °C; preferentemente, desde 120 ° C hasta 240 °C; más preferentemente, desde 130 °C hasta 230 °C; más preferentemente, desde 140 °C hasta 220 °C; más preferentemente, desde 150 °C hasta 210 °C; más preferentemente, desde 160 ° C hasta 200 °C; incluso más preferentemente, desde 170 °C hasta 200 0 C; u óptimamente, desde 180 °C hasta 200 °C.

Tiempo de pretratamiento: desde 1 hasta 60 minutos; preferentemente, desde 2 hasta 55 minutos ; mas preferentemente, desde 3 minutos ; mas preferentemente, desde 4 minutos ; mas preferentemente, desde 5 minutos; mas preferentemente, desde 5 minutos ; mas preferentemente, desde 5 minutos ; mas preferentemente, desde 5 minutos ; mas preferentemente, desde 5 hasta 20 minutos y óptimamente, desde 5 hasta 15 minutos.

El contenido de materia seca después del pretratamiento es preferentemente de al menos el 20% (p/p) . Otros límites más altos preferidos se contemplan más adelante en la presente .

Las biomasas que contienen polisacáridos de acuerdo con la presente invención, incluyen cualquier material que contiene azúcares poliméricos; por ejemplo, en forma de almidón, así como también almidón, celulosa y hemicelulosa refinados. Sin embargo —como se analizó con anterioridad— el almidón no es un componente principal.

Los tipos relevantes de biomasas para hidrólisis y mezclado de acuerdo con la presente invención, pueden incluir biomasas derivadas de cultivos agrícolas tales como, por ejemplo: cultivos que contienen granos; maíz forrajero; bagazo; paja de, por ejemplo, arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo y tubérculos como remolacha y papa.

La carga de alimentación de biomasa lignocelulósica proviene —preferentemente— de la familia que usualmente se conoce como "hierbas". El nombre apropiado es la familia conocida como Poáceas o Gramíneas de la clase Liliopsida (las monocotiledóneas) de las plantas de floración. Las plantas de esta familia usualmente se denominan "hierbas" e incluyen el bambú. Existen alrededor de 600 géneros y entre unas 9000 y 10.000 o más especies de hierbas {Kew Index of World Grass Species) .

Las Poáceas incluyen los granos de alimentación básica y los cultivos de cereales que se cultivan en todo el mundo, los céspedes y las hierbas forrajeras, y el bambú. Las Poáceas —por lo general— tienen tallos huecos denominados "cañas" que se aglomeran (sólido) en intervalos denominados "nodulos" que son los puntos a lo largo de la caña a partir de los cuales brotan las hojas. Las hojas de las hierbas son usualmente alternas, disticas (en un plano) o raramente espirales, y nervadas paralelamente. Cada hoja se diferencia en una "vaina" inferior que se sujeta el tallo en una distancia y una "brizna" con bordes usualmente completos. Las briznas de las hojas de muchas hierbas se endurecen con fitolitos silíceos, lo que ayuda a desalentar el acercamiento de animales en pastoreo. En algunas hierbas (tales como la espadaña) esto hace que los bordes de las briznas se tornen lo suficientemente puntiagudas como para cortar la piel humana. Un apéndice foliáceo o manojo de pelos, denominado "lígula", yace en la unión entre la vaina y la brizna, lo que evita que el agua o los insectos penetren la vaina.

Las briznas de las hierbas crecen en la base de la brizna y no desde las puntas elongadas de los tallos. Este punto bajo de crecimiento evolucionó en respuesta a los animales en pastoreo y permite que las hierbas sean ingeridas o cortadas en forma regular sin provocar un daño severo a la planta .

Las flores de las Poáceas se disponen característicamente en "espiguillas", cada una de las cuales tiene uno o más flósculos (las espiguillas se agrupan, además, en panojas o espigas). Una espiguilla consta de dos (o a veces menos) brácteas en la base, denominadas "glumas", seguidas de uno o más flósculos. Un flósculo consiste en la flor rodeada por dos brácteas que llevan el nombre de "lema" (la externa) y "pálea" (la interna). Las flores son usualmente hermafroditas (el maíz, especie monoica, es una excepción) y la polinización es casi siempre anemófila. El perianto se reduce a dos escalas, llamadas "lodículas", que se expanden y se contraen para diseminar el lema y la pálea; éstas por lo general se interpretan como sépalos modificados. Esta estructura compleja se puede observar en la imagen de la izquierda, que retrata una espiga de trigo (Triticum aestivum) .

El fruto de las Poáceas es una cariópside cuya cáscara de la semilla se une a la pared del fruto y, por ende, no se separa de la misma (como en una pepita de maíz) .

Existen tres clasificaciones generales de hábito de crecimiento presente en las hierbas; del tipo de ramo (también denominado "cespitoso"), estolonifero y rizomatoso.

La viabilidad de las hierbas se basa, en parte, en su morfología y en sus procesos de crecimiento y, en parte, en su diversidad fisiológica. La mayor parte de las hierbas se dividen en dos grupos fisiológicos, usando las vías fotosintéticas C3 y C4 para la fijación de carbono. Las hierbas C4 tienen una vía fotosintética ligada a la hoja con anatomía Kranz especializada, que los adapta particularmente a los climas cálidos y a una atmósfera baja en dióxido de carbono .

Las hierbas C3 se conocen como "hierbas de estaciones frías" mientras que las plantas C4 se consideran "hierbas de estaciones cálidas". Las hierbas pueden ser anuales o perennes. Los ejemplos de las hierbas de estaciones frías anuales son el trigo, el centeno, la hierba verdiazul anual (poa de los prados, poa anual y avena) . Los ejemplos de hierbas perennes de estaciones frías son el pasto ovillo (pata de gallo, Dactylis glomerata) , la festuca (Festuca spp) , el pasto azul de Kentucky y el ballico perenne (Lolium perenne) . Los ejemplos de hierbas de estaciones cálidas anuales son el maíz, el sorgo del Sudán y el mijo perla. Los ejemplos de hierbas de estaciones cálidas perennes son el tallo azul gigante, el pasto indio, el zacate Bermuda y el pasto aguja.

Una clasificación de la familia de hierbas reconoce doce subfamilias, a saber: 1) Anomochlooideae, un linaje pequeño de hierbas de hojas anchas que incluye dos géneros {Anomochloa, Streptochaeta) ; 2) Pharoideae, un linaje pequeño de hierbas que incluye tres géneros, con inclusión de Pharus y Leptaspis; 3) Puelioideae, un linaje pequeño que incluye el género africano Puelia; 4) Pooideae, que incluye trigo, cebada, avena, lanco {Bronnus) y cañavera (Calamagrostis) ; 5) Bambúsoideae, que incluye bambú; 6) Ehrhartoideae, que incluye arroz y arroz silvestre; 7) Arundinoideae, que incluye caña brava y caña común 8) Centothecoideae, una pequeña subfamilia de 11 géneros que a veces se incluye en la Panicoideae; 9) Chloridoideae, que incluye pasto llorón {Eragrostis, aproximadamente 350 especies, con inclusión del tef) , dropseeds {Sporobolus, unas 160 especies), mijo dedo (Eleusine coracana (L.) Gaertn.), y las hierbas muhly (Muhlenbergia, aproximadamente 175 especies); 10) Panicoideae, que incluye panizo, maíz, sorgo, caña de azúcar, la mayoría de los mijos, fonio {Digitaria genus) y pastos de tallo azul. 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, que incluye cortadera; con Poa, que es un género de alrededor de 500 especies de hierbas, nativo de las regiones templadas de ambos hemisferios.

Las hierbas agrícolas que se cultivan por sus semillas comestibles se denominan "cereales". Tres cereales comunes son el arroz, el trigo y el maíz. Del total de los cultivos, el 70% son hierbas.

La caña de azúcar es la fuente principal de producción de azúcar. Las hierbas se usan para la construcción. Los andamios hechos de bambú pueden soportar fuerzas de tifones que romperían un andamio de acero. Los bambúes más grandes y el falso bambú [Arundo donax) tienen tallos que se pueden usar de manera similar a la madera, y las raíces de las hierbas estabilizan el tepe de las casas de tepes. Se usa Arundo para fabricar lengüetas para instrumentos de viento, y el bambú se usa para innumerables implementos.

Por ende, una biomasa lignocelulósica preferida se selecciona entre el grupo que consiste en hierbas. Expresado en forma alternativa, la biomasa lignocelulósica preferida se selecciona entre el grupo que consiste en plantas que pertenecen a la familia de las Poáceas o Gramíneas. En la mayoría de los casos, el almidón no habrá de extraerse. Por ende, otra biomasa lignocelulósica preferida es la seleccionada entre el grupo que consiste en las hierbas cuyo almidón no ha sido extraído. Expresado en forma alternativa, la biomasa lignocelulósica preferida se selecciona entre el grupo que consiste en plantas que pertenecen a la familia de las Poáceas o Gramíneas que no tienen su almidón extraído. "Extraído" es diferente a "removido". La planta de maíz está comprendida por la mazorca y el rastrojo. La separación de la mazorca remueve el componente principal de almidón pero no significa extraer el almidón. Extraer el almidón es separar el almidón de la composición celulósica de almidón a través de un proceso químico o físico que no sea corte o picado.

La biomasa lignocelulósica se puede cortar en pedazos, en los cuales el 20% (p/p) de la biomasa oscila preferentemente entre 26 y 70 mm, antes del pretratamiento. El material pretratado tiene preferentemente un contenido de materia seca superior al 20% antes de ingresar en el proceso. Además de liberar carbohidratos de la biomasa, el proceso de pretratamiento esteriliza y parcialmente disuelve la biomasa y, al mismo tiempo, enjuaga el cloruro de potasio de la fracción de lignina.

La biomasa contiene algunos compuestos que son hidrolizables en una especie soluble en agua que se obtiene a partir de la hidrólisis de la biomasa. En el caso de las especies hidrolizadas solubles en agua de celulosa, la celulosa se puede hidrolizar en glucosa, celobiosa y polímeros superiores de glucosa, e incluye dímeros y oligómeros. Por ende, algunas de las especies hidrolizadas solubles en agua de celulosa son la glucosa, la celobiosa y los polímeros superiores de glucosa, e incluyen sus respectivos dímeros y oligómeros. La celulosa es hidrolizada en glucosa por las celulasas carbohidrolíticas . Por esta razón, las celulasas carbohidrolíticas son ejemplos de catalizadores para la hidrólisis de celulosa.

El entendimiento prevalente del sistema celulolítico divide las celulasas en tres clases: las exo-l,4-p-D-glucanasas o las celobiohidrolasas (CBH) (EC 3.2.1.91), que dividen las unidades de celobiosa de los extremos de las cadenas de celulosa; las endo-1 , 4- -D-glucanasas (EG) (EC 3.2.1.4), que hidrolizan los enlaces internos ß-1,4-glucosídicos en la cadena de celulosa; la 1, 4^-D-glucosidasa (EC 3.2.1.21), que hidroliza la celobiosa en glucosa y también divide las unidades de glucosa de los celooligosacáridos . Por lo tanto, si la biomasa contiene celulosa, entonces la glucosa es una especie hidrolizada soluble en agua, que se obtiene a partir de la hidrólisis de la biomasa y las celulasas mencionadas con anterioridad son ejemplos específicos —así como también los mencionados en la sección de experimentación— de catalizadores para la hidrólisis de celulosa.

Mediante un análisis similar, los productos de la hidrólisis de la hemicelulosa son especies solubles en agua que se obtienen a partir de la hidrólisis de la biomasa, asumiendo —obviamente— que la biomasa contiene hemicelulosa . La hemicelulosa incluye xilano, glucuronoxilano, arabinoxilano, glucomanano y xiloglucano. Los diferentes azúcares en la hemicelulosa son liberados por las hemicelulasas . El sistema hemicelulolitico es más complejo que el sistema celulolitico debido a la naturaleza heteróloga de la hemicelulosa. Los sistemas pueden comprender, entre otras, las endo-1, 4-p-D-xilanasas (EC 3.2.1.8), que hidrolizan los enlaces internos de la cadena de xilano; las 1, - ~D-xilosidasas (EC 3.2.1.37), que atacan los xilooligosacáridos desde el extremo no reductor y liberan xilosa; las endo-1, -p-D-mananasas (EC 3.2.1.78), que dividen los enlaces internos; las 1 , 4- -D-manosidasas (EC 3.2.1.25), que dividen los manooligosacáridos en residuos de mañosa. Los grupos laterales son removidos por un número de enzimas; tales como las a-D-galactosidasas (EC 3.2.1.22), las a-L-arabinofuranosidasas (EC 3.2.1.55), las -D-glucuronidasas (EC 3.2.1.139), la cinamoil esterasas (EC 3.1.1.-), las acetil xilano esterasas (EC 3.1.1.6) y las feruloil esterasas (EC 3.1.1.73). Por lo tanto, si la biomasa contiene hemicelulosa, entonces la xilosa y la mañosa son ejemplos de una especie hidrolizada soluble en agua que se obtiene a partir de la hidrólisis de la hemicelulosa que contiene biomasa y las hemicelulasas mencionadas con anterioridad son ejemplos específicos —así como también los mencionados en la sección de experimentación— de catalizadores para la hidrólisis de la hemicelulosa .

En el proceso se incluye una composición catalizadora . La composición catalizadora consiste en el catalizador, el portador y otros aditivos/ingredientes usados para introducir el catalizador en el proceso. Como se analizó con anterioridad, el catalizador puede comprender al menos una enzima o un microorganismo que convierte al menos uno de los compuestos en la biomasa en un compuesto o compuestos de menor peso molecular, hasta obtener —e incluir— el azúcar básico o carbohidrato usado para formar el compuesto en la biomasa. Las enzimas capaces de hacer esto para los diversos polisacáridos —tales como la celulosa, la hemicelulosa y el almidón— son ampliamente conocidas en la técnica e incluirían las que —hasta el momento— no fueron inventadas.

La composición catalizadora también puede comprender un ácido inorgánico preferentemente seleccionado 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 un procesamiento a temperaturas superiores a 100 °C. El proceso también se puede llevar a cabo específicamente, sin agregar un ácido inorgánico .

Es típico el hecho de agregar el catalizador al proceso con un portador, tal como agua o un material de base orgánica. A los efectos del balance de masas, la expresión "composición catalizadora" incluye, por lo tanto, el/los catalizador/es, más el/los portador/es usado/s, para agregar el/los catalizador/es al proceso. Si se agrega un agente amortiguador del pH con el catalizador, entonces también forma parte de la composición catalizadora.

Con frecuencia, la biomasa lignocelulósica contiene almidón. Las enzimas más importantes para usar en la hidrólisis del almidón son las alfa-amilasas (1,4-a-D-glucanohidrolasas, (EC 3.2.1.1)). Estas son hidrolasas endoactivas, que dividen los enlaces 1 , 4 -a-D-glucosidicos y pueden desviar —mas no hidrolizar— los puntos de ramificación 1 , 6-a-D-glucosídicos . Sin embargo, también se pueden usar las glucoamilasas exoactivas, tales como la beta-amilasa (EC 3.2.1.2) y la pululanasa (EC 3.2.1.41) para la hidrólisis del almidón. El resultado de la hidrólisis del almidón es principalmente la glucosa, la maltosa, la maltotriosa, la o¿-dextrina y las diversas cantidades de oligosacáridos . Cuando se usa el hidrolizado basado en almidón para la fermentación, puede ser ventajoso agregar enzimas proteolíticas . Dichas enzimas pueden evitar la floculación del microorganismo y pueden generar aminoácidos disponibles para el microorganismo. Por lo tanto, si la biomasa contiene almidón, entonces la glucosa, la maltosa, la maltotriosa, la a-dextrina y los oligosacáridos son ejemplos de una especie hidrolizada soluble en agua que se obtiene a partir de la hidrólisis del almidón que contiene biomasa y las alfa-amilasas mencionadas con anterioridad son ejemplos específicos -así como también los mencionados en la sección de experimentación- de catalizadores para la hidrólisis del almidón .

Si bien la hidrólisis puede utilizar los procesos por contacto con solvente representados en las figuras 1 a 4, una forma de realización preferente —con eficiencia y velocidad de hidrólisis mejoradas— se puede mejorar en forma sustancial usando catalizadores nuevos. Se cree que, con el tiempo, se degrada una porción del catalizador en la composición catalizadora en las formas de realización 1, 2, 3 y 4.

El proceso propuesto en la figura 5, divide o distribuye proporcionadamente la corriente 1 de la biomasa 3 en al menos dos corrientes; la primera corriente de carga de alimentación la se hidroliza en el recipiente 15 con una cantidad de catalizador en exceso que se introduce en una composición catalizadora a través de la corriente 2, opcionalmente sin usar el proceso con solvente. Después de hidrolizar la primera corriente de carga de alimentación la en presencia del catalizador en exceso en la corriente 2, el producto hidrolizado 4 se remueve del recipiente 15 y recibe el nombre de "solvente de la primera corriente de solvente". La primera corriente de solvente 4 se combina luego con al menos una porción de la carga de alimentación remanente de la corriente de carga de alimentación Ib y comienza el proceso de hidrólisis del solvente en el recipiente 16. El recipiente 16 podría corresponder a cualquiera de los recipientes 10 en la figura 1; el recipiente 10 ó 11 en la figura 2; el recipiente 12 en la figura 3 y el recipiente 13 en la figura 4. El producto hidrolizado 6 se remueve del recipiente como corriente 5.

La cantidad de catalizador necesaria para tratar la primera corriente de carga de alimentación depende en gran medida del tipo de biomasa en la carga de alimentación y el catalizador o la/s enzima/s que se elige/n. Por lo 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 determinado peso de la biomasa.

La cantidad de catalizador necesaria para la primera corriente de carga de alimentación se encuentra en un rango que oscila entre la cantidad mínima de catalizador requerida para hidrolizar el 100% de la primera corriente de carga de alimentación y el doble de la cantidad requerida para hidrolizar el 100% de todas las corrientes de carga de alimentación .

Esto también se puede expresar en unidades de papel de filtro (FPU, Filter Paper Units) /g de materia seca (DM, Dry Matter) . La FPU se mide y se define de acuerdo con el procedimiento analítico de laboratorio o Laboratory Analytical Procedure NREL (Technical Report NREL/TP-510-42628, enero 2008) . Este método usa el estándar industrial y mide la actividad de la celulosa en términos de "unidades de papel de filtro" (FPU) por mililitro de solución enzimática original (no diluida) . Para los resultados cuantitativos, se deben comparar las preparaciones enzimáticas sobre la base de la conversión igual y significativa. Una unidad de papel de filtro para una determinada enzima es la cantidad de enzima necesaria para liberar 2.0 mg de azúcar reductor tal como glucosa a partir de un papel de filtro de 50 mg de una tira de papel de filtro Whatman número 1 (4% de conversión) en 60 minutos, a 50 °C, y ha sido designada como el intercepto para calcular las unidades de papel de filtro (FPU) de la celulosa por los lineamientos de la Unión internacional de química pura y aplicada (IUPAC, International Union of Puré and Applied Chemistry) . La actividad catalítica para cualquiera de los procesos se podría proveer, en principio, en cualquier forma concebible, con inclusión del agregado de microorganismos que generan una actividad enzimática correspondiente a un rango que oscila entre 0.001 y 150 FPU/g de materia seca; preferentemente, entre 0.001 y 25 FPU/g de materia seca; preferentemente, entre 0.01 y 20 FPU/g de materia seca; más preferentemente, entre 0.2 y 16 FPU/g de materia seca; más preferentemente, entre 2 y 30 FPU/g de materia seca; y, óptimamente, entre 4 y 25 FPU/g de materia seca .

En el paso de hidrólisis de la figura 5 (recipiente 15), la cantidad de catalizador o enzima agregada a la primera corriente de carga de alimentación se encuentra en el rango que oscila entre 0.001 y 150 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación; preferentemente, entre 0.001 y 15 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación; preferentemente, entre 0.01 y 30 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación; más preferentemente, entre 0.1 y 30 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación; más preferentemente, entre 1 y 25 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación; y, óptimamente, menor a 20 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación pero mayor a 0.1 FPU/g de materia seca de todas las corrientes de carga de alimentación. Si bien el análisis de la FPU es ampliamente conocido, en este caso se dividiría la cantidad de catalizador por la cantidad de carga de alimentación total y luego se determinaría si esa concentración tuvo la FPU dentro del rango. En forma alternativa, si se supiera la FPU de la concentración del catalizador, se agregaría suficiente catalizador para alcanzar la FPU requerida para la determinada cantidad de carga de alimentación.

Después de hidrolizar la primera corriente de carga de alimentación con el catalizador, el material hidrolizado recibe el nombre de "primera corriente de solvente". La segunda corriente de solvente sería el material hidrolizado licuado de todas las corrientes de carga de alimentación e incluiría la primera corriente de solvente más los materiales hidrolizados distintos a la primera corriente de carga de alimentación. La expresión "todas las corrientes de solvente" incluiría todas las corrientes licuadas usadas como solvente y que entran en contacto con la biomasa sin reaccionar.

La primera corriente de solvente —tal como se describe a continuación— se puede usar luego como solvente para la hidrólisis de las corrientes de carga de alimentación remanentes. Las corrientes de carga de alimentación remanentes se pueden introducir luego en el recipiente de hidrólisis antes, después o al mismo tiempo que se introduce la primera corriente de solvente en el recipiente. Los procesos 1, 2, 3 y 4 son sólo algunos de todos los tipos de procesos que se podrían usar para hidrolizar las corrientes de carga de alimentación remanentes (aquellas corrientes distintas a la primera corriente de carga de alimentación) .

Como la primera corriente de solvente tiene un catalizador que solamente se usó una vez —y en exceso— se cree que es mejor hidrolizar las corrientes remanentes, porque las corrientes de carga de alimentación remanentes entran en contacto posteriormente con un catalizador que es más nuevo que el que se usaría en los procesos ilustrados en las figuras 1 a 4, sin el paso previo del proceso ilustrado en la figura 5.

Como se ilustra en el experimento número 5, la carga de alimentación se dividió en dos porciones; la primera porción se trató con la cantidad de catalizador que se habría usado si las dos porciones se hubieran tratado juntas.

Para todos los procesos, también es común controlar el pH bajo condiciones óptimas para la actividad catalítica enzimática, dentro de un rango que oscila entre 3 y 12; por ejemplo, entre 5 y 10; por ejemplo, entre 6 y 9; por ejemplo, entre 7 y 8 y, preferentemente, entre 4 y 11.

Debido al alto contenido seco, se puede necesitar un reactor especial para la hidrólisis en el recipiente 15. Se cree que un reactor adecuado es el que se describe en el documento con el número WO 2006/056838, que es el objeto de la invención de esa patente.

El proceso también usa un solvente a partir de una corriente de solvente. En términos simples, la composición del solvente —con exclusión de los materiales insolubles en agua— es aquella que resultará similar —si no de manera exacta— al producto de la composición, después de la hidrólisis de la biomasa. En la mayoría de los casos, el solvente comprende el hidrolizado obtenido de la carga de alimentación de la biomasa después de la hidrólisis e incluye las enzimas, los agentes amortiguadores y cualquier otro material agregado a la reacción de hidrólisis.

Si bien el solvente consiste en biomasa hidrolizada, el solvente no se crea por la carga de alimentación, sino que se agrega a la carga de alimentación. Por ejemplo, en la figura 4 —el proceso por lotes— la cantidad de material de tipo solvente se incrementa con el tiempo, a medida que la carga de alimentación se hidroliza. Aunque esto hace que el solvente se una al solvente, no se considera como parte del solvente, a los fines de calcular las relaciones del solvente con respecto a la carga de alimentación que, en el caso de la figura 4, se calcula cuando la carga de alimentación ingresa en el recipiente y entra en contacto con el solvente.

En la práctica, el solvente para la corriente de solvente proviene —generalmente— de la biomasa previamente hidrolizada. Si, por ejemplo, se separa el hidrolizado de las enzimas, los agentes amortiguadores, los materiales insolubles, etc., entonces el hidrolizado es el solvente. La corriente de solvente debería comprender las especies hidrolizadas solubles en agua, en donde al menos parte 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 carga de alimentación de la biomasa. Por ejemplo, un modo preferido para operar el proceso por lotes de la figura 4 es mantener una porción del lote en el recipiente para usarla como solvente para la siguiente carga. En el proceso continuo, tal como un reactor con agitación continua (CSTR, Continuous Stirring Reactor) , el solvente está disponible en forma constante .

Es ampliamente conocido que, en el reactor continuo, la carga de alimentación y el catalizador se introducen de manera continua en el recipiente, y el producto es continuamente removido. Sin embargo, que sea de manera continua no siempre significa que carezca de inicios y detenimientos; se considera, por ejemplo, que un goteo constante es una alimentación continua aunque no sea una alimentación continua exacta ya que existen momentos en que la alimentación no es continua. Por lo tanto, en el contexto del reactor continuo, el término "continuo" significa que se pueden introducir o retirar la alimentación y los productos — cada uno— en forma intermitente en el tiempo, y no tienen que alimentarse y retirarse al mismo tiempo.

Tal como se describe en la sección de experimentación, cuando la biomasa con alto contenido de materia seca se coloca en una porción del solvente, la disolución y la hidrólisis son extremadamente rápidas; de hecho, visualmente evidentes .

La corriente de solvente y el solvente incluyen entonces el agua y las especies hidrolizadas solubles en agua. Al menos parte de las especies hidrolizadas solubles en agua —si no todas ellas— son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua que se obtienen a partir de la hidrólisis de la biomasa en la composición de carga de alimentación. Como el solvente contiene especies no disueltas —que pueden denominarse "sólidos dispersos"— a los fines del balance de masas, a menos que se excluya específicamente un producto, las expresiones "solvente" y "corriente de solvente" 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, el catalizador, los portadores, los agentes amortiguadores del pH, los compuestos de control del pH, tales como ácidos o bases agregados durante la reacción, y otros compuestos que están presentes en el solvente.

El proceso incluye un momento de contacto, definido como el momento en que se unen la carga de alimentación y el solvente. En el proceso por lotes como el que se ilustra en la figura 4, este momento de contacto ocurre cuando la corriente de carga de alimentación 3 ingresa en el recipiente 13 a través de la linea 1 y entra en contacto con la corriente de solvente 4, en el fondo del recipiente.

El punto de adición de la composición catalizadora relativo al contacto no es critico. Se puede agregar a la corriente de carga de alimentación antes del momento de contacto de la carga de alimentación con el solvente. Se puede agregar en forma simultánea al momento de contacto de la carga de alimentación con el solvente, o se puede agregar después del momento de contacto de la carga de alimentación con el solvente. También se puede agregar a la corriente de solvente antes de agregar la corriente de carga de alimentación a la corriente de solvente. También se puede distribuir proporcionadamente y agregarse durante cualquier combinación de las tres etapas relativas al momento de contacto .

La cantidad de catalizador que ha de agregarse se establece con facilidad de acuerdo con el estado de la técnica y se agrega sobre la base de 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 carga de alimentación, el solvente y la composición catalizadora y otros materiales tales como un agente amortiguador del pH y los ácidos/las bases usados para controlar el pH a través de la reacción, han de mantenerse preferentemente a una temperatura en un rango que oscila entre 20 °C y 100 °C más preferentemente, entre 20 °C y 99 °C; óptimamente, entre 20 °C y 95 °C. Esta temperatura se basa en la mejor temperatura para las reacciones catalizadas, por ejemplo, la hidrólisis de los materiales en la biomasa en compuestos de menor peso molecular como, por ejemplo, los hidrolizados .

También se cree que es posible que la presión juegue un papel preponderante y que la reacción pueda funcionar con o sin enzimas o catalizadores de ácidos a presiones asociadas con la temperatura en un rango que oscila entre 100 °C y 200 °C.

Por lo tanto, se cree que el rango operacional más grande para el proceso fluctúa entre 20 °C y 200 °C.

Una ventaja de este proceso consiste en que se puede realizar sin agregar un ácido inorgánico, preferentemente seleccionado entre el grupo constituido por ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y similares, o mezclas de los mismos, o sin el agregado de solventes orgánicos que solubilizan la lignina, tales como los seleccionados del grupo que consiste en carbono, cetonas y acetonas que tienen desde 2 hasta 6 átomos de carbono, y mezclas de los mismos, metanol y etanol.

La reacción continúa durante un período hasta que se alcanza el punto de equivalencia deseado. Este período se conoce como el tiempo de permanencia o tiempo de reacción. Si bien un rango que fluctúa entre 5 minutos y 8 horas puede ser preferido, otros tiempos de permanencia oscilan entre 5 minutos y 16 horas, 5 minutos y 24 horas, 5 minutos y 36 horas, 5 minutos y 48 horas, 5 minutos y 60 horas, y 5 minutos y 72 horas.

El tiempo de permanencia puede cubrir un rango de valores. Por ejemplo, un rango preferido para el tiempo de permanencia puede oscilar entre más de 8 horas y menos de 72 horas; otro rango preferido, entre más de 8 horas y menos de 60 horas; otro rango preferido, entre más de 8 horas y menos de 48 horas; otro rango preferido, entre más de 8 horas y menos de 36 horas; y otro rango preferido, entre más de 8 horas y menos de 24 horas.

El tiempo de permanencia también se puede establecer en forma funcional como el tiempo que lleva alcanzar el punto de equivalencia deseado. En este caso, el punto de equivalencia deseado también se puede expresar como el porcentaje de las biomasas disponibles para la hidrólisis. Por ejemplo, si una carga de alimentación de 100 kg de biomasa tiene 80 kg de biomasa disponible para la hidrólisis, el punto de equivalencia deseado se alcanza preferentemente cuando se hidrolizó el 45% de la biomasa disponible para la hidrólisis o, más preferentemente, cuando se alcanzó el 55% de la biomasa disponible para la hidrólisis o, incluso más preferentemente, cuando se alcanzó el 65% de la biomasa disponible para la hidrólisis.

Una vez que se completó el tiempo de reacción deseado, el producto hidrolizado (el hidrolizado) resultante puede removerse del recipiente y procesarse en forma adicional.

En el proceso por lotes ilustrado en la figura 4, se remueve una cantidad de producto hidrolizado 6 del fondo del recipiente y se coloca en el segundo recipiente 14 para procesamiento adicional. La cantidad removida del recipiente 13 por lo general es la misma que la cantidad de materiales introducida en el recipiente, lo que permite que el solvente en el primer recipiente entre en contacto con otro lote más de carga de alimentación y composición catalizadora . Sin embargo, en una forma de realización, se puede vaciar completamente el recipiente 13 y agregar la carga de alimentación y el solvente al recipiente al mismo tiempo, o casi al mismo tiempo.

Como se ilustra en la figura 4, la corriente de carga de alimentación 3 —compuesta por biomasa y agua— se suministra a través de la linea de alimentación 1 al reactor de tanque con agitación por lotes 13. La composición catalizadora que contiene el/los catalizador/es se suministra a través de la linea de alimentación 2 al reactor 13. La carga de alimentación y la composición catalizadora en la fase 3 entran en contacto con el solvente en la fase 4, y se hidrolizan en forma progresiva. Si bien se ilustran como tres fases distintas, en realidad las fases están presentes como una mezcla en todo el recipiente. Después de la cantidad deseada de tiempo, o tiempo de permanencia, o tiempo de reacción, el hidrolizado —o producto de la hidrólisis-liquido se retira del reactor por medio de la válvula 20 a través de la linea de producto 5, y se alimenta al recipiente 14 que se podría usar para la sacarificación y la fermentación simultáneas. El hidrolizado líquido puede no ser completamente líquido sino que puede incluir algunos sólidos que todavía no fueron hidrolizados y algunos sólidos que no son hidrolizables . La cantidad del producto removido es aproximadamente igual a la cantidad de la corriente de carga de alimentación y la composición catalizadora introducida en el recipiente 13. Las lineas entrecortadas entre el recipiente 13 y el 14 ilustran que la cantidad removida 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 ha de usarse para un segundo lote, la corriente de solvente que permanece en el reactor (conocida también como "heel" (residuo) ) ayudará a acelerar la reacción .

Debería ser evidente para el experto en la técnica que la cantidad removida de lote a lote, no necesita coincidir exactamente con la cantidad cargada a cada nivel de lote a lote, sino que la cantidad removida respecto de un número de lotes debería ser sustancialmente igual a la cantidad cargada; de lo contrario, el recipiente operará con una cantidad demasiado baja de solvente o el recipiente se rebalsará. Tal como sucede con los procesos por lotes o continuos descritos en la presente, se conoce que, con frecuencia, existen variaciones en las velocidades de adición y las velocidades de remoción del producto con el tiempo y lote a lote, de manera que las expresiones "igual a" o "sustancialmente igual a" tienen el propósito de incluir estas variaciones.

Un parámetro de control es la relación del peso del solvente —que incluye el peso de los sólidos dispersos, los agentes de amortiguamiento del pH, el/los catalizador/es, los portadores, el/los compuesto/s de control del pH y cualquier otro material en el solvente— con respecto al peso de la carga de alimentación (la biomasa más el agua) en la carga de alimentación, al momento del contacto de la carga de alimentación con el solvente.

Se espera que exista una relación por debajo de la cual no exista un efecto —o exista un efecto limitado— sobre la reacción de hidrólisis. Como corolario, si bien no existe en teoría un límite superior a la relación, existe un punto en donde la corriente de solvente adicional tiene poco impacto sobre la velocidad de la hidrólisis y meramente incrementa el costo del equipamiento por el tamaño y el costo de operación.

Se espera que la cantidad de solvente usada para una determinada cantidad de biomasa dependa al menos de la cantidad de contenido seco de la biomasa (se espera que un peso con alto contenido seco requiera más solvente) el tipo de biomasa y el catalizador, el pH, la temperatura de operación y el tipo de mezclado empleado.

La relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación al momento de contacto, se explica mejor con referencia a las formas de realización.

Tal como se ilustra en la figura 1, la corriente de carga de alimentación 3 —compuesta por biomasa y agua— se suministra al reactor de tanque con agitación continua 10 a través de la linea 1. Los catalizadores —típicamente, las enzimas— se suministran como parte de la composición catalizadora introducida en el reactor 10 a través de la línea identificada con el número 2. Dentro del recipiente 10 se encuentra la corriente de solvente 4 de un peso conocido o determinable . Como sucede con el reactor con agitación continua, el tiempo de permanencia es tal que el material que sale del reactor a través de la línea 5 se hidroliza al punto deseado, la cantidad de corriente de solvente es el peso del material en el recipiente más la cantidad en cualesquiera bucles de reciclado y tanques de reciclado en cualquier punto determinado en el tiempo. La biomasa y el catalizador se mezclan con el solvente y la hidrólisis se realiza a una velocidad muy rápida. El producto líquido de la reacción (el hidrolizado) (6) se retira del reactor a través de la línea de producto 5. La cantidad de líquido que deja el reactor a través de la línea 5 en un tiempo especificado es igual a la velocidad más la composición catalizadora más los otros materiales que pudieran haber sido agregados al recipiente durante el mismo período especificado.

La relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación al momento de contacto, en este caso, es el peso del material en el recipiente más la cantidad en cualesquiera bucles de reciclado y tanques de reciclado que recirculan en el recipiente (el solvente) con respecto a la velocidad de adición instantánea de la biomasa más el agua agregada al recipiente en unidades comunes de tiempo. Los técnicos familiarizados con el proceso continuo, reconocerán esta relación como el tiempo de permanencia.

Por ejemplo, un recipiente contiene 400 kg de solvente, durante un tiempo de permanencia de 4 horas. La carga de alimentación se agrega a 100 kg/hora y el producto hidrolizado se remueve a 100 kg/hora. La relación es 400:100 ó 4, o el tiempo de permanencia es de 4 horas. Por lo tanto, para el CSTR, la relación es el tiempo de permanencia.

La figura 2 muestra el proceso de la figura 1 con una corriente de reciclado. Tal como se ilustra en la figura, la biomasa y el agua se suministran a través de la línea de alimentación 1 a una premezcladora 11, donde entran en contacto con una porción del solvente, mientras el hidrolizado líquido ingresa desde la línea 7. La mezcla se suministra a través de la línea 8 a un reactor de tanque con agitación continua 10. La composición catalizadora se suministra a través de la línea de alimentación 2 al reactor 10. La biomasa se hidroliza en forma progresiva, y el hidrolizado —o producto hidrolizado— liquido 6 se retira del reactor a través de la linea de salida 5, que luego 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 en un período especificado es igual a la velocidad más la composición catalizadora más otros materiales distintos a los que vienen desde la línea 7, que se agregan al recipiente durante el mismo período especificado.

Otra forma de realización del proceso que se ilustra en la figura 5, y que se puede trasladar a las formas de realización ilustradas, separa una parte de —o todos— los sólidos del hidrolizado líquido. Según cuán completa esté la reacción, los sólidos se pueden devolver opcionalmente al recipiente de hidrólisis 16 o recipiente de hidrólisis 15 para la hidrólisis adicional. Si la hidrólisis está sustancialmente completa, los sólidos se pueden remover antes de que la corriente de producto pase al siguiente paso.

Esta mejora se muestra en la figura 7. En esta figura, se alimenta la corriente 5 en un dispositivo separador de sólidos 12 para remover al menos parte de los solióos y posiblemente parte del líquido en la corriente de sólidos 9; en donde la corriente 5A es la corriente líquida con algunos sólidos removidos. Como se indicó con anterioridad, al menos una porción de la corriente de sólidos se puede devolver opcionalmente al recipiente de hidrólisis 16 o recipiente de hidrólisis 15. La separación no tiene necesariamente que realizarse antes de tomar la corriente 9 antes o después de que se vuelva a purgar en el recipiente 16 ó 15, sino que se realiza preferentemente antes de que la corriente de producto 6 pase al siguiente paso. Tal como se ilustra en la figura 7, se puede reciclar nuevamente la corriente 9 en los recipientes 16 ó 15, se puede remover la corriente 9 completamente del proceso, o se puede remover (purgar) una porción de la corriente 9 del proceso y reciclar nuevamente el remanente ya sea en el recipiente 15, en el 16 o en ambos.

Los dispositivos para separar sólidos de una corriente liquida son ampliamente conocidos en la técnica, e incluyen -aunque no taxativamente— filtros, ciclones, centrifugas, prensas, decantadores, sedimentación por gravedad, succionadores y similares. Un dispositivo separador preferido se selecciona entre el grupo que consiste en hidrociclones y centrifugas .

Por analogía, el experto en la técnica puede modificar el proceso de flujo pistón de la figura 3 para separar al menos parte de los sólidos de la corriente 5.

Se ha demostrado por medio de simulaciones que, al reciclar los sólidos y seguir adelante con la mayoría del producto de hidrólisis, tanto la velocidad de conversión para un recipiente de tamaño determinado como el tiempo de permanencia se pueden incrementar tanto como un 400%.

La relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación, en este caso, es el peso del material en el recipiente más la cantidad de solvente agregada a la premezcladora 11 en una hora con respecto al peso de la biomasa más el agua agregada al recipiente en una hora. Nuevamente, el tiempo de permanencia también expresa la relación.

Mediante una analogía similar, existe la forma de realización del reactor de flujo pistón que se ilustra en la figura 3. Con referencia a la figura 2, es evidente que el proceso de la figura 3 se puede considerar una "modificación" del proceso de la figura 2 en forma tal que se suministra todo el solvente de la corriente a través de la premezcladora 11 y no queda nada en el recipiente 10. Tal como se ilustra en la figura 3, la corriente de carga de alimentación 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 catalizadora se suministra a través de la línea de alimentación 2 al reactor 12. La corriente de solvente se agrega 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 en forma progresiva, y el hidrolizado líquido 6 se retira del reactor a través de la línea de producto 5 y que se divide en la corriente 7. La cantidad de producto 6 removida por unidad de tiempo (velocidad) es igual a la velocidad más la composición catalizadora 2 más todos los otros materiales distintos a los que ingresan desde la línea 7. El momento de contacto es cuando la corriente de carga de alimentación entra en contacto con la corriente de solvente. La relación del peso con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación al momento de contacto, en este caso, es el peso del material en la corriente 7 por unidad de tiempo con respecto al peso de la biomasa más el agua agregada al recipiente por la misma unidad de tiempo.

En el proceso por lotes ilustrado en la figura 4 y descrito en forma previa, la relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación al momento de contacto, en este caso, es el peso del material en el recipiente (la corriente de solvente marcada como "fase 4") con respecto al peso de la biomasa más el agua agregada, por carga. De agregarse solvente adicional, se agregaría al peso de la 4 que ya está en el reactor.

Si se modifica el proceso por lotes para premezclar la biomasa con el solvente, la relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación al momento de contacto, en este caso, es el peso del solvente en el recipiente más el peso del solvente en la carga con respecto al peso de la biomasa más el agua agregada al recipiente, por carga.

Los valores para la relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación puede comprender un rango que varia entre 1:99 y 100:1. Sin embargo, es más preferente que el rango varié entre 5:95 y 95:5; incluso más preferentemente, entre 10:90 y 90:10. La relación con un rango entre 20:80 y 80:20 es más preferente, y el rango entre 20:80 y 50:40 es óptimo. Sin embargo, los rangos que varían entre 10:90 y 90:10, entre 20:80 y 90:10, entre 30:70 y 90:10, entre 40:60 y 90:10, entre 50:50 y 90:10 y entre 60:40 y 90:10 también son adecuados .

Los valores para la relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación también se pueden expresar como una relación mínima, ya que se cree que no existe un valor máximo teórico. Por lo tanto, la relación debería ser de al menos 0.8:1.0; más preferentemente, de al menos 1:1; o incluso más preferentemente, de al menos 1.2:1. La relación más preferente es de al menos 1.5:1; incluso más preferente, de 2:1; y, óptimamente, de 3:1.

Como la hidrólisis de la celulosa es la característica central del proceso, la relación del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación se puede sustituir mediante el uso de la celulosa y sus productos de la hidrólisis. Tal como se describió en los ejemplos, ninguno de los productos de la hidrólisis se removió antes de introducir la próxima cantidad sucesiva de carga de alimentación. Por ende, la relación de la cantidad de celulosa más la cantidad de los productos a partir de la celulosa hidrolizada en el solvente con respecto a la cantidad de celulosa en la carga de alimentación es la misma que la relación del peso del solvente con respecto al peso de la biomasa más el agua en la carga de alimentación. La cantidad de celulosa en la carga de alimentación y de solvente son fácilmente determinables . La cantidad de productos hidrolizados a partir de la celulosa se puede determinar al determinar los productos en el solvente y sustraer la cantidad de aquellos productos que provienen de la hidrólisis de productos distintos de la celulosa —o en la carga de alimentación inicial usada para formar el solvente. Por ejemplo, el almidón también se hidroliza en glucosa y otras especies hidrolizables en común con la celulosa. Por lo tanto, la cantidad de glucosa y otras especies hidrolizables en común con la celulosa en el solvente tendría que ser al menos reducida por la cantidad que provino del almidón. Esto se puede determinar al conocer la cantidad de almidón en la alimentación a partir de la cual se formó el solvente y la cantidad de almidón en el solvente; la diferencia es la cantidad de especies hidrolizables que provienen del almidón.

La relación de control se puede expresar como una relación mínima de la cantidad de celulosa más la cantidad de los productos a partir de la celulosa hidrolizada en el solvente con respecto a la cantidad de celulosa en la carga de alimentación. Esta relación debería ser de al menos 0.8:1.0; más preferentemente, de al menos 1:1; o incluso más preferentemente, de al menos 1.2:1. Es más preferente que sea de al menos 1.5:1; incluso más preferentemente, de al menos 2:1; y, óptimamente de 3:1. Los ejemplos que se listan más adelante deberían establecer también una relación de al menos 4:1. También funcionaría una relación de al menos 5:1. Debe advertirse que en el Ejemplo 5 —si bien el incremento de la relación redujo el tiempo de hidrólisis— la mejora fue menor con cada cantidad adicional de solvente. Debe destacarse que la relación es exclusiva a la celulosa y sus productos de la hidrólisis. Por lo tanto, la glucosa y los productos que son conocidos como "productos de la hidrólisis de la celulosa" que están presentes en la carga de alimentación han de ser sustraídos de aquéllos presentes en el solvente. Además, cualesquiera productos que deriven de la hidrólisis de la hemicelulosa o del almidón o de otro material no celulósico también necesitan ser sustraídos del solvente. Esto incluiría determinar cuánto almidón se redujo a glucosa y sustraer esa glucosa .

Como el solvente se usa mejor antes de la separación de cualquier componente distinto de los componentes insolubles, la composición relativa de los productos solubles en agua en la porción líquida del solvente, es la misma que la composición relativa de los productos solubles en agua de la hidrólisis de la carga de alimentación, sin la separación de los componentes solubles en agua. Si bien se puede agregar agua para diluir los componentes solubles en agua, sus cantidades relativas entre sí, permanecen iguales.

Estas formas de realización anteriores no están destinadas a limitar la memoria descriptiva o las reivindicaciones, ya que existen numerosas configuraciones disponibles para el experto en la técnica, que incluyen una serie de recipientes continuos, o reactores de semi lotes, o en combinación con reactores de flujo pistón, o sin ellos.

Ensayos experimentales de reducción de la viscosidad Aparato experimental 2 reactores de vidrio idénticos, con las siguientes características geométricas (ver figura 6) : • T (diámetro del reactor) = 0.15 m • Z (altura del reactor) = 0.30 m • camisa para fluidos de intercambio térmico, todo alrededor de la superficie lateral y del fondo, con un ancho de 4 cm; • fondo hemisférico; • cubierta con junta y sello, con 5 aberturas (1 orificio central para el eje de agitación; 4 orificios laterales para agregar materiales o para tomar muestras, que durante las pruebas se cierran con tapas) .

Los dos reactores están equipados con dos diferentes agitadores de ancla (A y B) para obtener las siguientes configuraciones : Configuración A: D ("envergadura") = 0.136 m; S (ancho de paleta) = 0.01 m; H (altura de ancla) = 0.12 cm; C (huelgo, distancia desde la paleta hasta la pared) = 0.007 m; D / T = 0.907; D / S = 13.6; T / S = 15; Configuración B: En esta configuración, las paletas están inclinadas a 45 grados para raspar mejor la pared, D ("envergadura") = 0.145 m; LS (ancho de paleta) = 0.0141 m; S (ancho de proyección de paleta) = 0.01 m; H (altura de ancla) = 0.145 cm; C (huelgo, distancia paleta - pared) = 0.0025 m; D / T = 0.967; D / S = 14.5; T / S = 15; La agitación es provista por motores de control Heidolph RZR 2102 (energía: 140 W) .

Dos baños térmicos aseguran el mantenimiento de la temperatura por medio de agua circulante a 45 °C en las camisas del reactor.

Materiales Los materiales de inicio usados son sorgo y Arundo donax pretratados. Los materiales se almacenaron a -18 °C para evitar la degradación.

Las características de los materiales de inicio son las siguientes : Sorgo Arando ii 1id Fqaraccu Contenido seco % p 20.41% 30.39% WIS ¾ P 16.01% 24.51% WSS % p 4.40% 5.88% Sólidos solubilizados/sólidos % P 21.58% 19.34% totales agua % p 79.59% 69.61% glucosa % p 0.03% 0.10% xi losa % P 0,34% 1.19% celobiosa % P 0.00% 0.00% galactosa % P 0.00% 0.00% arabinosa % P 0.00% 0.00% ácido fórmico % P 0.00% 0.00% ácido acético % P 0,28% 0.58% 5-HMF % p 0.01% 0.05% fur fural % P 0.04% 0.19% ácido levulinico % P 0.00% 0.00% ácido láctico % p 0.00% 0.00% glucoligómeros % p 0.23% 0.22% xi lool igómeros P 1.48% 1.96% galactolig omeros % p 0.00% 0.00% arabinoligómeros % p 0.00% 0.00% a -0 grupos acetilo solubilizados P 0.11% 0.29% otros materiales solubilizados % p 1.89% 1.30% glucanos % p 9.01% 13.65% xilanos % p 1.16% 1.26% ióióld Fnsaracc galactanos % p 0.00% 0.00% arabinanos % p 0.00% 0.00% grupos acetilo no % p 0.12% 0.22% solubilizados lignina klason % P 5.29% 8.90% otros materiales no % p 0.42% 0.48% s o 1 ubi 1 i zado s Total % p 100.00% 100.00% WIS {Water Unsolubilised Solid) es el porcentaje de sólido no solubilizado en agua (sobre el material total) .

WSS (Water Solubilised Solid) es el porcentaje de sólido solubilizado en agua (sobre el material total) .

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

Las características de la composición se determinaron usando métodos analíticos estándares. Los procedimientos seguidos son: Determinación de lignina y carbohidratos estructurales en la biomasa Procedimiento analítico de laboratorio (LAP, Laboratory Analytical Procedure) . Fecha de emisión: 25 de abril de 2008.

Informe técnico NREL/TP-510-42618. Revisado en abril de 2008.

Determinación de los extractivos en la biomasa Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 17 de julio de 2005.

Informe técnico NREL/TP-510-42619, enero de 2008.

Preparación de las muestras para el análisis de la composición Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 28 de septiembre de 2005.

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

Determinación de los sólidos totales en la biomasa y de los sólidos disueltos totales en muestras líquidas del proceso Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 31 de marzo de 2008.

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

Determinación de ceniza en la biomasa Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 17 de julio de 2005.

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

Determinación de azúcares, subproductos y productos de degradación en muestras de proceso de fracción líquida Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 12 de agosto de 2006.

Informe técnico NREL/TP-510-42623, enero de 2008.

Determinación de sólidos insolubles en material de biomasa pretratada Procedimiento analítico de laboratorio (LAP) . Fecha de emisión: 21 de marzo de 2008.

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

El cóctel enzimático usado tiene las siguientes características, que se mantienen constantes para todas las pruebas : Composición Actividad Componente Densidad volumétrica especifica \ % g/ml \ Complejo de 87.4% 1.08 100 FPU/gcomponente celulasa Xilanasa 5.3% 1.2 500 FXU/gcomponente Hemicelulasa 6.6% 1.1 470 FXU/gcomponente Complejo 0.7% 1.2 100 FBG/gcomponente enzimático Total 100.0% 1.09 La preparación enzimática "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 "hemicelulasa" y "xilanasa" catalizan principalmente la despolimerización de la hemicelulosa en sus constituyentes en la forma de azúcares simples u oligómeros; además, muestran actividades catalíticas colaterales en menor grado.

El "complejo" enzimático es una solución enzimática que actúa sobre varios carbohidratos y muestra habilidad para reforzar la actividad de la solución preparada de esta manera .

El cóctel descrito tiene las siguientes actividades: Actividad del cóctel enzimático 94.39 FPU/ml 86.60 FPU/g 65.92 FXU/ml 60.48 FXU/g 0.84 FBG/ml 0.77 FBG/g a FPU se mide y se define de acuerdo Procedimiento analítico de laboratorio NREL (Informe técnico NREL/TP-510-42628, enero de 2008). Este método usa el estándar industrial y mide la actividad de la celulosa en términos de "unidades de papel de filtro" (FPU) por mililitro de solución enzimática original (no diluida) . Para los resultados cuantitativos, se deben comparar las preparaciones enzimáticas sobre la base de la conversión igual y significativa. Una unidad de papel de filtro para una determinada enzima es la cantidad de enzima necesaria para liberar 2.0 mg de azúcar reductores -tal como glucosa- a partir de un papel de filtro de 50 mg de una tira de papel de filtro Whatman número 1 (4% de conversión) en 60 minutos, a 50 °C, y ha sido designada como el intercepto para calcular las unidades de papel de filtro (FPU) de la celulosa por los lineamientos de la Unión internacional de química pura y aplicada (IUPAC) .

La actividad de la xilanasa en FXU se mide con relación a una enzima estándar con actividad conocida. Se compara la medición por espectrofotómetro de un sobrenadante descrito con posterioridad con una curva estándar obtenida a través de muestras estándares.

Las muestras de xilanasa se incuban con un sustrato de arabinoxilano de trigo teñido con remazol. El sustrato no convertido se precipita con etanol. La intensidad del azul que colorea el sobrenadante debido a los productos de degradación del sustrato teñido con remazol no precipitados, es proporcional a la actividad de la endoxilanasa . El perfil del color puede variar entre las enzimas.

W Actividad de la muestra ¡FXU/s )= 1 C¦ F¦ D C es la actividad enzimática leída de la curva estándar [FXU/mi) F es el volumen de la muestra {mi) D es la dilución adicional de la muestra (por ejemplo, la segunda o tercera dilución) W es el peso de la muestra (g) Una FBG es la cantidad de enzima que —de acuerdo con el procedimiento estándar (método Somogyi Nelson) descrito más adelante— libera glucosa o carbohidrato reductor con una capacidad reductora equivalente a 1 mol de glucosa por minuto .

Condiciones estándares de reacción : • Debe diluirse una muestra para obtener una actividad que oscila entre 0.02 y 0.10 FBG/ml; • Sustrato: 0.5% de beta glucano; • Temperatura: 30 °C; • pH : 5.0 ; • Tiempo de reacción: 30 minutos.

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

Asimismo —para mantener el pH a un valor de alrededor de 5— como no es posible usar un medidor del pH (debido a la naturaleza del material) , se usa una solución amortiguadora de citrato 1N, para una cantidad total del 1% sobre la cantidad de material cargado.

Prueba número 1 Material: sorgo (descrito con anterioridad).

Se ajustaron los reactores (con inclusión de las mezcladoras) y el fluido de intercambio térmico se llevó a una temperatura de 45 °C. Los 2 motores se calibraron a fin de proveer (sin material, solamente con la inercia de la agitación) un valor de momento de torsión igual a 0.0 N · cm, a una velocidad de agitación de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento) .

Ambos reactores se llenaron con 1.5 kg de material recién descongelado, y se inició la velocidad de agitación a fin de homogenizar el material. En ninguno de los 2 reactores se observó 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 momento de torsión provisto estuvo fuera de la escala de medición, a más de 200 N · cm) .

En el punto temporal t = 0, en ambos reactores, se agregó una solución (peso total aproximado de 96 g) compuesta de la siguiente manera: · 29.4 mi de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, que se determinó provee una actividad del complejo de celulasa de 20 FPU/g de glucanos (en donde "glucanos" hace referencia a la suma de la celubiosa y los glucooligómeros en la fase líquida y los glucanos en la fase sólida) y, como consecuencia, se proveen otras actividades. Estos 20 FPU/g de glucanos constituyen aproximadamente 9 FPU/g de materia seca total, que se calcula sobre el contenido de celulosa de la carga de alimentación. · 16.5 gramos de solución amortiguadora (citrato) como se describió con anterioridad y que se determinó era de alrededor del 1% del material total. 48.5 gramos de H20, a fin de diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; se determina la cantidad de agua que ha de agregarse de manera tal que la solución total a ser agregada (H20 + cóctel + citrato) sea igual a alrededor del 30% del contenido seco de material pretratado inicial .

Después de la adición, en cada reactor se formó 1.6 kg de material total, con un contenido de materia seca (calculado) de alrededor del 19.2%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 180 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. En ese momento, no hubo agua libre, y el nivel del material en el reactor fue el mismo que antes (en esta etapa, la densidad estimada fue de alrededor de 650 kg/m3) .

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora, luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material .

Durante toda la prueba, el momento de torsión medido sobre el motor del reactor A es siempre inferior al del B. Después de alrededor de 5 horas, el material en el reactor A adquirió una apariencia líquida (valores de momento de torsión de alrededor del 20 N · cm, a 100 rpm) , mientras que el otro (si bien la reacción se realizó en parte, como quedó evidenciado por el hecho de que el momento de torsión había caído a valores de alrededor de 140 N · cm, a 100 rpm, desde más de 200 N · cm iniciales) adquirió una apariencia sólida.

Después de una hora adicional (t = 6h) , en las cuales las condiciones en los dos reactores no se cambiaron de manera sustancial, todo el material del reactor B (que tuvo una liberación insignificante de líquido libre, pero aún así adquirió una apariencia sólida) se insertó en el reactor A. Después de la adición, la agitación se fijó a un valor igual a 200 rpm durante pocos segundos a fin de homogenizar el material, y luego se fijó a un valor igual a 100 rpm, con un momento de torsión de 120 N · cm, y el material adoptó la apariencia de un sólido muy húmedo. En alrededor de 10 minutos, el valor del momento de torsión medido cayó a 20 N · cm, y el material adquirió un aspecto liquido, similar al presente en el reactor A antes de la adición. La prueba se detuvo después de 10 minutos más, una vez que el momento de torsión había caído a alrededor de 15 N · cm, a 100 rpm. La densidad del material, medida en ese momento, fue de aproximadamente 1100 kg/m3.

Prueba número 2 Material: Sorgo (descrito con anterioridad).

Se ajustaron los reactores (con inclusión de las mezcladoras) y el fluido de intercambio térmico se llevó a una temperatura de 45 °C. Los 2 motores se calibraron a fin de proveer (sin material, solamente con la inercia de la agitación) a una velocidad de agitación de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento) , un valor de momento de torsión igual a 0.0 N · cm .

En el ensayo número 2, en el reactor A, se llevó a cabo una prueba bajo las mismas condiciones que la prueba número 1 (realizada en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor B se llenó con 1.5 kg de material proveniente de la prueba número 1 (aspecto líquido, densidad de 1100 kg/m3, momento de torsión medido igual a alrededor de 15 N · cm, a 100 rpm). A este material, se agregaron 1.5 kg de sorgo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 20.41%) y la misma solución utilizada en la prueba número 1 (alrededor de 96 g en total). Se calculó que el contenido seco, después de las varias adiciones, era igual al 19.2%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco real podría ser superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material. En ese momento, el material homogenizado tenía una densidad aparente de alrededor de 800 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 150 N · cm, a 100 rpm.

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora, luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material .

Durante la prueba número 2, en el reactor B, se alcanzó un resultado significativamente mejor con respecto a la prueba número 1, en la cual —después de 6 horas— todavía no se había alcanzado la licuación. En particular, después de alrededor de 3 horas (un tiempo inferior al necesario en el reactor A) , el material adquirió apariencia liquida, con un valor de momento de torsión igual a alrededor de 20 N · cm, a 100 rpm (mientras que en el reactor A, el valor medido fue de alrededor de 100 N · cm, y el material adquirió apariencia de sólido húmedo) . Después de alrededor de 7 horas de evaluación, el material en los dos reactores adquirió una apariencia similar, pero el resultado se alcanzó en el reactor B en alrededor del 60% del tiempo.

Las pruebas de análisis de la composición sobre el material obtenido en el reactor B (después de 7 horas) mostró un rendimiento de hidrólisis enzimática para la glucosa (con respecto a los glucanos totales) igual a alrededor del 25% y para la xilosa (con respecto a los xilanos totales) igual a aproximadamente el 50%. Estos valores son superiores a los obtenidos en ensayos anteriores de reducción de viscosidad.

Asimismo, se realizó una medición del pH sobre el material final, y se encontró que era igual a 3.9. Este valor es inferior al que —de acuerdo con los datos bibliográficos— asegura la mayor actividad enzimática (pH = 5) .

Prueba número 3 Material: Arundo donax (descrito con anterioridad).

El procedimiento seguido en la prueba número 3 fue el mismo que el usado en la prueba número 1 (ensayos con sorgo) .

En los dos reactores, cada uno relleno con 1.5 kg de Arundo pretratado (contenido seco medido igual al 30.4%), no se observó agua libre. La densidad del material bajo estas condiciones fue aproximadamente igual a 600 kg/m3. Ambos sistemas de agitación, a 12 rpm, indicaron sobrecarga.

En el punto temporal t = 0, en ambos reactores, se agregó una solución (peso total de alrededor de 140 g) compuesta de la siguiente manera: 44.1 mi de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, que se determinó provee una actividad del complejo de celulasa de 20 FPU/g de glucanos (en donde "glucanos" hace referencia a la suma de la celubiosa y los glucooligómeros en la fase liquida y los glucanos en la fase sólida) y, como consecuencia, se proveen otras actividades. • 17.3 gramos de solución amortiguadora (citrato) como se describió con anterioridad y que se determinó era de alrededor del 1% del material total. 78.4 gramos de H20, a fin de diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua que ha de agregarse se determina de manera tal que la solución total a ser agregada (H20 + cóctel + citrato) sea igual a alrededor del 30% del contenido seco de material pretratado inicial .

Después de la adición, en cada reactor se formó 1.6 kg de material total, con un contenido de materia seca (calculado) de alrededor del 27.8%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 180 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. En ese momento, no hubo agua libre, y el nivel del material en el reactor fue el mismo que antes (en esta etapa, la densidad estimada fue de alrededor de 650 kg/m3) .

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora; luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material.

Durante toda la prueba, el momento de torsión medido sobre el motor del reactor A es siempre inferior a la del B. Después de alrededor de 6.5 horas, el material en el reactor A adquirió una apariencia líquida (valores de momento de torsión de alrededor del 20 N · cm, a 100 rpm) , mientras que el otro (si bien la reacción se realizó en parte, como quedó evidenciado por el hecho de que el momento de torsión había caído a valores de alrededor del 140 N · cm a 100 rpm, desde más de 200 N · cm iniciales) adquirió una apariencia sólida.

Después de 30 minutos adicionales, durante los cuales las condiciones en los dos reactores no se cambiaron de manera sustancial, todo el material del reactor B (que tuvo una liberación insignificante de liquido libre, pero aún asi adquirió una apariencia sólida) se insertó en el reactor A. Después de la adición, la agitación se fijó a un valor igual a 200 rpm durante pocos segundos a fin de homogenizar el material, y luego se fijó a un valor igual a 100 rpm, con un momento de torsión de 130 N · cm, y el material adoptó la apariencia de un sólido muy húmedo. En alrededor de 20 minutos, el valor del momento de torsión medido cayó a 20 N · cm, y el material adquirió un aspecto líquido, similar al presente en el reactor A antes de la adición. La prueba se detuvo después de 40 minutos más, una vez que el momento de torsión había caído a alrededor de 15 N · cm, a 100 rpm. La densidad del material, medida en ese momento, fue de aproximadamente 1100 kg/m3.

Prueba número 4 Material: Arundo donax (descrito con anterioridad).

El procedimiento seguido en la prueba número 4 fue el mismo que el usado en la prueba número 2 (ensayos con Sorgo) .

En el ensayo número 4, en el reactor A, se llevó a cabo una prueba bajo las mismas condiciones que la prueba número 3 (realizada en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor B se llenó con 1.5 kg de material proveniente de la prueba número 3 (aspecto liquido, densidad de 1100 kg/m3, momento de torsión medido igual a alrededor de 15 N · cm, a 100 rpm) . A este material, se agregó 1.5 kg de Arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 30.4%) y la misma solución utilizada en la prueba número 3 (alrededor de 140 g en total) . Se calculó que el contenido seco, después de las varias adiciones, era igual al 27.8%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco real podría ser superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material. En ese momento, el material homogenizado tenia una densidad aparente de alrededor de 750 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 170 N · cm, a 100 rpm.

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora, luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material .

Durante la prueba número 4, en el reactor B, se alcanzó un resultado significativamente mejor con respecto a la prueba número 3, en la cual —después de 7 horas— todavía no se había alcanzado la licuación. En particular, después de alrededor de 5 horas (un tiempo inferior al necesario en el reactor A) , el material adquirió apariencia líquida, con un valor de momento de torsión, a 100 rpm, igual a alrededor de 20 N · cm (mientras que en el reactor A, el valor medido fue de alrededor de 90 N · cm, y el material adquirió apariencia de sólido húmedo) . Después de alrededor de 8 horas de evaluación, el material en los dos reactores adquirió una apariencia similar, pero el resultado se alcanzó en el reactor B en alrededor del 75% del tiempo.

Prueba número 5 Material: Arundo donax (descrito con anterioridad).

El reactor B se llenó con 1.5 kg de material proveniente de la prueba número 3 (aspecto líquido, densidad de 1100 kg/m3, momento de torsión medido a 100 rpm igual a alrededor de 15 N · cm) . A este material, se agregó 0.5 kg de Arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 30.4%).

En el punto temporal t = 0, en ambos reactores, se agregó una solución (peso total de alrededor de 46.5 g) compuesta de la siguiente manera: • 14.7 mi de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, que se determinó provee una actividad del complejo de celulasa de 20 FPU/g de glucanos (en donde "glucanos" hace referencia a la suma de la celubiosa y los glucooligomeros en la fase liquida y los glucanos en la fase sólida) y, como consecuencia, se proveen otras actividades. • 28.8 gramos de solución amortiguadora (citrato) como se describió con anterioridad y que se determinó era de alrededor del 5% del material total. 3.1 gramos de H20, a fin de diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua que ha de agregarse se determina de manera tal que la solución total a ser agregada (H20 + cóctel + citrato) sea igual a alrededor del 30% del contenido seco de material pretratado inicial .

Después de la adición, el reactor presentó 2,05 kg de material total, con un contenido de materia seca (calculado) de alrededor del 27.8%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. En ese momento, el material homogenizado tuvo una densidad aparente de alrededor del 900 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 150 N · cm, a 100 rpm.

La reacción se llevó a cabo manteniendo la velocidad de agitación igual a 100 rpm, durante la primera hora. Cada 20 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material.

Después de alrededor de 65 minutos, el material adquirió apariencia liquida (valores de momento de torsión de alrededor de 30 N · cm, a 100 rpm) . La densidad estimada fue de alrededor de 1100 kg/m3.

En ese momento, al material en el reactor se agregaron 500 g de Arundo donax pretratado y 46.5 g de la solución descrita con anterioridad. Después de la adición, el reactor presentó alrededor de 2.6 kg de material total, con un porcentaje de peso seco (calculado) de alrededor del 27.8%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior.

La velocidad de agitación se incrementó hasta alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para homogenizar el material, que tuvo una densidad aparente de alrededor del 950 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 120 N · cm, a 100 rpm.

Después de alrededor de 45 minutos, el material adquirió apariencia líquida (valores de momento de torsión de alrededor de 30 N · cm, a 100 rpm) . La densidad estimada fue de alrededor de 1100 kg/m3.

En ese momento, se agregaron al material en el reactor 500 g de Arundo donax pretratado y 46.5 g de la solución descrita con anterioridad. Después de la adición, el reactor presentó alrededor de 3.15 kg de material total, con un porcentaje de [SIC] seco (calculado) de alrededor del 27.8%. La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podria ser, en realidad, superior.

La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para homogenizar el material, que tuvo una densidad aparente de alrededor del 950 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 120 N · cm, a 100 rpm.

Después de alrededor de 35 minutos, el material adquirió apariencia liquida (valores de momento de torsión de alrededor del 30 N · cm, a 100 rpm) . La densidad fue de alrededor de 1100 kg/m3.

La prueba se detuvo después de aproximadamente 8 horas. La licuación de 1.5 kg de material pretratado se alcanzó completamente en 2 horas y 25 minutos, un tiempo igual a alrededor del 50% del tiempo que le llevó al reactor B en la prueba número 4 y a alrededor del 38% del tiempo requerido por el reactor A en las pruebas número 3 y número .

Prueba número 6 Material: Sorgo (descrito con anterioridad).

Se ajustaron los reactores (con inclusión de las mezcladoras) y el fluido de intercambio térmico se llevó a una temperatura de 45 °C. Los 2 motores se calibraron a fin de proveer (sin material, solamente con la inercia de la agitación) , a una velocidad de agitación de 12 rpm (velocidad mínima del instrumento) , un valor de momento de torsión igual a 0.0 N · cm.

En el ensayo número 6, en el reactor B, se llevó a cabo una prueba bajo las mismas condiciones que la prueba número 2 (realizada en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor A se llenó con 0.75 kg de sorgo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 20.4%). Al sólido, que tuvo una densidad de alrededor del 600 kg/m3, se agregó una solución (peso total de alrededor de 96 g) compuesta de la siguiente manera: • 29.4 mi de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, que se determinó provee una actividad del complejo de celulasa de 40 FPU/g de glucanos (en donde "glucanos" hace referencia a la suma de la celubiosa y los glucooligómeros en la fase líquida y los glucanos en la fase sólida) y, como consecuencia, se proveen otras actividades. Estos 40 FPU/g de glucanos constituyen aproximadamente 18 FPU/g de materia seca total, que se calcula sobre el contenido de celulosa de la carga de alimentación. • 16.5 gramos de solución amortiguadora (citrato) como se describió con anterioridad y que se determinó era de alrededor del 2% del material total. • 48.5 gramos de H20, a fin de diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua que ha de agregarse se determina de manera tal que la solución total a ser agregada (H20 + cóctel + citrato) sea igual a alrededor del 60% del contenido seco de material pretratado inicial .

De esta manera, el reactor A funcionó con una carga de enzima por gramo de glucanos que era el doble de la utilizada en las pruebas número 1 y número 2. Además, se calculó que el contenido seco inicial era igual al 17.5% (inferior al calculado en las pruebas número 1 y número 2) . La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior.

La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 180 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. La densidad aparente del material obtenido fue de alrededor de 700 kg/m3, y el momento de torsión medido a 100 rpm fue igual a alrededor de 160 N · cm.

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora, luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material .

En esta prueba, en el reactor A, se alcanzó un resultado significativamente mejor con respecto a las pruebas número 1 y número 2 (realizadas en el mismo reactor) y también con respecto a la reacción llevada a cabo en el reactor B. En particular, después de alrededor de una hora, el material adquirió apariencia liquida (densidad aparente de alrededor del 1000-1100 kg/m3) , con un valor de momento de torsión de alrededor de 20 N · cm, a 100 rpm. Al mismo tiempo, en el reactor B, el material adoptó la apariencia de sólido húmedo, con un valor de momento de torsión igual a alrededor de 100 N • cm, a 100 rpm.

En ese momento, en el reactor A, se agregaron adicionalmente 750 g de sorgo pretratado (como se describió en las secciones previas, con un contenido seco igual al 20.41%). Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de las pruebas anteriores, 19.2%, y la carga de enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de las pruebas anteriores (20 FPU/g de glucanos) . La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material.

En ese momento, el material homogenizado tuvo una densidad aparente de alrededor del 800 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 120 N · cm, a 100 rpm.

Después de una hora adicional de agitación, el material nuevamente adquirió apariencia liquida, con los valores de densidad y momento de torsión aproximadamente iguales los mismos que los medidos antes de la adición. Después de alrededor de 7 horas de evaluación, el material adquirió una apariencia similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido en alrededor del 65% del tiempo necesario en el reactor B y alrededor del 39% del tiempo requerido por el reactor A en las pruebas número 1 y número 2.

Prueba número 7 Material: Arundo donax (descrito con anterioridad).

En el ensayo número 7, en el reactor B, se llevó a cabo una prueba bajo las mismas condiciones que la prueba número 4 (realizada en el mismo reactor), con resultados similares.

El reactor A se llenó con 0.75 kg de Arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 30.4%). Al sólido, que tuvo una densidad de alrededor de 600 kg/m3, se agregó una solución (peso total de alrededor de 140 g) compuesta de la siguiente manera: • 44.1 mi de cóctel enzimático con la composición descrita anteriormente, que se determinó provee una actividad del complejo de celulasa de 40 FPU/g de glucanos (por "glucanos" se hace referencia a la suma de la celobiosa y los glucooligómeros en la fase liquida y los glucanos en la fase sólida) y, en consecuencia, otras actividades. • 17.3 gramos de solución amortiguadora (citrato) como se describió con anterioridad y que se determinó era de alrededor del 2% del material total. 78.4 gramos de H20, a fin de diluir la solución enzimática y mejorar su dispersión; la cantidad de agua que ha de agregarse se determina de manera tal que la solución total a ser agregada (H20 + cóctel + citrato) sea igual a alrededor del 60% del contenido seco de material pretratado inicial .

De esta manera, el reactor A funcionó con una carga de enzima por gramo de glucanos que era del doble de la utilizada en las pruebas número 3 y número 4. Asimismo, se calculó que el contenido seco inicial era igual al 25.6% (inferior al calculado en las pruebas número 3 y número 4) . La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior.

La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. La densidad aparente del material obtenido fue de alrededor de 750 kg/m3, y el momento de torsión medido a 100 rpm fue igual a alrededor de 180 N · cm.

Ambas reacciones se llevaron a cabo en paralelo, manteniendo la misma velocidad de agitación en ambos casos; la velocidad de agitación se fijó a un valor igual a 12 rpm durante la primera hora, luego se elevó a un valor de 100 rpm. Cada 60 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material .

En esta prueba, en el reactor A, se alcanzó un resultado significativamente mejor con respecto a las pruebas número 3 y número 4 (realizadas en el mismo reactor) y también con respecto a la reacción llevada a cabo en el reactor B. En particular, después de alrededor de 2.5 horas, el material adquirió apariencia líquida (densidad aparente de alrededor del 1000 -1100 kg/m3) , con un valor de momento de torsión de alrededor de 20 N · cm, a 100 rpm. Al mismo tiempo, en el reactor B, el material adoptó la apariencia de sólido húmedo, con un valor de momento de torsión igual a alrededor de 130 N • cm, a 100 rpm.

En ese momento, en el reactor A, se agregaron adicionalmente 750 g de pretratado Arundo (tal como se describió en las secciones previas, con un contenido seco igual al 30.4%). Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de las pruebas anteriores (es decir, 27.8%) y la carga de la enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de las pruebas anteriores (20 FPU/g de glucanos) . La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material.

Después de otras 1.5 horas de agitación, el material nuevamente adquirió apariencia liquida, con valores de densidad y momento de torsión aproximadamente iguales a los medidos antes de la adición. Después de alrededor de 8 horas de evaluación, el material adquirió una apariencia similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido de alrededor del 80% del tiempo necesario en el reactor B y alrededor del 57% del tiempo requerido por el reactor A en las pruebas número 3 y número .

Sobre el material final, se realizó una medición del pH, y se encontró que era igual a 2.4. Este valor es inferior al que -de acuerdo con los datos bibliográficos- asegura la mayor actividad enzimática (pH = 5) .

Prueba número 8 Material: Arundo donax (descrito con anterioridad).

El reactor A se llenó con 1.5 kg de material proveniente de la prueba número 7 (aspecto liquido, densidad de 1100 kg/m3, momento de torsión medido igual a alrededor de 15 N · cm, a 100 rpm) . A este material, se agregó 0.75 kg de Arundo pretratado (con las características descritas en la sección previa; en particular, un contenido seco igual al 30.4%).

Al material se agregaron alrededor de 140 g de la solución usada en la prueba número 7. Después de la adición, el reactor presentó 2.4 kg de material total.

De esta manera, el reactor funcionó con una carga de enzima por gramo de glucanos del doble de la utilizada en las pruebas número 3 y número 4. Asimismo, se calculó que el contenido seco inicial fue igual al 25.6% (menor al calculado en las pruebas número 3 y número 4) . La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior.

La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material y la solución agregada. La densidad aparente del material obtenido fue de alrededor de 850 kg/mJ, y el momento de torsión medido a 100 rpm fue igual a alrededor de 150 N · cm.

La reacción se llevó a cabo manteniendo una velocidad de agitación igual a 100 rpm. Cada 20 minutos, la velocidad de agitación se elevó a 180 rpm (durante unos pocos segundos) a fin de homogenizar el material.

En particular, después de alrededor de 2 horas, el material adquirió apariencia liquida (densidad aparente de alrededor de entre 1000 y 1100 kg/m3) , con un valor de momento de torsión de alrededor de 25 N · cm, a 100 rpm.

En ese momento, se agregaron adicionalmente al reactor 750 g de Arundo pretratado (como se describió en las secciones previas, con un contenido seco igual al 30.4%), y la cantidad total de material fue de 3.15 kg. Como resultado de esta adición, el contenido seco calculado volvió al valor de las pruebas anteriores, 27.8%, y la carga de enzima por gramo de celulosa se redujo al valor de las pruebas anteriores (20 FPU/g de glucanos) . La presencia de condensación debajo de la cubierta sugiere que el contenido seco podría ser, en realidad, superior. La velocidad de agitación se incrementó a alrededor de 150 rpm (durante un tiempo) para mezclar el material.

En ese momento, el material homogenizado tuvo una densidad aparente de alrededor del 900 kg/m3, y un valor de momento de torsión igual a alrededor de 135 N · cm, a 100 rpm.

Después de 1 hora más de agitación, el material nuevamente adquirió apariencia líquida, con un valor aparente de densidad igual a alrededor de 1100 kg/m3 y un momento de torsión igual a alrededor de 25 N · cm, a 100 rpm. Después de alrededor de 8 horas de evaluación, el material adquirió una apariencia similar en ambos reactores, pero en el reactor A había alcanzado un estado líquido en alrededor del 80% del tiempo necesario en el reactor B y alrededor del 57% del tiempo requerido por el reactor A en las pruebas número 3 y número .

La prueba se realizó aproximadamente durante 8 horas.

La licuación de 1.5 kg de material pretratado se alcanzó completamente en 3 horas, un tiempo igual a alrededor del 75% del tiempo que le llevó al reactor en la prueba número 7.

Claims (45)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes. REIVINDICACIONES

1. Un proceso para la hidrólisis de biomasa lignocelulósica, que comprende los siguientes pasos: A) poner en contacto una carga de alimentación lignocelulósica —dicha carga de alimentación compuesta por biomasa que tiene contenido de materia seca y agua— con al menos una porción de un solvente, que está compuesto por especies hidrolizadas solubles en agua; caracterizado porque al menos parte de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas que las especies hidrolizadas solubles en agua que se obtienen a partir de la hidrólisis de la biomasa en la carga de alimentación; B) mantener el contacto entre la carga de alimentación de la corriente de carga de alimentación y el solvente a una temperatura en el rango que oscila entre 20 °C y 200 °C durante un periodo en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 72 horas para crear un producto hidrolizado a partir de la biomasa en la carga de alimentación.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido seco comprende celulosa y hemicelulosa, y el porcentaje en peso de la celulosa en el contenido seco es superior al 5% en peso del contenido seco; en el cual al menos parte de las especies hidrolizadas solubles en agua son las mismas gue las especies hidrolizadas solubles en agua que se obtienen a partir de la hidrólisis de la celulosa en la carga de alimentación, y el contacto entre la carga de alimentación y el solvente se realiza en presencia de un catalizador para la hidrólisis de la celulosa .

3. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación, se encuentra en un rango que abarca desde 1:99 hasta 99:1.

4. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación, se encuentra en un rango que abarca desde 10:90 hasta 90:10.

5. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación se encuentra en un rango que abarca desde 20:80 hasta 90:10.

6. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación se encuentra en un rango que abarca desde 30:70 hasta 90:10.

7. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación se encuentra en un rango que abarca desde 40:60 hasta 90:10.

8. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación se encuentra en un rango que abarca desde 50:50 hasta 90:10.

9. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación se encuentra en un rango que abarca desde 60:40 hasta 90:10.

10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso del solvente en contacto con la carga de alimentación con respecto al peso de la carga de alimentación es superior a 0.8:1.

11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica es superior a 1:1.

12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica, es superior a 1.5:1.

13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica, es superior a 2:1.

14. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica, es superior a 3:1.

15. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica es superior a 4:1.

16. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación del peso de la celulosa más los productos de la hidrólisis de la celulosa en el solvente con respecto al peso de la celulosa en la carga de alimentación lignocelulósica es superior a 5:1.

17. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 16, caracterizado porque al menos una porción de la composición catalizadora entra en contacto con la carga de alimentación antes de poner en contacto la carga de alimentación con al menos una porción del solvente.

18. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 16, caracterizado porque al menos una porción de la composición catalizadora entra en contacto con la carga de alimentación antes de poner en contacto la carga de alimentación con al menos una porción del solvente.

19. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 16, caracterizado porque al menos una porción de la composición catalizadora entra en contacto con la carga de alimentación al mismo tiempo que se pone en contacto la carga de alimentación con al menos una porción del solvente.

20. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:4.

21. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:3.

22. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:2.

23. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:1.5.

24. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:1.

25. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la relación de la biomasa con respecto al agua de la carga de alimentación, es superior a 1:0.9.

26. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 25, caracterizado porque la composición catalizadora comprende una enzima.

27. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque la temperatura se encuentra en el rango que oscila entre 20 °C y 105 °C.

28. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque la temperatura se encuentra en el rango que oscila entre 20 °C y 95°C.

29. El proceso de acuerdo con cualesquiera reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque el tiempo se encuentra en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 48 horas.

30. El proceso de acuerdo con cualesquiera reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque el tiempo se encuentra en el rango que varia entre 5 minutos y 36 horas.

31. El proceso de acuerdo con cualesquiera reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque el tiempo se encuentra en el rango que oscila entre 5 minutos y 24 horas.

32. El proceso de acuerdo con cualesquiera reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque el tiempo se encuentra en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 12 horas.

33. El proceso de acuerdo con cualesquiera reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque el tiempo se encuentra en el rango que varia entre 5 minutos y 8 horas.

34. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 33, en el cual el proceso es un proceso por lotes, que comprende los siguientes pasos: A) introducir la carga de alimentación en un recipiente que ya contiene al menos una porción del solvente; B) introducir la composición catalizadora en el recipiente en forma anterior, simultánea o posterior a la introducción de la carga de alimentación en el recipiente; C) mantener la carga de alimentación, el solvente y la composición catalizadora en el recipiente en dicho rango de temperatura que oscila entre 20 °C y 200 °C durante un periodo en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 72 horas; D) remover el producto hidrolizado del recipiente.

35. El proceso de acuerdo con la reivindicación 34, caracterizado porque se remueve todo el producto hidrolizado del recipiente antes de introducir más carga de alimentación y solvente que contiene especies hidrolizadas solubles en agua .

36. El proceso de acuerdo con la reivindicación 34, caracterizado porque una porción del producto hidrolizado, denominado " eel" (residuo), permanece en el recipiente.

37. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 33, en el cual el proceso es un proceso continuo que comprende los siguientes pasos: A) introducir en forma continua la carga de alimentación en un recipiente que ya contiene al menos una porción del solvente, B) introducir la composición catalizadora en el recipiente, C) remover en forma continua un peso del producto hidrolizado del recipiente.

38. El proceso de acuerdo con la reivindicación 37, caracterizado porque el proceso es un proceso de flujo pistón .

39. El proceso de acuerdo con la reivindicación 37, caracterizado porque el proceso usa un reactor con agitación continua .

40. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34 a 39, caracterizado porque se mezcla una porción en la corriente de solvente con la carga de alimentación antes de la introducción en el recipiente, y la relación del solvente con respecto a la corriente de carga de alimentación se basa en la cantidad del solvente en el recipiente más la cantidad del solvente con la corriente de carga de alimentación.

41. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 40, caracterizado porque —antes de poner en contacto la carga de alimentación lignocelulósica con el solvente— se distribuye proporcionadamente una cantidad de la carga de alimentación en al menos una primera corriente de carga de alimentación para crear una primera corriente de solvente al hidrolizar la carga de alimentación de la primera corriente de carga de alimentación con la adición de un catalizador a la primera corriente de carga de alimentación, en donde la cantidad de catalizador se encuentra en el rango comprendido entre 0.1 y 150 FPU/g de contenido de materia seca de toda la carga de alimentación, y la hidrólisis se realiza a una temperatura en el rango comprendido entre 20 °C y 95 °C durante un periodo en el rango que fluctúa entre 5 minutos y 72 horas, y la carga de alimentación lignocelulósica, el solvente, y el solvente de la primera corriente de solvente entran en contacto entre si, y el contacto se mantiene dentro del rango de temperatura durante cierto tiempo comprendido dentro de dicho rango de tiempo.

42. Los procesos de acuerdo con la reivindicación 41, caracterizados porque se mezcla una porción de la primera corriente de solvente con la carga de alimentación, distinta a la primera corriente de carga de alimentación, antes de la introducción en un recipiente, y todas las relaciones de la corriente de solvente con respecto a la corriente de carga de alimentación se basan en la cantidad total de la corriente de solvente, que es la cantidad de la primera corriente de solvente y el solvente en el recipiente.

43. Los procesos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 42, caracterizados porque al menos una porción de los sólidos en el producto hidrolizado se separan del producto hidrolizado.

44. Los procesos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 43, caracterizados porque al menos una porción de los sólidos separados del producto hidrolizado son reciclados en el proceso.

45. Los procesos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 43, caracterizados porque la separación de al menos una porción de los sólidos de la corriente de producto hidrolizado se realiza mediante un dispositivo seleccionado entre el grupo que consiste en hidrociclones y centrifugas .