ES2373808T3 - Procedimiento de tratamiento de biomasa. - Google Patents

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Abstract

Un proceso para el tratamiento de biomasa, que comprende: formar una suspensión de biomasa mezclado biomasa con un fluido de trabajo; inducir la suspensión de biomas para que fluya a través de una entrada (4) hacia el interior de un conducto (3) de un procesador de fluidos (1), presentando el conducto (3) un diámetro considerablemente constante; introducir vapor en una boquilla (16) que comunica con el conducto (3), presentando la boquilla (16) una entrada de boquilla, un cuerpo de boquilla y una salida de boquilla, presentando el cuerpo de boquilla un área de corte transversal menor que la entrada de boquilla o que la salida de boquilla; y acelerar el vapor a través del cuerpo de boquilla e inyectar el vapor a velocidad elevada en el interior de la suspensión que fluye a través del conducto (3).

Description

Procedimiento de tratamiento de biomasa
Campo de la invenci6n
La invenci6n se refiere al procesado de biomasa con la finalidad de producir bio-combustibles. La invenci6n se puede usar en varios procesos usados para la producci6n de bio-combustible y resulta particularmente apropiada, aunque no de forma exclusiva, para el pre-tratamiento de biomasa lignocelul6sica y la fermentaci6n de azucares para dar un alcohol.
La conversi6n de biomasa en bio-combustible ha adquirido gran importancia en los ultimos afos ya que tanto consumidores como productores reconocen los aspectos ambientales y de sostenibilidad que envuelven a los actuales combustibles f6siles. El grueso del bio-combustible existente procede de la fermentaci6n de cultivos de azucar y de cultivos que presentan un elevado contenido en almid6n, pero estos cultivos presentan un elevado valor en aplicaciones alimentarias y su rendimiento de azucar por hectarea es bajo en comparaci6n con el rendimiento de azucar potencial a partir de cultivos de celulosa y hemicelulosa. De este modo, la derivaci6n del bio-combustible procedente de fuentes alternativas de biomasa, tales como biomasa lignocelul6sica formada principalmente por lignina, hemicelulosa y celulosa, es de gran importancia para los productores.
La biomasa lignocelul6sica es una biomasa extremadamente abundante. Incluye todos los arboles y hierbas, asi como tambien residuos agricolas tales como granos de destiladora humedos o secos, fibra de maiz, zuro de maiz y bagazo de cafa de azucar. La biomasa lignocelul6sica se puede convertir en etanol mediante hidr6lisis y posterior fermentaci6n. En la hidr6lisis, la parte celul6sica de la biomasa es convertida en azucares, y la fermentaci6n convierte estos azucares en etanol. Para incrementar el rendimiento de la hidr6lisis, se necesita una etapa de pretratamiento para ablandar la biomasa y romper su estructura celular, exponiendo de este modo mas material de celulosa y hemicelulosa.
Normalmente, los procesos de pre-tratamiento de ruptura son de naturaleza quimica o fisica. Los procesos actuales de pre-tratamiento quimico se basan en un catalizador para lograr la ruptura deseada de las celulas de la biomasa. Este catalizador es comunmente un acido o una enzima. El acido presenta la desventaja de ser nocivo para el medio ambiente, mientras que las enzimas son relativamente caras. El proceso de pre-tratamiento fisico mas comun es la explosi6n de vapor, ejemplos del cual se describen en el documento de EE.UU. 4425433 y en el documento de EE.UU. 4461648. En la explosi6n de vapor, la biomasa se calienta usando un vapor de alta presi6n durante unos pocos minutos, antes de que las reacciones se detengan por medio de descompresi6n subita a presi6n atmosferica. Una desventaja de la explosi6n de vapor es que el proceso debe llevarse a cabo en el interior de un recipiente de proceso apropiado, y de este modo es un proceso no continuo. Ademas, los rendimientos de azucar procedentes de la explosi6n de vapor son comparativamente mas bajos mientras que los costes actuales del proceso son elevados.
Una vez que los azucares se han extraido del material de biomasa, se fermentan con el fin de obtener alcohol. Los procesos convencionales usan levadura para fermentar los azucares, pero la levadura es sensible a la temperatura y es preciso enfriar la biomasa hasta aproximadamente 30 oC antes de que la levadura pueda enfriar los azucares. El enfriamiento de la biomasa no solo aumenta la duraci6n del proceso de fermentaci6n, sino que tambien aumenta el consumo de energia ya que es preciso re-calentar la biomasa fermentada aguas abajo para la destilaci6n.
Es un objetivo de la presente invenci6n obviar o mitigar una o mas de las desventajas anteriormente mencionadas presentes en los actuales procesos de producci6n de bio-combustible.
El documento de EE.UU. 4201596 describe un proceso para llevar a cabo la hidr6lisis acida de materiales residuales celul6sicos, con elevado contenido en s6lidos, por medio del control apropiado de agua y temperatura y a traves del uso de la inyecci6n de vapor directa. La mezcla acuosa de material celul6sico se introduce de forma considerablemente constante en un extremo del reactor tubular, mientras que el otro extremo del reactor presenta un estrechamiento para desarrollar una contrapresi6n en el interior. Se mezcla un acido mineral fuerte con el material celul6sico en una concentraci6n apropiada para catalizar su hidr6lisis, y se inyecta el vapor de forma considerablemente continua en el interior de la mezcla en un punto aguas abajo desde "un" extremo del reactor.
El documento de EE.UU. 2003147301 describe un metodo y un aparato para mezclar el vapor en el interior del flujo de una pulpa de celulosa. Con el fin de obtener una elevada y buena capacidad de mezcla y evitar la generaci6n de ruido, la mezcla de la pulpa de celulosa se lleva a cabo al final de la tuberia, donde la tuberia presenta un aumento de area de al menos 50 %, directamente despues de la mezcla, observado en la direcci6n de flujo de la pulpa de celulosa.
Dos patentes describen un proceso (documento de Gran Bretafa 1028211) y un aparato correspondiente (patente de Gran Bretafa 995660) para preparar glucosa o maltosa a partir de almid6n, en las que se mezcla una suspensi6n acuosa de almid6n con una alfa-amilasa en un tanque, y se somete a gelatinizaci6n y licuefacci6n en un recipiente, en el que se calienta hasta 95 oC por medio de mezcla con vapor procedente de una tuberia y se somete a fuerzas de impacto y/o de cizalladura. El aparato comprende un tubo que tiene al menos un estrechamiento a traves del cual
se pasa la suspensi6n de almid6n, y que presenta en la pared del tubo, mas alla del estrechamiento en la zona de transici6n hasta el corte transversal completo, uno o mas orificios de entrada para el vapor o para la disoluci6n quimica.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invenci6n, se proporciona un proceso para el tratamiento de biomasa, que comprende:
formar una suspensi6n de biomasa por medio de mezcla de biomasa con un fluido de trabajo;
inducir el flujo de la suspensi6n de biomasa a traves de una entrada hacia el interior de un conducto de un procesador de fluidos, presentando el conducto un diametro considerablemente constante;
introducir vapor en una boquilla que comunica con el conducto, presentando la boquilla una entrada de boquilla, un paso de boquilla y una salida de boquilla, presentando el paso de boquilla una area de corte transversal menor que la entrada de boquilla o la salida de boquilla; y
acelerar el vapor a traves del paso de boquilla e inyectar el vapor de elevada velocidad en el interior de la suspensi6n que fluye a traves del conducto.
Cuando se usa la expresi6n "suspensi6n de biomasa" en la presente memoria descriptiva de patente, debe entenderse que la expresi6n describe cualquier suspensi6n formada a partir de un fluido de trabajo y de material de biomasa. Ejemplos no limitantes de tipos de material de biomasa apropiados incluyen productos forestales, productos de madera no tratada, cultivos energeticos y monte bajo de rotaci6n corta, asi como residuos de origen animal, productos industriales y municipales biodegradables procedentes del procesado de alimentos y cultivos altamente energeticos tales como, colza, cafa de azucar y maiz.
Preferentemente, el vapor es inyectado a velocidad supers6nica.
Preferentemente, la boquilla es una boquilla anular que circunscribe el conducto.
Preferentemente, el proceso es un proceso discontinuo en el que la suspensi6n procesada vuelve a la entrada. De manera alternativa, el proceso es un proceso en linea en el que la entrada recibe la suspensi6n procedente de una parte aguas arriba de una tuberia de producci6n de bio-combustible, y el conducto transporta la suspensi6n procesada hasta una parte aguas abajo de la tuberia de producci6n.
Preferentemente, el proceso ademas comprende la etapa de inyectar un primera catalizador en el interior de la suspensi6n. De manera alternativa, el proceso ademas comprende la etapa de inyectar un primer y/o un segundo catalizador en el interior de la suspensi6n. El primer y segundo catalizadores se pueden inyectar de forma simultanea o consecutiva. Cuando el proceso es un proceso por lotes y los catalizadores se inyectan de forma consecutiva, el primera catalizador se inyecta en el interior de la suspensi6n durante un primer periodo de tiempo, y el segundo catalizador se inyecta en la suspensi6n durante un segundo periodo de tiempo que transcurre despues de que haya concluido el primer periodo de tiempo.
Preferentemente, el primer y segundo catalizadores se inyectan en el interior de la suspensi6n a traves de un puerto de aditivo ubicado en el conducto inmediatamente aguas abajo de la boquilla.
Preferentemente, el primera catalizador es un acido. Preferentemente, el segundo catalizador es una enzima.
De manera alternativa, el primer y/o segundo catalizador es un gas que se escoge entre el grupo formado por di6xido de carbono y aire.
Preferentemente, la biomasa es biomasa lignocelul6sica.
En una realizaci6n de la invenci6n, el proceso ademas comprende una etapa de fermentaci6n en la que se introducen uno o mas tipos de microorganismos term6filos en el interior de la suspensi6n de biomasa para convertir los azucares presentes en alcohol.
Preferentemente, el proceso ademas incluye las etapas de:
vaporizar el alcohol en la suspensi6n a media que el vapor es inyectado en la suspensi6n y
separar el vapor de alcohol de la suspensi6n restante.
Preferentemente, la etapa de separaci6n se consigue utilizando un mecanismo de separaci6n en linea. Del modo mas preferido, el mecanismo de separaci6n es un separador vorticial.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invenci6n, se proporciona un aparato para el tratamiento de biomasa, que comprende:
un recipiente de mezcla adaptado para mezclar un suministro de biomas y un suministro de fluido de trabajo para formar una suspensi6n de biomasa;
una bomba adaptada para bombear la suspensi6n desde el recipiente de mezcla; y
al menos un procesador de fluidos adaptado para recibir la suspensi6n del recipiente de mezcla;
en el que el procesador de fluidos comprende:
un conducto para fluidos de diametro considerablemente constante que tiene una entrada de conducto en comunicaci6n fluida con el recipiente de mezcla y una salida de conducto; y
una abertura de boquilla hacia el interior del conducto en posici6n intermedia entre la entrada y la salida, presentando la boquilla una entrada de boquilla, un cuerpo de boquilla y una salida de boquilla, en el que el cuerpo de boquilla presenta un area de corte transversal mas pequefa que la entrada de boquilla o que la salida de boquilla.
Preferentemente, el aparato comprende una pluralidad de procesadores de fluidos en serie unos con otros.
Preferentemente, el aparato ademas comprende al menos una valvula de contrapresi6n ubicada aguas abajo de la salida del conducto. Del modo mas preferido, el aparato ademas comprende un par de valvulas de contrapresi6n ubicadas aguas abajo de la salida del conducto.
Preferentemente, el aparato ademas comprende al menos un puerto de aditivo adaptado para introducir uno o mas aditivos en el conducto para fluidos. En una realizaci6n, el puerto de aditivo se encuentra localizado en posici6n intermedia entre el recipiente de mezcla y la entrada del conducto para fluidos.
En una realizaci6n alternativa, el puerto para aditivos se encuentra ubicado en el conducto adyacente a la boquilla. Del modo mas preferido, el puerto de aditivos se encuentra ubicado en el conducto inmediatamente aguas abajo de la boquilla.
En una realizaci6n, el aparato ademas comprende un circuito de recirculaci6n que esta adaptado para retornar la suspensi6n desde la salida del conducto para fluidos hasta el recipiente de mezcla. Al menos la valvula de contrapresi6n se encuentra ubicada en el circuito de recirculaci6n.
En una realizaci6n alternativa, el aparato ademas comprende un recipiente de retenci6n ubicado aguas abajo de la salida del conducto para fluidos. Al menos la valvula de contrapresi6n se encuentra ubicada en posici6n intermedia entre la salida del conducto para fluidos y el recipiente de retenci6n.
Preferentemente, el aparato ademas comprende una pluralidad de sensores adaptados para medir la presi6n aguas arriba y aguas abajo del procesador de fluidos.
Preferentemente, el aparato comprende una pluralidad de puertos de muestreo aguas arriba y aguas abajo del procesador de fluidos, estando los puertos de muestreo adaptados para permitir que las muestras de fluido sean retiradas del aparato.
Preferentemente, el recipiente de mezcla incluye medios de agitaci6n para mezclar sus contenidos.
Preferentemente, la bomba es una bomba de cavidad progresiva.
Preferentemente, la boquilla es anular y circunscribe el conducto para fluidos.
El aparato ademas puede comprender un mecanismo de separaci6n de vapor adaptado para separar vapor del fluido restante. Preferentemente, el mecanismo de separaci6n es un separador en linea. Del modo mas preferido, el mecanismo de separaci6n es un separador vorticial.
A continuaci6n se describe una realizaci6n preferida de la presente invenci6n, unicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra un corte transversal a traves del procesador de fluidos apropiados para su uso en el proceso de la presente invenci6n;
La Figura 2 muestra un grafico que muestra los perfiles de presi6n y temperatura de una suspensi6n de biomasa a medida que pasa a traves del procesador de fluidos; y
La Figura 3 muestra un aparato de procesado que incorpora el procesador de fluido de la Figura 1.
Haciendo referencia a la Figura 1, se muestra un procesador de fluidos 1 que comprende un alojamiento 2 que define un conducto 3 que proporciona una entrada 4 y una salida 5. El conducto 3 presenta una secci6n de corte
transversal considerablemente constante. La entrada 4 esta formada en el extremo frontal de una protusi6n 6 que se extiende hacia el interior del alojamiento 2 y que define en su parte exterior un impelente 8 provisto de una entrada
10. La protusi6n 6 define internamente su parte del conducto 3. El extremo distal 12 de la protusi6n 6 lejos de la entrada 4 se encuentra ahusado sobre su superficie relativamente externa en 14 y define una boquilla 16 entre ella y una parte ahusada 18 de forma correspondiente de la parte interna del alojamiento 2. La boquilla 16 se encuentra en comunicaci6n de flujo con el impelente 8 y es preferentemente anular. La boquilla 16 presenta una geometria interna convergente-divergente con el fin de acelerar el fluido de transporte a velocidad elevada. En otras palabras, la boquilla 16 presenta una parte de cuerpo que presenta un area de corte transversal mas pequefa que la de la entrada de la boquilla o la de la salida de la boquilla.
Tanto si el proceso es por lotes o es un proceso en linea, la entrada 4 recibe la suspensi6n de biomasa que sale hacia afuera de la salida 5. La introducci6n del fluido de transporte, que en este ejemplo es vapor, en el interior del procesador para fluidos 1 a traves de la entrada 10 y del impelente 8 provoca un chorro de vapor para la distribuci6n en sentido de avance a traves de la boquilla 16. A medida que el chorro es inyectado en el interior de la suspensi6n, tiene lugar un momento y una transferencia de masa entre los dos, lo que da lugar al atomizado del componente de fluido de trabajo de la suspensi6n. Esta transferencia es mejorada por medio de la turbulencia. El vapor aplica una fuerza de cizalladura a la suspensi6n que no solo atomiza el componente de fluido de trabajo sino que tambien rompe la estructura celular de la biomasa lignocelul6sica suspendida en la suspensi6n.
Los efectos del proceso sobre la temperatura y la presi6n de la suspensi6n se puede observar en la grafica de la Figura 2, que muestra el perfil de temperatura y presi6n a medida que la suspensi6n pasa a traves de varios puntos del procesador de fluidos de la Figura 1. La grafica se ha dividido en cuatro secciones A-D, que corresponden a varias secciones del procesador de fluidos que se muestra en la Figura 1. La secci6n A corresponde a la secci6n del conducto 3 entre la entrada 4 y la boquilla 16. La secci6n B corresponde a la secci6n aguas arriba de la camara de mezcla 3A que se extiende entre la boquilla 16 y una parte intermedia de la camara 3A. La secci6n C corresponde a una secci6n aguas abajo de la camara de mezcla 3A que se extiende entre la parte intermedia anteriormente mencionada de la camara 3A y la salida 5, mientras que la secci6n D ilustra la temperatura y la presi6n de la suspensi6n a medida que pasa a traves de la salida 5.
El vapor se inyecta en la suspensi6n al comienzo de la secci6n B de la grafica de la Figura 2. La velocidad del vapor, que preferentemente se inyecta a velocidad supers6nica, y su expansi6n tras abandonar la boquilla 16 provoca una reducci6n de presi6n inmediata. En un punto determinado por el vapor y las condiciones geometricas, y la tasa de transferencia de calor y de masa, el vapor comienza a condensar, reduciendo mas la presi6n y provocando otro incremento de la temperatura. La condensaci6n del vapor continua y forma un onda de choque de condensaci6n en la parte aguas abajo de la camara de mezcla 3A. La formaci6n del choque de la onda de choque de condensaci6n provoca un incremento rapido de presi6n, como se observa en la parte C de la Figura 2. La parte C tambien muestra que la temperatura de la suspensi6n tambien continua aumentando por medio de la condensaci6n del vapor.
Como se ha explicado anteriormente, a medida que el vapor se inyecta en el interior de la suspensi6n a traves de la boquilla 16 tiene lugar una reducci6n de presi6n en la parte aguas arriba de la camara de mezcla 3A. Esta reducci6n de presi6n forma un vacio al menos parcial en esta parte aguas arriba de la camara 3A. Los ensayos han revelado que se puede conseguir aproximadamente 90 % de vacio en la camara 3A a medida que el vapor es inyectado y posteriormente se condensa.
Como se ha afirmado anteriormente, la fuerza de cizalladura aplicada a la suspensi6n y el posterior flujo turbulento creado por medo del vapor inyectado rompen la estructura celular de la biomasa suspendida en la suspensi6n. A medida que la suspensi6n pasa a traves de del vacio parcial y de la onda de choque de condensaci6n formada en la camara 3A, se rompe mas debido a los cambios de presi6n que tienen lugar, como se ilustra por medio de los perfiles de presi6n de las secciones B y C de la Figura 2.
La Figura 3 muestra una configuraci6n de ejemplo de un aparato para el tratamiento de bio-combustible, generalmente designado como 20, que incorpora el procesador de fluidos 1 mostrado en la Figura 1. La realizaci6n ilustrada muestra el aparato en una configuraci6n en linea. En otras palabras, se pretende que el aparato mostrado trate la suspensi6n de biomasa en un paso sencillo a traves del aparato.
Una primera tolva 22 que opera como recipiente de mezcla se encuentra ubicada en un extremo aguas arriba del aparato 20. La tolva 22 contiene un agitador (no mostrado) para agitar los contenidos de la tolva 22. Colocada debajo de la tolva 22, y en comunicaci6n fluida con la misma, se encuentra una bomba 24 para la manipulaci6n de s6lidos, que esta adaptada para bombear los contenidos de la tolva 22 hasta el resto del aparato 20. Preferentemente, la bomba 21 es una bomba de cavidad progresiva, conocida de otro modo como bomba de desplazamiento positivo rotatoria.
La salida de la bomba 24 se encuentra conectada por una tuberia 26 a la entrada 4 del procesador de fluidos 1. Si se desea, la tuberia 26 aguas arriba del procesador 1 puede incorporar un puerto 25 de aditivo de catalizador, asi como tambien un primer sensor de presi6n 27 y/o un primer puerto de muestreo 28.
Como se ha descrito anteriormente con referencia a la Figura 1, la entrada 10 suministra el fluido de transporte hasta
el procesador 1. La salida 5 del procesador 1 se encuentra conectada con otra longitud de tuberia 30, que en la configuraci6n en linea que se ilustra conecta el procesador 1 con una segunda tolva, o recipiente de retenci6n 32. Ubicadas en la tuberia 30 entre el procesador 1 y la segunda tolva 32 se encuentran una primera y una segunda valvulas 34, 36 de contrapresi6n. Si se desea, se puede colocar un segundo sensor de presi6n 38 y/o un segundo puerto de muestreo 40 entre el procesador 1 y la primera valvula de contrapresi6n 34. Se puede colocar un tercer sensor de presi6n 42 entre la primera y la segunda valvulas de contrapresi6n 34, 36.
A continuaci6n se describe el metodo de operaci6n del aparato de tratamiento 20 con referencia de nuevo a la Figura 3. Inicialmente, se combinan el material de biomasa y el fluido de trabajo apropiado en la primera tolva 22 con el fin de formar una suspensi6n de biomasa. El agitador localizado en la tolva 22 garantiza que los componentes se mezclan por completo y que la biomasa se hidrata de forma apropiada. Una vez que los componentes han experimentado mezcla suficiente y la biomasa se encuentra hidratada de forma apropiada, se activa la bomba 24. Una vez activada, la bomba 24 impulsa suavemente la suspensi6n a traves de la tuberia 26 hacia el procesador de fluidos 1. Si se requiere, se puede introducir un catalizador que contribuye en la ruptura celular de la biomasa en el interior de la suspensi6n por medio del puerto de aditivo 25 a medida que la suspensi6n es bombeada e inducida a traves de la tuberia 26.
Se suministra un fluido de transporte a la entrada 10 del procesador de fluidos 1. En el procesador de fluidos 1, se inyecta el fluido de transporte a presi6n elevada en el interior de la suspensi6n de la manera descrita anteriormente con referencia a la Figura 1. Despues de la formaci6n de vapor y del regimen de flujo por goteo, la suspensi6n se condensa de nuevo para dar lugar a una forma liquida antes de abandonar el procesador 1. A continuaci6n, la suspensi6n condensada pasa al interior de la segunda tolva 32, donde experimenta otra etapa del proceso de biocombustible tal como licuefacci6n, por ejemplo.
El primer, segundo y tercer sensores de presi6n 27, 38, 42 permiten el control de la presi6n del fluido en el interior de la tuberia 26, 30, tanto aguas arriba como aguas abajo del procesador de fluidos 1. Se pueden ajustar las primera y segunda valvulas de contrapresi6n 34, 36 con el fin de variar la presi6n en la tuberia 30 aguas abajo del procesador 1, dependiendo de las lecturas procedentes del segundo y tercer sensores de presi6n 38, 42. Las valvulas de contrapresi6n 34, 36 permiten que la suspensi6n se mantenga a presi6n elevada durante un largo periodo de tiempo. El primer y segundo puertos de muestreo 28, 40 permiten que los ensayos se lleven a cabo sobre muestras de la suspensi6n tanto antes como despues de pase a traves del procesador de fluidos 1.
El catalizador que se puede afadir por medio del puerto de aditivo puede ser un acido o un gas. La adici6n de un gas en el interior de la suspensi6n puede alterar el pH de la suspensi6n y, donde el gas se encuentra presurizado, puede viajar hasta el interior de la disoluci6n de la suspensi6n y explotar a medida que la suspensi6n pasa traves del vacio parcial de la camara de mezcla del procesador de fluidos. Un ejemplo de gas apropiado para tal fin es di6xido de carbono (C02). Tambien se puede usar aire como catalizador en la suspensi6n. El gas de exceso de la suspensi6n da lugar a la formaci6n de burbujas de gas en la estructura celular de la biomasa, que a su vez presentan un efecto de rotura de la estructura celular de la biomasa a traves del fen6meno conocido como trauma de burbuja de gas.
Tambien se puede afadir otro catalizador, tal como una enzima, por medio del puerto de aditivo o mas directamente en el interior de la segunda tolva. La enzima puede ayuda al pre-tratamiento o puede ser requerida para las etapas posteriores del proceso de bio-combustible (por ejemplo, enzimas de licuefacci6n). A diferencia de los procesos de pre-tratamiento existentes, la temperatura comparativamente baja y la presi6n usada en el procesador de fluidos no provoca la muerte de las enzimas durante la etapa de ruptura. De este modo, las enzimas que son necesarias posteriormente en el proceso de producci6n de bio-combustible se pueden afadir antes del pre-tratamiento sin que experimenten dafo alguno.
Durante un procesado de ensayo de bagazo de cafa de azucar existi6 evidencia de hinchamiento de la pared de la estructura celular de la biomasa. Esto es indicativo de que se rompi6 la estructura cristalina de la celulosa durante el proceso de la invenci6n. Este hinchamiento de la celulosa facilita la acci6n de las enzimas de la celulosa y por tanto acelera el posterior proceso de hidr6lisis y/o aumenta el rendimiento de la fermentaci6n de azucares. Este efecto podria interpretarse como hinchamiento resultante de la escisi6n de los enlaces de hidr6geno como resultado de las fuerzas de cizalladura y del choque mecanico provocado por medio del proceso.
Inyectando vapor en el interior de la suspensi6n de biomasa de tal forma que se atomice el fluido de trabajo y se cree un vacio parcial y una onda de choque de condensaci6n a traves de la cual pasa la suspensi6n, la presente invenci6n garantiza una mayor grado de ruptura de la estructura celular de la biomasa que el que se consigue por medio de los procesos de pre-tratamiento existentes. Ademas, debido a la ruptura se consigue al menos parcialmente por medio de la inyecci6n de vapor, la invenci6n permite cantidad pequefa de catalizador o aditivo para obtener el grado de ruptura deseado en comparaci6n con los procesos existente de pre-tratamiento quimico. De hecho, la ruptura lograda por medio de la inyecci6n de vapor puede eliminar por completo la necesidad de uno o mas catalizadores. La inyecci6n de vapor del presente proceso garantiza una cizalladura continua de la suspensi6n y mantiene el vacio parcial y la onda de choque. Por tanto, el proceso de la presente invenci6n es continuo, sin necesidad alguna de que el proceso se encuentre contenido en un recipiente individual tal como el que se requiere
en los procesos de explosi6n de vapor.
De forma similar, la inyecci6n de los catalizadores en el interior del vacio parcial creado en el proceso permite un nivel de penetraci6n mas elevado de los catalizadores en el interior de la biomasa. De este modo, bien se puede usar una cantidad menor de catalizador o bien se puede usar la misma cantidad de catalizador que en los procesos existentes con una mejora grado de tasa de ruptura.
Las elevadas fuerzas de cizalladura impartidas por medio de la inyecci6n de vapor de alta velocidad no solo contribuyen a la ruptura de la estructura celular de la biomasa, sino que tambien atomizan el componente de fluido de trabajo de la suspensi6n para garantizar el calentamiento intimo y homogeneo y la mezcla de la suspensi6n de biomasa con los catalizadores. Dicho calentamiento mejor y mezcla reducen la cantidad de tiempo y el catalizador requerido para lograr la reacci6n quimica necesaria.
La presente invenci6n tambien proporciona ventajas cuando se usa en la etapa de fermentaci6n de la producci6n de bio-combustible. Una vez que los azucares han sido extraidos del material de biomasa, posteriormente se fermenta la suspensi6n de biomasa para convertir el azucar en alcohol. Los procesos convencionales usan levadura para proporcionar la etapa de fermentaci6n. La tecnologia actual de levadura requiere temperaturas de aproximadamente 30 oC, lo que significa que se debe enfriar la biomasa entre las etapas de hidr6lisis y de fermentaci6n. Esto presenta un impacto sobre el tiempo y el coste del proceso de producci6n, ya que el enfriamiento retrasa el proceso mientras que el hecho de tener que re-calentar la suspensi6n fermentada antes de la destilaci6n aumenta el consumo de energia.
Los micro-organismos term6filos con capaces de tolerar temperaturas mucho mayores que 30 oC (por ejemplo, de 60-80 oC) cuando convierten los azucares presentes en la suspensi6n de biomasa en alcohol. Cuando se usa para la fermentaci6n, el proceso de la presente invenci6n se modifica para incluir la etapa de introducci6n de uno o mas tipos de micro-organismos term6filos en la suspensi6n de biomasa como catalizador. Preferentemente, cuando el proceso es un proceso en linea, los micro-organismos term6filos se afaden antes de la inyecci6n o del fluido de transporte a elevada velocidad hacia el interior de la suspensi6n.
Tambien se puede usar el proceso de la presente invenci6n como separador mejorado del alcohol que sucede a la fermentaci6n. A medida que la suspensi6n fermentada se somete al proceso de la presente invenci6n, la parte de alcohol liquido se transfiere al interior de una forma de gas dentro del vacio parcial creado por el proceso de la invenci6n. Esto proporcionar la oportunidad de extraer el vapor de alcohol procedente de los fluidos restantes y s6lidos tan pronto como se crea. Se puede usar un mecanismo de separaci6n en linea aguas abajo del vacio parcial para llevar a cabo la retirada del vapor de alcohol. Se puede usar un separador vorticial como mecanismo de separaci6n.
El mecanismo de separaci6n se puede configurar de forma que la presi6n interna y la temperatura todavia permitan que tenga lugar la condensaci6n del vapor, al tiempo que se mantiene el alcohol en la fase de vapor. Esto permite una separaci6n mas sencilla del vapor a partir de liquidos de densidad mucho mas elevada y s6lidos en el flujo del proceso. Este proceso puede retirar, o al menos acortar, la etapa de destilaci6n que se necesita en los procesos convencionales.
Una limitaci6n de los actuales procesos de fermentaci6n es que la suspensi6n de biomasa fermentada contiene un aze6tropo. Se sabe que los aze6tropos pueden verse afectados por la presi6n, ya que los cambios de presi6n pueden presentar un efecto sobre las composiciones de equilibrio de vapor-liquido de las mezclas azeotr6picas. Los cambios de presi6n proporcionados por el proceso de la presente invenci6n contribuyen a la ruptura del aze6tropo, mejorando de este modo la extracci6n de alcohol.
El proceso de la presente invenci6n acelera la reacci6n de fermentaci6n proporcionando calor, un bajo choque termico y una mezcla homogenea de los micro-organismos term6filos con los azucares.
Los micro-organismos term6filos presentan el potencial de acelerar la etapa de fermentaci6n del proceso. Ademas, el uso de micro-organismos term6filos presenta el potencial de mejorar la eficacia y la eficacia de costes de la producci6n de bio-combustible. Parte del ahorro de costes procede del ahorro de energia obtenido a partir de la eliminaci6n de la necesidad de enfriar la biomasa para la etapa de fermentaci6n, y posteriormente recalentar para la etapa de destilaci6n aguas abajo.
Aunque no se muestra ni en la Figura 1 ni en la Figura 3, se pueden proporcionar uno o mas puertos de aditivo inmediatamente aguas abajo de la boquilla 16, bien ademas de o en lugar del puerto de aditivo aguas arriba del procesador de fluidos. Estos puertos se abririan hacia el interior de la parte aguas arriba de la camara de mezcla 3A donde se forma el vacio durante la operaci6n de procesado. Se puede conectar un puerto sencillo para suministrar uno o mas catalizadores descritos anteriormente, que se pueden inyectar en el interior de la suspensi6n para romper mas la estructura celular de la biomasa. Dondequiera que esten colocados los puertos, se puede controlar que la duraci6n de la inyecci6n del catalizador(es) en el interior del vacio parcial sea de un periodo determinado para conseguir la dosificaci6n especifica. Cuando se usa un puerto sencillo, se puede conectar a fuentes de catalizadores separados y se puede inyectar uno o ambos.
De manera alternativa, se puede usar un par de puertos de aditivo para inyectar los catalizadores en el interior del vacio parcial, bien de manera simultanea o consecutiva. En el caso de que el proceso forme parte de una linea de producci6n de bio-combustible, el par de puertos inyecta los catalizadores de forma simultanea.
El puerto(s) de aditivo tambien puede inyectar unicamente una enzima, sin usar acidos.
5 Los puertos de aditivo tambien pueden incluir un medio de control que vigila el caudal de suspensi6n a traves del conducto y mide la dosificaci6n de catalizador introducida en la boquilla(s).
En la realizaci6n en linea de la presente invenci6n, se puede colocar un numero de unidades de procesador de fluidos en serie. En este caso, se pueden usar las unidades para calentar la suspensi6n a una temperatura mas elevada que en la unidad sencilla. De manera alternativa, se pueden usar las unidades multiples para varios fines.
10 Por ejemplo, una primera unidad puede aplicar el proceso de la presente invenci6n e inyectar el catalizador de pretratamiento quimico mientras que una segunda unidad puede aplicar el proceso de nuevo pero introduce una enzima. Se pueden introducir catalizadores a traves de una o mas de las unidades en las series.
Mientras que el ejemplo del aparato de procesado que se ilustra en la Figura 3 se muestra en una configuraci6n en linea, es preciso reconocer que tambien se puede colocar el aparato en una configuraci6n de recirculaci6n. En la
15 configuraci6n de recirculaci6n, la tuberia aguas abajo del procesador de fluidos retornaria a la primera tolva en lugar de transportar la suspensi6n aguas abajo hasta la segunda tolva. En el caso de la configuraci6n de recirculaci6n, se proporciona una valvula de salida apropiada en el aparato para permitir que la suspensi6n tratada sea retirada del aparato.
Asi como para mezclar las componentes de la suspensi6n, la primera tolva tambien puede estar provista de medios
20 de calentamiento para calentar la suspensi6n y de medios de aislamiento para mantenerla a la temperatura apropiada. De manera alternativa, se puede calentar el componente de fluido de trabajo de la suspensi6n en un punto lejano y que la primera tolva este provista con un medio de aislamiento. Esto proceso de mantener la suspensi6n a temperatura elevada durante un periodo de tiempo se conoce como "maceraci6n".

Claims (23)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Un proceso para el tratamiento de biomasa, que comprende:
    formar una suspensi6n de biomasa mezclado biomasa con un fluido de trabajo;
    inducir la suspensi6n de biomas para que fluya a traves de una entrada (4) hacia el interior de un conducto (3) de un procesador de fluidos (1), presentando el conducto (3) un diametro considerablemente constante;
    introducir vapor en una boquilla (16) que comunica con el conducto (3), presentando la boquilla (16) una entrada de boquilla, un cuerpo de boquilla y una salida de boquilla, presentando el cuerpo de boquilla un area de corte transversal menor que la entrada de boquilla o que la salida de boquilla; y
    acelerar el vapor a traves del cuerpo de boquilla e inyectar el vapor a velocidad elevada en el interior de la suspensi6n que fluye a traves del conducto (3).
  2. 2.
    El proceso de la reivindicaci6n 1, en el que el vapor es inyectado a velocidad supers6nica.
  3. 3.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior que ademas comprende la etapa de inyectar un primer catalizador en el interior de la suspensi6n.
  4. 4.
    El proceso bien de la reivindicaci6n 1 o bien de la reivindicaci6n 2, que ademas comprende la etapa de inyectar un primer y/o segundo catalizadores en el interior de la suspensi6n.
  5. 5.
    El proceso bien la reivindicaci6n 3 o bien de la reivindicaci6n 4, en el que el primer y/o segundo catalizadores se inyectan en el interior de la suspensi6n a traves de un puerto de aditivo ubicado en el conducto (3) inmediatamente aguas abajo de la boquilla (16).
  6. 6.
    El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el primer y/o segundo catalizador es un acido.
  7. 7.
    El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el primer y/o segundo catalizador es un gas que se escoge entre el grupo formado por aire y di6xido de carbono.
  8. 8.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior, en el que la biomasa es biomasa lignocelul6sica.
  9. 9.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior que ademas comprende una etapa de fermentaci6n en la que se introducen uno o mas tipos de micro-organismos term6filos en el interior de la biomasa para convertir los azucares presentes en alcohol.
  10. 10.
    El proceso de la reivindicaci6n 9, que ademas comprende las etapas de: vaporizar el alcohol en la suspensi6n a medida que se inyecta el vapor en el interior de la suspensi6n; y separar el vapor de alcohol de la suspensi6n restante.
  11. 11.
    Un aparato para el tratamiento de biomasa, que comprende:
    un recipiente de mezcla (22) adaptado para mezclar un suministro de biomasa y un suministro de fluido de trabajo para formar una suspensi6n de biomasa;
    una bomba (24) adaptada para bombear la suspensi6n desde el recipiente de mezcla (22); y
    al menos un procesador de fluidos (1) adaptado para recibir la suspensi6n procedente del recipiente de mezcla (22);
    en el que el procesador de fluidos (1) comprende:
    un conducto para fluidos (3) de diametro considerablemente constante que tiene una entrada de conducto (4) en comunicaci6n fluida con el recipiente de mezcla (22) y una salida de conducto (5); y
    una boquilla (16) que se abre en el interior del conducto (3) intermedia entre la entrada (4) y la salida (5), presentando la boquilla (16) una entrada de boquilla, un cuerpo de boquilla y una salida de boquilla, en la que el cuerpo de boquilla presenta un area de corte transversal mas pequefo que la entrada de boquilla o que la salida de boquilla.
  12. 12.
    El aparato de la reivindicaci6n 11, que comprende una pluralidad de procesadores de fluido (1) en serie unos con otros.
  13. 13.
    El aparato bien de la reivindicaci6n 11 o bien de la reivindicaci6n 12, que ademas comprende al menos una valvula de contrapresi6n (34) ubicada aguas abajo de la salida del conducto (5).
    5 14. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que ademas comprende un par de valvulas de contrapresi6n (34, 36) ubicadas aguas abajo de la salida del conducto (5).
  14. 15. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, que ademas comprende al menos un puerto de aditivo adaptado para introducir uno o mas aditivos en el conducto de fluido (3).
  15. 16. El aparato de la reivindicaci6n 15, en el que el puerto de dispositivo se encuentra localizado en el conducto (3) 10 adyacente a al boquilla (16).
  16. 17.
    El aparato de cualquier reivindicaci6n 15 o reivindicaci6n 16, en el que el puerto de aditivo se encuentra ubicado en el conducto (3) inmediatamente aguas abajo de la boquilla (16).
  17. 18.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, que ademas comprende un circuito de recirculaci6n que
    esta adaptado para retornar la suspensi6n desde la salida (5) del conducto para fluidos hasta el recipiente de 15 mezcla.
  18. 19.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, que ademas comprende un recipiente de retenci6n (32) localizado aguas abajo de la salida (5) del conducto para fluidos.
  19. 20.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, que ademas comprende una pluralidad de sensores (27, 38, 42) adaptados para medir la presi6n aguas arriba y aguas abajo del procesador de fluidos (1).
    20 21. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20, en el que el recipiente de mezcla (22) incluye medios de agitaci6n para mezclar sus contenidos.
  20. 22. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 21, en el que la bomba (24) es una bomba de cavidad progresiva.
  21. 23. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 22, en el que la boquilla (16) es anular y circunscribe el 25 conducto para fluidos (3).
  22. 24.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 23, que ademas comprende un mecanismo de separaci6n de vapor adaptado para separar vapor del fluido restante.
  23. 25.
    El aparato de la reivindicaci6n 24, en el que el mecanismo de separaci6n es un separador vorticial.
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