MX2014000245A - Sistemas y metodos para la recirculacion de acido. - Google Patents

Abstract

Se describen métodos y sistemas para pre-tratar biomasa lignocelulósica. Una solución de ácido de entre 1% a 1.6% de ácido sulfúrico es aplicada a la biomasa. La biomasa es sometida una temperatura elevada para ocasionar la producción de xilosa, glucosa, y furfural. Los ajustes a temperatura, concentración de ácido y tiempo pueden generar al menos 80% o 90% de xilosa teórica, 45% o 50% de la glucosa teórica y menos de 4000 ppm de furfural en el licor de xilosa. Una porción del licor de xilosa resultante puede ser separada de los sólidos de glucano. El lico de xilosa, aún altamente ácido, puede ser recirculado para reducir los requerimientos de carga subsecuentes. Se agrega una preparación de solución de ácido al licor de xilosa y biomasa subsecuente para asegurar una apropiada relación de sólidos a líquidos. La biomasa otra vez es tratada a temperaturas más altas para producir azúcares. El procedimiento puede ser repetido para cada ciclo subsecuente.

Description

SISTEMAS Y METODOS PARA LA RECIRCULACION DE ACIDO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional de Estados Unidos Serie No. 61/505,389, presentada el 7 julio, 2011, y titulada "SISTEMAS Y METODOS PARA RECIRCULACION DE ACIDO", cuya totalidad se incorpora expresamente aquí para referencia.

CAMPO La descripción en cuestión se refiere a sistemas y métodos para la re circulación de ácido en una corriente de x i losa en la producción de etanol a partir de una materia prima celulósica. La descripción en cuestión también se refiere a sistemas y métodos para el pre-tratamiento de biomasa antes que se proporcione la biomasa a un sistema de hidrólisis y subsecuentemente a un sistema de fermentación con el fin de facilitar la producción eficiente de etanol.

ANTECEDENTES Puede producirse etanol a partir de materias primas basadas en grano (por ejemplo maíz, sorgo/milo, cebada, trigo, frijoles de soja, etc.), de azúcar (por ejemplo de caña de azúcar, remolacha azucarera, etc.), y de biomasa (por ejemplo, de materias primas celulósicas tales como mijos, mazorcas de maíz y forraje, madera, u otro material de planta).

La biomasa comprende material de planta que puede ser adecuado para uso directo como combustible/fuente de energía o como una materia prima para procesar en otro bio-producto (por ejemplo, un biocombustible tal como etanol celulósico) producido en una biorref inería (tal como una planta de etanol). La biomasa puede comprender, por ejemplo, mazorcas de maíz y forraje (por ejemplo, tallos y hojas) disponibles durante y/o después de cosecha de los granos de maíz, fibra del grano de maíz, mijos, residuo de granja o agrícola, astillas de madera u otro desperdicio de madera, y otro material de planta. Con el fin de utilizarse o procesarse, se cosecha y recolecta biomasa del campo y se transporta la ubicación en donde se va a utilizar o procesar.

En una biorrefinería configurada para producir etanol a partir de biomasa, tal como materias primas celulósicas como se indicó anteriormente, se produce etanol a partir de material lignocelulósico (por ejemplo celulosa y/o hemicelulosa). La biomasa se prepara para que los azúcares en el material celulósico (tal como glucosa de la celulosa y xilosa de la hemicelulosa) puedan ser accederse y fermentarse en un producto de fermentación que comprende etanol (entre otras cosas). El producto de fermentación entonces se envía a un sistema de destilación, en donde se recupera el etanol por destilación y deshidratación. Otros bio-productos, tales como lignina y ácidos orgánicos, también pueden recuperarse como co-productos. La determinación de cómo preparar y tratar más eficientemente la biomasa para producción en etanol depende de (entre otras cosas) la forma y tipo o composición de la biomasa.

Un paso costoso en la preparación de material lignocelulósico para fermentación es el pre-tratamiento del material de biomasa, que requiere el uso de un pH suprimido con el fin de degradar la celulosa o azúcares. Típicamente, grandes dosis de ácidos se utilizan para llevar el pH de la biomasa a los niveles requeridos para separar efectivamente azúcares C5 de los sólidos C6. El volumen de ácido requerido para una planta de etanol celulósico de escala comercial puede ser muy grande, que es costoso de comprar y almacenar. Además, las grandes cantidades de ácido deben neutralizarse subsecuentemente antes de procesamiento descendente, tal como fermentación. La neutralización también está asociada con un costo significativo, y puede resultar en un exceso de minerales, que pueden acumularse en sistemas descendentes.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Los aspectos descritos se refieren a s istemas y métodos para pre-tratar biomasa lignocelulósica. La biomasa pre-tratada puede suministrarse a un sistema de fermentación, o un sistema de sacarificación seguido por un sistema de fermentación, para la generación de un producto de fermentación. En algunas modalidades, la biomasa puede incluir mazorcas de maíz molidas, forraje de maíz, o una combinación de mazorcas de maíz molidas y forraje de maíz. En algunas modalidades, el producto de fermentación puede ser etanol u otro bio-combustible.

En algunas modalidades, un método incluye aplicar una solución ácida a una primera porción de biomasa. La solución ácida puede incluir entre aproximadamente 1% a aproximadamente 1.6% de ácido sulfúrico, en algunas modalidades. La biomasa puede someterse a una temperatura elevada durante un tiempo con el fin de generar azúcares de xilosa en un licor de xilosa y sólidos de glucano. En algunas modalidades, la temperatura puede mantenerse entre aproximadamente 120°C a aproximadamente 150°C durante un periodo de entre aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 120 minutos.

La temperatura elevada puede causar que se produzcan xilosa, glucosa, y furfural. En un aspecto, se producen menos de aproximadamente 80% de xilosa teórica. En algunas modalidades, pueden optimizarse la temperatura, concentración de ácido, y/o tiempo (por ejemplo, alterarse) para generar al menos aproximadamente 90% de xilosa teórica. En una forma similar, las condiciones (por ejemplo, temperatura, concentración de ácido, y/o tiempo) pueden modificarse para asegurar que se genere aproximadamente 45% o más (por ejemplo, aproximadamente 50%) de la glucosa teórica. Ya que pre-tratamientos más severos generan mayores niveles de azúcar, en algunas modalidades, la severidad puede controlarse de manera que se genere el azúcar deseado sin causar más de aproximadamente 4000 ppm o aproximadamente 3000 ppm de furfural para estar presente en el licor de xilosa.

Después de la temperatura elevada, puede separarse al menos una porción de licor de xilosa resultante de los sólidos de glucano. Los sólidos de glucano pueden proporcionarse a un sistema de sacarificación, en algunas modalidades. En algunas implementaciones, se recupera aproximadamente 70% del licor de xilosa. En otras implementaciones, se recupera aproximadamente 75% de licor de xilosa.

El licor de xilosa, que aún puede ser altamente ácido, puede reciclarse para reducir requerimientos de carga de ácido subsecuentes. Puede agregarse una solución de ácido de formación al licor de xilosa y biomasa subsecuente para ayudar a asegurar que se satisface la relación apropiada de sólidos a líquidos. La biomasa de nuevo puede tratarse a temperaturas superiores para generar azúcares. El procedimiento puede repetirse para cada ciclo subsecuente, de acuerdo con un aspecto.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Con el fin de que los aspectos descritos puedan valorarse más claramente, se describirán ahora algunas modalidades, a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos anexos, en donde: La Figura 1A es una vista en perspectiva de una biorrefinería que comprende una instalación de producción de etanol, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 1B es otra vista en perspectiva de una biorrefinería que comprende una instalación de producción de etanol, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 2 es un diagrama de flujo de procedimiento que ilustra la preparación de biomasa, de acuerdo con algunas modalidades; Las Figuras 3A y 3B son diagramas d e flujo de p rocedimiento que ilustran ejemplos de procedimientos de producción de etanol de biomasa a etanol, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 4 es un aparato utilizado para la preparación, pre-tratamiento, y separación de biomasa lignocelulósica, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 5 es una gráfica ilustrativa de la concentración de xilosa teórica para recirculaciones de licor de xilosa, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 6 es una gráfica ilustrativa de la concentración de ácido acético teórica para recibir recirculaciones de licor de xilosa, de acuerdo con algunas modalidades; Las Figuras 7-10 son gráficas ilustrativas de la concentración de xilosa en biomasa pre-tratada como una función de números de recirculación para varias condiciones de procedimiento, de acuerdo con algunas modalidades; Las Figuras 11-13 son gráficas ilustrativas de la concentración de glucosa en biomasa pre-tratada como una función de números de recirculación para varias condiciones de procedimiento, de acuerdo con algunas modalidades; Las Figuras 14-16 son gráficas ilustrativas de la concentración de ácido acético en biomasa pre-tratada como una función de números de recirculación para varias condiciones de procedimiento, de acuerdo con algunas modalidades; Las Figuras 17-19 son gráficas ilustrativas de la concentración de furfural en biomasa pre-tratada como una función de números de recirculación para varias condiciones de procedimiento, de acuerdo con algunas modalidades; Los Cuadros 1 A y 1B enlistan I a composición de biomasa que comprende un material de planta lignocelulósica de la planta de maíz de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas; Los Cuadros 2A y 2B enlistan la composición del componente líquido de biomasa pre-tratada de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas; Los Cuadros 3A y 3B enlistan la composición del componente de sólidos de biomasa pre-tratada de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas; El Cuadro 4 enlista el ácido teórico y uso de agua para varias cantidades de recirculación de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas; El Cuadro 5 enlista las condiciones experimentales para un número de ejemplos de recirculación de ácido de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas; y El Cuadro 6 enlista los resultados para xilosa, glucosa, y furfural de las condiciones de recirculación ilustrativas del Cuadro 5 de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

DESCRIPCION DE LAS MODALIDADES Se describirán ahora varios aspectos con referencia a varias modalidades de los mismos como se ilustra en los dibujos anexos. En la siguiente descripción, se describen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar un entendimiento completo de modalidades de los varios aspectos. Será evidente, sin embargo, para un experto en la técnica, que pueden practicarse modalidades sin algunos o todos estos detalles específicos. En otros casos, no se han descrito pasos de procedimiento y/o estructuras bien conocidas con detalle con el fin d e no oscurecer innecesariamente uno o más aspectos. Las características y ventajas de modalidades se entenderán mejor con referencia a los dibujos y las discusiones que siguen.

Los aspectos aquí descritos se refieren a sistemas y métodos para la recirculación de ácido en un pre-tratamiento de ácido celulósico para la generación de etanol. Tales sistemas y métodos pueden proporcionar medios económicos para disminuir el consumo de ácido y agua en una biorrefinería de etanol celulósico mientras se g mantienen rendimientos de xilosa y glucosa. Por ejemplo, se proporcionan sistemas y métodos para pre-tratamiento de biomasa en la producción de etanol con requerimientos reducidos de ácido. También se proporcionan sistemas y métodos para reducir la necesidad de ácido, agua, ya agentes neutralizantes adicionales empleados durante el pre-tratamiento de biomasa en una biorrefinería de etanol celulósico.

Haciendo referencia a la Figura 1A, se muestra una biorrefinería ilustrativa 100 que comprende una instalación de producción de etanol configurada para producir etanol a partir de biomasa. La biorrefinería 100 ilustrativa comprende un área en donde la biomasa se suministra y prepara para suministrarse a la instalación de producción de etanol. La instalación de producción de etanol celulósico comprende un aparato para preparación 102, pre-tratamiento 104, y el tratamiento de la biomasa en biomasa tratada adecuada para la fermentación en producto de fermentación en un sistema de fermentación 106. La instalación de producción de etanol celulósico comprende un sistema de destilación 108 en donde se destila y deshidrata el producto de fermentación en etanol. Como se muestra en la Figura 1A, se incluye un sistema de tratamiento de desperdicio 110 (mostrado como comprendiendo un digestor anaeróbico y un generador) en la biorrefinería 100. De acuerdo con otras modalidades alternativas, el sistema de tratamiento de desperdicio puede comprender otro equipo configurado para tratar, procesar, y recuperar componentes del procedimiento de producción de etanol celulósico, tal como una caldera de combustible sólido/de desperdicio, digestor anaeróbico, digestor aeróbico u otros reactores bioquímicos o químicos.

Como se muestra en la Figura 1B, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, una biorrefinería 112 puede comprender una instalación de producción de etanol celulósico 114 (que produce etanol a partir de material lignocelulósico y componentes de la planta de maíz) co-localizado con u na instalación d e producción de etanol basado en maíz 116 (que produce etanol a partir de almidón contenido en el componente de endospermo del grano de maíz). Como se indica en la Figura 1B, por la co-localización de las dos instalaciones de producción de etanol, pueden compartirse ciertos sistemas de planta, por ejemplo, sistemas para deshidratación, almacenamiento, desnaturalización, y transportación de etanol, sistema de generación de energía/combustible a energía, sistemas de manejo y control de planta, y otros sistemas. La fibra de maíz (un componente del grano de maíz), que puede hacerse disponible cuando se prepara el grano de maíz para molienda (por ejemplo, mediante fraccionamiento) en la instalación de producción de etanol basado en maíz, puede suministrarse a la instalación de producción de etanol celulósico como una materia prima. Fuentes de combustible o energía tales como metano o lignina de la instalación de producción de etanol celulósico pueden utilizarse para suministrar energía a cualquiera o ambas instalaciones co-localizadas. De acuerdo con otras modalidades alternativas, una biorrefinería (por ejemplo, una instalación de producción de etanol celulósico) puede co-localizarse con otros tipos de plantas e instalaciones, por ejemplo una planta de energía eléctrica, una instalación de tratamiento de desperdicio, un molino de madera, una planta de papel, o una instalación que procesa productos agrícolas.

Haciendo referencia la Figura 2, se muestra un sistema 200 para la preparación de biomasa suministrada a la biorrefinería. El sistema de preparación de biomasa puede comprender un aparato para recepción/descarga de la biomasa, limpieza (por ejemplo remoción de materia extraña), trituración (por ejemplo molienda, reducción o densificación), y transporte y desplazamiento para procesamiento en la planta. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, puede suministrarse biomasa en la forma de mazorcas de maíz a la biorrefinería y almacenarse 202 (por ejemplo en bultos, pilas o depósitos, etc.) y manejarse para usarse en la instalación. De acuerdo con una modalidad, la biomasa puede comprender al menos aproximadamente 20 a aproximadamente 30% de mazorcas de maíz (en peso) con forraje de maíz y otro material. De acuerdo con otras modalidades ilustrativas, el sistema de preparación 204 de la biorrefinería puede configurarse para preparar cualquiera de una gran variedad de tipos de biomasa (por ejemplo, material de planta) para el tratamiento y procesamiento en etanol y otros bio-productos en la planta.

Haciendo referencia a las Figuras 3A y 3B, se muestran modalidades alternas de un diagrama esquemático de la instalación de producción de etanol celulósico 300a y 300b. De acuerdo con algunas modalidades, se prepara y limpiar biomasa que comprende el material de planta de la planta de maíz en un sistema de preparación. Después de la preparación, la biomasa se mezcla con agua en una lechada y se pre-trata en un sistema de pre-tratamiento 302. En el sistema de pre-tratamiento 302, la biomasa se divide (por ejemplo, por hidrólisis) para facilitar la separación 304 en un componente líquido (por ejemplo una corriente que comprende los azúcares C5, conocido como líquido de pentosa) y un componente de sólidos (por ejemplo, una corriente que comprende celulosa de la cual pueden hacerse disponibles azúcares C6.). El pre-tratamiento puede incluir la adición de ácidos con el fin de disminuir el pH de la biomasa para promover la separación de C5. De acuerdo con algunos aspectos, también puede reciclarse el licor C5, como se ilustra, a partir de la etapa de tratamiento C5 con el fin de reducir los niveles de ácido y agua suministrados al sistema de pre-tratamiento. Ejemplos específicos de condiciones de recirculación, volúmenes, y otras condiciones de procedimiento se proporcionarán a continuación con mayor detalle con relación a ejemplos específicos. Sin embargo, también podrían utilizarse otras condiciones de recirculación, volúmenes y procedimientos.

El componente líquido que contiene azúcar C5 (corriente C5 o licor de pentosa) puede tratarse en un sistema de tratamiento de limpieza de pentosa 306. A partir del sistema de tratamiento de limpieza de pentosa 306, puede regresarse una corriente de recirculación de licor de xilosa al sistema de pre-tratamiento 302 como se indicó anteriormente.

El componente de sólidos pre-tratado que contiene azúcar C6 puede tratarse en un sistema de tratamiento de sólidos utilizando hidrólisis de enzima 308 para generar azúcares. De acuerdo con una modalidad, puede realizarse hidrólisis (tal como hidrólisis de enzima) para acceder a los azúcares C6 en la celulosa; también puede realizarse un tratamiento en un esfuerzo para remover lignina y otros componentes no fermentables en la corriente C6 (o para remover componentes tales como ácido o ácidos residuales que pueden ser inhibidores para una fermentación eficiente). La eficiencia de hidrólisis de enzima puede aumentar a través de la adición de un agente. Tales agentes pueden incluir efluentes de digestor de membrana anaeróbica, residuos delgados clarificados, pasta húmeda, residuos enteros, otra fuente de proteína viable, o combinaciones de los mismos. Se describirán a continuación detalles del tratamiento de los sólidos C6.

De acuerdo con la modalidad de la Figura 3A, puede fermentarse el licor de pentosa tratado en un sistema de fermentación de pentosa 310, y puede suministrarse el producto de fermentación a un sistema de destilación de pentosa 312 para la recuperación de etanol. En una forma similar, los sólidos tratados, que no incluyen cantidades sustanciales de azúcares C6, pueden suministrarse a un sistema de fermentación de hexosa 314, y el producto de fermentación puede suministrarse a un sistema de destilación de hexosa 316 para la recuperación de etanol. El residuo de la destilación puede tratarse en un sistema de separación de lignina 318 para generar un componente líquido y una pasta húmeda sólida. La pasta húmeda puede suministrarse a un Bio-reactor de Membrana Anaeróbica (ANMBR) 320 para tratamiento adicional, en algunas modalidades.

En la modalidad alterna de la Figura 3B, el licor de pentosa tratado resultante y sólidos tratados pueden combinarse después de tratamiento (por ejemplo, como una lechada) para co-fermentación en un sistema de fermentación 322. El producto de fermentación del sistema de fermentación 322 se suministra a un sistema de destilación combinado 324 en donde se recupera el etanol. De acuerdo con una o más modalidades, puede utilizarse un organismo de fermentación adecuado (etanológeno) en el sistema de fermentación; la selección del etanológeno puede basarse en varias consideraciones, tales como los tipos predominantes de azúcares presentes en la lechada. La deshidratación y/o desnaturalización del etanol producido a partir de la corriente C5 y la corriente C6 pueden realizarse ya sea separadamente un combinación. Como con la modalidad previamente descrita, el residuo de la destilación puede tratarse en un sistema de separación de lignina 326 para generar un componente líquido y una pasta húmeda sólida. La pasta húmeda entonces puede suministrarse a un Bio-reactor de Membrana Anaeróbica (ANMBR) 328 para tratamiento adicional, en algunas modalidades.

Durante el tratamiento de la corriente C5 y/o C6, pueden procesarse componentes para recuperar productos secundarios, tales como ácidos orgánicos y lignina. Los componentes removidos durante el tratamiento y producción de etanol a partir de la biomasa de cualquiera o ambas de la corriente C5 y la corriente C6 (o en destilación) pueden tratarse o procesarse en bio-productos o en combustible (tal como lignina para una caldera de combustible sólido o metano producido por tratamiento de material residual/removido tal como ácidos y lignina en un digestor anaerobico) o recuperarse para uso o reutilización.

De acuerdo con una modalidad, la biomasa comprende material de planta de la planta de maíz, tal como mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz y hojas de planta de maíz y tallos de maíz (por ejemplo, al menos mitad superior o porción de 3/4 del tallo); la composición del material de planta (por ejemplo celulosa, hemicelulosa y lignina) pueden ser aproximadamente como se indica en los Cuadros 1A y 1B (por ejemplo, después de al menos la preparación inicial de la biomasa, incluyendo remoción de cualquier material extraño). De acuerdo con una modalidad, el material de planta comprende mazorcas de maíz, c scaras/hojas y tallos; por ejemplo, el material de planta puede comprender (en peso) hasta 100% de mazorcas, hasta 100% de cáscaras/hojas, aproximadamente 50% de mazorcas y aproximadamente 50% de cáscaras/hojas, próximamente 30% de mazorcas y aproximadamente 50% de cáscaras/hojas y aproximadamente 20% de tallos, o cualquiera de una gran variedad de otras combinaciones de mazorcas, cáscaras/hojas y tallos de la planta de maíz. Ver Cuadro 1A. De acuerdo con una modalidad alternativa, el material de planta lignocelulósico puede comprender fibra del grano de maíz (por ejemplo en alguna combinación con otro material de planta). El Cuadro 1B proporciona rangos típicos y esperados que se cree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material lignocelulósico de la planta de maíz. De acuerdo con modalidades ilustrativas, el material de planta lignocelulósico de la biomasa (de la planta de maíz) puede comprender (en peso) celulosa de aproximadamente 30 a aproximadamente 55%, hemicelulosa de aproximadamente 20 a aproximadamente 50%, y lignina de aproximadamente 10 a aproximadamente 25%; de acuerdo con una modalidad particular, el material de planta lignocelulósico de la biomasa (por ejemplo, mazorcas, cáscaras/hojas y porciones de tallos de la planta de maíz) puede comprender (en peso) celulosa en aproximadamente 35 a aproximadamente 45%, hemicelulosa en aproximadamente 24 a aproximadamente 42%, y lignina en aproximadamente 12 a aproximadamente 20%. De acuerdo con una modalidad particular, el pre-tratamiento de la biomasa puede generar un componente líquido que comprende (en peso) xilosa en no menos de aproximadamente 1.0% y un componente de sólidos que comprende (en peso) celulosa (de lo cual puede hacerse disponible glucosa) en no menos de aproximadamente 45%.

La Figura 4 muestra un aparato 400 utilizado para la preparación, pre-tratamiento, y separación de biomasa lignocelulósica de acuerdo con una modalidad ilustrativa. Como se muestra, se prepara la biomasa en una trituradora 402 (por ejemplo, una trituradora u otro aparato o molino adecuado). El pre-tratamiento de la biomasa preparada se realiza en un recipiente de reacción 404 (o grupo de recipientes de reacción) suministrado con biomasa preparada, ácido, y/o agua en una concentración predeterminada (o pH) y otras condiciones operativas. La biomasa pre-tratada puede separarse en una centrífuga 406 en un componente líquido (corriente C5 que comprende principalmente líquidos con algunos sólidos) y un componente de sólidos (corriente C6 que comprende líquidos y sólidos tales como lignina y celulosa de lo cual puede hacerse disponible glucosa mediante tratamiento adicional).

De acuerdo con una modalidad, en el sistema de pre-tratamiento puede aplicarse un ácido a la biomasa preparada para facilitar la división de la biomasa para separación en el componente líquido (licor de pentosa) (corriente C5 de la cual pueden recuperarse azúcares C5 fermentables) y el componente de sólidos (corriente C6 del cual pueden accederse azúcares C6 fermentables). De acuerdo con algunas modalidades, el ácido puede aplicarse a la biomasa en un recipiente de reacción bajo condiciones operativas determinadas (por ejemplo, concentración de ácido, pH, temperatura, tiempo, presión, carga de sólidos, velocidad de flujo, suministro de agua o vapor de procedimiento, etc.) y la biomasa puede agitarse/mezclarse en el recipiente de reacción para facilitar la división de la biomasa. De acuerdo con modalidades ilustrativas, un ácido tal como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido acético, etc. (o una formulación/mezcla de ácidos) puede aplicarse a la biomasa en combinación con una corriente de recirculación de licor de xilosa. La corriente de recirculación de licor de xilosa incluye enzimas, ácido, y agua que pueden reducir los requerimientos para ácido adicional y agua para agregarse en el sistema de pre-tratamiento. Puede lograrse una maximización de liberación de azúcar y minimización de generación de inhibidor al controlar cuidadosamente los volúmenes de recirculación de xilosa y condiciones de procedimiento. El Cuadro 4 proporciona ácido teórico y agua utilizados para pre-tratamientos dependiendo del volumen de licor de xilosa reciclado durante el paso de pre-tratamiento. Adicionalmente, se proporcionan datos económicos que se refieren al costo para el nuevo ácido. Se calculó uso de ácido/agua para 10 ciclos de pre-tratamiento utilizando cantidades variables de licor reciclado. Los cálculos se basan en 1000 kg de mazorca a un 14.3% de carga de sólidos, utilizando 1% de H2S04. Reciclar una cantidad mayor de licor de xilosa en los siguientes resultados de pre-tratamiento en una reducción de porcentaje mayor en la cantidad de ácido y agua utilizados en pre-tratamiento subsecuentes. También se encontró que al reciclar el licor existe un aumento en la concentración de xilosa del licor de xilosa proporcional a la cantidad de licor que se recicla. Existe una cantidad máxima de licor que puede reciclarse basándose en disponibilidad de licor debido a la eficiencia de separación de líquido-sólido y la cantidad de licor tomada del procedimiento como una corriente de licor. Como se ¡lustra, con volúmenes mayores de recirculación de licor de xilosa, el uso de agua y adición de ácido disminuye significativamente. Puede lograrse una reducción de hasta aproximadamente 70% en agua y ácido, en algunas modalidades.

La Figura 5 muestra una gráfica ilustrativa 500 de la concentración teórica 502 para xilosa en la corriente de licor de xilosa para varios volúmenes de recirculación durante un número de ciclos 504, de acuerdo con una modalidad. Se calculó la concentración de xilosa teórica para una recirculación de licor de xilosa basándose en un pre-tratamiento de 14.3% de sólidos con 100% de generación de xilosa utilizando mazorca con 32 g de xilosa por 100 g de mazorca (por ejemplo 320 kg de xilosa por tonelada métrica). Se calculó la concentración de xilosa 502 al asumir 32 g de xilosa en 700 g de solución de pre-tratamiento, lo que lleva a una concentración de 4.57% del primer pre-tratamiento. Luego, se reciclaría una cantidad de licor en el siguiente pre-tratamiento que transporta con él cierta cantidad de xilosa que sería además de la cantidad de xilosa producida durante el pre-tratamiento de 100 g de mazorca (32 g de xilosa). Con ciclos subsecuentes, las concentraciones de xilosa aumentaron hasta que las concentraciones de xilosa se liberaron fuera de un valor de estado estable. Entre mayor sea el volumen de xilosa, más xilosa se regresará al pre-tratamiento, aumentando con ello adicionalmente la concentración de xilosa saliente hasta saturación. Por ejemplo, de acuerdo con los valores teóricos en la Figura 5, en una concentración de xilosa final de recirculación de licor de xilosa de 70% después de 20 ciclos se estima que alcanza aproximadamente 11.43% p/v.

En una forma similar, la Figura 6 muestra una gráfica ilustrativa 600 de la concentración teórica para ácido acético 602 (un inhibidor de fermentación a algunas concentraciones) en la corriente de licor de xilosa para varios volúmenes de recirculación sobre un número de ciclos 604, de acuerdo con un aspecto. Se utilizaron suposiciones de condición similares a aquellas utilizadas en la Figura 5 para modelar las concentraciones de ácido acético. El primer ciclo, en promedio, produce una concentración de ácido acético de aproximadamente 6186 ppm. Con ciclos subsecuentes, las concentraciones de ácido acético aumentaron hasta que las concentraciones de ácido acético se nivelaron fuera de un valor de estado estable. Entre mayor sea el número de recirculación, se regresa más ácido acético al pre-tratamiento, aumentando con ello adicionalmente la concentración de ácido acético saliente hasta saturación. Por ejemplo, de acuerdo con los valores teóricos en la Figura 6, a una concentración de ácido acético final de recirculación de licor de xilosa de 70% después de 16 ciclos se estima que alcanza aproximadamente 15,457 ppm.

De acuerdo con una modalidad particular, puede aplicarse ácido sulfúrico a la biomasa en pre-tratamiento además de la corriente de recirculación de licor de xilosa. De acuerdo con una modalidad particular, la biomasa preparada puede pre-tratarse con aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.5% de ácido (tal como ácido sulfúrico) y aproximadamente 12 a aproximadamente 25% de sólidos de biomasa a una temperatura de aproximadamente 100 a aproximadamente 180°C durante aproximadamente 5 a aproximadamente 180 minutos. En modalidades alternas, se suministra licor de xilosa a la biomasa a un volumen establecido. El pH de la biomasa entonces se ajusta a aproximadamente 1.5 utilizando ácido concentrado, tal como ácido sulfúrico. El uso de una corriente de recirculación de xilosa reduce el nuevo ácido mineral total que es necesario para llevar el pH a niveles aceptables para pre-tratamiento. El pre-tratamiento también puede comprender un paso de explosión de vapor, en donde se calienta biomasa a y se mantiene a (por ejemplo tiempo de retención) aproximadamente 150 a aproximadamente 165°C bajo presión (por ejemplo 7.03 kg/cm2) a un pH de aproximadamente 1.4 a aproximadamente 1.6 durante aproximadamente 1 a aproximadamente 15 minutos, y se libera la presión para ayudar además en la división de celulosa. Después del pre-tratamiento, la biomasa pre-tratada se separa en un componente de sólidos (C6) y un componente de licor de pentosa líquido (C5), como se muestra en la Figura 4.

El componente de licor de pentosa líquido (corriente C5) comprende agua, azúcares disueltos (tales como xilosa, arabinosa, y glucosa) para hacerse disponibles para fermentación en etanol, ácidos, y otros componentes solubles recuperados de la hemicelulosa. (El Cuadro 2B proporciona rangos típicos y esperados que se c ree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material lignocelulósico de la planta de maíz). De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el componente líquido puede comprender de aproximadamente 5 a aproximadamente 7% de sólidos (por ejemplo, sólidos suspendidos/residuales tales como hemicelulosa parcialmente hidrolizada, celulosa, y lignina). De acuerdo con una modalidad particular, el componente líquido comprende al m enos de aproximadamente 2 a aproximadamente 4% de xilosa (en peso); de acuerdo con otras modalidades ilustrativas, el componente líquido comprende no menos de aproximadamente 1 a aproximadamente 2% de xilosa (en peso). Los Cuadro 2A y 2B enlistan la composición del componente líquido de una biomasa pre-tratada (de biomasa preparada como se indica en los Cuadros 1A y 1B) de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas. Una porción de la corriente de licor líquido de xilosa C5 puede reciclarse al pre-tratamiento como se describió anteriormente. En algunas modalidades, todo (o sustancialmente todo) el licor de xilosa puede reciclarse. En las modalidades en donde todo (o sustancialmente todo) el licor de xilosa no se recicla, el licor de xilosa restante que no se recicla puede tratarse con álcali (tal como hidróxido de sodio, cal, o hidróxido de amonio) antes de ser introducido a fermentación. Pueden realizarse tratamientos de remoción de inhibidor adicionales en el licor de xilosa, en algunas modalidades.

El componente de sólidos (corriente C6) comprende agua, ácidos, y sólidos tales como celulosa de la cual azúcar, tal como glucosa, puede hacerse disponible para fermentación en etanol y lignina. (El Cuadro 3B proporciona rangos típicos y esperados que se cree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material lignocelulósico de la planta de maíz). De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el componente de sólidos puede comprender de aproximadamente 10 a aproximadamente 40% de sólidos (en peso) (después de separación); de acuerdo con una modalidad particular, el componente de sólidos puede comprender de aproximadamente 20 a aproximadamente 30% de sólidos (en peso). De acuerdo con otra modalidad, los sólidos en el componente de sólidos comprenden no menos de aproximadamente 30% de celulosa y el componente de sólidos también puede comprender otros azúcares disueltos (por ejemplo, glucosa y xilosa). Los Cuadros 3A y 3B enlistan la composición del componente de sólidos de biomasa pre-tratada (a partir de biomasa preparada como se indica en los Cuatros 1A y 1B) de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

Después de la separación del componente líquido C5 de los sólidos C6, los sólidos pueden tratarse además en un sistema de hidrólisis enzimática. De acuerdo con una modalidad, después del pre-tratamiento, el componente de sólidos (C6) se suministra a un recipiente para hidrólisis enzimática (o sacarificación) junto con enzimas, agentes, y agua. Las enzimas pueden facilitar la división de celulosa pre-tratada en azúcar (por ejemplo, glucosa) para generar un producto de hidrólisis enzimática. Este producto de hidrólisis enzimática rico en azúcar entonces puede fermentarse en etanol, o utilizarse para cualquier otro procedimiento corriente abajo.

En algunas modalidades, los sólidos C6 pueden someterse a un procedimiento de hidrólisis y fermentación secuencial (SIIF), en donde los sólidos se someten a una hidrólisis de enzima (con una conversión de glucano de al menos 80%) seguida por una fermentación. Mientras se utiliza un procedimiento de dos pasos, con el aspecto de SHF puede realizarse hidrólisis de enzima a un pH óptimo (o un pH tan óptimo como sea posible) y temperatura para conversión de celulosa a azúcares. Para SHF, se tratan los sólidos a aproximadamente 50°C, pH de aproximadamente 5.5, y aproximadamente 15% de lechada de sólidos total con celulosa.

Alternativamente, los sólidos C6 pueden someterse a procedimiento de sacarificación y fermentación simultáneas (o casi simultáneas) (SSF), en donde se realiza hidrólisis de enzima y fermentación aproximadamente al mismo tiempo. La sacarificación y fermentación simultáneas (o casi simultáneas) pueden realizarse a temperaturas adecuadas para producción de etanol por la levadura (por ejemplo, aproximadamente 37°C) que pueden ser menores a lo óptimo para la enzima de celulasa, de acuerdo con un aspecto.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, se suministra una formulación de enzima que comprende una enzima capaz de hidrolizar celulosa al componente de sólidos (C6) para facilitar la hidrólisis de enzima, por ejemplo la sacarificación por acción de enzima de la celulosa polimérica (por ejemplo, glucano polimérico) en azúcares monoméricas accesibles (por ejemplo, glucosa monomérica). Un ejemplo de tal enzima de celulasa es Cellic CTec (por ejemplo NS22074) de Novozymes North America, Inc. de Franklinton, Carolina del Norte. La cantidad o carga (dosis) de formulación de enzima puede variar como una condición operativa. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, aproximadamente 2 a aproximadamente 12 mg de proteína de enzima por gramo de celulosa pueden agregarse. De acuerdo con una modalidad particular, pueden agregarse aproximadamente 3 a aproximadamente 9 mg de proteína de enzima por gramo de celulosa.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, la temperatura durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser de aproximadamente 30 a aproximadamente 60°C. De acuerdo con u na modalidad, la temperatura durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 45 a aproximadamente 55°C, y de acuerdo con una modalidad particular, la temperatura durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 49 a aproximadamente 51°C.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el tiempo de tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 48 a aproximadamente 144 horas. De acuerdo con una modalidad, el tiempo de tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser de aproximadamente 60 a aproximadamente 120 horas, y de acuerdo con una modalidad particular, el tiempo de tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 72 a aproximadamente 96 horas.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el contenido de sólidos del componente de sólidos (C6) suministrado al sistema de tratamiento puede ser aproximadamente 5 a aproximadamente 25% en peso. De acuerdo con una modalidad, el contenido de sólidos del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 10 a aproximadamente 20% en peso, y de acuerdo con una modalidad particular, el contenido de sólidos del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 12 a aproximadamente 17% en peso.

De acuerdo con la modalidad ilustrativa, el pH durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser aproximadamente 4.8 a aproximadamente 6.2. De acuerdo con una modalidad, el pH durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser de aproximadamente 5.2 a aproximadamente 5.8, y de acuerdo con una modalidad particular, el pH durante el tratamiento del componente de sólidos (C6) puede ser de aproximadamente 5.4 a aproximadamente 5.6.

Una generación de glucosa que puede lograrse durante la hidrólisis de enzima de biomasa (por ejemplo mazorcas de maíz, cascaras, hojas y/o tallos) utilizando enzimas de celulasa disponibles sin la adición de residuos delgados, residuo delgado clarificado, o efluente de bio-reactor de membrana anaeróbica puede estar en el rango de aproximadamente 35 a aproximadamente 40% de generación de glucosa teórica (por ejemplo, calculada) para sacarificación y fermentación simultáneas (o casi simultáneas) (SSF) y entre aproximadamente 55 a aproximadamente 70% de generación de glucosa teórica para hidrólisis y fermentación secuenciales (SHF). Generaciones de glucosa exactas pueden variar dependiendo de procedimientos de pre-tratamiento. Por ejemplo, la inclusión de pre-tratamiento de explosión de vapor, como se describió anteriormente, puede aumentar generaciones de conversión de glucosa para biomasa procesada SHF.

Como se discutió aquí, un aspecto se refiere a un método para pre-tratar biomasa lignocelulósica. El método puede incluir aplicar una solución ácida a una primera porción de biomasa y mantener una temperatura elevada de la primera porción de biomasa de manera que se logra una generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórica. Un licor de xilosa líquido y un sólido de glucano se producen a partir de la primera porción de biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada. El método también puede incluir separar al menos una porción de licor de xilosa líquido del sólido de glucano, aplicar la porción de licor de xilosa líquido a una porción subsecuente de la biomasa, y aplicar una solución de ácido de formación de la porción subsecuente de la biomasa. Además, el método puede incluir mantener una temperatura elevada de la porción subsecuente de la biomasa de manera que se logre la generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórico. Se produce un licor de xilosa líquido y un sólido de glucano de la porción subsecuente de la biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada. El método se puede repetir empezando con separar ia porción de licor de xilosa líquido a una porción subsecuente de la biomasa. En algunas implementaciones, el método puede incluir liberar glucosa de azúcar.

En un ejemplo, el mantener la temperatura elevada puede incluir mantener la temperatura a aproximadamente 120°C y 150°C. En otro ejemplo, el mantener la temperatura elevada puede incluir mantener la temperatura elevada durante al menos aproximadamente 10 minutos. En una modalidad adicional, el mantener la temperatura elevada puede incluir mantener la temperatura elevada por menos de aproximadamente 120 minutos.

En algunas implementaciones, aplicar la solución áclda puede incluir aplicar una solución ácida que está entre aproximadamente 1% a 1.6% de ácido sulfúrico. En algunas modalidades, la temperatura elevada de la primera porción de biomasa y la temperatura elevada de la porción subsecuente de la biomasa pueden mantenerse hasta que se logra más de aproximadamente 90% de generación de xilosa teórica. En otras implementaciones, la temperatura elevada de la primera porción de biomasa y la temperatura elevada de la porción subsecuente de la biomasa pueden mantenerse hasta que se logra más de aproximadamente 45% de generación de glucosa teórica. En algunas implementaciones, puede mantenerse la temperatura elevada de la primera porción de biomasa y la temperatura elevada de la porción subsecuente de la biomasa hasta que se logra más de aproximadamente 50% de generación de glucosa teórica.

En un aspecto, el licor de xilosa líquido comprende menos de aproximadamente 4000 ppm de furfural. En algunos aspectos, el licor de xilosa líquido comprende menos de aproximadamente 3000 ppm de furfural. De acuerdo con algunos aspectos, la porción de licor de xilosa líquido es aproximadamente 70% de licor de xilosa total. De acuerdo con otros aspectos, la porción de licor de xilosa líquido es aproximadamente 75% de licor de xilosa total.

Otro aspecto se refiere a un método para pre-tratar biomasa Iignocelulosica que se va suministrar a un sistema de fermentación para la producción de un producto de fermentación. El método puede incluir aplicar un licor de xilosa a biomasa, aplicar una solución ácida de formación a la biomasa, y mantener una temperatura elevada de la biomasa de manera que se logre una generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórica. El licor de xilosa y un sólido de glucano pueden producirse a partir de la biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada. El método también puede incluir separar al menos alguna porción de licor de xilosa del sólido de glucano. El método puede repetirse mientras se aplica una solución ácida a la biomasa.

EJEMPLOS Se condujo una serie de ejemplos limitados de acuerdo con una modalidad ilustrativa del sistema en un esfuerzo para evaluar el efecto de variar volúmenes de recirculación y condiciones de procedimiento. Se condujeron experimentos y pruebas para evaluar concentraciones de xilosa, generaciones de glucosa, concentraciones de ácido acético, y niveles de inhibidor (tal como furfural) como una función de volumen de recirculación, número de ciclo, y condiciones de procedimiento. Los siguientes ejemplos pretenden proporcionar claridad a algunas modalidades de sistemas y medios de operación y no pretenden limitar el alcance de los varios aspectos aquí descritos.

El Cuadro 5 proporciona una vista general de las condiciones experimentales ilustrativas, incluyendo temperatura de pre-tratamiento, números de ciclo, concentración de ácido sulfúrico, y cronometraje. Para todos los ejemplos, se midieron el azúcar, furfural/5-hidroxi-metilfurfural (HMF), y niveles de ácido acético utilizando técnicas analíticas de HPLC conocidas (cromatografía de Líquido de Alto Desempeñó). Se midieron concentraciones de glucosa después de un paso de sacarificación. Además, se ajustó la formación de pre-tratamiento para variabilidad de humedad de las muestras de biomasa molidas. Para cada condición ilustrativa, todo (o sustancialmente todo) el licor de pre-tratamiento se utilizó para recircular al siguiente ciclo (excluyendo un volumen de prueba pequeño para analítica).

Para todos los ejemplos, e I material de mazorca se molió con martillo y se almacenó en un edificio estilo campaña Quonset para mantener un ambiente seco con exposición mínima o nula al sol y clima inclemente. Se obtuvo ácido sulfúrico de Fisher Scientific (de Waltham, MA) en forma de reactivo del ácido al 91.6% de SA174-4 91.6% de la Prueba de Leche de Babock.

Se utilizó la mazorca molida para hacer una solución de sólidos de 14.3% con solución ácida conteniendo la concentración prescrita de ácido para las condiciones de pre-tratamiento como se presenta en el Cuadro 5. El recipiente de reactor de 1 litro de Parr se cargó con 100 g de mazorca molida en una base en peso seco; se combinaron agua y ácido sulfúrico para lograr la concentración de ácido deseada en la fracción de líquido mientras se toma en cuenta el agua llevada con la biomasa y después se agregó a la biomasa cruda. La solución ácida y mazorcas se agitaron con una espátula para humedecer toda la muestra. El recipiente entonces se conectó a la cabeza de reactor de Parr y se agitó a 450 rpm. Se aplicó calor al suministrar vapor de alta presión (17.57 a 21.09 kg/cm2) en el forro del recipiente. La temperatura se verificó utilizando un termopar en la termo-cavidad externa. El calor se ajustó por consiguiente al agregar ya sea vapor o agua fría al forro del recipiente. El cronómetro de reacción se inició tan pronto como los contenidos de recipiente alcanzaron las temperaturas deseadas. Después que el recipiente se mantuvo a temperatura durante la cantidad de tiempo apropiada, el recipiente se enfrió utilizando agua a través del forro de recipiente.

Después que se completó la reacción, el recipiente de reacción de Parr se removió y la lechada de pre-tratamiento s e transfirió en un tubo de centrífuga de polipropileno de 1000 mi medido. La lechada entonces se separó a través de centrífuga a 4500 rpm durante 15 minutos. El nivel de humedad de los sólidos se determinó utilizando un procedimiento de humedad de horno, y entonces se envió para sacarificación enzimática. Se tomó una muestra de 30 g de licor de xilosa para azúcar (xilosa, glucosa, y arabinosa), HMF, furfural, ácido acético y análisis de sólidos totales (disueltos y suspendidos). La masa restante de licor se utilizó como líquido de recirculación para el siguiente pre-tratamiento.

Subsecuentemente, se diluyeron los sólidos a 10% con agua. Se realizó hidrólisis en matraces de Erlenmeyer de 125 mi con 70 mi de lechada. Las lechadas en cada matraz se ajustaron a un pH a 5.5 utilizando 45% de hidróxido de potasio acuoso p/p o 10% de ácido sulfúrico acuoso v/v. Las cargas de enzima fueron 9 mg de proteína de enzima por gramo de glucano (el contenido de glucano de la porción de sólidos se asumió como 35%). Los frascos se i ncubaron en un agitador de baño de agua a 50°C (se agitaron a 150 rpm) durante 72/96 horas.

Se realizó el procedimiento de recirculación al cargar el recipiente de reactor de Parr con 100 g de mazorca molida en una base de peso seco, se agregó el líquido de recirculación del pre-tratamiento previo, se ajustó la masa de reacción a 700 g utilizando una solución de ácido diluida con una concentración apropiada de ácido del Cuadro 5. El procedimiento para el pre-tratamiento entonces se llevó a cabo idénticamente (o casi idénticamente) para cada paso de recirculación. Este procedimiento de recirculación se repitió para el número de veces asignadas en el diseño experimental.

En el experimento ilustrativo, la concentración de xilosa, concentración de glucosa, y concentración de ácido acético para cada una de las condiciones ilustradas en el Cuadro 5 se analizaron. Se recolectó licor de xilosa y se filtró a través de una jeringa de 0.2 µ?t? en frascos de HPLC. Los frascos entonces se cargaron sobre un carrusel, que se ajustó en un auto-muestreador (ya sea 717 plus o módulo de 2659 separaciones de Waters de Milford, MA.). Una alícuota (5 µ?) de la muestra se inyectó por el auto-inyector sobre una columna de fase inversa (HPX-87H de Bio-Rad Laboratories de Hércules, CA) mantenida a 50°C. Se utilizó ácido sulfúrico a .005 M como la fase móvil (eluyente). El sistema HPLC fue equipado con un detector de índice refractivo (ya sea el modelo 2410 o 2414 de Waters). Los componentes (azúcares, ácidos orgánicos, y etanol) se identificaron y cuantif icaron utilizando el software Empower (Waters).

Se analizó la concentración de furfural y H F para cada una de las condiciones ilustradas en el Cuadro 5. Se prepararon muestras al diluir el licor de xilosa 10 veces con agua y al filtrar a través de un filtro de jeringa de nylon de 0.2 pm en frascos de HPLC. Se inyectó una alícuota del 10 µ? por el auto-muestreador de HPLC (Dionex Ultímate) sobre una columna C18 de HPLC de fase inversa a 40°C. Las muestras se eluyeron con una fase móvil que consiste de una solución de 90:5:5 de agua.acetonitrilo.metanol a una velocidad de flujo de 1 ml/minuto. Se detectó furfural y HMF mediante U V a una longitud de onda de 280 nm. Los compuestos de dilución posterior se lavaron de la columna mediante una fase móvil de lavado de columna que consiste de 50:10:40 de agua:acetonitrilo:metanol a 1 ml/ml durante 5 minutos.

Los resultados para el análisis de xilosa como una función del número de recirculaciones se ilustran en las gráficas de las Figuras 7-10. En particular, la Figura 7 muestra una gráfica ilustrativa 700 de las generaciones de porcentaje de xilosa 702 para las muestras tratadas a 120°C durante 120 minutos en soluciones variables de ácido para diferentes ciclos 704 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 8 muestra una gráfica ilustrativa 800 de las generaciones de porcentaje de xilosa 802 para las muestras tratadas a 140°C durante 20 minutos en soluciones variables de ácido durante un número de diferentes ciclos 804 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 9 muestra una gráfica ilustrativa 900 de las generaciones de porcentaje de xilosa 902 para las muestras tratadas con una solución ácida al 1% en tiempos y temperaturas variables sobre un número de diferentes ciclos 904 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 10 muestra una gráfica ilustrativa 1000 de porcentaje de xilosa (p/v) 1002 en el licor de pre-tratamiento como una función de números de recirculación 104. Como se ilustra, las concentraciones de xilosa aumentan a medida que aumentan los números de recirculación hasta que se alcanza una concentración de estado estable. En esta modalidad ilustrativa, la mayor generación de xilosa general se logró utilizando un tratamiento de 10 minutos con 1% de solución ácida y temperatura de 150°C.

Los resultados para el análisis de glucosa como una función de número de recirculaciones se ilustran en las gráficas de las Figuras 11-13. En particular, la Figura 11 muestra una gráfica ilustrativa 1100 de porcentaje de generaciones de glucosa 1102 para las muestras tratadas en 120°C durante 120 minutos a soluciones variables ácidas como una función de números de recirculación 1104 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 12 muestra una gráfica ilustrativa 1200 de porcentaje de generaciones de glucosa 1202 para las muestras tratadas a 140°C durante 20 minutos en soluciones variables de ácido como una función de números de recirculación 1204 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 13 muestra una gráfica ilustrativa 1300 de porcentaje de generaciones de glucosa 1302 para las muestras tratadas a 150°C durante 10 minutos con una solución ácida de 1% como función de números de recirculación 1304 (como se detalla en el Cuadro 5). Como se ilustra, las generaciones de glucosa aumentan con cada recirculación a las condiciones de 120°C. Sin embargo, a condiciones de 140°C y a condiciones de 150°C, las generaciones de glucosa son variables sobre las recirculaciones sucesivas.

Los resultados para el análisis de ácido acético como una función de número de recirculaciones se ilustran en las gráficas de las Figuras 14-16. En particular, la Figura 14 muestra una gráfica ilustrativa 1400 de porcentaje de generaciones de ácido acético 1402 para las muestras tratadas a 120°C durante 120 minutos en soluciones variables ácidas como una función de números de recirculación 1404 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 15 muestra una gráfica ilustrativa 1500 de generaciones de ácido acético de porcentaje 1502 para las muestras tratadas a 140°C durante 20 minutos en soluciones variables ácidas, como una función de números de recirculación 1504 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 16 muestra una gráfica ilustrativa 1600 de concentraciones de ácido acético 1602 para las muestras tratadas a 150°C durante 10 minutos y 130°C durante 60 minutos, tanto con una solución de ácido de 1%, como una función de números de recirculación 1604 (como se detalla en el Cuadro 5). Como se ilustró, las concentraciones de ácido acético aumentan a medida que los números de recirculación aumentan. Las generaciones de ácido acético permanecen relativamente consistentes (como un porcentaje) sobre las recirculaciones sucesivas. La concentración de ácido superior tiende a resultar en una formación de ácido acético superior, probablemente debido a la severidad de tratamiento.

Los resultados para el análisis de furfural como una función de número de recirculaciones se muestran en las gráficas de las Figuras 17-19. En particular, la Figura 17 muestra una gráfica ilustrativa 1700 de concentración de furfural 1702 para las muestras tratadas a 120°C durante 120 minutos en soluciones variables de ácido como una función de números de recirculación 1704 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 18 muestra una gráfica ilustrativa 1800 de concentración de porcentaje de furfural 1802 para las muestras tratadas a 140°C durante 20 minutos en soluciones variables de ácido como una función de número de recirculación 1804 (como se detalla en el Cuadro 5). La Figura 19 muestra una gráfica ilustrativa 1900 de concentración de furfural 1902 para las muestras tratadas a 150°C durante 10 minutos y 130°C durante 60 minutos, ambas con una solución ácida de 1% como una función de números de recirculación 1904 (como se detalla en el Cuadro 5). Como se ilustra, las concentraciones de furfural aumentan con cada recirculación en todas las condiciones. Además, el nivel de furfural es muy superior para el 1.6% de ácido comparado con el 1% de carga de ácido. Las generaciones decrecientes en 1% de ácido y las generaciones crecientes en 1.6% de ácido tienden a indicar una severidad decreciente en el pre-tratamiento ya que el licor de xilosa se recicla a 1% de ácido y una severidad creciente en 1.6% de ácido. Este es probablemente un resultado del ácido acético ligeramente superior que se produce y los niveles elevados de catalizador de ácido.

El Cuadro 6 resume los datos experimentales en formato tubular. Los parámetros de recirculación de líquido de xilosa de 1% de ácido, 120°C, 2 horas resultaron en generaciones de xilosa de 85-100% y generaciones de glucosa de 45-55% (de baja dosificación de enzima). Cuando se utilizó 1.2% de ácido sulfúrico ocurrieron generaciones de xilosa más altas. En contraste, 1% de ácido generó los niveles de glucosa más altos. Generaciones de xilosa entre 90 y 100% se lograron con 1.6% de carga de ácido. Las generaciones de ácido acético muestran las mismas tendencias de los pre-tratamientos de ácido de 1% a aproximadamente 80-85% y los pre-tratamiento de ácido de 1.6% de 85-95% cuando se compara con generaciones de xilosa. Las generaciones de glucosa están entre 45% y 65% con el 1.6% de carga de ácido mostrando una tendencia ascendente sobre los 5 ciclos de pre-tratamiento aumentando de aproximadamente 55-65% mientras el 1% realmente parece causar una disminución en la generación de glucosa a medida que se recicla.

Los pre-tratamientos de recirculación de licor de xilosa a 15CTC tiene generaciones de xilosa que se acercan a 100% y generaciones de glucosa que inician casi en 60% pero entonces caen para alcanzar un estado estable en el rango de 50%, el pre-tratamiento también produce aproximadamente 85-90% del ácido acético teórico disponible.

Los pre-tratamientos a 130°C t iene generaciones de xilosa en el rango de 90-95% que muestra un campo decreciente a medida que progresan las recirculaciones, la misma tendencia se observa en el campo de ácido acético. La elevación en temperatura de 130°C a 180°C causa una cantidad incrementada de xilosa que se convierte a furfural. Estas tendencias en producción de azúcar, ácido acético, y furfural soportan la valoración de que 150°C al mismo nivel de ácido proporciona severidad de tratamiento superior a 130°C durante períodos más prolongados de tiempo (10 minutos contra 60 minutos).

Cuando se examinan las tendencias de generación de xilosa a través de todo el diseño experimental, las recirculaciones de ácido de 1% tienen una tendencia descendente que sugiere que no existe suficiente ácido que se recicla con el licor de xilosa para mantener el nivel de severidad. De manera inversa, los datos de ácido de 1,6% muestran un aumento en la generación tanto de xilosa como de glucosa que indica que existe un aumento en severidad que lleva a un pre-tratamiento de generación superior, posiblemente debido a niveles crecientes de ácido acético. La generación de ácido de 1.2% y 1.4% para xilosa y glucosa permanecen relativamente estables.

Las modalidades como se expusieron y describieron en la solicitud (incluyendo las Figuras y los Ejemplos) pretenden ser ilustrativas y explicativas de las presentes invenciones. Son posibles modificaciones y variaciones de las modalidades descritas, por ejemplo, de aparato y procedimientos empleados (o que se van a emplear) así como de las composiciones y tratamientos utilizados (o que se van utilizar); todas esas modificaciones y variaciones pretenden estar dentro del alcance de las presentes invenciones.

La palabra "ilustrativo" se utiliza para significar que sirve como un ejemplo, caso, o ilustración. Cualquier modalidad o diseño descrito como "ilustrativo" no necesariamente se va interpretar como preferido o ventajoso sobre otras modalidades o diseños, ni pretende evitar estructuras y técnicas ilustrativas equivalentes conocidas por aquellos expertos en la técnica. Más bien, el uso de la palabra ilustrativo como se pretende presenta conceptos en una forma concreta, y el tema descrito no está limitado a tales ejemplos.

El término "o" p retende significar un "o" inclusivo en lugar de un "o" exclusivo. Al grado que los términos "comprende", "tiene", "contiene", y otras palabras similares se utilizan en la descripción detallada o las reivindicaciones, para evitar dudas, tales términos pretenden ser inclusivos en una forma similar al término "que comprende" como una palabra de transición abierta sin impedir cualquier elemento adicional u otro elemento.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. - Un método para pre-tratar biomasa lignocelulósica, que comprende: a) aplicar una solución ácida a una primera porción de biomasa; b) mantener una temperatura elevada de la primera porción de biomasa de manera que se logre una generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórica, en donde un licor de xilosa líquido y un sólido de glucano se producen a partir de la primera porción de biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada; c) separar al menos una porción de licor de xilosa líquido del sólido de glucano; d) aplicar la porción de licor de xilosa líquido a una porción subsecuente de la biomasa; e) aplicar una solución ácida de formación a la porción subsecuente de la biomasa; f) mantener una temperatura elevada de la porción subsecuente de la biomasa de manera que se logre la generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórica, en donde se produce un licor de xilosa líquido y un sólido de glucano a partir de la porción subsecuente de la biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada; y g) repetir pasos c) a f).

2. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende liberar glucosa de azúcar.

3 - El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde en el paso b) y paso f) se logra más de aproximadamente 45% de generación de glucosa teórica.

4. - El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde en el paso b) y paso f) se logra más de aproximadamente 50% de generación de glucosa teórica.

5. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el mantener la temperatura elevada comprende mantener la temperatura a aproximadamente 120°C y 150°C.

6.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde mantener la temperatura elevada comprende mantener la temperatura elevada durante al menos aproximadamente 10 minutos.

7. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde mantener la temperatura elevada comprende mantener la temperatura elevada durante menos de aproximadamente 120 minutos.

8. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde aplicar la solución ácida comprende aplicar una solución acida que está entre aproximadamente 1% a 1.6% de ácido sulfúrico.

9. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa comprende mazorcas de maíz molidas.

10. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa comprende mazorcas de maíz molidas y forraje de maíz.

11. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde en el paso b) y paso f) se logra más de aproximadamente 90% de generación de xilosa teórica.

12 - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el licor de xilosa líquido comprende menos de aproximadamente 4000 ppm de furfural.

13. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el licor de xilosa líquido comprende menos de aproximadamente 3000 ppm de furfural.

14. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la porción de licor de xilosa líquido es aproximadamente 70% de licor de xilosa total.

15.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la porción de licor de xilosa líquido es aproximadamente 75% de licor de xilosa total.

16.- Un método para pre-tratar biomasa lignocelulósica que se va suministrar a un sistema de fermentación para la producción de un producto de fermentación, que comprende: a) aplicar un licor de xilosa a biomasa; b) aplicar una solución de ácido de formación a la biomasa; c) mantener una temperatura elevada de la biomasa de manera que se logre una generación de xilosa mayor que aproximadamente 80% de teórica, en donde se producen licor de xilosa y un sólido de glucano a partir de la biomasa mientras se mantiene la temperatura elevada; d) separar al menos alguna porción de licor de xilosa del sólido de glucano; y e) repetir los pasos a) al d).