ES2341734T3 - Pretratamiento sin presurizacion, hidrolisis enzimatica y fermentacion de fragmentos de residuos. - Google Patents
Pretratamiento sin presurizacion, hidrolisis enzimatica y fermentacion de fragmentos de residuos. Download PDFInfo
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Abstract
Un proceso para la producción de productos de fermentación a partir de fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos que tienen un contenido de materia seca por encima del 20% que involucra el sometimiento de dichos fragmentos de residuos a: - pretratamiento sin presurización - hidrólisis enzimática - fermentación en el que el pretratamiento sin presurización y la hidrólisis enzimática se realizan en un único recipiente o dispositivo similar usando la mezcla por caída libre para el procesamiento mecánico de los residuos.
Description
Pretratamiento sin presurización, hidrólisis
enzimática y fermentación de fragmentos de residuos.
La presente invención se refiere a un proceso
para la producción de bioetanol u otros productos de fermentación
útiles mediante el pretratamiento sin presurización, hidrólisis
enzimática y fermentación de fragmentos de residuos que contienen
mono y/o polisacáridos, que tienen un alto contenido de materia seca
y opcionalmente que contienen grandes partículas. El proceso
completo desde el pretratamiento sin presurización pasando por la
hidrólisis enzimática y la fermentación hasta la clasificación de
los sólidos en fermentables y no fermentables se puede procesar con
un alto contenido en materia seca en un único recipiente sin ningún
transporte de la masa. La mezcla realizada en este único recipiente
se basa en el principio de la mezcla por caída libre.
Los procesos domésticos, industriales y
agrícolas, las operaciones municipales y el procesamiento
alimenticio generan fragmentos de residuos y subproductos que
contienen azúcares poliméricos y/o monoméricos, por ejemplo en la
forma de glucosa, almidón, celulosa y hemicelulosa. Hoy en día la
mayoría de los fragmentos de residuos generados en los hogares y en
la industria o bien se depositan o bien se incineran. La deposición
de los fragmentos de residuos está relacionada con varios problemas
medioambientales, de salud y logísticos y por lo tanto está
convirtiéndose en cada vez más restringido en muchos países como por
ejemplo, en los países de la UE. El tratamiento alternativo
principal es la incineración de los residuos. En países con sistemas
de calefacción urbana ampliamente distribuidos como por ejemplo en
Dinamarca, las plantas de recuperación de energía que convierten el
residuo combustible por ejemplo en electricidad y calefacción
urbana, proporcionan una utilización totalmente provechosa del
contenido energético del residuo. Sin embargo, para la mayoría de
los países sin sistemas de calefacción urbana la generación pura de
energía con el residuo se realiza con una eficiencia muy baja.
Adicionalmente, la incineración de residuos
produce un cúmulo de nuevos problemas medioambientales,
principalmente emisiones de NO_{x}, SO_{2} y dioxinas. Una
inversión significativa en sistemas de limpieza del gas de salida
puede reducir, pero no eliminar tales problemas. Adicionalmente
aproximadamente el 20% de los residuos no son combustibles y se
depositan como escorias y cenizas volantes. Hoy en día parte de la
escoria se utiliza como materiales de base en trabajos de
construcción, pero en el futuro se deben esperar restricciones
dentro de tales áreas, principalmente debido al hecho de que el
alto contenido de metales pesados en las escorias, puede impedir
tal utilización.
De ese modo, la vasta cantidad de residuos
generados por la sociedad moderna se está convirtiendo en un
problema sin soluciones obvias. Las comunidades locales, las
industrias así como la sociedad en general tienen un considerable
interés en el desarrollo de procesos para convertir los fragmentos
de residuos de una forma amigable con el medio ambiente en
materiales de un alto valor. De ese modo, a modo de ejemplo varios
fragmentos de residuos potencialmente se podrían convertir en
bioetanol u otros productos bioquímicos mediante el uso de
microorganismos y/o enzimas hidrolíticas.
En general las etapas del proceso clave en la
producción de bioetanol u otros productos de fermentación útiles a
partir de los poli, di y monosacáridos que contienen los fragmentos
de residuos se pueden dividir en cinco etapas principales, cada
etapa procesada en uno o más recipientes separados:
- \bullet
- Clasificación y triturado de los fragmentos de residuos
- \bullet
- Pretratamiento
- \bullet
- Hidrólisis
- \bullet
- Fermentación
- \bullet
- Recuperación del producto, por ejemplo etanol.
La presente invención permite de modo
sorprendente que se realicen las etapas del pretratamiento e
hidrólisis en un único recipiente bien en procesos por lotes,
semi-lotes o continuos y los procesos de la presente
invención como tales no se basan en ninguna clasificación y
triturado previo de los fragmentos de residuos. Adicionalmente, la
fermentación, clasificación y recuperación del producto, por ejemplo
etanol, se puede realizar también en el mismo recipiente.
En las descripciones de procesos que involucran
la fermentación de fragmentos de residuos no homogéneos, la primera
etapa es normalmente un proceso muy complicado de sistemas
clasificación y triturado para los residuos. La finalidad es
obtener una suspensión orgánica espesa capaz de ser procesada en
tanques de agitación. Los fragmentos restantes deberían ser
reciclables en grado sumo. Un ejemplo de tal sistema se describe en
la Patente de Estados Unidos US4094740 A.
Se requiere en general el pretratamiento si la
hidrólisis posterior (por ejemplo la hidrólisis enzimática) de los
polisacáridos requiere la rotura de una estructura por otro lado
protectora (por ejemplo lignina) de los materiales vegetales. Se
conocen varias técnicas de pretratamiento dentro por ejemplo del
campo de la producción de bioetanol. Los procesos de pretratamiento
se pueden basar en por ejemplo hidrólisis ácida, explosión de
vapor, oxidación, extracción con álcali o etanol, etc. Una
característica común de las técnicas de pretratamiento es que
combinada con la acción de posibles reactivos añadidos se aprovecha
del ablandamiento y disgregación de los materiales vegetales que
tienen lugar a temperaturas por encima de 100ºC, es decir un proceso
que requiere la aplicación de presión.
A continuación del pretratamiento y
opcionalmente del pretratamiento mecánico, la siguiente etapa en la
utilización de los mono y/o polisacáridos contenidos en los
fragmentos de residuos para la producción de bioetanol u otros
bioquímicos es la hidrólisis del almidón, celulosa y hemicelulosa
liberados en azúcares fermentables. Si se realiza de modo
enzimático requiere un gran número de diferentes enzimas con
diferentes modos de acción. Las enzimas se pueden añadir
externamente o pueden proporcionarlas los microorganismos que crecen
en la biomasa.
La celulosa se hidroliza en glucosa mediante las
celulasas carbohidrolóticas. La interpretación más frecuente del
sistema celulolítico divide las celulasas en tres clases;
exo-1,4-\beta-D-glucanasas
o celobiohidrolasas (CBH) (EC 3.2.1.91), que dividen las unidades
de celobiosa desde los extremos de las cadenas de celulosa;
endo-1,4-\beta-D-glucanasas
(EG) (EC 3.2.1.4), que hidrolizan los enlaces internos
\beta-1,4-glucosídicos
aleatoriamente en la cadena de celulosa;
1,4-\beta-D-glucosidasa
(EC 3.2.1.21), que hidroliza la celobiosa en glucosa y también
divide las unidades de glucosa de celooligosacáridos.
Los diferentes azúcares en la hemicelulosa se
liberan mediante las hemicelulasas. El sistema hemicelulítico es
más complejo que el sistema celulolítico debido a la naturaleza
heteróloga de la hemicelulosa. El sistema involucra entre otras las
endo-1,4-\beta-D-xilanasas
(EC 3.2.1.8), que hidrolizan los enlaces internos de la cadena de
xilano; las
1,4-\beta-D-xilosidasas
(EC 3.2.1.37), que atacan los xilooligosacáridos desde el extremo
no reducido y liberan xilosa; las
1,4-\beta-D-manosidasas
(EC 3.2.1.25), que dividen los manooligosacáridos en manosa. Los
grupos laterales se eliminan mediante un número de enzimas;
\alpha-D-galactosidasas (EC
3.2.1.22),
\alpha-L-arabino-furanosidasas
(EC 3.2.1.55),
\alpha-D-glucuronidasas (EC
3.2.1.139), cinamoil esterasas (EC 3.1.1), acetil xilano esterasas
(EC 3.1.1.6) y feruloil esterasas (EC 3.1.1.73).
Las enzimas más importantes para utilización en
la hidrólisis de un polisacárido tal como un almidón son las
alfa-amilasas
(1,4-\alpha-D-glucano
glucanohidrolasas (EC 3.2.1.1)). Éstas son hidrolasas de acción
interna que dividen los enlaces
1,4-\alpha-D-glucosídicos
y pueden eludir pero no pueden hidrolizar los puntos de
ramificación
1,6-alfa-D-glucosídicos.
Sin embargo, también se pueden usar las glicoamilasas de acción
externa tales como la beta-amilasa (EC 3.2.1.2) y
la pululanasa (EC 3.2.1.41) para la hidrólisis del almidón. El
resultado de la hidrólisis del almidón es principalmente glucosa,
maltosa, maltotriosa, \alpha-dextrina y cantidades
variables de oligosacáridos. Cuando se usa un hidrolizado basado en
almidón para la fermentación la adición de enzimas proteolíticas
puede ser ventajosa. Tales enzimas
pueden impedir la floculación del microorganismo y puede generar aminoácidos disponibles para el microorganismo.
pueden impedir la floculación del microorganismo y puede generar aminoácidos disponibles para el microorganismo.
En combinación con el pretratamiento y la
hidrólisis enzimática de la biomasa lignocelulósica, se ha
descubierto que el uso de enzimas oxidativas puede tener un efecto
positivo en la hidrólisis global así como en la viabilidad de los
microorganismos empleados para por ejemplo la fermentación
posterior. La razón para este efecto es la reticulación oxidativa
de ligninas y otros inhibidores fenólicos tal como se producen por
las enzimas oxidativas. Típicamente se utilizan la lacasa (EC
1.10.3.2) o la peroxidasa (EC 1.11.1.7) tanto externamente como
mediante la incorporación de un gen de lacasa en el microorganismo
aplicado.
Los procesos de fermentación usados en relación
con la producción de bioetanol y otros productos de fermentación
útiles a partir de fragmentos de residuos que contienen mono y/o
polisacáridos es básicamente una reacción química que divide las
moléculas orgánicas complejas tales como los mono y/o polisacáridos,
en constituyentes más simples tales como etanol, dióxido de carbono
y agua, a través de la acción de la levadura (estándar, cultivada o
manipulada) y/o bacterias o cualquier otro microorganismo capaz de
producir etanol u otros productos químicos específicos a partir de
las hexosas y pentosas presentes.
La recuperación del producto, por ejemplo
etanol, a partir del mosto en fermentación es un proceso estándar
dividido normalmente en tres procesos principales: separación del
mosto, donde los sólidos se separan de la solución de etanol/agua,
rectificación, donde se recupera el etanol a partir de la solución
acuosa y deshidratación, donde se elimina el último agua del
etanol. El proceso de recuperación no se describirá adicionalmente,
dado que los procesos son muy similares a los sistemas de
destilación estándar usados por ejemplo en la industria de
producción de etanol basado en almidón y azúcar.
Vistos separadamente el pretratamiento y varias
de las etapas del proceso posteriores que conducen a la producción
de bioetanol a partir de fragmentos de residuos orgánicos se han
descrito con anterioridad.
El documento US4342830A describe un proceso para
el pretratamiento térmico de una materia orgánica tales como
residuos comerciales, industriales, agrícolas, domésticos y de
restaurantes en un mezclador del tipo tambor, con un tambor
giratorio perforado interior y un tambor fijo exterior. El
recipiente está bajo presión y se añade vapor para ablandar la
materia orgánica del residuo. Mediante la despresurización
momentánea del tambor exterior, la materia orgánica ablandada se
fuerza través de las perforaciones del tambor interior, y se realiza
de ese modo una clasificación de las materias orgánicas e
inorgánicas. De ahí, el residuo se tritura intensivamente antes de
la hidrólisis adicional. La materia orgánica se puede usar
posteriormente para varias finalidades incluyendo la producción de
etanol, sin embargo, ninguno de estos procesos ni la hidrólisis se
describe como que tiene lugar en el mismo recipiente que el del
pretratamiento.
El documento US4093516A describe el
pretratamiento mecánico, el pretratamiento térmico, la hidrólisis
química y la sacarificación, fermentación y recuperación del
etanol, sin embargo el método se basa en fragmentos de residuos con
un bajo contenido de materia seca tal como residuos urbanos licuados
o aguas residuales.
El documento CZ9602835A3 describe un proceso
para la producción de etanol basado en materiales que contienen
lignocelulosa y almidón. Los materiales se hidrolizan en un
recipiente a presión térmico del tipo de tambor. La hidrólisis
enzimática de la lignocelulosa restante se realiza en un recipiente
diferente y la masa resultante se transfiere a aún otro recipiente
de fermentación, de ese modo, no se sugiere en este documento el uso
de un único recipiente para el pretratamiento y la hidrólisis.
El documento US4094740A describe un proceso que
comprende un sistema de clasificación de residuos en 15 etapas
basado en un sistema de fraccionamiento húmedo para la producción de
etanol a partir de residuos sólidos urbanos. Los residuos orgánicos
se muelen e hidrolizan posteriormente mediante hidrólisis ácida
presurizada para por ejemplo una producción de etanol
posterior.
El documento US5637502 describe un proceso para
la utilización de residuos sólidos urbanos en la producción de
etanol. El proceso funciona con residuos en pulpa con un contenido
de materia seca por debajo del 20%. El residuo se calienta bajo
presión en un tanque de agitación. Se realiza la hidrólisis con
enzimas y la glucosa producida se recupera continuamente a través
de una unidad de clasificación en cinco etapas.
El documento WO 8201483 describe un proceso para
la producción de productos de fermentación a partir de residuos,
que comprende un pretratamiento en un tambor giratorio, en el que se
somete el residuo a calor y/o presión y se hidroliza el material
parcialmente.
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De ese modo, hay una necesidad de un proceso
simplificado que pueda manejar fragmentos de residuos con un alto
contenido en materia seca y que también permita un tratamiento
eficiente de los fragmentos de residuos sólo parcialmente orgánicos
que contienen grandes partículas de origen también no orgánico. La
presente invención proporciona un proceso capaz de manejar
fragmentos de residuos sin clasificar directamente y evitando de ese
modo el uso de sistemas grandes, costosos y problemáticos
medioambientalmente de clasificación y trituración. Para los
residuos sólidos urbanos, la clasificación en origen, o
alternativamente algún tipo de clasificación central de los
fragmentos orgánicos e inorgánicos se cree que mejora el rendimiento
de los procesos de acuerdo con la presente invención. Para otros
fragmentos un triturado basto de los residuos para abrir las bolsas
y reducir el volumen se cree que mejora el rendimiento de los
procesos de acuerdo con la presente invención.
El pretratamiento en un proceso de acuerdo con
la presente invención se realiza a presión atmosférica lo que
reduce el coste energético, el coste del equipo y las dificultades
mecánicas significativamente. Adicionalmente no se necesita ninguna
adición química en el pretratamiento. Por lo tanto la presente
invención se dirige a fragmentos de residuos en donde los
polisacáridos son principalmente azúcares, almidón o celulosa ya
pretratada como papel, cartón o similares. Por lo tanto los costes
de las enzimas se mantienen también bajos, dado que las amilasas en
general son más baratas que las celulasas. La intención de este
proceso es realizar una extracción de monosacáridos a bajo precio.
Las lignocelulosas sin convertir se pueden clasificar posiblemente
después de la fermentación y usarse por ejemplo en un proceso con
un pretratamiento a alta presión.
La hidrólisis se realiza en la presente
invención enzimáticamente sin desintoxicación previa de la masa.
Adicionalmente se lleva a cabo la hidrólisis en una masa con un
contenido de materia seca por encima del 20% en peso.
La fermentación en esta invención se realiza
también sin ninguna desintoxicación previa. Sólo se necesita la
adición química para el ajuste del pH. Opcionalmente los fragmentos
de residuos licuados se podrían llevar a un recipiente de
fermentación estándar para una sacarificación y fermentación
adicional.
La siguiente etapa del proceso de la producción
de bioetanol u otros productos de fermentación útiles incluye
opcionalmente la clasificación de los fragmentos en residuos
fermentados o fermentables y en sólidos no fermentables. Esta etapa
se puede realizar en los mismos recipientes usados para el
pretratamiento, la hidrólisis y la fermentación. Mediante la
utilización del hecho de que la hidrólisis licúa las partes de los
residuos fermentables mientras que los sólidos no fermentables
permanecen en fase sólida, se puede realizar una clasificación por
ejemplo mediante un sistema de cribado incorporado en o externo al
recipiente.
Adicionalmente es posible realizar la
recuperación del producto, por ejemplo etanol, en uno y el mismo
recipiente. Esto puede ser o bien una recuperación total de por
ejemplo el etanol a partir de la masa fermentada llevada a cabo
mediante el calentamiento y/o vacío, o puede ser una recuperación de
por ejemplo el etanol a partir de los sólidos no fermentados que
permanecen tras la clasificación.
Dentro del campo técnico de la producción de,
por ejemplo, bioetanol no ha sido posible, hasta el momento,
realizar el pretratamiento y la hidrólisis en un único recipiente
que utiliza el principio de la mezcla por caída libre, e incluso
menos realizar el proceso total desde el pretratamiento a la
recuperación del producto en un recipiente.
El principio de la mezcla por gravedad se puede
aplicar a todos los tipos de fragmentos de residuos incluso con
alta viscosidad o presencia de grandes partículas enredadoras con
baja entrada de energía y permite un fácil escalado hacia arriba.
Otro objeto de la presente invención de reducir la introducción de
energía en el pretratamiento mediante el uso del pretratamiento sin
presurización. Se ha descubierto, sorprendentemente, que el
tratamiento de fragmentos de residuos no triturados, parcialmente
orgánicos con un contenido de materia seca por encima del 20% de
acuerdo con la presente invención, da como resultado una hidrólisis
enzimática de más del 60% de la celulosa, hemicelulosa y almidón
presentes originalmente en el residuo en celobiosa, glucosa y
xilosa. Adicionalmente se puede obtener un contenido de etanol por
encima del 4% en volumen sin añadir otros materiales en bruto
fermentables.
La presente invención se refiere a un proceso
para el pretratamiento sin presurización, licuado, sacarificación,
fermentación y clasificación de fragmentos de residuos que contienen
mono y/o polisacáridos. El proceso es adecuado para residuos que
tengan un contenido en materia seca relativamente alto,
preferiblemente por encima del 20%, y que incluyan partículas
relativamente grandes. A diferencia de procesos convencionales el
proceso de acuerdo con la presente invención permite adicionalmente
un tratamiento eficiente de los fragmentos de residuos parcialmente
orgánicos que incluyan partículas grandes. El tratamiento de dicho
material se puede llevar a cabo sin suministro adicional de agua,
desintoxicación o triturado mecánico.
El pretratamiento se puede realizar
opcionalmente mediante la admisión de vapor sin la aplicación de
presión, es decir el recipiente se abre a la atmósfera y el tiempo
de pretratamiento es relativamente corto, es decir en el intervalo
de hasta 120 minutos.
Una característica adicional de la presente
invención es el hecho de que el pretratamiento y la hidrólisis se
realizan en un único recipiente. Adicionalmente el recipiente se
podría usar opcionalmente en la realización de la fermentación y la
separación del caldo fermentable de los fragmentos sólidos no
fermentables mediante un concepto de cribado (consúltense las
figuras 1 y 2). La recuperación del producto, por ejemplo etanol,
bien a partir de la masa de fermentación total o bien a partir de
los fragmentos sólidos se podría realizar también en dicho
recipiente. La mezcla concurrente de los fragmentos de residuos se
realiza en un dispositivo de mezcla, que se basa principalmente en
el principio de gravedad para asegurar la acción mecánica necesaria
de los fragmentos de residuos. Los tipos preferidos de dispositivos
de mezcla son mezcladores por caída libre, tales como mezcladores
de tambor, mezcladores de centrifugado o dispositivos similares.
Adicionalmente, el proceso es particularmente adecuado para la
producción de bioetanol de fragmentos de residuos que contienen
mono y/o polisacáridos con alto contenido de almidón, almidón
refinado, celulosa, hemicelulosa y monosacáridos.
La hidrólisis enzimática se basa en la
combinación de enzimas hidrolíticas que incluyen las enzimas
carbohidrolíticas, así como enzimas oxidativas. La fermentación se
realiza con levadura o cualquier otra clase de microbios
etanolgénicos., microorganismos capaces de utilizar pentosas y/o
hexosas para la producción de bioetanol u otros productos
bioquímicos.
La presente invención incluye tres etapas del
proceso, es decir el pretratamiento sin presurización, la hidrólisis
enzimática y la fermentación. Además se pueden incluir etapas para
la clasificación/recuperación de los fragmentos de residuos y el
producto de fermentación. El pretratamiento y la hidrólisis se
realizan en un único recipiente, mientras que la fermentación,
clasificación y recuperación del producto se puede realizar
opcionalmente en uno y el mismo recipiente que el pretratamiento y
la hidrólisis. Dentro del campo técnico de la producción de
bioetanol no se ha mostrado previamente cómo integrar tales etapas
del proceso en un único recipiente. Numerosos documentos de la
técnica anterior, tales como el US4342830A, CZ9602835A3 y el
US4094740A describen materiales de inicio y etapas de procesos
similares a los reivindicados en la presente invención. Sin embargo
ninguno de ellos describe el pretratamiento sin presurización o la
integración del pretratamiento y la hidrólisis en un único
recipiente, reactor o dispositivo similar. El recipiente de acuerdo
con la presente invención se basa en un principio de mezcla por
caída libre, es decir un mezclador de tambor, un mezclador con un
eje horizontal giratorio que recoge los residuos o dispositivos de
mezcla similares que utilizan el principio de caída libre
(consúltese la figura 2, que muestra un ejemplo de tal dispositivo
de mezcla).
La mezcla realizada en todas las etapas del
proceso de acuerdo con la presente invención sirve al menos para
una cuádruple finalidad.
En primer lugar, asegura un contacto próximo
entre los fragmentos de residuos que contienen poli y/o
monosacáridos y el vapor, las enzimas así como con los
microorganismos usados.
En segundo lugar, el trabajo mecánico realizado
sobre el material durante la mezcla por caída libre ayuda al
rasgado de las grandes partículas por separado y porque ayudará en
el aumento del área superficial del material que aumentará más aún
la accesibilidad de por ejemplo la celulosa y la hemicelulosa a las
enzimas usadas. Para aumentar adicionalmente el trabajo mecánico
sobre el material, se pueden añadir al mezclador bolas de acero o
medios similares que colisionen con el material.
En tercer lugar, la mezcla del material impide
la acumulación local de una alta concentración de celobiosa que
-como es bien conocido para una persona experta en la materia- puede
inhibir por ejemplo las enzimas de celulasa, especialmente las
celobiohidrolasas.
En cuarto lugar, una característica importante
de las enzimas de celulasa es la influencia de los dominios de
unión a celulosa (CBD, del inglés "cellulose binding domains")
sobre el rendimiento de la enzima, los CBD son partes funcionales
de las enzimas que degradan la celulosa. Los CBD permiten la
adhesión de la enzima hidrosoluble en una superficie de substrato
insoluble (celulosa). La cercana asociación entre la enzima y la
celulosa proporcionada por los CBD mejora la velocidad catalítica y
la estabilidad de la enzima. Para hidrolizar la celulosa, la enzima
debe cambiar la posición de los CBD sobre la cadena de celulosa. Se
cree que la acción mecánica, es decir la mezcla por caída libre, es
importante para el movimiento de las CBD y en consecuencia para la
acción enzimática de las enzimas en la cadena de celulosa.
Además de lo anterior se debe hacer notar que la
hidrólisis enzimática y la fermentación se han realizado
tradicionalmente en reactores de tanque agitado equipados con
impulsores, por ejemplo la turbina Rushton o el impulsor Intermig,
montados sobre un eje de impulsor colocado centralmente similar al
que se usa en la industria de fermentación de granos. Usando este
equipo, las disoluciones de alta viscosidad, muy pegajosas o de
material muy seco no se pueden agitar de modo eficiente sino que
dará como resultado zonas con mezcla muy pobre o nula.
Adicionalmente, la agitación de tales mezclas requiere de grandes
introducciones de energía, lo que va en detrimento de la economía
del proceso. Funcionando con fragmentos de residuos que contienen
mono y/o polisacáridos esto ha restringido anteriormente el límite
superior del contenido de materia seca a aproximadamente el 20%. El
principio de mezcla por caída libre supera este problema y se puede
usar para fragmentos de residuos que contengan poli y/o
monosacáridos con contenido de materia seca por encima del 20%.
Aunque el procesamiento de materiales vegetales
no mezclables tales como por ejemplo biomasa que contiene mono y/o
polisacáridos con contenido de materia seca relativamente alto y
tamaño de partículas y fibra media grande, es conocido como
fermentación de estado sólido o bioreactores, donde se usan
mezcladores del tipo centrífugo para la mezcla (por ejemplo
Giovanozzi et ál. 2002), este principio de mezcla no se ha
implementado anteriormente en un proceso combinado en recipiente
único, que comprenda pretratamiento sin presurización, hidrólisis
enzimática y opcionalmente la fermentación y clasificación de los
fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos.
Un ejemplo del pretratamiento sin presurización
de los fragmentos de residuos como se reivindica en la presente
invención es un pretratamiento con vapor sin presurización. Esto se
desvía significativamente de los pretratamientos descritos
anteriormente de biomasas similares, por ejemplo en US4342830A,
US4093516A, CZ960283SA3, US4094740A y US5637502 cuyos procesos han
sido realizados todos bajo presión. El pretratamiento sin
presurización de acuerdo con la presente invención se podría
realizar mediante la inyección de vapor directamente en el
recipiente y/o mediante el calentamiento del recipiente
indirectamente. Opcionalmente se puede usar un ajuste de pH para
mejorar el impacto del pretratamiento. El pretratamiento de los
fragmentos de residuos se aplica simultáneamente con la mezcla
basada en caída libre.
La finalidad del pretratamiento de acuerdo con
la presente invención es minimizar la cantidad de microorganismos
no deseados a través de actividades biocidas previas al tratamiento
enzimático de hecho. Los ejemplos de tales actividades son la
radiación radiactiva, la radiación UV y la electroporación. Mediante
el uso de tratamiento térmico como opción, tiene lugar, además del
efecto biocida, el ablandamiento de la biomasa procesada tal como
diversos fragmentos de papel, la rotura de la estructura interna de
la biomasa con alto contenido en agua y bajo contenido en lignina
tales como vegetales y la apertura de las estructuras del almidón.
Si un rendimiento adecuado de la hidrólisis posterior de los
polisacáridos requiere la descomposición de una estructura por otro
lado protectora (por ejemplo lignina) del material lignocelulósico
original, se puede requerir un pretratamiento presurizado. Sin
embargo, la finalidad del pretratamiento de acuerdo con la presente
invención no es romper las estructuras protectoras de la biomasa no
procesada o similar, sino más bien delimitar la actividad
microbiana y ablandar los fragmentos de residuos procesados. Los
procesos de pretratamiento sin presurización se basan
preferiblemente en la admisión de vapor, pero se pueden suplementar
opcionalmente con compuestos ácidos o alcalinos.
El pretratamiento sin presurización de los
fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos de
acuerdo con la presente invención utiliza preferiblemente vapor para
calentar el residuo hasta aproximadamente 100ºC. Esto se desvía
significativamente de los pretratamientos descritos previamente
dentro del campo técnico, por ejemplo el proceso descrito en la
Patente de Estados Unidos US4342830A en la que se utiliza el
tratamiento presurizado del sustrato. La utilización de
biomasa/sustrato con un alto contenido de materia seca, tales como
los fragmentos de residuos de acuerdo con la presente invención, en
la producción de bioetanol y la utilización de la mezcla por caída
libre a través de todas las etapas del proceso no ha sido descrita
previamente.
Todos los fragmentos descritos, se pueden
someter opcionalmente a algún tipo de pretratamiento mecánico tales
como clasificación, triturado o desfibrado antes de que se utilicen
en el proceso real de acuerdo con la presente invención. Sin
embargo, el pretratamiento mecánico como tal no constituye parte de
la invención. En la mayoría de los procesos descritos previamente
para la producción de bioetanol, por ejemplo CZ960283SA3, US4094740A
y US5637502 ha sido una absoluta necesidad triturar o desfibrar o
reducir en otro modo el tamaño de las partículas de la
biomasa/sustrato usado para realizar la producción de etanol
apropiadamente. El proceso de acuerdo con la presente invención
puede manejar y procesar fragmentos de residuos que contienen mono
y/o polisacáridos con contenidos de materia seca por encima del 20%
y que contienen partículas grandes, sin suministro de agua
adicional o triturado mecánico lo que es una obvia ventaja en
relación con, por ejemplo, la economía del proceso.
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A continuación del pretratamiento sin
presurización, la siguiente etapa en la utilización de fragmentos de
residuos que contienen mono y/o polisacáridos para la producción de
bioetanol u otros bioquímicos es la hidrólisis del almidón,
celulosa y hemicelulosa liberados en azúcares fermentables. Si se
realiza de modo enzimático esto requiere un gran número de
diferentes enzimas con diferentes modos de acción. Las enzimas se
pueden añadir externamente o pueden proporcionarlas los
microorganismos que crecen en la biomasa, por ejemplo en los
fragmentos de residuos.
Antes de añadir las enzimas o los
microorganismos productores de enzimas se debe ajustar la
temperatura y el pH de acuerdo con los óptimos para las enzimas en
cuestión. Se puede realizar opcionalmente la refrigeración y
calentamiento de la masa mediante la circulación de agua fría o
caliente (por ejemplo agua de calentamiento urbano) a través de una
camisa del recipiente mediante la inyección de vapor o agua fría
directamente en el recipiente. Previamente a la hidrólisis
enzimática puede ser necesario añadir agua adicional para alcanzar
un contenido de materia seca apropiado, aunque aún excediendo el
20%, para las enzimas. El pH se puede ajustar continuamente
mediante la inyección de disoluciones ácidas o alcalinas diluidas en
el recipiente. Adicionalmente, se puede controlar el pH mediante
una unidad de medición de pH en línea.
La finalidad del proceso de hidrólisis
enzimática es parcialmente comenzar el licuado en las condiciones de
enzimas óptimas, lo que a menudo se desvía de las condiciones de
fermentación óptimas, y parcialmente para licuar fragmentos de los
residuos para reducir la viscosidad y preparar de ese modo los
fragmentos para la sacarificación y fermentación posteriores. La
duración de la etapa de hidrólisis puede ser de hasta 24 horas
dependiendo de la composición y consistencia de los fragmentos de
residuos.
Las enzimas capaces de efectuar una conversión
del almidón, celulosa y hemicelulosa o partes de los mismos en
glucosa, xilosa y celobiosa se añaden a la biomasa o bien en forma
nativa o bien en forma de organismos microbianos que dan lugar al
crecimiento de tales enzimas. Se producirán mezclas especiales de
enzimas para cada fragmento de residuo individual dependiendo de
por ejemplo la composición del fragmento. Se pueden añadir de la
misma forma otros aditivos para mejorar la actividad de la
enzima.
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El proceso de fermentación se puede realizar en
el mismo recipiente en el que tuvo lugar previamente el
pretratamiento sin presurización así como la hidrólisis enzimática.
Opcionalmente la masa parcialmente fermentada se podría transportar
a otro recipiente de fermentación para una fermentación final.
El proceso de fermentación se realiza mediante
la adición de levadura (estándar, cultivada o manipulada),
bacterias termofílicas o cualquier otro microorganismo capaz de
producir bioetanol u otros bioquímicos específicos a partir de las
hexosas y pentosas presentes en la masa parcialmente hidrolizada. Se
prefiere bajo ciertas circunstancias la adición de enzimas
adicionales a la masa simultáneamente con la adición de levadura.
Antes de que pueda comenzar la fermentación y durante el proceso de
fermentación en sí, se ajusta opcionalmente la temperatura y el pH
de la masa de acuerdo con la temperatura y el pH óptimos para el
microorganismo usado. La fermentación puede ser anaeróbica y la
levadura u otros microorganismos etanolgénicos se pueden añadir
externamente (por ejemplo a partir de semillas fermentadoras).
Alternativamente los microorganismos se pueden criar en el proceso
de fermentación en sí mismo mediante la adición de aire, oxígeno o
cualquier otro aditivo que contenga oxígeno a la fermentación. Para
algunos fragmentos de residuos puede ser necesario añadir por
ejemplo fuentes de nitrógeno, nutrientes así como vitaminas para
realizar el proceso de fermentación apropiadamente.
Alternativamente el proceso de fermentación
podría incluir la recuperación continua del etanol o la recuperación
continua de los otros bioquímicos del recipiente, dependiendo de la
temperatura de funcionamiento.
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La clasificación de los fragmentos en
fermentados o fermentables y en los sólidos no fermentables se
podría realizar en el mismo recipiente usado para el pretratamiento
sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación. Como la
hidrólisis licúa o licúa parcialmente las partes fermentables de los
fragmentos de residuos mientras que la mayoría de los sólidos no
fermentables permanecen en fase sólida, se puede realizar una
clasificación mediante por ejemplo un sistema de cribado
incorporado en el recipiente.
El sistema de cribado incorporado podría por
ejemplo ser un tambor giratorio con perforaciones internas que
realiza la mezcla y separación de los sólidos no convertidos de los
sólidos licuados. Alternativamente podría ser un dispositivo de
criba en un tambor fijo, que se mantiene limpio mediante la rotación
de los dispositivos de mezcla. La finalidad de la etapa de
clasificación es retener la parte principal del producto final, por
ejemplo bioetanol, en la fase líquida mientras que la parte
principal de los sólidos no convertibles permanecerán en el
fragmento sólido. El producto mantenido en la fracción sólida del
recipiente se podría recuperar mediante calentamiento de la
fracción por encima de su punto de ebullición y el condensado
posterior de los vapores antes del vaciado del recipiente.
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La figura 1 muestra un diagrama esquemático del
principio de la invención. En el ejemplo mostrado, se colocan
residuos en un recipiente en el que se realiza el pretratamiento sin
presurización, la hidrólisis, la fermentación y la separación
mediante la adición de vapor, enzimas y levadura/microorganismos. El
mosto de etanol se retira opcionalmente para un procesado adicional
mientras que se descarga el residuo sólido.
La figura 2 muestra un ejemplo de un mezclador
por gravedad adecuado para la presente invención. Un tambor
interior perforado separa los fragmentos de residuos fermentables y
no fermentables. El proceso de acuerdo con la presente invención se
puede realizar usando los siguientes parámetros técnicos
preferidos.
Para todos los fragmentos de residuos, el tamaño
de partícula no es una limitación para el procesamiento del
residuo. Sólo la dimensión del equipo podría limitar el tamaño
máximo de partículas del residuo. Es posible por lo tanto manejar y
utilizar residuos sin clasificar y sin triturar con por ejemplo
partículas de 1000 mm a todo lo largo del proceso completo.
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Los fragmentos de residuos que contienen mono
y/o polisacáridos de acuerdo con la presente invención incluyen
cualquier material que contiene azúcares poliméricos y/o monoméricos
por ejemplo en la forma de almidón así como almidón refinado,
celulosa, hemicelulosa y/o di y/o monosacáridos. El tratamiento del
material caracterizado a continuación se puede realizar sin adición
suplementaria de agua o triturado mecánico.
Los tipos relevantes de residuos que contienen
mono y/o polisacáridos pueden incluir:
Fragmentos de residuos derivados de hogares
tales como por ejemplo:
- \bullet
- Residuos sólidos urbanos (RSU) sin clasificar
- \bullet
- RSU procesados en algún dispositivo central de clasificación, triturado o desfibrado tales como por ejemplo Dewaste® o reCulture®
- \bullet
- Residuos sólidos clasificados en los hogares, incluyendo tanto fragmentos orgánicos como fragmentos ricos en papel.
- \bullet
- Fragmentos de combustible derivado de desechos
\vskip1.000000\baselineskip
Fragmentos de residuos derivados de la industria
tales como por ejemplo:
- \bullet
- Fragmentos de residuos industriales generales que contienen papel u otros fragmentos orgánicos tratados ahora como residuos domésticos.
- \bullet
- Fragmentos de residuos de la industria papelera, por ejemplo de instalaciones de reciclado
- \bullet
- Fragmentos de residuos de la industria de alimentación.
- \bullet
- Fragmentos de residuos de la industria médica
\vskip1.000000\baselineskip
Fragmentos de residuos derivados de sectores
relativos a la agricultura o granjas tales como por ejemplo:
- \bullet
- Fragmentos de residuos de procesos que incluyen productos ricos en azúcar o almidón tales como patatas y remolacha.
- \bullet
- Productos agrícolas contaminados o estropeados en otra forma tales como granos, patatas y remolacha no explotables como comida o propósitos alimenticios.
- \bullet
- Desechos del jardín.
- \bullet
- Estiércol o productos derivados del estiércol
\vskip1.000000\baselineskip
Fragmentos de residuos derivados de actividades
reguladas o relacionadas con el municipio, región o estado tales
como por ejemplo:
- \bullet
- Sedimentos de las plantas de tratamiento de aguas residuales
- \bullet
- Fragmentos de fibras o sedimentos del procesamiento de biogas
- \bullet
- Fragmentos de residuos generales del sector público que contienen papel u otros fragmentos orgánicos.
- \bullet
- El contenido de materia seca de los fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos en los procesos de hidrólisis enzimática y fermentación está por encima del 20%, preferiblemente 20-80%, más preferiblemente 20-50%, incluso más preferiblemente 20-45% y el más preferible 20-40%
\vskip1.000000\baselineskip
Si se utiliza un recipiente basado en el
concepto de mezcla por caída libre en la forma de un mezclador de
tambor, se prefieren los siguientes datos técnicos:
- \bullet
- Velocidad de giro: 0-30 rpm, preferiblemente 0-20 rpm, más preferiblemente 0-15 rpm incluso más preferiblemente 0-10 rpm y el más preferible 0-5 rpm.
- \bullet
- Giro con dirección de giro invertida periódicamente,
- \bullet
- Giro en intervalos redefinidos.
Cómo será evidente la velocidad de giro óptima
dependerá del volumen del recipiente, así la velocidad de giro
preferida será relativamente alta cuando el proceso se realiza en un
recipiente relativamente pequeño, mientras que puede ser
relativamente baja cuando el proceso se realiza en un recipiente
relativamente grande.
\vskip1.000000\baselineskip
Si se elige un pretratamiento térmico se
prefieren los siguientes datos técnicos:
- \bullet
- Temperatura de pretratamiento: 60-110ºC, preferiblemente 65-105ºC, más preferiblemente 70-105ºC, incluso más preferiblemente 75-105ºC y el más preferible 80-100ºC
- \bullet
- Tiempo de pretratamiento: 0-120 min, preferiblemente 5-100 min, más preferiblemente 10-90 min, incluso más preferiblemente 20-80 min el más preferible 30-60 min.
- \bullet
- Admisión de vapor de pretratamiento: 0-2 kg/kg de materia seca, preferiblemente 0,01-1,5 kg/kg de materia seca, más preferiblemente 0,02-1,0 kg/kg de materia seca, incluso más preferiblemente 0,03-0,8 kg/kg de materia seca y el más preferible 0,05-0,5 kg/kg de materia seca.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet
- Enzimas para hidrólisis de diversos fragmentos de residuos:
- -
- Celulasas
- -
- Celobiasas
- -
- Hemicelulasas
- -
- Alfa amilasas
- -
- Glico amilasas (AMG)
- -
- Enzimas oxidativas
- -
- Opcionalmente enzimas proteolíticas y lipasas
- \bullet
- Tiempo de tratamiento para la hidrólisis enzimática: 0-98 horas, preferiblemente 0-72 horas, más preferiblemente 0-48 horas, incluso más preferiblemente 0-24 horas y el más preferible 5-15 horas.
- \bullet
- Temperatura para la hidrólisis enzimática (ajustada con referencia a las temperaturas óptimas de las enzimas aplicadas): 20-105ºC, preferiblemente 20-100ºC, más preferiblemente 20-90ºC, más preferiblemente 20-80ºC, incluso más preferiblemente 26-70ºC y el más preferible 30-70ºC.
- \bullet
- pH de la masa de residuos (ajustado con referencia al pH óptimo de las enzimas aplicadas): 3-12, preferiblemente 4-11, tal como 5-10, más preferiblemente 4-9, tal como 6-9, incluso más preferiblemente 4-8, tal como 7-8 y el más preferible 4-5.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet
- Microorganismos para la fermentación de diversos fragmentos de residuo.
- -
- Levadura de panadero estándar (seca, fresca o en cualquier otra forma)
- -
- Cualquier clase de levadura modificada genéticamente o de otro modo
- -
- Cualquier clase de bacterias termofílicas
- -
- Cualquier clase de hongo capaz de producir el producto deseado.
- \bullet
- Tiempo de tratamiento para la fermentación: 1-150 horas, preferiblemente 10-90 horas, más preferiblemente 20-80 horas, incluso más preferiblemente 30-75 horas y el más preferible 40-70 horas.
- \bullet
- Temperatura para la fermentación (ajustada con referencia a las temperaturas óptimas de los microorganismos aplicados): 20-105ºC, preferiblemente 20-100ºC, más preferiblemente 20-90ºC, más preferiblemente 24-80ºC, incluso más preferiblemente 25-70ºC y el más preferible 30-70ºC.
- \bullet
- pH de la masa de residuos. Ajustado con referencia al pH óptimo de los microorganismos aplicados: 3-12, preferiblemente 4-11, tal como 5-10, más preferiblemente 4-9, tal como 6-9, incluso más preferiblemente 4-8, tal como 7-8 y el más preferible 4-5.
\vskip1.000000\baselineskip
Se cargaron 12,2 kg de residuos sólidos urbanos
sin clasificar y sin tratar procedentes del depósito de residuos de
Odense Kraftwarmeværk, correspondientes a una cantidad estimada de
8,5 kg de materia seca, en un mezclador de cemento giratorio
convencional, con un eje horizontal inclinado aproximadamente 10
grados. El mezclador consistía en dos nervaduras internas a lo
largo del eje longitudinal para asegurar la mezcla apropiada del
material. Se montó una tapa en la abertura para mantener los
fragmentos de residuos dentro del tambor y para reducir la
evaporación del mezclador. El tambor del mezclador giraba a lo largo
del eje horizontal con una velocidad de 29 rpm.
\newpage
Se conectó un generador de vapor al tambor
giratorio. Aproximadamente se añadieron 4,5 kg de vapor saturado a
300 kPa manométricos durante un periodo de 35 minutos, de los que 20
minutos se usaron para calentar los fragmentos de residuos y los
restantes 15 minutos fueron el tiempo de retención a
90-96ºC.
El mezclador de cemento se refrigeró hasta 40ºC
retirando la conexión de vapor y se montó un calefactor con
ventilador para mantener una temperatura constante en el intervalo
de 40-45ºC. Se añadieron dos litros de agua dando
como resultado un contenido de materia seca de la masa del 45%.
Se añadieron 1275 ml de Celluclast® 1.5 FG L,
255 ml de Novozym® 188 y 8,5 ml de AMG a la masa de residuos. La
adición de las enzimas Celluclast® 1.5 FG L y la Novozym® 188
correspondió aproximadamente a 15 FPU por g de materia seca.
El mezclador de cemento se calentó hasta
40-45ºC mediante el uso de un calefactor con
ventilador. Se realizó la mezcla/hidrólisis del material durante 9
horas y se interrumpió cada hora para medir el nivel de pH y
ajustarlo a 4-5. El pH de la masa se ajustó
añadiendo gránulos de ácido cítrico al tambor. El proceso dio como
resultado una masa más o menos turbia que contenía partículas
grandes no convertidas, tales como contenedores de plástico, latas
y piezas de vidrio. Se tomaron muestras.
Para determinar el contenido de azúcar de las
muestras resultantes, se centrifugaron durante 15 minutos a 2500
rpm después de lo que el sobrenadante se filtró a través de un
filtro de 0,45 \mum y se analizaron los azúcares en un HPLC.
Después de 9 horas de hidrólisis enzimática con una carga de más de
15 FPU por g de materia seca el sobrenadante contenía 51 g/kg de
glucosa y 10 g/kg de xilosa.
Después de 9 horas de hidrólisis a
40-45ºC se realizaron los procesos de sacarificación
y fermentación simultáneamente mediante la adición de levadura al
mezclador de cemento. Se permitió que la temperatura se enfriara por
debajo de 35ºC después de lo que se añadieron 170 g de levadura
comprimida (levadura de panadero, De Danske Spritfabrikker). Los
procesos de sacarificación y fermentación se continuaron durante 37
horas a 30-35ºC sólo interrumpidos una vez para el
ajuste del pH después de 16 horas.
La sacarificación y fermentación simultáneas
dieron como resultado 32 g/kg de etanol equivalente al 4,5% en
volumen de etanol.
La masa fermentada se cribó y se secaron los
fragmentos sólidos. Los fragmentos sólidos secos completaron 4,6
kg. La materia seca del fragmento líquido no se analizó
adicionalmente.
Se manejaron de la misma forma descrita
anteriormente 25,7 kg de una fuente de residuos sólidos urbanos
clasificados del área de vertido de Klintholm I/S correspondientes
a una cantidad estimada de materia seca de 10,3 kg. La admisión de
vapor dio como resultado un contenido de materia seca de la masa de
aproximadamente el 30%.
Se añadieron a la masa de residuos 1545 ml de
Celluclast® 1.5 FG L, 309 ml de Novozym® 188, 10 ml de
Spirizyme®plus FG (glico amilasa) y 10 ml de Liquozyme® sc ds (alfa
amilasa). La adición de las enzimas Celluclast® 1.5 FG L y Novozym®
188 correspondió aproximadamente a 15 FPU por g de materia seca.
El mezclador de cemento se calentó hasta
40-45ºC mediante el uso de un calefactor con
ventilador. Se realizó la mezcla/hidrólisis del material durante 6
horas y se interrumpió cada hora para medir y ajustar el nivel de
pH a 4-5. El pH de la masa se ajustó añadiendo
gránulos de ácido cítrico al tambor. El proceso dio como resultado
un fango semilíquido que contenía cantidades menores de partículas
no convertidas tales como piezas de plástico, latas y vidrio.
Las muestras se centrifugaron durante 15 minutos
a 2500 rpm. El sobrenadante se filtró a través de un filtro de 0,45
\mum y se analizaron los azúcares en un HPLC. Después de 6 horas
de hidrólisis enzimática con una carga de enzimas de más de 15 FPU
por g de materia seca, el sobrenadante contenía 53 g/kg de glucosa y
12 g/kg de xilosa.
Después de 6 horas de hidrólisis a
40-45ºC se realizaron los procesos de sacarificación
y fermentación simultáneamente mediante la adición de levadura al
mezclador de cemento. Se permitió que la temperatura se enfriara por
debajo de 35ºC y se añadieron 200 g de levadura comprimida
(levadura de panadero, De Danske Spritfabrikker). Los procesos de
sacarificación y fermentación se continuaron durante 39 horas a
30-35ºC sólo interrumpidos una vez después de 13
horas para el ajuste del pH.
La sacarificación y fermentación simultáneas
dieron como resultado 37 g/kg de etanol equivalentes al 5,2% en
volumen de etanol.
Tras la criba de la masa fermentada los
fragmentos sólidos húmedos completaron 6,0 kg. La materia seca del
fragmento líquido no se analizó adicionalmente.
\vskip1.000000\baselineskip
Se cargaron en el reactor piloto 49,6 kg de una
fuente de residuos sólidos urbanos clasificados procedentes del
área de vertido de Klintholm I/S y 16,7 kg de papel (periódicos y
circulares publicitarias) correspondientes a una cantidad estimada
de aproximadamente 33,3 kg de materia seca. El reactor piloto
consiste en un tambor fijo con un tambor interior perforado como se
puede ver en la figura 2, el tambor interior perforado puede girar
a lo largo de un eje horizontal (en direcciones alternativas con una
velocidad de 0-18 rpm). El reactor se equipó con
una camisa de refrigeración/calefacción para el control de
temperatura, que se conectó a un elemento de calefacción eléctrico
y a agua de refrigeración. El reactor se puede conectar también a un
separador de vacío para la recuperación del
etanol.
etanol.
Se añadieron aproximadamente 21 kg de vapor
saturado a 400 kPa manométricos durante un periodo de 60 minutos
mientras se mezclaba -30 minutos de calentamiento y 30 minutos de
pretratamiento a 90ºC-. Para disminuir adicionalmente el contenido
de materia seca de la masa de residuos se añadieron 15 l de agua, lo
que dio como resultado un contenido de materia seca del
30-32%.
Tras el pretratamiento el reactor y el contenido
se refrigeraron a aproximadamente 40ºC con agua de refrigeración en
la camisa de refrigeración del reactor y la adición de pequeñas
cantidades de aire a presión al tambor.
Previamente a la adición de las enzimas el pH de
los fragmentos de residuos se ajustó a aproximadamente 5. Tras esto
se añadieron 5 l de Celluclast® 1.5 FG, y Novozym® 188, 33 ml de
Spirizyme® plus FG y 33 ml de Liquozyme® sc ds. La cantidad de
Celluclast® 1.5 FG y Novozym® 188 corresponde a una dosis de enzimas
de aproximadamente 15 FPU por g de materia seca.
Durante la hidrólisis enzimática se ajustó
continuamente el pH de la masa de residuos mediante la adición de
ácido cítrico sólido al tambor. La hidrólisis cambió la consistencia
de la masa de residuos desde un sólido a un fango semilíquido que
contenía cantidades menores de partículas sin convertir tales como
piezas de plástico, cáscaras y pequeñas astillas.
Después de 6 horas de hidrólisis a
40-45ºC la masa de residuos se refrigeró a 36ºC con
agua de refrigeración en la camisa de refrigeración y pequeñas
cantidades de aire presurizado en el tambor. Tras la refrigeración
se añadieron 666 g de levadura de panadero comprimida (De Danske
Spritfabrikker) al tambor. Los procesos simultáneos de
sacarificación y fermentación (SSF) se continuaron durante 39 horas
a 30-35ºC.
La hidrólisis y los procesos SSF posteriores, es
decir después de 45 horas en total, dieron como resultado 28,8 g/kg
de etanol equivalentes a 4,0% en volumen de etanol.
Después de la SSF se recuperó parte del etanol
en el reactor mediante la conexión de una bomba de vacío y un
condensador refrigerado al reactor.
\vskip1.000000\baselineskip
Se cargaron en el reactor piloto 32,1 kg de RSU
de dos familias durante una semana en bolsas de basura cerradas y
se añadieron 8,1 kg de papel adicional (periódicos y circulares
publicitarias) correspondientes a una cantidad estimada de
aproximadamente 30 kg de materia seca. Para disminuir el contenido
de materia seca de los residuos se añadieron 12,5 l de agua. Para
una descripción detallada véase el ejemplo 2.
Tras la carga, los residuos se calentaron a 90ºC
con la camisa de calentamiento y vapor adicional (400 kPa
manométricos) en la cámara del reactor. Cuando se alcanzaron 90ºC
(comprobados también manualmente mediante un termómetro manual
dentro del tambor), la temperatura se mantuvo ahí durante 30 minutos
mientras se mezclaba. Posteriormente se refrigeró la mezcla a
aproximadamente 50ºC con la camisa de refrigeración mientras que se
ajustaba el pH a aproximadamente 5 mediante la adición de ácido
cítrico sólido.
A la temperatura y pH correctos, se añadieron
enzimas en la forma de: 1,15 l de Celluclast® 1.5 FG, 0,25 l de
Novozym® 188, 30 g de amilasa (NS50033, de Novozymes), 15 g de
Resinase® A2X y 15 g de Alcalase® 2.5L. La cantidad de Celluclast®
1.5 FG y de Novozym® 188 correspondía a una dosis de encima de
aproximadamente 7 FPU por g de materia seca.
Durante la hidrólisis enzimática se ajustó
continuamente el pH de la masa de residuos mediante la adición de
ácido cítrico sólido al tambor.
Aproximadamente 24 horas después de la adición
de las enzimas el residuo ahora viscoso se refrigeró adicionalmente
hasta 33ºC y se añadió la levadura. Poco después de la adición de la
levadura se podía observar la formación de dióxido de carbono como
burbujas en la compuerta de la levadura. Durante los procesos SSF,
se ajustó el pH de la masa mediante la adición de carbonato de
sodio sólido. El proceso se continuó durante una semana.
Después de 24 horas de
pre-hidrólisis seguidas de siete días de SSF el
resultado fueron 22,8 g/kg de etanol equivalentes al 3,2% en
volumen de etanol.
\vskip1.000000\baselineskip
Se han realizado varios experimentos con
diferentes tipos de residuos. Las producciones se muestran a
continuación (volumen de etanol producido por tonelada de materia
seca).
\vskip1.000000\baselineskip
Los resultados demuestran que se pueden producir
considerables cantidades de etanol a partir de RSU incluso con
cargas de enzima bajas en este proceso. Teniendo en cuenta, que la
clasificación tras la fermentación es el punto fuerte de este
proceso, los resultados también ilustran que la clasificación en
origen aumenta la producción por tonelada de materia seca. Los
experimentos con desechos de jardín ilustran la importancia del
pretratamiento a alta temperatura para los fragmentos de residuos
que se componen principalmente de lignocelulosa, y remarca que este
proceso se dirige a la conversión de monosacáridos fácilmente
accesibles en etanol u otros productos de fermentación. Incluso de
ese modo, es posible alcanzar una concentración de etanol de
aproximadamente el 4% en volumen en el caldo de fermentación, lo
que es necesario para mantener la economía en la destilación. Esto
es posible debido al alto contenido de materia seca con el que se
trabaja en este proceso.
Giovannozzi-Sermanni, G.,
D'Annibale, A. Perani, C, Porri, A., Falesiedi, G. (2002).
Solid-state bioreactors for the sustainability.
Dirección de Internet
reCulture®: EP 0921858, EP 97935926.2
Dewaster®: http://www.ewoc.dk/
US 4.342.820 A
US 4.093.516 A
CZ 9.602.835 A3
US 4.094.740 A
US 5.637.502
Claims (17)
1. Un proceso para la producción de productos de
fermentación a partir de fragmentos de residuos que contienen mono
y/o polisacáridos que tienen un contenido de materia seca por encima
del 20% que involucra el sometimiento de dichos fragmentos de
residuos a:
- \bullet
- pretratamiento sin presurización
- \bullet
- hidrólisis enzimática
- \bullet
- fermentación
en el que el pretratamiento sin presurización y
la hidrólisis enzimática se realizan en un único recipiente o
dispositivo similar usando la mezcla por caída libre para el
procesamiento mecánico de los residuos.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
1, en el que dicha fermentación, o parte de ella se realiza en el
mismo dicho recipiente usado para el pretratamiento sin
presurización e hidrólisis enzimática.
3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
2, en el que la recuperación de los productos de fermentación
resultante se realiza en el mismo dicho recipiente usado para el
pretratamiento sin presurización, hidrólisis enzimática y
fermentación mediante la aplicación de calor y/o vacío al
recipiente.
4. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 2 ó 3, en el que se realiza una
clasificación/separación de los sólidos no fermentables de la masa
fermentada en el mismo dicho recipiente usado para el pretratamiento
sin presurización, hidrólisis enzimática y fermentación.
5. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
3, en el que dicha recuperación en el mismo dicho recipiente se
hace sólo a partir de la parte sólida de la masa fermentada tras la
separación/retirada de la parte líquida.
6. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que
contienen mono y/o polisacáridos se derivan de los hogares tales
como por ejemplo residuos sólidos urbanos (RSU) sin clasificar, los
RSU procesados en algún dispositivo central de clasificación,
triturado o desfibrado, fuente de residuos clasificados en hogares,
fragmentos orgánicos y papel rico en fragmentos de residuos,
fragmentos de combustible derivado de desechos.
7. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que
contienen mono y/o polisacáridos se derivan de la industria tales
como por ejemplo fragmentos de residuos industriales generales que
contienen papel u otros fragmentos orgánicos, fragmentos de residuos
de la industria del papel por ejemplo instalaciones de reciclado,
fragmentos de residuos de la industria de la alimentación,
fragmentos de residuos de la industria médica.
8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que
contienen mono y/o polisacáridos se derivan de sectores relativos a
la agricultura y granjas tales como por ejemplo fracciones de
residuos de procesos que incluyen productos ricos en azúcar o
almidón tales como patatas y remolacha, productos agrícolas
contaminados o estropeados en otra forma tales como grano, patatas
y remolacha no explotables para alimentos o finalidades de
alimentación, estiércol, o productos derivados del estiércol.
9. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos fragmentos de residuos que
contienen mono y/o polisacáridos se derivan de actividades reguladas
o relativas a los municipios, regiones o estados tales como por
ejemplo sedimentos de las plantas de tratamiento de aguas
residuales, fragmentos de fibras o sedimentos del procesamiento de
biogas, fragmentos de residuos generales del sector público que
contienen papel u otros fragmentos orgánicos.
10. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que el pretratamiento sin
presurización se realiza utilizando vapor.
11. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que la hidrólisis enzimática de los
fragmentos de residuos que contienen mono y/o polisacáridos se
realiza con enzimas hidrolíticas, suministradas bien en forma
nativa o bien en la forma de organismos microbianos que originan la
acumulación de tales enzimas.
12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
11, en el que dicha hidrólisis enzimática dura al menos hasta 96
horas y con una temperatura que varía desde
20-105ºC.
13. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que dicha fermentación se realiza
mediante la acción de levadura estándar, cultivada o manipulada y/o
bacterias o cualquier otro microorganismo capaz de producir etanol
u otros productos bioquímicos específicos.
14. Un proceso de acuerdo con la reivindicación
13, en el que dicha fermentación dura 1-150 horas
con una temperatura que varía de entre
20-105ºC.
15. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que la mezcla de los fragmentos de
residuos que contienen mono y/o polisacáridos se realiza con
mezcladores por caída libre tales como mezcladores de tambor,
mezcladores centrífugos o dispositivos de mezcla similares.
16. El uso de un material producido por un
proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15,
en un proceso para el procesamiento de bioetanol y/o cualquier otro
producto de fermentación.
17. El uso de un proceso de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1-15 como parte
de un proceso para la producción de bioetanol y/o cualquier otro
producto de fermentación.
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