ES2306506T3 - Procedimiento y aparato para tratar materiales celulosicos. - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para aumentar la disponibilidad del contenido de azúcar celulósico y la digestibilidad de un material celulósico poniendo en contacto el material celulósico con amoníaco líquido, que impregna el material celulósico, y reduciendo rápidamente después la presión para expandir por ello el material celulósico por expansión gaseosa del amoníaco líquido a un gas que aumenta la disponibilidad del contenido de azúcar y la digestibilidad del material celulósico, en el que el procedimiento comprende las etapas de: (a) Inyectar amoníaco líquido y el material celulósico a un tornillo (17, 100, 101, 102) en un tambor calentado (16) que tiene una boca de alimentación que conduce al tornillo (17, 100, 101, 102) en contacto rotativo con el tambor a lo largo de parte de una longitud del tornillo de manera que el tornillo está cerrado en funcionamiento, con una entrada (14) para alimentar el amoníaco líquido a la boca de alimentación bajo presión al tornillo y con salida calentada del tambor adyacente al tornillo; (b) Compactar el amoníaco líquido y el material celulósico por rotación del tornillo (17, 100, 101, 102) en el tambor; (c) Separar el amoníaco líquido y el material celulósico del tambor (16) a través de la salida del extrusor de manera que el amoníaco líquido se expande explosivamente de líquido a gas en el material celulósico; y (d) Recuperar el amoníaco líquido como gas del material celulósico.

Description

Procedimiento y aparato para tratar materiales celulósicos.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para aumentar la disponibilidad del contenido de azúcar celulósico y la digestibilidad de un material celulósico poniendo en contacto el material celulósico con amoníaco líquido, que impregna el material celulósico, y reduciendo después rápidamente la presión para expandir por ello el material celulósico por expansión gaseosa del amoníaco líquido a un gas, que aumenta la disponibilidad del contenido de azúcar y la digestibilidad del material celulósico. Además, la presente invención se refiere a un aparato para producir un material celulósico expandido explosivamente.
Descripción de la técnica relacionada
El uso de amoníaco bajo presión para aumentar la disponibilidad de proteína y la digestibilidad celulósica de un material de plantas que contiene celulosa (alfalfa) se describe en la Patente de los EE.UU. Nº 4.356.196 de Hultquist. El amoníaco que se proporciona en un recipiente en forma líquida impregna el material de plantas y se libera explosivamente exponiéndose a una reducción rápida de presión en el recipiente. El material elaborado resultante se usa para producción de etanol o como materia prima para alimentación de animales de leche. Dale, en las Patentes de los EE.UU. Nº 4.600.590 y 5.037.663, describe el uso de diversos agentes químicos volátiles para tratar materiales que contienen celulosa, particularmente amoníaco, por lo que llegó a ser conocido como el procedimiento AFEX (Ammonia Freeze o Ammonia Fiber Explosion). Las presiones del procedimiento eran algo más altas que en el de Hulquist. Holzapple et al. en la Patente de los EE.UU. Nº 5.171.592 describen un procedimiento AFEX mejorado en que el producto de biomasa tratado se post-trata con vapores recalentados de un agente de hinchamiento hasta agotar el agente de hinchamiento residual para reciclar. El aparato 20 tiene mezclado y una válvula graduada 21 que se abre periódicamente. La Patente de los EE.UU. Nº 4.644.060 de Chou es de interés general en el uso de amoníaco supercrítico para liberar polisacáridos. Los procedimientos patentados se logran esencialmente en base discontinua.
Otras referencias de la técnica anterior relativas al procedimiento AFEX son la Patente Europea Nº 0 077 287; Dale, B.E. et al., Biotechnology and Bioengineering Symp. Nº 12, 31-43 (1982); Dale, B.E. et al., Developments in Industrial Microbiology, A Publication of the Society for Industrial Microbiology, Vol. 26 (1985); Holtzapple, M.T. et al., Applied Biochemistry and Biotechnology Vol. 28/29, 59-74 (1991); Blasig, J.D. et al., Resources, Conservation and Recycling, 7:95-114 (1992); Reshamwala, S. et al., Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 51/52, 43-55 (1995); Dale, B.E. et al., Bioresource Technology 56:111-116 (1996); y Moniruzzaman, M. et al., Applied Biochemistry and Biotechnology, 67:113-126 (1997). Todos estos procedimientos son no continuos.
Objetos
Es por tanto un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento para aumentar la disponibilidad del contenido de azúcar celulósico y la digestibilidad de un material celulósico. Es además un objeto de la presente invención proporcionar un nuevo aparato para producir un material celulósico expandido explosivamente. Éstos y otros objetos se evidenciarán crecientemente por referencia a la siguiente descripción y dibujos.
Descripción breve de los dibujos
La Figura 1 es un dibujo esquemático que muestra un aparato de tornillo 10 para el procedimiento.
La Figura 2 es una vista lateral de un elemento de tornillo individual 100 que muestra rastras individuales 106.
La Figura 3 es una vista desde un extremo de dos (2) de los elementos de tornillo 100 y 101 que actúan juntos a lo largo de porciones de ejes dobles paralelos 21.
Las Figuras 4 y 5 son vistas en corte transversal de bloques de amasado 200 y 201 en diversas posiciones relativas entre sí que están actuando en paralelo a lo largo de porciones de ejes dobles 21.
Las Figuras 6A a 6I son vistas en corte transversal de bloques de amasado 200 y 201 de las Figuras 4 y 5 en diversas posiciones relativas.
Las Figuras 7 y 8 muestran vistas en corte transversal y desde un extremo de un bloque de amasado individual 200.
La Figura 9 es una vista desde un extremo de un elemento de tornillo curvo 102 que es adyacente a un troquel de extrusión 18 del aparato y que fuerza el material celulósico al bloque de troquel 18 y a través del troquel 18A.
La Figura 10 es una vista lateral del elemento de tornillo posterior curvo 102 de La Figura 9 que muestra también un tapón 103 y un tornillo 104 para mantener el elemento de tornillo 102 en una barra 105 (que actúa como eje 21 de la Figura 1) que soporta los elementos de tornillo 100 y 101 y los bloques de amasado 200 y 201 a lo largo del tornillo 17.
La Figura 11 es una vista lateral esquemática de un tornillo de extrusión que muestra diversos elementos de tornillo 100 y 101 y bloques de amasado 200 y 201 en zonas 1 a 7 como se indica en la posterior Tabla 1.
La Figura 12 es una vista lateral de un bloque de calentamiento y enfriamiento montado a lo largo del eje longitudinal del aparato extrusor 10 en el que x es salida de agua, O es entrada de agua y + es un calentador de cartucho eléctrico montado en una abertura en el tambor 16. La Tabla 2 muestra las dimensiones para las diversas posiciones.
La Figura 13 es una vista lateral del bloque de troquel 18.
La Figura 14 es una vista en corte transversal desde arriba del troquel 18A.
La Figura 15 es una vista en corte transversal lateral del troquel 18A.
La Figura 16 es una vista mirando la salida del troquel 18A.
La Figura 17 es un gráfico que muestra la concentración de azúcar total después de la hidrólisis enzimática en función del tiempo para forrajes de maíz que se tratan por el procedimiento y aparato de la presente invención y los que no son tratados. No se usó troquel 18A o bloque de troquel 18. El aparato extrusor 10 fue eficaz para aumentar la concentración de azúcar total.
La Figura 18 es un gráfico que muestra glucosa como azúcar específico tratado de la misma manera que en la Figura 17.
La Figura 19 es un gráfico que muestra la concentración de azúcar total en función del tiempo para forrajes de maíz tratados por el procedimiento y aparato de la presente invención en diferentes condiciones.
La Figura 20 es un gráfico que muestra glucosa como azúcar específico tratado de la misma manera que en la Figura 19.
La Figura 21 es un gráfico que muestra la concentración de azúcar total en función del tiempo para forrajes de maíz tratados por el procedimiento y aparato de la presente invención en diferentes condiciones.
La Figura 22 es un gráfico que muestra la concentración de glucosa como azúcar específico tratado de la misma manera que en la Figura 21.
La Figura 23 es un gráfico que muestra la digestibilidad in vivo de materia seca en forraje de maíz en el rumen de una vaca en función del tiempo para diversas muestras.
La Figura 24 es un gráfico que muestra la concentración de solubles de NDF (Fibras Detergentes Neutras) frente al tiempo para las muestras de la Figura 23.
La Figura 25 es un gráfico que muestra concentración de hemicelulosas frente al tiempo para las muestras de la Figura 23.
La Figura 26 es un gráfico que muestra concentración de celulosa frente al tiempo para las muestras de la Figura 23.
La Figura 27 es un gráfico que muestra concentración de lignina frente al tiempo para las muestras de la Figura 23.
La Figura 28 es un gráfico que muestra contenido de ceniza frente al tiempo para las muestras de la Figura 23.
La Figura 29 es un gráfico que muestra velocidad de digestión en función del tiempo para las muestras de la Figura 23.
Descripción de las realizaciones preferidas
La presente invención se refiere a un procedimiento para aumentar la disponibilidad del contenido de azúcar celulósico y la digestibilidad de un material celulósico poniendo en contacto el material celulósico con amoníaco líquido, que impregna el material celulósico, y reduciendo rápidamente la presión para expandir por ello el material celulósico por expansión gaseosa del amoníaco líquido a un gas que aumenta la disponibilidad del contenido de azúcar y la digestibilidad del material celulósico, cuya mejora comprende:
(a)
Inyectar amoníaco líquido y el material celulósico a un tornillo en un tambor calentado que tiene una boca de alimentación que conduce al tornillo en contacto rotativo con el tambor a lo largo de parte de la longitud del tornillo de manera que el tornillo está cerrado en funcionamiento, con una entrada para alimentar el amoníaco líquido a la boca de alimentación bajo presión al tornillo y con salida calentada del tambor adyacente al tornillo;
(b)
Compactar el amoníaco líquido y el material celulósico por rotación del tornillo en el tambor;
(c)
Separar el amoníaco líquido y el material celulósico del tambor a través de la salida del extrusor de manera que el amoníaco líquido se expande explosivamente de líquido a gas en el material celulósico; y
(d)
Recuperar el amoníaco líquido como gas del material celulósico.
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Además, la presente invención se refiere a un aparato mejorado para producir un material celulósico expandido explosivamente que comprende:
(a)
Al menos un tornillo rotativo montado en un tambor de un extrusor con extremos opuestos, una entrada de alimentación para el material celulósico al tornillo a través del tambor, y una salida de alimentación desde el tornillo y el tambor, y medios de calentamiento y enfriamiento entre los extremos del tambor;
(b)
Un depósito de suministro que contiene amoníaco líquido bajo presión;
(c)
Una tubería de suministro con una bomba que conduce a una entrada de líquido al tambor desde el depósito de suministro aguas abajo de la entrada de alimentación en una zona de mezclado que contiene bloques de amasado para mezclar el amoníaco y el material celulósico e impedir que el amoníaco líquido fluya a la entrada de alimentación, cuya tubería de suministro contiene una válvula de retención después de la bomba regulada para abrir a una presión del amoníaco líquido a proporcionar a la entrada de líquido y cerrar por encima de la presión de vapor del amoníaco líquido; y
en el que la entrada de líquido al tornillo a través del tambor es intermedia entre los extremos para suministrar el amoníaco líquido desde el depósito de suministro, por lo que el amoníaco líquido se alimenta al tornillo bajo presión y se mantiene bajo presión en el tambor como amoníaco licuado de manera que un material celulósico que contenga el amoníaco líquido se expanda explosivamente por cambio del líquido a gas por separación del material celulósico del tambor a través de una abertura en un medio de troquel a la salida de la alimentación por rotación del tornillo con al menos un elemento de calentamiento en el medio de troquel adaptado para calentar el medio de troquel para expandir explosivamente el amoníaco líquido por separación del medio de troquel, en el que el extrusor, la abertura en el medio de troquel y el elemento de calentamiento en el medio de troquel cooperan de tal modo que el material celulósico expandido tiene un aumento del contenido de azúcar disponible total sobre el material celulósico antes de ser introducido en la entrada de alimentación y en el que un elemento de tornillo adyacente al medio de troquel en la salida de alimentación está conificado interiormente hacia un eje longitudinal del tornillo para forzar que salga el material celulósico con el amoníaco líquido del medio de troquel.
El objetivo principal de esta invención está en el uso de un aparato de tornillo y tambor 10 (mostrado en la Figura 1) para mejorar el Procedimiento de Explosión de Fibras con Amoníaco (AFEX) que se había realizado previamente sólo en un reactor discontinuo. La eficacia del tratamiento usando el aparato extrusor 10 se definió como un aumento de la digestibilidad enzimática o de rumen in situ.
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Ejemplo 1
La primera etapa fue desarrollar un entorno seguro en el que trabajar con amoníaco. Para hacer esto, se tomó contacto con la Office of Radiation, Chemical, and Biological Safety (ORCBS) en la Michigan State University (MSU), East Lansing, Michigan. Siguiendo su consejo, el área alrededor del aparato extrusor 10, que encerraba las unidades de ventilación suplementaria en la habitación, se rodeó completamente con extractor de vinilo para contener cualquier fuga de amoníaco. El ensayo de este cerramiento se hizo con una bomba de humo que emitía 283,2 m^{3} de humo en 1 minuto, ninguno de los cuales se observó que escapara. Adicionalmente, se incorporó una campana de humo horizontal 11 a uno de los conductos de ventilación para concentrar la ventilación inmediatamente alrededor de la alimentación del extrusor 12 y la salida 13, así como la abertura de inyección de amoníaco 14. Finalmente, se compraron dos respiradores de frente total con cartuchos de amoníaco separables para su uso durante toda la experimentación. Se desarrolló un método de seguridad y se revisó con cada persona que ayudaba en cualquier experimentación.
El aparato extrusor 10 fue un Baker-Perkins MPC/V-30 (Saginaw, Michigan) con tornillos gemelos paralelos 17 a cada lado, formado cada uno de elementos de tornillo 100, 101 y 102 y bloques de amasado 200 y 201 (Figuras 2 a 10). El motor 15 suministraba 3 c.v. a 500 rpm. El diámetro de la configuración de tambor 16 era 30 mm con una relación longitud a diámetro (L/D) de 10:1. Los dos (2) tornillos 17 eran co-rotativos y autolimpiables con un perfil variable. La Figura 11 muestra la posición de los segmentos 100, 101 y 103 y los bloques de amasado 200 y 201. La Tabla 1 muestra las posiciones de los elementos.
TABLA 1
1
El aparato extrusor 10 se suministró con controles (no mostrados) para calentamiento y enfriamiento. El calentamiento se suministró por calentadores de cartucho eléctricos (+ en la Figura 12) en tres zonas a lo largo del tambor 16 y el bloque de troquel 18. El enfriamiento se suministró a lo largo de la longitud del tambor 16 por agua fría alimentada a través de secciones de tambor huecas (x y O en la Figura 12). Las dimensiones se muestran en la Tabla 2.
El tambor 16 y el bloque de troquel 18 se calientan entre aproximadamente 30ºC y 100ºC a lo largo de su longitud. Preferiblemente, el bloque de troquel 18 se calienta en este intervalo.
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TABLA 2
2
El troquel 18A a cuyo través se liberó el forraje tratado se enfrió con aire. El bloque de troquel 18 se proporcionó con calentadores (+ en la Figura 13). Todas las superficies interiores del aparato extrusor 10 se nitruraron con un acabado de 1.600 \mum que proporcionó excelente resistencia a la corrosión. Los elementos de tornillo 100, 101 y 102 y el bloque de amasado 200 y 201 (Figuras 2, 3, 4, 5 y 6A a 6I) eran de acero aleado tratado con calor.
La resistencia a la corrosión de un elemento de tornillo simple 100, 101 se determinó antes de cualquier experimentación y no se observó corrosión durante toda la experimentación.
Una bomba de dosificación de diagrama alternativa 50 usada para proporcionar amoníaco fue una American Lewa (Holliston, Massachusetts). El cabezal de la bomba 50 era de acero inoxidable 316 con cierres de TEFLON. La bomba 50 era capaz de dosificar de 0.87 a 87,0 l/h. El motor daba 3 c.v. La bomba 50 se calibró con agua y se hicieron las conversiones necesarias para determinar la cantidad de amoníaco líquido alimentado usando un embolado y un reglaje de velocidad especificados.
Todas las tuberías, accesorios y válvulas usados fueron de acero inoxidable 316. La tubería usada fue de 9,5 mm de diámetro exterior con paredes de 1,65 mm, calculada para 457,4 kg/cm^{2} man. Todos los accesorios se calcularon a la presión de rotura de la tubería. Los valores límites de presión de los materiales usados están bien en el intervalo seguro. Esto se hizo para garantizar la seguridad mientras se trabajaba con amoníaco. Muchas de las conexiones fueron accesorios Swagelok, pero unos pocos fueron NPT. Se proporcionaron una válvula de retención 51 y válvulas de circunvalación 52 y 53. El suministro de amoníaco fue un depósito de amoníaco 54 con una válvula de cierre 55. Se usó una válvula de purga 56 para limpiar el sistema de amoníaco. Se usó una válvula de aguja 57 para dosificar amoníaco en el aparato extrusor 10.
Se alimentó biomasa al aparato extrusor 10 mediante el tubo de alimentación 20. Se calibró un alimentador 19 al tubo de alimentación 20 alimentando material durante un período conocido de tiempo y determinando la masa. Se calibraron individualmente muestras que contenían diferentes cantidades de humedad.
El material principal investigado en este proyecto fue forraje o paja de maíz. Se hace también referencia aquí al material de muestra como biomasa. Esto incluye todas las porciones molidas anteriores de una planta de maíz excepto el grano y la mazorca.
El forraje de maíz se obtuvo en una gran paca cuadrada. Este material se trituró groseramente usando un triturador montado en tractor. El material se secó después (menos del 5% de humedad) y se molió adicionalmente para pasar un tamiz de 2 mm en un molino de cuchillas rotativo. El tamaño está entre 0,25 mm y 25,4 mm. El material se guardó en bolsas de plástico dentro de bidones de cartón. Se añadió agua en una cantidad en peso del 10% al 80%. Puede usarse material reciente (usualmente con aproximadamente 80% de humedad, en base al peso de materia seca).
El aparato extrusor no modificado 10 se había usado principalmente para tratamiento de polímeros y requería así una modificación significativa. Así, fue necesario hacer varias modificaciones. Primero, se maquinó una abertura 14 para permitir la inyección de amoníaco. La abertura 14 estaba aproximadamente a mitad de camino hacia abajo de la longitud del tambor 16. La abertura 14 se escogió para maximizar el tiempo de equilibración de la biomasa y amoníaco. El tiempo de equilibración fue aproximadamente un (1) minuto, pero dependía de la velocidad de alimentación, la carga de amoníaco, la temperatura del troquel y similares. La abertura de inyección 14 se instaló con un cierre de Teflon para minimizar la pérdida de amoníaco a través de la abertura 14.
Segundo, la configuración del tornillo 17 se modificó significativamente en un esfuerzo por minimizar la pérdida de amoníaco a través del tubo de alimentación 20. Adicionalmente, se proporcionaron en el extremo de descarga del tornillo 17 dos (2) elementos de tornillo curvo 102 (uno mostrado en las Figuras 9 y 10). Originalmente, estos tornillos eran planos en el extremo. El diseño original tapaba el bloque de troquel 18. Construyendo el extremo de cada uno de los tornillos 103 de una forma más cónica, la biomasa era dirigida al bloque de troquel 18 y fuera a través del troquel 18A, en lugar de taponar.
El amoníaco usado se suministró en un cilindro de 22,68 kg 54 con un tubo sumergido para asegurar el suministro de líquido. La bomba 50 permitía el control y la precisión del suministro de amoníaco. Se instaló una válvula de retención 51 inmediatamente antes de la abertura de inyección 14 para mantener la presión en la tubería después de la bomba para ayudar a asegurar el suministro de líquido. Una vez que la presión generada por la bomba 50 alcanzara la presión de salto de la válvula de retención 51, el amoníaco fluiría directamente al aparato extrusor 10. Se fijó la presión de vuelta a cerrar por encima de la presión de vapor del amoníaco para impedir cualquier fuga a través de la válvula de retención 51. Se proporcionaron varias válvulas de circunvalación 52 y 53 para permitir purgar la tubería por la válvula de purga 56 después de usar el aparato extrusor 10, para limpiar el aparato.
Una vez que se verificó que el amoníaco y la biomasa fluirían juntos a través del aparato extrusor 10, se usaron troqueles crecientemente restrictivos 18. Al principio, no se usó el bloque de troquel 18. Sin embargo, a medida que se conseguía más confianza, se añadió el bloque 18, así como el troquel 18A. Se obtuvieron varias explosiones con sólo el bloque 18 en uso, pero la digestibilidad enzimática de las muestras fue sólo moderadamente más alta que las muestras sin tratar. Adicionalmente, la presión aumentada generada desde un orificio más pequeño del troquel 18A proporcionó un tratamiento más eficaz.
Se ha hecho mucho trabajo en el diseño de los troqueles de extrusión 18A. Sin embargo, la mezcla de biomasa es distinta de cualquier polímero o alimento que pueda extruirse a través de un troquel estándar. Se probaron varios troqueles preliminares 18A sin un éxito mínimo. Éstos se maquinaron a mano y los bordes desiguales y las superficies interiores crearon problemas con el flujo de biomasa a través de la restricción. El troquel 18A que se probó más útil se maquinó con una fresa de extremo de 5º para dar una contracción gradual, suave, del 40% del área interior (es decir, el exterior fue el 60% del área del interior). Con este bloque de troquel 18, podrían obtenerse constantemente explosiones. Este troquel 18A se muestra en las Figuras 13, 14 y 15. Las dimensiones se muestran como sigue:
Troquel de extrusión 18A
El orificio mayor es la entrada y está enfrente del extrusor.
3
Las explosiones llegaron típicamente a intervalos regulares. Algunas pruebas mostraron reproducibilidad de \pm 15 segundos. Dependiendo de la carga de amoníaco y la temperatura, la operación en estado de régimen fue continua o periódica. Mayores cargas de amoníaco (masa de amoníaco/masa de biomasa > 1,5) movieron al material a descargarse lentamente desde el aparato extrusor 10 durante varios minutos y descargarse después violentamente desde el troquel 18A. Las cargas de amoníaco se dan en una relación de masas. Por ejemplo, una carga de amoníaco de 3 significa 3 kilogramos (o gramos, etc.) de amoníaco por 1 kg (o gramos, etc.) de biomasa seca. En adelante, se dan cargas de amoníaco. Unidades M/M, con connotación de masa a masa. Se observó que la presión aumentaba hasta \sim21,1 kg/cm^{2} man., y el par se aproximaría al 50%, hasta la explosión en la que la presión caería hasta 0 kg/cm^{2} man. y el par \sim11% (valor sin carga típico). Alternativamente, menores cantidades de amoníaco (M/M < 1,5) demostraban pequeñas explosiones continuas que era el modo preferido de operación.
Se hicieron también otras modificaciones. Por ejemplo, se usó revestimiento de TEFLON para minimizar la pérdida de presión del extrusor. Se observó varias veces que dos superficies de contacto metal-metal (la superficie de contacto del aparato extrusor 10 y el bloque de troquel 18, así como entre el bloque de troquel 18 y el troquel 18A) dejaban escapar una porción de la alta presión como se evidenciaba por una ligera formación de espuma en la superficie de contacto. El revestimiento de Teflon (no mostrado) se cortó para ajustarlo alrededor del orificio que cerraba y se instaló después entre las dos superficies. Después de la instalación de estos cierres, no se observó formación de espuma adicional.
Los principales parámetros variados fueron la temperatura y la carga de amoníaco. También se varió el contenido de agua de la biomasa, pero con poco éxito. Un contenido de humedad mayor del 60% condujo a que el agua se exprimiera de la biomasa y fluyera de vuelta a la abertura de alimentación de la biomasa. Los niveles de humedad de la biomasa se dan como porcentaje de masa total (60% de humedad es 60 gramos de agua en 100 gramos de una mezcla de biomasa y agua). Esto creaba problemas al alimentar la biomasa al aparato extrusor 10 debido a la formación de espuma en el tubo de alimentación 20 causada por el amoníaco. Alternativamente, niveles de humedad menores del 60% no permitían una equilibración eficaz con el amoníaco y, por ello, no se obtuvieron explosiones. Así, todas las pruebas a las que se hace referencia en la sección de resultados se obtuvieron con una humedad del 60%.
La temperatura se varió de varias maneras en las zonas 1 a 3 de la Figura 11. Típicamente, la primera zona 1, centrada en la abertura de alimentación de biomasa, no se calentó y se cortó el enfriamiento. En este caso, calentamiento se refiere a calentamiento por encima de la temperatura ambiente. Se quitó la capacidad de enfriamiento de la primera zona porque creaba condensación alrededor de la abertura de alimentación que conducía a atascamiento de la alimentación. La segunda zona 2, en el punto de inyección de amoníaco 14, se calentó ligeramente, dependiendo de la temperatura de referencia del bloque de troquel 18. Demasiado calentamiento vaporizaría el amoníaco y produciría un tratamiento menos eficaz. La tercera zona 3 se calentaba habitualmente a una temperatura próxima a la media de los puntos de referencia de la segunda zona y el bloque de troquel 18 (Figura 13). La temperatura del bloque de troquel 18 se consideró la temperatura de reacción. Parecía que había un límite superior de la temperatura del bloque de troquel 18, porque no se obtuvieron explosiones por encima de un punto de referencia de 70ºC. Esto es debido probablemente en parte a la vaporización parcial del amoníaco en la tercera zona de calentamiento 3. La temperatura del troquel causó necesariamente un aumento de temperatura en la tercera zona 3 por transferencia de calor conductiva. Esto conduce a una magnitud aumentada de vaporización de amoníaco y a un tratamiento menos eficaz. Adicionalmente, el amoníaco puede expulsarse a través del tubo de alimentación de biomasa 20 debido a una temperatura del bloque de troquel 18 más alta. Puesto que el amoníaco no se ocluyó todo lo eficazmente deseado, el vapor era libre de dejar el aparato de extrusión 10. Los tratamientos a menor temperatura no generarían una presión tan alta hacia el tubo de alimentación 20, y no están tan sujetos a este efecto.
La carga de amoníaco fue el otro parámetro principal variado. La carga de amoníaco se varió de 0,5 a 2,0 M/M. La carga de amoníaco calculada es sólo una estimación de la cantidad de tratamiento real. El aparato extrusor 10 usado tenía una L/D relativamente pequeña (10:1, D = 30 mm) con una longitud de tambor 16 medida de aproximadamente 38,73 cm y la única abertura 14 disponible prácticamente para inyección de amoníaco estaba aproximadamente a mitad de camino hacia abajo del tambor 16. Esto creó algunos problemas con el amoníaco que fluía de vuelta a través del tubo de alimentación de biomasa 20.
Se hicieron varios esfuerzos, alterando la configuración del tornillo 17, para crear una zona de alto mezclado, antes de la abertura de inyección de amoníaco 14, que proporcionaría eficazmente un tapón que restringiría el flujo de vuelta de amoníaco al tubo de alimentación 20. Los elementos de tornillo 100, 101 y 102 y los bloques de amasado 200 y 201 se indican en la Tabla 2. Los tres primeros elementos de tornillo 100, 101 y 102 estaban incorporados permanentemente al eje del tornillo debido a las tensiones de calentamiento y enfriamiento. Estas primeras secciones eran principalmente tornillos de transporte hacia delante que corrían típicamente al 50% de capacidad y no proporcionaban una restricción eficaz. Así, con una magnitud limitada del eje del tornillo disponible para implementar la zona de mezclado, sólo podían usarse cinco (5) paletas de mezclado.
Había otras limitaciones con respecto a la zona de mezclado. Los bloques de amasado 200 y 201 están alineados en una barra individual 105 con diversos ángulos. Cuando los bloques de amasado 200 y 201 están alineados con ángulos de 0 a 90º como se muestra en las Figuras 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H y 6I, el transporte hacia delante de la zona de mezclado aumenta a medida que el ángulo se aproxima a 45º desde cualquier dirección, y disminuye a medida que el ángulo se aparta de 45º. Se determinan los ángulos observando hacia abajo la barra 105 desde el extremo de descarga 15, es decir, hacia el tubo de alimentación 20. El ángulo dado es el ángulo del bloque de amasado 201 más exterior con el siguiente 200 hacia abajo del eje 21. Por ejemplo, los bloques de amasado 200 y 201 alineados a 30º tienen una paleta en el eje, y la siguiente girada 30º en el sentido de las agujas del reloj con respecto a la previa. A 0º no hay mezclado y a 90º hay mezclado máximo. Los bloques de amasado 200 y 201 alineados en ángulos negativos son de cambio de marcha y fuerzan el flujo en la dirección opuesta.
La siguiente tabla muestra la capacidad de transporte de los bloques de amasado 200 y 201, en la que F es hacia delante y R es marcha atrás.
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Se probaron varios alineamientos de zona de mezclado, pero muchos de ellos estaban limitados en par. En otras palabras, sólo podía alimentarse una pequeña cantidad de biomasa a través de la máquina antes de que el par se aproximara a su valor máximo. Los límites de par dependen de la velocidad de rotación de los ejes dobles 21 (soportados por las barras 105). Así, se implementó una zona de mezclado a 45º. Esto permitió formarse un buen tapón y permitió también un gran flujo de biomasa. La inspección de los elementos de tornillo 100 y 101 después de llenar mostró que la zona de mezclado antes de la abertura 14 estaba \sim90% llena, mientras que otras secciones más allá de la abertura 14 estaban \sim50% llenas. Desgraciadamente, la longitud de la zona de mezclado no era lo suficientemente larga para proporcionar una restricción significativa de los vapores de amoníaco. Así, parte del amoníaco inyectado se perdía a través del tubo de alimentación 20 debido a vaporización. De este modo, la cantidad real de amoníaco usado en un tratamiento es algo incierta, pero todas las pruebas se clasificaron por la cantidad de amoníaco inyectado.
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Ejemplo 2
Inicialmente, el medio principal de cuantificación de la eficacia del procedimiento fue hidrólisis enzimática. Puesto que el objetivo principal era probar que funcionaba la tecnología de tornillo en tambor para suministrar AFEX, las concentraciones máximas de azúcar no eran el foco, sino más bien la digestibilidad relativa. Así, todas las muestras se hidrolizaron en un tampón de citrato pH = 4 con una carga de celulasa de 15 UI/g y una carga de \beta-glucosidasa de 1 ml/ml de celulasa. La celulasa usada fue CELLUCLAST y la \beta-glucosidasa usada fue NOVO 188, ambas de Novo Nordisk (Franklinton, North Carolina). Todas las muestras se hidrolizaron a 50ºC en un baño de agua agitada en una solución al 5% (en peso) durante hasta 48 horas. El análisis principal tuvo lugar en una columna de HPLC delantera para glucosa, xilosa, galactosa, arabinosa y manosa. Otros análisis se hicieron en una columna de ácido que dio glucosa y un pico de azúcar compuesto que consistía en concentraciones de xilosa, manosa y galactosa. Finalmente, se usó también un instrumento YSI (Yellow Springs, Ohio) y dio concentraciones de glucosa.
El uso del bloque de troquel 18 solo dio una explosión que produjo una concentración de azúcar total (la suma de las concentraciones de glucosa, xilosa, galactosa, arabinosa y manosa) tras hidrólisis enzimática durante 24 horas de 2,4 veces la de la muestra completamente no tratada. La concentración de glucosa de este material fue 2,1 veces la del material completamente no tratado después de la misma extensión de tiempo. El mismo material dio una concentración de azúcar total 2,0 veces mayor que la biomasa tratada en un aparato de tornillo en tambor sin amoníaco y la concentración de glucosa correspondiente fue 2,5 veces la de la biomasa tratada en un aparato de tornillo en tambor sin amoníaco. Pruebas adicionales con el bloque de troquel 18 solo (sin troquel 18A) dieron concentraciones de azúcar total tanto como 3,5 veces mayores que el material no tratado y 3,4 veces mayores que el material no tratado después de 24 horas de hidrólisis.
Los mejores resultados obtenidos con el troquel 18A mostraron una concentración de azúcar total 2,4 veces mayor que el material completamente no tratado después de 6 horas de hidrólisis enzimática. La concentración de glucosa en este punto fue 2,3 veces mayor que la obtenida de material completamente no tratado.
En general, los tratamientos más eficaces para hidrólisis enzimática eran pruebas a temperatura más baja. Cuanto mayor era la temperatura del bloque de troquel 18 usada (mayor de 70ºC), menos eficaz era el tratamiento. Esto puede ser debido en parte a que escapa más amoníaco del aparato 10 a una temperatura mayor. Sin embargo, con una temperatura más baja, el amoníaco permanecerá en contacto con la biomasa más tiempo y el resultado es un tratamiento más eficaz. Los resultados de estos ensayos se muestran en las Figuras 19 a 22 y en la Tabla 3.
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TABLA 3
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Ejemplo 2
Después de los ensayos de digestibilidad enzimática, se deseaba la digestibilidad para rumiantes del material en una prueba in situ. Para conseguir esto, se generaron varias muestras con diferentes tratamientos de temperatura y cargas de amoníaco. Éstas se enviaron a la Texas A & M University Animal Science Department (College Station, Texas) y se analizó su digestibilidad in situ. Se analizó en las muestras la pérdida de peso en base seca durante un período conocido de tiempo. Se puso el material en una pequeña bolsa permeable de peso conocido y se secó para determinar la masa de materia seca. Se pusieron después las bolsas en el rumen de un novillo fistulado. Éste es un novillo que tenía un tubo insertado quirúrgicamente que permite el acceso al rumen del animal. Separando las bolsas a intervalos específicos (0, 3, 6, 12, 24, 48 y 96 horas), enjuagando a fondo y secando, se determinó la digestibilidad de los materiales como porcentaje del peso de material perdido. La pérdida de peso del material en una bolsa específica se denomina digestibilidad de materia seca, o DMD.
Se realizó una prueba in situ. Se enfocó la prueba en materiales tratados con tornillo en tambor, siendo el testigo una muestra tratada a 50ºC sin amoníaco.
Los resultados de la prueba se muestran en las Figuras 23 a 29. La digestibilidad de 48 horas de la prueba se tabula en la Tabla 4. La prueba mostró que la digestibilidad del material tratado por extrusión a las 48 horas era hasta el 77,4% digerible en comparación con la digestibilidad del 63,0% del testigo tratado con tornillo en tambor pero no tratado (por amoníaco). El tiempo de paso por el rumen típico es 48 horas o menos.
TABLA 4 Digestibilidad de materia seca en 48 horas para prueba
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A las 48 horas, los efectos de la temperatura y la carga de amoníaco no son extremadamente claros. Los dos tratamientos más eficaces obtenidos son a 65ºC con una carga de amoníaco de 1,5 y 2,0 (Muestras F & H, respectivamente). La digestibilidad de F (77,4%) fue sólo ligeramente mayor que H (76,1%). Sin embargo, la Muestra G, con una carga de amoníaco de 1,6 M/M y una temperatura de 65ºC, fue sólo el 6º material más digerible, con el 70,5%. El tercero y cuarto tratamientos más eficaces (Muestras C e I respectivamente) son muestras duplicadas y muestran excelente concordancia porque están separados por sólo 0,05% puntos y tienen una digestibilidad media del 73,5%. Las Muestras I y C se generaron con una carga de amoníaco de 1,5 M/M con una temperatura de 55ºC. A lo largo de toda la prueba, las Muestras H y F eran constantemente las más digeribles, siendo la muestra H la más digerible en todos los puntos de tiempo excepto a las 48 y 96 horas.
Se determinó también la composición de cada material en cada punto de tiempo. Se usaron ensayos para determinar la cantidad de Fibras Detergentes Neutras (NDF), Fibras Detergentes Ácidas (ADF), Lignina y Ceniza insoluble. El ensayo de NDF dio la cantidad de celulosa, hemicelulosa, lignina y ceniza en una muestra. El procedimiento de ADF separó la hemicelulosa, el procedimiento de lignina separó la celulosa y el procedimiento de ceniza separó la lignina.
La celulosa y la hemicelulosa se consideran ambas algo digeribles mientras que la lignina se considera indigerible. Así, se desea una reducción del contenido de lignina aparente, y esto se ha conseguido. Los resultados muestran que el contenido de lignina de las muestras tratadas en el aparato a 65ºC se redujo hasta el 20,9% en comparación con el testigo que se trató en el aparato sin amoníaco, con una media de reducción del 11,9%.
También es importante la velocidad a la que tiene lugar la digestión. En todos los casos, la velocidad inicial de digestión para todas las muestras tratadas con amoníaco fue más alta que la del material tratado en el aparato pero sin amoníaco. En este caso, la velocidad inicial de digestión se determinó como la velocidad de digestión entre las horas 3 y 6. En muchos casos, las muestras ganaron peso de las muestras de 0 a 3 horas que no proporcionan datos aceptables. Esto puede explicarse por lavado insuficiente de las muestras de 3 horas que dejarían polvo, fracciones solubles y microbios atrapados en la bolsa. Otra explicación es que el material usado para llenar las bolsas de la hora 0 contenía más polvo que la muestra de 3 horas, y permitiría así separar por enjuague más material. La velocidad máxima de digestión fue 2,25 veces la del testigo en la prueba (testigo sin tratar). La velocidad máxima observada se mostró por la Muestra H en 6,16%/h.
Los datos muestran también que las fracciones de hemicelulosa y celulosa disminuyen en el tiempo, implicando que está teniendo lugar la digestión de estos componentes. El contenido de hemicelulosa de la primera prueba disminuyó hasta las 12 horas, aumentó a las 24 horas y disminuyó después de nuevo hasta completarse el ensayo. La fracción de celulosa subió hasta las 12 horas y cayó después. Esto sugiere que se digiere primero la hemicelulosa, hasta que la celulosa es descompuesta eficazmente, y se digiere después nuevamente la hemicelulosa. Como era de esperar, la concentración de lignina indigerible aumentó uniformemente a medida que progresaba la prueba.
En los Ejemplos 1 y 2, se usó el aparato de tornillo en tambor 10 para facilitar el procedimiento AFEX. El rendimiento de azúcar total de la digestibilidad enzimática del forraje de maíz se había aumentado hasta el 250%, y la digestibilidad del rumiado in situ había aumentado el 32% (del 53,8% al 71,2%) sobre la muestra completamente no tratada. Adicionalmente, el rendimiento de azúcar total de la digestibilidad enzimática del forraje de maíz se había aumentado hasta el 240%, y la digestibilidad del rumiado in situ había aumentado el 19% (del 63,0% digerible al 77,4%) sobre el material que se había tratado en el aparato de tornillo en tambor sin amoníaco. El procedimiento de tornillo en tambor dio también resultados muy comparables con el procedimiento discontinuo, llevando a la conclusión de que se prueba que tal procedimiento puede hacerse tan eficaz como el procedimiento discontinuo.
Otros resultados de las pruebas también son alentadores. Se desea una reducción de la lignina aparente y se ha conseguido con una disminución media del 11,9% (reducción máxima del 20,9%, de 8,42% a 6,66%). Se ha observado también una alta velocidad de digestión. Las velocidades de digestión más altas fueron 2,3 veces la velocidad de digestión experimentada por el testigo usado en las pruebas respectivas. Finalmente, el mayor nivel de reducción de celulosa y hemicelulosa observado durante las pruebas implica utilización de estos constituyentes.
El sistema de la presente invención puede usarse para recuperar el gas separado por la campana 11. Se usa recepción de gas (amoníaco) convencional. Este aspecto de la presente invención es muy conocido por los expertos en la técnica.
Pueden usarse diversos tipos de equipo para practicar la presente invención. Pueden modificarse extrusores de plásticos para practicar la invención. También pueden modificarse desfibriladores de pasta de papel para realizar el procedimiento de la presente invención, en los que el tornillo está en relación de contacto estrechamente espaciada con un tambor. Todas estas variaciones serán obvias para los expertos en la técnica.
Se pretende que la descripción anterior sea sólo ilustrativa de la presente invención y que la presente invención esté sólo limitada por las reivindicaciones adjuntas que siguen.

Claims (15)

1. Un procedimiento para aumentar la disponibilidad del contenido de azúcar celulósico y la digestibilidad de un material celulósico poniendo en contacto el material celulósico con amoníaco líquido, que impregna el material celulósico, y reduciendo rápidamente después la presión para expandir por ello el material celulósico por expansión gaseosa del amoníaco líquido a un gas que aumenta la disponibilidad del contenido de azúcar y la digestibilidad del material celulósico, en el que el procedimiento comprende las etapas de:
(a) Inyectar amoníaco líquido y el material celulósico a un tornillo (17, 100, 101, 102) en un tambor calentado (16) que tiene una boca de alimentación que conduce al tornillo (17, 100, 101, 102) en contacto rotativo con el tambor a lo largo de parte de una longitud del tornillo de manera que el tornillo está cerrado en funcionamiento, con una entrada (14) para alimentar el amoníaco líquido a la boca de alimentación bajo presión al tornillo y con salida calentada del tambor adyacente al tornillo;
(b) Compactar el amoníaco líquido y el material celulósico por rotación del tornillo (17, 100, 101, 102) en el tambor;
(c) Separar el amoníaco líquido y el material celulósico del tambor (16) a través de la salida del extrusor de manera que el amoníaco líquido se expande explosivamente de líquido a gas en el material celulósico; y
(d) Recuperar el amoníaco líquido como gas del material celulósico.
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2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el tambor (16) está a una temperatura entre aproximadamente 30ºC y 100ºC.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el material celulósico es forraje o paja de maíz.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el material celulósico se muele entre aproximadamente 0,254 y 25,4 mm y contiene entre aproximadamente 10% y 80% en peso de humedad, en base a peso seco del material celulósico antes de introducirse en la boca de alimentación del tornillo (17, 100, 101, 102) en el tambor (16) del aparato.
5. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 o 4, en el que se proporciona un medio de troquel en el tambor (16) que comprime el material celulósico antes de separar del tornillo (17, 100, 101, 102) en el tambor (16) del aparato.
6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 o 4, en el que se proporciona un bloque de troquel (18) en la salida del tambor del aparato, en el que el bloque de troquel (18) se calienta entre 30 y 100ºC y en el que se proporciona el troquel (18A) en el bloque de troquel (18) que comprimía el material celulósico antes de separarlo del aparato de tambor.
7. Un aparato para producir un material celulósico expandido explosivamente, que comprende:
(a) Al menos un tornillo rotativo (17, 100, 101, 102) montado en un tambor (16) de un extrusor con extremos opuestos, una entrada de alimentación (20) para el material celulósico al tornillo (17, 100, 101, 102) a través del tambor (16), y una salida de alimentación desde el tornillo y el tambor (16), y medios de calentamiento y enfriamiento entre los extremos del tambor (16);
(b) Un depósito de suministro (54) que contiene amoníaco líquido bajo presión;
(c) Una tubería de suministro con una bomba (50) que conduce a una entrada de líquido (14) al tambor (16) desde el depósito de suministro (54) aguas abajo de la entrada de alimentación en una zona de mezclado que contiene bloques de amasado (200, 201) para mezclar el amoníaco y el material celulósico e impedir que el amoníaco líquido fluya a la entrada de alimentación (14), cuya tubería de suministro contiene una válvula de retención (51) después de la bomba regulada para abrir a una presión del amoníaco líquido a proporcionar a la entrada de líquido y cerrar por encima de la presión de vapor del amoníaco líquido; y
en el que la entrada de líquido (14) al tornillo (17, 100, 101, 102) a través del tambor (16) es intermedia entre los extremos para suministrar el amoníaco líquido desde el depósito de suministro (54), por lo que el amoníaco líquido se alimenta al tornillo bajo presión y se mantiene bajo presión en el tambor (16) como amoníaco licuado de manera que un material celulósico que contenga el amoníaco líquido se expanda explosivamente por cambio del líquido a gas por separación del material celulósico del tambor (16) a través de una abertura en un medio de troquel (18) a la salida de la alimentación por rotación del tornillo (17, 100, 101, 102) con al menos un elemento de calentamiento en el medio de troquel (18) adaptado para calentar el medio de troquel (18) para expandir explosivamente el amoníaco líquido por separación del medio de troquel,
en el que el extrusor, la abertura en el medio de troquel y el elemento de calentamiento en el medio de troquel cooperan de tal modo que el material celulósico expandido tiene un aumento del contenido de azúcar disponible total sobre el material celulósico antes de ser introducido en la entrada de alimentación (20) y en el que un elemento de tornillo adyacente al medio de troquel en la salida de alimentación está conificado interiormente hacia un eje longitudinal del tornillo para forzar que salga el material celulósico con el amoníaco líquido del medio de troquel.
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8. El aparato de la reivindicación 7, en el que el medio de troquel (18) tiene una abertura que está conificada interiormente de tal modo que el material celulósico es comprimido por el medio de troquel antes de separar.
9. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que se proporcionan bloques de amasado (200, 201) en el tornillo aguas arriba de la entrada de líquido (14), que, con el material celulósico, actúan para impedir que fluya el líquido a la entrada de alimentación.
10. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que la entrada de líquido se proporciona con un depósito de líquido (54) para guardar el líquido y se proporciona una bomba de líquido (50) en la conexión entre el depósito y para proporcionar el líquido a la entrada de líquido.
11. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que la entrada de líquido (14) se proporciona con una válvula de control (57) para regular una cantidad del líquido suministrado a la entrada de líquido.
12. El aparato según la reivindicación 7, en el que un elemento de tornillo del tornillo adyacente a la salida de alimentación está conificado interiormente hacia un eje longitudinal del tornillo y en el que el elemento de tornillo tiene rastras de tornillo y una de las rastras adyacente a la salida de alimentación proporciona el extremo conificado, para cerrar por encima de la presión de vapor del líquido, y en el que un espacio confinado en el que se pone el sistema separado de operadores del aparato y se purga continuamente del amoníaco liberado del material celulósico expandido explosivamente; y
medios de separación de gas adyacentes al medio de troquel o separar amoníaco que se libera del amoníaco líquido y el material celulósico por expansión explosiva del material celulósico fuera del medio de troquel.
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13. El aparato de la reivindicación 12, en el que el medio de troquel (18) tiene una abertura que está conificada interiormente de tal modo que el material celulósico se comprime por el medio de troquel antes de separarse del medio de troquel.
14. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13, en el que la entrada de líquido en el extrusor se proporciona con una válvula de control para regular una cantidad del líquido suministrado a la entrada de líquido.
15. Un aparato según la reivindicación 7, en el que la configuración del tornillo en el extremo de salida está conificada con elementos de tornillo curvo y los elementos de tornillo aguas arriba y aguas abajo de elementos de bloque de amasado que proporcionan una zona de mezclado intermedia entre los extremos del tornillo; en el que
se proporciona amoníaco líquido al material celulósico en la zona de mezclado bajo una presión por debajo de la presión de vapor del amoníaco líquido, en el que la zona de mezclado mezcla el amoníaco líquido con el material celulósico y para impedir que el amoníaco líquido fluya a la entrada de alimentación; y en el que
un medio de troquel calentado en la salida de alimentación con un elemento de calentamiento en el medio de troquel, en el que la salida al medio de troquel define una abertura que es el 60% de la superficie específica de la abertura a la entrada al medio de troquel.
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