ES2400285T3 - Proceso para producir etanol - Google Patents

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Abstract

Un método para producir etanol, dicho método consiste en: (a) cultivar un microorganismo homoacetogénico en un medio que contiene una fuente de hidratos de carbono paraproducir acetato, ácido acético o mezclas de los mismos; (b) hacer reaccionar el acetato con una amina y ácido carbónico, con lo cual se forma un complejo entre la amina yel acetato; (c) descomponer térmicamente el complejo de la amina para formar ácido acético y regenerar la amina; (d) esterificar el ácido acético del complejo de la amina para formar un éster acetato en presencia de un alcohol y (e) hidrogenar el éster acetato para recuperar el etanol.

Description

Proceso para producir etanol
Ámbito de la invención
Esta invención se refiere a un proceso para la conversión de hidratos de carbono de cualquiera de las numerosas fuentes en etanol para combustible o para uso químico. La invención utiliza una combinación de fermentación y conversión química para aumentar en gran manera el rendimiento de etanol a partir de hidratos de carbono si se compara con la técnica anterior. Además puede producirse un coproducto de alto valor que puede utilizarse para la alimentación animal.
Antecedentes de la invención
El etanol es un compuesto químico importante, empleado en las bebidas y los alimentos humanos, como un producto químico industrial y como combustible o componente de combustibles, por ejemplo la gasolina reformulada para reducir las emisiones producidas por los automóviles. Esta invención se refiere principalmente a la producción de etanol para el uso de producto químico o de combustible.
Existen varios procedimientos tradicionales de producción de etanol basados en la fermentación de hidratos de carbono. En el proceso más típico se hidroliza un hidrato de carbono derivado de cereales para obtener sus componentes azúcar y se fermenta con levaduras para obtener el etanol. El dióxido de carbono se genera en el proceso a partir de una fracción del hidrato de carbono por el metabolismo de la levadura. La generación del dióxido de carbono es inherente al metabolismo de la levadura. Esta producción de CO2 por la levadura limita el rendimiento de etanol de la levadura a un 52% como máximo, porcentaje referido al peso. Esta es una limitación importante para la producción económica del etanol, ya que el CO2 tiene poco valor y por lo general se emite a la atmósfera y puede convertirse en una carga para el medio ambiente.
Además, la levadura tiene una capacidad limitada cuando se tienen que transformar azúcares que no sean glucosa. La glucosa es el principal azúcar que se produce por hidrólisis del almidón de cereales, pero no es el único azúcar producido en hidratos de carbono en general. Se ha realizado un intenso esfuerzo de investigación para la conversión potencial de la biomasa en etanol. La biomasa en forma de residuos agrícolas, por ejemplo combustible de maíz para estufas, paja de arroz, estiércol, etc. y las cosechas de biomasa en forma de mijo erecto (Panicum virgatum) o álamos o incluso los residuos municipales, como los periódicos, pueden convertirse, todos ellos, en etanol. Sin embargo, la principal limitación de estos procesos es la complejidad del material hidrolizado que se obtiene del tratamiento de la biomasa para producir el medio de fermentación. El material hidrolizado contiene típicamente glucosa, pero también grandes cantidades de otros azúcares, como es la xilosa, que la levadura no es capaz de metabolizar. Estas es otra limitación del rendimiento potencial de los procesos de obtención de etanol basados en la levadura.
La investigación se ha dirigido al uso de organismos distintos de la levadura, que a diferencia de esta, pueden consumir muchos, por no decir la mayor parte de los azúcares derivados de la hidrólisis de la biomasa. Entre los ejemplos se incluyen las bacterias Zymomonas sp. y E. coli que se han sometido a ingeniería genética para que puedan utilizar la xilosa. De este modo ha crecido el abanico potencial de sustratos azúcar que pueden convertirse en etanol. Hay un grupo de organismos que se ha propuesto para la producción de etanol, a saber, el Clostridium sp. Estos termófilos producen normalmente no solo ácido acético, sino también etanol. Sin embargo se cree que estos organismos producen etanol en un rendimiento limitado. Se supone en general en la bibliografía técnica sobre la fermentación del etanol que esta limitación del rendimiento viene determinada por el mecanismo bioquímico llamado mecanismo de Embden-Myerhof, según el cual todos los organismos producen etanol, en el supuesto de que sean idóneos para la producción de etanol, incluidos los termófilos.
Por tanto, ninguno de estos desarrollos ha abordado el problema inherente al rendimiento de etanol a partir de azúcar debido a la coproducción de CO2 causada por los organismos.
Una parte importante de los procesos industriales para la producción de etanol es la producción de productos secundarios valiosos, destinados principalmente a la alimentación animal o humana. En el proceso de molienda seca de los cereales, los productos secundarios incluyen los cereales secos de destilación (DDG) y los solubles (DDGS). En el proceso de molienda húmeda de cereales, los productos secundarios incluyen el germen, la harina de gluten y la fibra. Estos productos secundarios han encontrado grandes mercados en el sector de la alimentación animal. Sin embargo, ambos procesos y en gran medida, los ingredientes del cereal original, es decir, las fracciones de aceite, proteína y fibra, pasan por el proceso sin cambiar de composición, mientras que la fracción de hidratos de carbono se convierte en gran parte en etanol. Por consiguiente, el valor de estos productos secundarios se basa en la composición inherente a los componentes vegetales.
Aparte del etanol, hay otros productos químicos que pueden producirse por fermentación industrial de hidratos de carbono. Los ejemplos más importantes son el ácido acético y el ácido láctico. El ácido acético es un ingrediente alimentario importante en forma de vinagre y un producto químico importante. El vinagre de uso alimentario se produce típicamente a partir de etanol potable por acción del Acetobacter sp. que oxida el etanol a ácido acético tomando para ello el oxígeno del aire.
Los principales usos industriales del ácido acético son como disolvente, como compuesto intermedio para la síntesis de otros productos químicos, por ejemplo el acetato de vinilo y para la producción de acetato de celulosa. Otros usos importantes que se han propuesto recientemente para el ácido acético es la producción de acetato cálcicomagnésico (CMA) que se emplearía como sal para deshielo de carreteras en lugar del cloruro sódico (NaCl). El CMA tiene un impacto medioambiental mucho menor que el NaCl, ya que es mucho menos corrosivo y es biodegradable.
Los investigadores han propuesto la producción de ácido acético de calidad industrial o técnica por fermentación de hidratos de carbono. Sin embargo, actualmente no hay producción por fermentación debido a factores de tipo económico, referentes principalmente a la recuperación del ácido acético de los caldos diluidos de la fermentación. Como caldo de fermentación, el ácido acético se produce típicamente en concentraciones bajas, en torno al 5 % o menos en agua. Dado que el ácido acético tiene un punto de ebullición superior al del agua, se tendrá que separar por destilación toda el agua, en torno al 95 % del caldo, para poder recuperar el ácido acético o bien tendrá que recurrirse a otros procesos más complejos para recuperar el ácido acético.
En relación con este ámbito de la producción de ácido acético está el uso de los llamados acetógenos, un grupo de bacterias que utilizan un mecanismo bioquímico único para producir ácido acético a partir de azúcares con un rendimiento del 100% en carbono. Por ejemplo, un mol de glucosa puede convertirse en tres moles de ácido acético por acción del Clostridium thermoaceticum. Estas bacterias convierten interiormente el CO2 en acetato. Estas bacterias se llaman microorganismos homofermentativos u homoacetógenos. No convierten los hidratos de carbono en CO2 y solamente producen ácido acético. Los ejemplos de homoacetógenos se han descrito en Drake, H.L. (coordinador), “Acetogenesis”, Chapman & Hall, 1994, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia. Además de estos organismos homofermentativos convierten típicamente un amplio abanico de azúcares en ácido acético, incluidas la glucosa, xilosa, fructosa, lactosa y otros. Son, pues, particularmente indicados para la fermentación de hidrolizados complejos de biomasa. Sin embargo, esta línea de investigación no ha superado las limitaciones económicas del proceso de fermentación del ácido acético y no ha conseguido hacer lo competitivo en la vía basada en gas natural.
Por consiguiente, el ácido acético industrial se fabrica actualmente a partir de carbón, petróleo o gas natural. El proceso principal consiste en la conversión de natural gas en metanol y la posterior carbonilación del metanol empleando monóxido de carbono para convertirlo directamente en ácido acético. En la patente US-3,769,329 se describe este proceso.
En lo que respecta a la vía del gas natural, se ha propuesto producir etanol a partir de ácido acético mediante la síntesis de ésteres de ácido acético producidos en este proceso o una modificación afín y posterior hidrogenación de los ésteres. En las patentes US-4,454,358 y 4,497,967 se describen procesos para producir ácido acético a partir de gas de síntesis, que después se esterifica e hidrogena para obtener etanol y se incorporan a la presente en su totalidad como referencias. La hidrogenación los ésteres para producir alcoholes es bien conocida. Ninguno de estos procesos se basa en la conversión de hidratos de carbono en etanol.
Hay otro grupo de fermentaciones bien conocidas que tienen la propiedad de convertir los hidratos de carbono con un rendimiento del 100% en carbono, empleando bacterias lácticas homofermentativas. Estas bacterias convierten un mol de glucosa por ejemplo en dos moles de ácido láctico. La importancia de ello estriba en que el ácido láctico puede utilizarse también como sustancia para la fermentación que permite obtener ácido acético por acción de acetógenos homofermentativos, también en este caso con un rendimiento del 100% en carbono. Por ejemplo, dos moles de ácido láctico se convierten en tres moles de ácido acético por acción del Clostridium formicoaceticum. Antes de la presente invención, no hay conocimiento de que alguien haya diseñado un proceso para producir etanol en un rendimiento elevado a partir de hidratos de carbono, que es el principal objetivo de esta invención.
Resumen de la invención
Según una forma de ejecución de la presente invención, se convierten los hidratos de carbono en etanol con un rendimiento muy elevado en carbono mediante una combinación de fermentación y conversión química, superando de esta manera la principal limitación de los procesos conocidos para la conversión de hidratos de carbono en etanol. La presente invención combina diversos pasos químicos y bioquímicos en un nuevo proceso que tiene muchas ventajas. El proceso básico de esta invención consta de tres pasos:
1.
convertir un amplio abanico de hidratos de carbono, con un rendimiento muy elevado en carbono (potencialmente >90%) realizando una fermentación homoacética (o una combinación de fermentaciones homoláctica y después homoacética), en ácido acético,
2.
recuperar, acidificar (si fuera necesario) y convertir el ácido acético en un éster (con preferencia, el éster etílico utilizando producto de etanol reciclado) e
3.
hidrogenar el éster produciendo etanol y regenerando el resto alcohol del éster.
El efecto neto de este proceso es convertir los hidratos de carbono, en un alto rendimiento en carbono, en etanol. No se produce CO2 a partir de los hidratos de carbono como producto secundario de este proceso.
Otra benficio de la presente invención es la producción de un producto secundario de alto valor, debido a la conversión de las proteínas vegetales en proteínas de bacterias monocelulares. La conversión de las proteínas vegetales en proteínas bacterianas monocelulares aumenta la concentración de la proteína, reestructura la proteína para que tenga una composición más valiosa con vistas a la nutrición animal en términos de aminoácidos esenciales, por ejemplo, y proporciona potencialmente otras ventajas, por ejemplo, en la producción de leche.
La conversión de la fracción de fibra y las fracciones de celulosa y xilano de los cereales contribuye al rendimiento global de etanol.
La producción de proteína monocelular y la utilización de fibras son ventajas adicionales importantes de la invención, el factor rendimiento solo es una mejora importante y puede practicarse por sí mismo en combinación con el proceso de molienda húmeda de los cereales, sin producción de proteína monocelular ni la utilización de fibras de celulosa.
Las ventajas de la invención respecto al estado de la técnica pueden incluir uno o más de los términos siguientes:
1.
rendimiento muy elevado de producto a partir de las materias primas con beneficios económicos obvios, si se compara con los procesos ya conocidos de obtención de etanol,
2.
no se produce CO2 a partir de los hidratos de carbono por este proceso, lo cual conlleva beneficios para el medio ambiente, es decir, una conversión mucho más eficaz de los recursos renovables en etanol,
3.
de modo inherente, el abanico de sustratos para la producción de etanol es amplio, es decir, hay una amplia gama de fuentes potenciales de biomasa y sus componentes azúcares y
4.
se obtienen subproductos de gran valor, p.ej. proteínas monocelulares; la reestructuración de la proteína vegetal, que se produce con gran eficacia.
En una forma de ejecución de la presente invención se proporciona un método para producir etanol con un rendimiento muy alto. El método incluye los pasos de fermentar un medio que contiene una fuente de hidrato de carbono en acetato, ácido acético o mezclas de los mismos. El acetato, el ácido acético o las mezclas de los mismos se convierten químicamente en etanol. Con preferencia, por lo menos el 60%, con mayor preferencia por lo menos el 80% y con mayor preferencia por lo menos el 90% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol. Esencialmente ninguno de los carbonos de la fuente de hidratos de carbono se convierte en dióxido de carbono. Sin embargo, si se produce hidrógeno después del proceso por reformado de vapor, el dióxido de carbono se producirá en este estadio. Con preferencia, el medio de fermentación contiene menos del 20% de nitrógeno y produce un subproducto de biomasa que es útil para la alimentación animal, con preferencia por lo menos el 10% en peso de producto de biomasa. La fuente de hidratos de carbono puede incluir cualquier fuente apropiada, por ejemplo el maíz, el trigo, la biomasa, la madera, el papel residual, el estiércol, el suero de queso, las melazas, la remolacha azucarera y la caña de azúcar. Si se emplea un producto agrícola, por ejemplo el maíz, dicho maíz puede molerse para producir maíz y aceite de maíz para recuperar. La fuente de hidrato de carbono, p.ej., el maíz, puede hidrolizarse enzimáticamente antes de la fermentación. Con preferencia, la fermentación se realiza utilizando un microorganismo homoacetogénico. La fermentación puede ser una fermentación homoacética utilizando un acetógeno, por ejemplo un microorganismo del género Clostridium, p.ej., microorganismos de la especie Clostridium thermoaceticum o Clostridium formicoaceticum.
En una forma de ejecución de la presente invención, la fermentación incluye la conversión de la fuente de hidratos de carbono en ácido láctico, lactato o mezclas de los mismos por fermentación y posterior conversión del ácido láctico, lactato o mezclas de los mismos en ácido acético, acetato o mezclas de los mismos por fermentación. La fermentación del ácido láctico puede ser una fermentación homoláctica realizada utilizando un microorganismo de del género Lactobacillus. Como alternativa, la fuente de hidratos de carbono puede convertirse en ácido láctico, lactato, ácido acético, acetato o mezclas de los mismos en una fermentación inicial empleando utilizando una bifidobacteria. Por ejemplo, un mol de glucosa de la fuente de hidrato de carbono se convierte inicialmente en unos dos moles de lactato y el lactato se convierte en aprox. tres moles de acetato.
El ácido acético que se forma en el contexto de la fermentación puede adoptar la forma de acetato en función del pH del medio de fermentación. El acetato puede acidificarse para obtener ácido acético. Por ejemplo, el acetato puede hacerse reaccionar con ácido carbónico en una amina para formar el carbonato cálcico y un complejo amínico del acetato. El complejo amínico puede recuperarse y descomponerse térmicamente para regenerar la amina y formar ácido acético. El carbonato cálcico puede recuperarse para reutilizarse. El ácido acético puede esterificarse e hidrogenarse para formar un alcohol. Como alternativa, el ácido acético puede hidrogenarse directamente para formar el etanol. La esterificación se lleva a cabo con preferencia por destilación reactiva.
En otra forma de ejecución de la presente invención, el acetato puede acidificarse con dióxido de carbono para producir ácido acético y carbonato cálcico y esterificarse a éster acetato que después se recupera. Con preferencia, el proceso tiene lugar a una presión baja o próxima a la atmosférica. Con preferencia, el carbonato cálcico se recicla formando un caldo de fermentación con el fin de mantener el pH deseado. Con preferencia, el éster es un éster volátil. Tal como se emplea aquí, el término “éster volátil” indica que el éster es capaz de recuperarse por destilación y por consiguiente el éster debería ser más volátil que el agua, que es el medio a partir del cual se recupera. El alcohol empleado para la esterificación es con preferencia el metanol, el etanol o mezclas de los mismos. El éster se recupera con preferencia por destilación, por ejemplo por destilación reactiva, y después se convierte en etanol.
La destilación reactiva puede realizarse acidificando, esterificando y recuperando el éster de una columna de reacción. Una solución diluida de sal acetato en agua se mezcla con etanol se introduce en una posición próxima a la cabeza de la sección de reacción de la columna. Se introduce el dióxido de carbono gaseoso cerca del fondo de la sección de reacción de la columna. El dióxido de carbono reacciona con la sal acetato y etanol de la zona de reacción para formar el carbonato cálcico y acetato de etilo. El acetato de etilo puede concentrarse, p.ej., vaporizando una mezcla que contiene un exceso de etanol en agua y una mezcla azeotrópica que contiene acetato de etilo, agua y etanol. La mezcla azeotrópica puede separarse del exceso de etanol y agua, p.ej., por adición de agua, provocando de este modo la separación de las fases, formándose una porción rica en acetato de etilo y una porción rica en agua y etanol. El etanol y el agua pueden reintroducirse en la zona de reacción y el carbonato cálcico puede reciclarse a un caldo de fermentación para controlar el pH.
En una forma de ejecución de la presente invención se produce el etanol a partir de una fuente de hidratos de carbono, sin que esencialmente nada del carbono ni de la fuente de hidratos de carbono se convierta en dióxido de carbono.
En otra forma de ejecución de la presente invención se produce etanol a partir de una fuente de hidratos de carbono, en la que por lo menos el 60%, con preferencia el 70%, con mayor preferencia el 80% y con mayor preferencia el 90% y con mayor preferencia el 95% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.
Según otra forma de ejecución de la presente invención se recupera un éster a partir de una solución diluida de una sal de ácido carboxílico. La sal de ácido carboxílico se acidifica con dióxido de carbono para producir el correspondiente ácido carboxílico y carbonato cálcico y simultáneamente se esterifica con un alcohol para formar un éster. Con preferencia, el éster es un éster volátil y el alcohol es el metanol, etanol o mezclas de los mismos. El éster puede recuperarse por destilación, por ejemplo por destilación reactiva. El éster puede convertirse en etanol. La acidificación, esterificación y recuperación pueden tener lugar dentro de una columna de reacción. Inicialmente se introduce cerca de la cabeza de la sección de reacción de la columna una solución diluida de la sal del ácido carboxílico en agua mezclada con alcohol. Se introduce el dióxido de carbono gaseoso cerca del fondo de la sección de reacción de la columna. El dióxido de carbono y la sal del ácido carboxílico y el alcohol reaccionan formando carbonato cálcico y un éster volátil de la sal del ácido carboxílico. El éster puede concentrarse por vaporización de una mezcla que contiene un exceso de alcohol y agua y una mezcla azeotrópica formada por el éster, agua y el alcohol. La mezcla azeotrópica puede separarse del exceso de alcohol y agua, p.ej., por adición de agua, con lo cual se provoca una separación de fases entre una porción rica en éster y una porción rica en agua y en alcohol. El exceso de alcohol y agua puede reintroducirse en la zona de reacción.
Según una forma de ejecución de la presente invención se convierte una fuente de hidratos de carbono y gas natural en un producto líquido fácilmente transportable. La fuente de hidratos de carbono se convierte en ácido acético, acetato o mezclas de los mismos por fermentación. El ácido acético, acetato o mezclas de los mismos se convierte en acetato de etilo. Por lo menos una parte del acetato de etilo se convierte en etanol utilizando hidrógeno obtenido de la fuente de gas natural. El etanol y/o el acetato de etilo que se produce se transportan entonces a una ubicación remota del lugar donde se producen. Con preferencia, la fuente de hidratos de carbono y la fuente de gas natural están ubicadas dentro de una distancia que hace que sea económica viable la producción del producto líquido transportable y la ubicación remota es una distancia suficientemente alejada que hace que no sea económicamente viable transportar el hidrato de carbono y gas natural a la ubicación remota para el proceso. Con preferencia, la distancia económicamente es inferior a quinientas millas y la distancia remota no económica es superior a mil millas. Por ejemplo, la fuente de gas natural y la fuente de hidratos de carbono pueden estar situadas en una isla del Caribe, por ejemplo Trinidad y la ubicación remota puede ser la costa del Golf, por ejemplo la costa del Golfo en Texas. Como alternativa, la fuente de hidratos de carbono y la fuente de gas natural pueden estar situadas en Australia y/o Nueva Zelanda y la ubicación remota puede ser Asia, p.ej. Japón, Taiwan, Corea o China.
En otra forma de ejecución de la presente invención se convierte en etanol por lo menos el 80% del carbono de una fuente de hidratos de carbono. El método incluye la hidrólisis enzimática de la fuente de hidratos de carbono para generar azúcares y aminoácidos. Un hidrato de carbono, azúcares y aminoácidos (de la fuente original o de otra fuente) se convierte en ácido láctico, lactato o mezclas de los mismos por fermentación homoláctica. El ácido láctico, lactato o mezclas de los mismos se convierten en ácido acético, acetato o mezclas de los mismos por fermentación homoacética. El pH de los caldos de fermentación se mantiene en un intervalo comprendido entre pH 6 y pH 8, utilizando una base. De la fermentación puede recuperarse un producto secundario de biomasa, que es útil como pienso animal. Se acidifica el acetato con el dióxido de carbono para producir ácido acético y carbonato cálcico al mismo tiempo se esterifica el ácido acético con un alcohol para formar un éster volátil. El éster volátil puede recuperarse efectuando una destilación reactiva. El hidrógeno puede producirse por un gran número de métodos, p.ej. por reformado de vapor de natural gas. El éster acetato se hidrogena para formar etanol.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es un diagrama de bloques de una forma de ejecución del proceso de la presente invención. La figura 2 ilustra el mecanismo metabólico de la conversión de glucosa en lactato. La figura 3 ilustra el mecanismo metabólico de la conversión de glucosa en acetato. La figura 4 ilustra una forma de ejecución de destilación reactiva.
Descripción detallada de la invención
Una forma de ejecución del proceso de etanol de la presente invención utiliza una combinación única de molienda enzimática, fermentación indirecta y síntesis química para producir un buen número de productos muy valisoso. En la figura 1 un diagrama de flujo por bloques simplificado del proceso. Se muele 20 el maíz 10, se extrae el aceite 30 el material restante se convierte por vía enzimática 40 empleando las enzimas 44 en azúcares fermentables y aminoácidos. El ácido acético y la biomasa bacteriana 60 se producen mediante una fermentación 50 de dos pasos. En el primer paso se recurre a bacterias de ácido láctico como el Lactobacillus casei para convertir los azúcares fermentables en ácido láctico. El segundo paso de la fermentación recurre a bacteria anaeróbicas, por ejemplo el Clostridium formicoaceticum, para convertir el ácido láctico y los azúcares residuales de la primera fermentación en ácido acético sin ningún producto secundario de tipo CO2. Esta combinación de pasos de fermentación se traduce en un alto rendimiento de ácido acético y la coproducción de biomasa bacteriana 60, que puede cumplir los requisitos de la FDA de EE.UU. relativos a microbios en pienso animal. Se convierte el ácido acético resultante en etanol 70 realizando pasos de síntesis química (esterificación+hidrogenación) 80. La biomasa bacteriana 60 de las fermentaciones puede utilizarse directamente o puede procesarse para convertirla en un concentrado de pienso animal de alto contenido proteínico, llamado proteína monocelular (SCP) 60.
Las cantidades molares globales de los pasos principales son las siguientes:
tratamiento enzimático: (1/n) almidón + H2O - dextrosa fermentación 1: dextrosa - 2 ácido láctico fermentación 2: 2 ácido láctico - 3 ácido acético esterificación: 3 ácido acético + 3 etanol - 3 acetato de etilo + 3 H2O reformado de vapor: 1,5 metano + 3 H2O - 1,5 CO2 + 6 H2 hidrogenación: 3 acetato de etilo + 6 H2 - 6 etanol
total: (1/n) almidón + 1,5 metano + H2O - 3 etanol + 1,5 CO2
en el que n es el número de unidades de dextrosa en una molécula de almidón. Las ecuaciones anteriores presentan el almidón como la única fuente fermentable de azúcares del maíz. Sin embargo, el proceso de etanol de la presente invención emplea un proceso de molienda enzimática que hace que también las fracciones de celulosa y hemicelulosa del maíz estén disponibles para la fermentación. El proceso de molienda enzimática aumenta la cantidad de azúcares fermentables derivada de una cantidad determinada de maíz aprox. en un 20% con respecto a la molienda húmeda tradicional.
Otra razón del alto rendimiento del proceso de etanol de la presente invención es la cantidad y la fuente de CO2 producida por el proceso actual. En el proceso de etanol de la presente invención solamente se producen 0,5 moles de CO2 por cada mol de etanol. A diferencia de ello, las vías de fermentación tradicional producen 1 mol de CO2 por cada mol de etanol. Además, el proceso de etanol de la presente invención emplea el metano, más económico, en lugar de la dextrosa como fuente de carbono para el dióxido de carbono. La menor producción de CO2 a partir de materias primas más económicas conduce a un proceso económicamente más ventajoso.
Preparación del sustrato idóneo para la fermentación
Existen muchos procesos bien conocidos en el estado de la técnica que proporcionan medios de fermentación idóneos para las fermentaciones del ácido láctico o ácido acético. Estos pueden ser medios que minimicen la cantidad de nitrógeno en el medio y, de este modo, minimicen la cantidad de proteína monocelular. Por otro lado existen procesos que intentan aumentar la utilización de nitrógeno en la alimentación.
Para los fines de esta invención puede utilizarse cualquier proceso de preparación del medio que sea idóneo.
Como ejemplo meramente ilustrativo se puede considerar la utilización de maíz como materia prima. Los diversos pasos de tratamiento previo que se efectúan, por ejemplo en la molienda del maíz, son por ejemplo la limpieza, la separación del germen para la producción de aceite, etc., que los expertos en molienda conocen bien.
Se realiza un tratamiento típicamente enzimático para convertir el maíz en un medio que sea idóneo para el metabolismo por acción de las bacterias en las fermentaciones ulteriores, aunque puede realizarse también una hidrólisis ácida. Se mezcla el maíz molido con agua para formar una suspensión que después se esteriliza con calor. Puede utilizarse un esterilizador continuo que calienta la suspensión de maíz a 120-140ºC y proporciona un tiempo de residencia de 1 a 5 minutos. Con preferencia, los tubos de retención se diseñan para que proporcionen un flujo turbulento (Re > 4000) con un mínimo de ángulos ciegos, de modo que pueda conseguirse una buena esterilización sin caramelización excesiva.
Con la esterilización por calor se inicia también el proceso de liquefacción. Durante la liquefacción, los gránulos de almidón se hinchan y la viscosidad de la suspensión aumenta fuertemente. Para limitar la subida de la viscosidad se emplea la a-amilasa, estable al calor, que despolimeriza las moléculas de almidón: es un proceso que se llama sacarificación. La a-amilasa es una enzima que hidroliza los enlaces 1,4 de la molécula del almidón. Está clasificada como endoenzima, porque ataca aleatoriamente los enlaces del interior de la molécula de almidón. Se logra una reducción suficiente de la viscosidad con una hidrólisis del 10-15% del almidón en un tiempo de residencia inferior a 10 minutos, en un pH de 5,5 a 7,0.
La glucoamilasa se emplea con preferencia para completar la hidrólisis de la molécula de almidón. La glucoamilasa es una exoenzima ya que solo ataca los extremos de la molécula del almidón. Esta enzima hidroliza tanto el enlace 1,4 como el 1,6, de modo que se consigue una hidrólisis casi completa del almidón. Las condiciones óptimas para la glucoamilasa son típicamente 58-62ºC, pH 4,4-5,0 y 24-48 horas de tiempo de residencia. Los tiempos de residencia más prolongados no son beneficiosos, porque la enzima también cataliza la formación de disacáridos no fermentables: procesos llamados reversión y retrogradación.
Además de la utilización de la fracción almidón del maíz, en esta invención es deseable la utilización de otras fracciones importantes, incluida la hemicelulosa y la celulosa, así como la proteína. Esto normalmente no se hace en los procesos convencionales de etanol. El mayor rendimiento de esta invención y la amplia capacidad de utilización de sustratos para la fermentación, que se utiliza, aumenta el valor de estos pasos añadidos, a diferencia de los procesos convencionales, como se demostrará a continuación.
La hidrólisis de la hemicelulosa puede realizarse por varios métodos. Se ha investigado mucho la hidrólisis ácida, pero también la hidrólisis enzimática es bien conocida. La hidrólisis enzimática completa de la hemicelulosa requiere una mezcla de enzimas. La arabinosa y los ácidos glucurónicos colgantes de la estructura de la xilosa se eliminan utilizando la a-L-arabinofuranosidasa y la a-glucuronidasa. Se hidroliza la estructura de la xilosa utilizando la endo-b1,4-xilanasa y la b-xilosidasa.
También es valiosa la utilización de la celulosa. Se conocen varios métodos para la hidrólisis de la celulosa en azúcares fermentables. Por ejemplo, se hidroliza la celulosa por la acción sinergética de tres enzimas celulasas: la endo-b-glucanasa, la exo-b-glucanasa y la b-glucosidasa. La endo-b-glucanasa es una endoenzima que hidroliza aleatoriamente los enlaces 1,4 del interior de la molécula de celulosa. La exo-b-glucanasa elimina las unidades celobiosa (un disacárido de la glucosa unida en posición b) del extremo no reductor de la cadena de la celulosa. La b-glucosidasa hidroliza una unidad celobiosa convirtiéndola en dos moléculas de glucosa. Combinando sus acciones, las tres enzimas pueden convertir la celulosa en glucosa monómera. Es también característico de esta invención que las bacterias de ácido láctico empleadas en esta invención utilizan la celobiosa directamente, lo cual reduce la inhibición de realimentación de la hidrólisis.
Las enzimas de la hemicelulosa y celulosa han sido objeto de un gran esfuerzo investigador durante los últimos 1020 años. Se necesitan estas enzimas para la conversión eficaz de los materiales de la biomasa de madera en azúcares fermentables, que pueden utilizarse a continuación como materia prima de fermentación para la obtención de etanol y otros productos de fermentación por procesos tradicionales. Los materiales de biomasa como son el césped, madera, papel y residuos de cosechas agrícolas y son mucho más baratos que los materiales basados en almidón, por ejemplo el almidón de maíz.
La reducción en costes de enzima puede obtenerse por solapamiento de la actividad sacarificadora y el proceso de fermentación en un diseño llamado sacarificación y fermentación simultáneas (SSF). La inhibición de producto de las celulasas se evita con la conversión de la glucosa en etanol u otros productos deseados de la fermentación. La filosofía de la SSF se ha aplicado durante décadas en la industria del etanol con las enzimas del almidón. La investigación ha demostrado que este concepto funciona para los sistemas de enzimas hemicelulasa y celulasa. Este proceso puede utilizarse también para la presente invención. Es un proceso preferido porque la fermentación empleada en esta invención recurre a más tipos de azúcares producidos en la hidrólisis y acelera más la hidrólisis que una fermentación con levaduras que consume ampliamente la fracción de glucosa.
Además de la utilización de la fracción de fibras que contiene a la hemicelulosa y celulosa, es deseable en esta invención utilizar la fracción de proteína.
Las enzimas proteasas se emplean para hidrolizar las proteínas del maíz en péptidos más pequeños y en aminoácidos. Estos péptidos y aminoácidos son una fuente importante de nitrógeno para las bacterias de la fermentación. La hidrólisis de las proteínas se requiere para acelerar la asimilación de nitrógeno en la fermentación. La patente US4,771,001 describe el uso de las enzimas proteasas para aumentar la utilización de las proteínas durante la fermentación de ácido láctico. En esta patente se ilustra también el uso de diferentes materias primas, en este caso el suero de queso. Para los fines de la presente invención, la proteína empleada para complementar la fermentación puede proceder del maíz, tal como se ilustra, o de otras fuentes de proteínas y puede mezclarse con el medio. Puede utilizarse cualquier fuente de proteína que produzca un medio de fermentación idóneo para la fermentación del ácido láctico o ácido acético y que no inhiba la fermentación.
En su forma de ejecución más general, la presente invención no depende de una fuente específica de hidratos de carbono o de proteínas, sino que puede utilizarse cualquier fuente que sea idónea.
Fermentación
La finalidad general de la parte de fermentación de la presente invención es convertir los hidratos de carbono fermentables y los aminoácidos en ácido acético y proteínas de bacterias monocelulares. En una forma preferida de ejecución se realiza un proceso de fermentación de dos pasos. En el primer paso se recurre a bacterias homofermentativas de ácido láctico para convertir la masa de azúcares fermentables en ácido láctico y proteína monocelular. En el segundo paso se emplean bacterias homofermentativas acetogénicas para convertir el ácido láctico y los hidratos de carbono residuales en ácido acético.
El paso de fermentación de ácido láctico recurre a bacterias homofermentativas de ácido láctico, por ejemplo el Lactobacillus casei, para convertir los azúcares fermentables en ácido láctico. Las bacterias de ácido láctico son gram-positivas, no forman esporas y son anaerobios tolerantes. Estas bacterias se encuentran en la boca y en el tracto intestinal de la mayoría de animales de sangre caliente, incluidos los humanos. No son patógenas y muchas de ellas han sido aprobadas por la FDA de EE.UU. como organismos viables para el uso como microbios de alimentación directa en piensos animales. Los cultivos viables están presentes además en muchos yogurts consumidos por los humanos.
Tal como se representa en la figura 2, el ácido láctico es el único producto metabólico para las cepas homofermentativas. La glucosa se metaboliza a piruvato utilizando la vía glucolítica regular de Embden-Meyerhof. El piruvato se convierte en ácido láctico en un solo paso asociado a NAD. La mayor parte de las bacterias de ácido láctico son mesófilas con temperaturas óptimas de crecimiento situadas entre 35 y 45ºC. El crecimiento de las células es sensible al pH, situándose el pH óptimo en torno a 6,0. La inhibición del producto empieza a afectar la cinética del crecimiento celular y la producción de ácido cuando los niveles de ácido láctico se sitúan por encima del 4 % en peso. La inhibición completa del crecimiento surge en torno al 7 % en peso, mientras que la inhibición completa de la producción de ácido surgen en torno al 10-12 % en peso.
El material alimentado a la fermentación es muy diluido en hidratos de carbono y tiene solamente un 5 % en peso de azúcares fermentables. Para este paso es adecuado un reactor de tipo tanque agitado continuo de estadio único (CSTR) de tipo fermentador. Sin embargo, puede utilizarse cualquier biorreactor idóneo, incluidos los reactores por partidas o discontinuos, de partidas alimentadas, de reciclado celular y CSTR multi-paso. La baja concentración de hidratos de carbono en la alimentación limitará los efectos de inhibición de producto en la cinética del crecimiento celular y de producción de ácido, por lo cual es posible una conversión de del 90 % o más con un tiempo de residencia de unas 18-24 horas. Las cepas más homofermentativas metabolizarán fácilmente un amplio abanico de sustratos azúcar. Es ventajoso combinar la fermentación de ácido láctico con la posterior fermentación de ácido acético de tal manera que se utilicen todos los azúcares.
A diferencia de muchas fermentaciones industriales de ácido láctico, la presente invención puede trabajar de modo que la fermentación esté limitada por los hidratos de carbono y no limitada por el nitrógeno. De este modo se maximiza la producción de biomasa manteniendo la mayor parte de la fermentación en el estado asociado con el crecimiento y asegurando que se dispondrá de nitrógeno suficiente para el crecimiento. Para cualquier fermentación asociada con el crecimiento, los rendimientos de biomasa se sitúan típicamente en torno a 10,5 g por mol de ATP producido. Dado que las fermentaciones de ácido láctico producen un total de 2 moles de ATP por mol de glucosa, el rendimiento en biomasa se situará en torno a 2(10,5/180) = 0,12 g por g de glucosa. Por estequiometría, los 0,88 g de glucosa restantes se convierten en 0,88 gramos de ácido láctico.
La producción eficiente de biomasa como proteína monocelular es una parte importante de esta invención. A diferencia de la producción histórica de proteína monocelular, es muy ventajosa la aplicación de una fermentación anaeróbica homofermentativa. Esto es así porque toda la producción de energía del organismo procede de la producción del metabolito deseado, ya sea ácido láctico, ya sea ácido acético. Esto significa que no existe ningún producto secundario residual CO2 como ocurre en las fermentaciones aeróbicas. Además, dado que no hay producción de CO2, se minimiza también el calor producido durante la fermentación. Por consiguiente, la utilización de energía contenida en la matería prima hidratos de carbono se maximiza para la producción de proteína monocelular valiosa o de ácidos láctico y acético. La fermentación tradicional con levadura, además de la masa residual de CO2, requiere también la evacuación del calor.
El caldo fermentado del primer paso de fermentación se clarifica utilizando una centrífuga. El concentrado contiene las bacterias de ácido láctico se envía a la recuperación de la proteína monocelular. La cantidad de proteína monocelular producida guarda relación con la cantidad de nitrógeno en forma de proteínas hidrolizadas en forma de aminoácido y péptidos que se alimenta a la fermentación en el medio. Esto puede situarse en una cantidad muy pequeña, pero no cero, ya que las bacterias de ácido láctico requieren algunas fuentes de nitrógeno complejas, por ejemplo del 1% al 15% del rendimiento global de proteína monocelular basado en el nitrógeno total más hidratos de carbono del medio. Es característico de la invención que la producción de proteína monocelular pueda controlarse dentro de un amplio margen. La proteína monocelular puede procesarse por cualquier medio idóneo, por ejemplo el secado por atomización, para producir un producto vendible.
Otra característica importante de la presente invención es la producción de una proteína monocelular que tiene un valor aumentado como ingrediente de pienso animal. La proteína monocelular procedente de la fermentación de ácido láctico tiene estas características. Tiene una concentración elevada de proteínas, situada en torno al 70%, en función de la cepa de organismo y de las condiciones específicas de la fermentación. Tiene un buen perfil de aminoácidos. Es decir, contiene un porcentaje elevado de los llamados aminoácidos esenciales, que comprenden, por ejemplo, la lisina, metionina, isoleucina, triptófano y treonina. El porcentaje combinado de estos aminoácidos dentro de las bacterias de ácido láctico se sitúa en torno al 10,5%, compárese con la proteína de maíz, que tiene aproximadamente un núcleo de maíz total del 1%. La composición de proteínas del maíz depende de la fracción de maíz que se considere. La harina de gluten de maíz, por ejemplo, tiene un 7,5 %, pero la alimentación de gluten de maíz tiene aprox. un 2,5 % de aminoácidos esenciales. Esta composición ampliada de aminoácidos guarda una relación directa con el valor de la proteína como ingrediente del pienso animal.
En una forma preferida de ejecución, la presente invención puede producir proteína monocelular con gran eficacia y con gran valor.
El concentrado de la separación de las bacterias de ácido láctico del caldo de la primera fermentación se alimenta a un segundo fermentador, en el que el lactato se convierte en acetato utilizando bacterias acetogénicas. El lactato puede ser un sustrato preferido para las bacterias acetogénicas en muchos de sus entornos naturales. La velocidad de fermentación y el rendimiento en sustrato lactato pueden ser muy elevados, p.ej. superior al 98 % de rendimiento de acetato a partir del lactato.
La separación incompleta de las bacterias de ácido láctico es típicamente aceptable porque la fermentación del ácido acético emplea típicamente una cepa termófila y la segunda fermentación se realiza a una temperatura elevada. La contaminación de la fermentación de ácido acético con una bacteria mesófila de ácido láctico no es típicamente un tema importante, porque la bacteria de ácido láctico típicamente no puede crecer en estas temperaturas elevadas. Además, se espera que la conversión de la glucosa sea casi completa en el primer fermentador, de modo que las bacterias de ácido láctico, que consigan sangrar a través de la centrífuga y pasar al segundo fermentador, no tendrán fuente de hidratos de carbono.
Las bacterias acetogénicas se conocen y estudian desde la década de los años 1930. Drake, H.L. (coordinador), “Acetogenesis”, Chapman & Hall, 1994, da una buena visión de conjunto de este ámbito. Las bacterias acetogénicas incluyen a miembros de las especies Clostridium, Acetobacterium, Peptostreptococcus y otras menos conocidas. Los hábitats de estas bacterias son: alcantarillas, digestores anaeróbicos de plantas municipales de tratamiento de residuos, sedimentos naturales, tripas de termitas, rumiantes y tracto intestinal de no rumiantes, incluidos los humanos. Es raro el carácter patogénico. Todos estos organismos son estrictamente anaeróbicos, lo cual significa que el contacto con el oxígeno a menudo es fatal para el microorganismo. El Clostridium forma esporas. Las esporas son resistentes a muchas técnicas de esterilización y se han tenido que diseñar procedimientos especiales para tratar las bacterias formadoras de esporas. Las especies Acetobacterium y Peptostreptococcus no forman esporas.
La figura 3 es un esquema simplificado de las vías metabólicas empleadas por la mayor parte de bacterias acetogénicas. El organismo metaboliza la glucosa a piruvato utilizando la vía glucolítica normal de Embden-Meyerhof. El ácido láctico se metaboliza en primer lugar convirtiéndose de nuevo en piruvato. Del piruvato, el organismo saca ácido acético y dióxido de carbono utilizando las vías regulares de oxidación. La principal característica que distingue a las bacterias acetogénicas es que el CO2 producido en este paso de oxidación no se emite al medio ambiente. En lugar de esto, las bacterias acetogénicas tienen una vía metabólica que fijará el CO2 y fabricarán un mol adicional de ácido acético.
La nueva vía acetogénica proporciona tres funciones para el organismo:
1.
Al igual que todos los anaerobios, se requiere un aceptor de electrones terminales diferentes del oxígeno para equilibrar las reacciones redox del metabolismo. En este caso, la reducción del dióxido de carbono actúa como sumidero de electrones.
2.
La energía celular (es decir, ATP) se produce a partir de esta vía. Las vías metabólicas de conversión de un mol de glucosa en dos moles de ácido acético y dos moles de dióxido de carbono producen cuatro ATP por mol de glucosa consumido. La adición de la vía acetogénica crea otra molécula de ácido acético a partir del dióxido de carbono y aumenta el rendimiento de ATP hasta 4-6 ATP por mol de glucosa. Los ATP adicionales no se generan directamente del nivel de fosforilación del sustrato, sino que tiene su origen en otros procesos, por ejemplo la cade
na de transporte de electrones y las bombas iónicas ubicadas en las membranas celulares. La cantidad exacta de ATP producido a partir de fuentes secundarias varía de una cepa a otra y depende también del entorno celular.
3.
El dióxido de carbono puede convertirse en carbono celular, necesario para el crecimiento, utilizando vías anabólicas celulares, incluso cuando no se dispone de fuentes habituales de carbono, por ejemplo la glucosa.
Algunos acetógenos producirán otros ácidos orgánicos, por ejemplo ácido fórmico, propiónico, succínico, etc., además del ácido acético. Estos organismos se describen como heterofermentativos, a diferencia de los organismos homofermentativos, que solamente producen ácido acético. Las vías heterofermentativas representan una pérdida potencial de rendimiento en la presente invención y con la elección correcta de la cepa y la evaluación de los factores que provocan la formación de estos otros ácidos orgánicos se minimizará el impacto.
Con gran diferencia, hasta el presente el grueso del trabajo se ha dedicado a las cepas de Clostridium. Muchas de estas cepas son termófilas, con temperaturas óptimas de crecimiento en torno a los 60ºC. Se han realizado varios estudios cinéticos (Yang, S.T., Tang, I.C., Okos, M.R., “Kinetics and Mathematical Modeling of Homoacetic Fermentation of Lactate By Clostridium formicoaceticum”, Biotechnology and Bioengineering, vol. 32, p. 797-802, 1988; Wang, D.I., Fleischhaker, R.J.; Wang, G.Y., “A Novel Route to the production of Acetic Acid By Fermentation”, simposio AIChE Symposium, serie: Biochemical Engineering: Renewable Sources, nº 181, vol. 74, p. 105-110, 1978; y Tang, I.C., Yang, S.T., Okos, M.R., “Acetic Acid Production from Whey Lactose by the Co-culture of Streptococcus lactis and Clostridium formicoaceticum”, Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 28, p. 138-143, 1988; que se incorporan a la presente en su totalidad como referencias) para examinar los efectos del pH y de los niveles de acetato tanto en el crecimiento celular como en la producción de ácido. Estos organismos son sensibles a un pH bajo y la inhibición del producto surge en concentraciones mucho más bajas que en las bacterias de ácido láctico. El pH óptimo se sitúa en torno a 7 y la tolerancia máxima de acetato es de solamente 30 g/l en la fermentación por partidas.
Un diseño de fermentador CSTR de uno o dos estadios es típicamente apropiado para el segundo paso de fermentación. Sin embargo, puede utilizarse cualquier biorreactor adecuado, incluidos los reactores de partidas, de partida alimentada, de reciclado celular y CSTR multipaso. A diferencia del primer paso de fermentación, la fermentación de ácido acético está limitada por nitrógeno y no limitada por hidratos de carbono. El rendimiento de ácido acético a partir de ácido láctico puede ser superior al 85 % del rendimiento teórico.
En una forma de ejecución, el caldo del segundo paso de fermentación se prepara para la segunda parte de la presente invención que es la conversión química. Como ejemplo, se clarifica el caldo con una combinación de una centrífuga y un microfiltro. La centrífuga elimina el grueso de la biomasa y reduce el tamaño del microfiltro posterior, reduciendo su carga. El líquido que atraviesa el microfiltro se envía a la unidad de nanofiltración. El microfiltro actúa como un prefiltro de la unidad de nanofiltración. La unidad de nanofiltración separa las proteínas, los azúcares sin convertir, etc., que tienen pesos moleculares en torno a 300. La unidad de nanofiltración separa el grueso de las impurezas del baño de acetato y produce un líquido filtrado blanco como el agua, que puede enviarse a los procesos posteriores.
Los concentrados de la centrífuga, microfiltro y nanofiltro pueden procesarse para recuperar valores útiles de la proteína monocelular o reciclarse a uno de los pasos de fermentación. Como alternativa, pueden depositarse como residuos de cualquier manera que sea aceptable, por ejemplo el compostado o la incineración.
Aunque una forma preferida de la presente invención utilizado dos pasos de fermentación y la producción de proteína monocelular, este no es un requisito indispensable para el caso más general. Puede proporcionarse solamente un medio idóneo para la fermentación de ácido acético. Aunque no puede producirse proteína monocelular, el mayor rendimiento a partir de la fuente de hidratos de carbono seguirá proporcionando una ventaja importante para la presente invención.
Además, no es necesario utilizar la fracción de hemicelulosa o celulosa de las materias primas para obtener las ventajas de la presente invención. Un ejemplo es la utilización de la invención en combinación con la molienda húmeda del maíz, en la que el medio sería almidón casi puro y el agua de remojo del maíz producido en el molino. La presente invención aumentará todavía el rendimiento de etanol si se compara con la tecnología convencional en un 75% proporcionando una ventaja económica enorme.
La característica clave del paso de la fermentación es, pues, la conversión de los hidratos de carbono de cualquier fuente en ácido acético.
Acidificación y esterificación
En el siguiente paso de la invención, se convierte el ácido acético o acetato producidos en la fermentación en un éster de ácido acético, con preferencia el éster de metilo o de etilo y con mayor preferencia el éster de etilo. Como parte de esta invención es aceptable cualquier proceso idóneo que convierta el ácido acético o la sal acetato en el éster.
El ácido acético es un ácido orgánico débil, que tiene un pKa = 4,76. Si la fermentación se realiza a un pH aprox. neutro (es decir, pH =7,0), el producto de la fermentación será en gran medida una sal acetato y no el ácido. En la fermentación puede utilizarse cualquier base idónea para neutralizar la fermentación. El agente neutralizador prefe
5 rido es el Ca(OH)2, que puede suministrarse en forma de CaO (cal viva) o carbonato cálcico (CaCO3), que pueden reciclarse a partir de pasos posteriores del proceso. Pueden utilizarse otros agentes neutralizadores, por ejemplo el NaOH o NH4OH, si lo determinan las condiciones requeridas por el organismo de la fermentación. Sin embargo, la misma sal acetato es inhibidora y la concentración máxima de acetato viene limitada normalmente al 5 % del caldo de fermentación.
Por consiguiente, hay dos problemas en la recuperación de las sales de ácido acético a partir de una solución, por ejemplo de un caldo de fermentación. La sal acetato tiene que convertirse por lo general en el ácido y el ácido tiene que separarse de la solución diluida en agua. Es deseable además reciclar la base empleada para neutralizar la fermentación para reducir los costes y evitar el potencial impacto medioambiental.
15 La vía más típica es la acidificación sucesiva de la sal para producir ácido acético y después la consiguiente recuperación del ácido. Incluso después de que la sal se haya convertido en una solución diluida del ácido, sigue siendo necesario recuperar el producto del agua. Se han propuesto muchas estrategias de proceso para recuperar tales soluciones diluidas. Dado que el ácido acético tiene un punto de ebullición más alto que el agua, la mayor parte del agua, en torno al 95 %, del caldo tiene que separarse del ácido acético por destilación para recuperar el ácido, si se practica una destilación simple. Como alternativa pueden aplicarse algunos procesos más complejos para recuperar el ácido acético, normalmente en combinación con una extracción del disolvente. Sin embargo, esta línea de investigación, es decir, la acidificación y la consiguiente recuperación de la solución diluida no ha superado las limitaciones económicas del proceso de fermentación de ácido acético para hacerlo competitivo frente a la vía basada en el gas
25 de síntesis. Por lo tanto, todo el ácido acético industrial se fabrica actualmente por gas de síntesis derivado de carbón, petróleo o gas natural.
Se ha propuesto un gran número de métodos para acidificar la solución de la sal del ácido acético. Un método es la reacción de la sal acetato con un ácido fuerte, por ejemplo el ácido sulfúrico, para formar ácido acético (HAc) y sulfato cálcico (CaSO4). El CaSO4 precipita y se separa fácilmente de la solución de ácido acético. Sin embargo, este método requiere consumir ácido y base y produce una sal residual como producto secundario, que puede convertirse en una carga para el medio ambiente. Otro método es la electrodiálisis bipolar, que separa la sal en un ácido y una base (esto no funciona bien con las sales de Ca, pero en este caso se podría sustituir por Na). Otras vías para producir ácido acético diluido a partir de la sal son bien conocidas.
35 Se ha propuesto también la reacción de una sal de ácido carboxílico con una amina y CO2 con precipitación de CaCO3 y formación de un complejo de ácido y amina, que puede extraerse y regenerarse térmicamente, tal como se describe en la patente US-4,405,717, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia.
En la patente US-4,282,323, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia, se describe un proceso para acidificar las sales acetato empleando CO2 de muchas maneras. En la patente mencionada se separa el ácido acético formado con un disolvente para obtener una fase separada.
La esterificación de ácido acético para formar acetato de etilo es una reacción bien conocida: 45
ácido acético etanolacetato de etilo agua
La esterificación se realiza de modo típico en fase líquida. La constante de equilibrio para esta reacción es de 4,0 y es casi independiente de la temperatura. Los catalizadores ácidos de esta reacción incluyen: los ácidos fuertes de Bronsted, por ejemplo el ácido sulfúrico y el ácido metanosulfónico, las resinas ácidas de intercambio iónico, las zeolitas y un gran número de materiales más, incluido el ácido carbónico formado por disolución del CO2 en agua. La velocidad de reacción dependerá del tipo y concentración del catalizador, la temperatura de reacción y el grado de alejamiento del equilibrio.
Existen vías alternativas para intentar evitar los pasos separados de acidificación y esterificación. Puede hacerse reaccionar directamente una sal del ácido carboxílico con un alcohol por ejemplo el etanol para producir el éster directamente. Puede intercalarse un paso intermedio para convertir la sal de Ca en una sal amónica. En este paso se hace reaccionar el Ca(Ac)2 diluido con NH3 y CO2 para formar el NH4Ac, que precipita. La sal amónica del ácido acético puede esterificarse después directamente, del modo descrito en la patente US-2,565,487, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia.
Estrategia preferida
La estrategia preferida consiste en combinar las operaciones químicas y de cambio de base en un nuevo proceso eficaz para producir directamente un éster volátil del ácido acético y destilar este éster para separarlo del caldo.
Las tres partes son:
1) Acidificación del caldo de fermentación con CO2 a presión baja o casi atmosférica para producir ácido acético y precipitar el CaCO3, que puede reciclarse directamente a la fermentación como base; 2) esterificación simultánea del ácido acético formado con un alcohol, por ejemplo el alcohol metílico o etílico, para formar un éster volátil y 3) destilación reactiva para desplazar los equilibrios de acidificación y esterificación hacia una conversión elevada.
Dado que la esterificación es una reacción en equilibrio, una conversión elevada podrá conseguirse desplazando la reacción hacia la derecha mediante la separación continua de uno o más productos. La destilación reactiva similar a la desarrollada por Chronopol para la síntesis de la lactida (véase la patente US-5,750,732, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia) y por Eastman Chemical para la producción del acetato de metilo (véanse las patentes US-4,939,294 y 4,435,595 y Agreda, V.H., Partin, L.R., Heise, W.H., “High-Purity Methyl Acetate Via Reactive Distillation”, Chemical Engineering Progress, p. 40-46, febrero de 1990, que se incorporan a la presente en su totalidad como referencias) es un método económicamente atractivo. En la patente US-5,599,976, que se incorpora a la presente en su totalidad como referencia, se describe la conversión de un ácido acético muy diluido en el éster en un proceso de destilación reactiva continuo. Xu y Chuang (Xu, Z.P, Chuang, K.T., “Kinetics de Acetic Acid Esterification over Ion Exchange Catalysts”, Can. J. Chem. Eng., vol. 74, pp. 493-500, 1996) indican que la destilación reactiva para obtener el éster de ácido acético a partir de una solución diluida es el método preferido para eliminar el ácido acético de soluciones muy diluidas, como son las producidas en la presente invención. En este concepto, el ácido acético fluye a contracorriente con el etanol de la esterificación dentro de una columna de destilación. En la presente invención, el acetato de etilo es más volátil que el ácido acético de modo que el acetato de etilo se separa por destilación de la mezcla líquida y se desplaza la reacción de esterificación hacia la derecha, lo cual permite un grado de conversión mayor que en un solo reactor. El proceso que aquí se propone va más allá de estos ejemplos porque combina la acidificación simultánea con la esterificación por destilación reactiva. Todos los procesos citados parten de ácido acético (o de ácido láctico en el caso del Chronopol) y no de una sal.
El efecto neto del proceso de destilación reactiva, la vía preferida, es sacar el ácido acético de la solución diluida sin evaporar el agua, que forma la mayor parte de la corriente.
Además, el uso de CO2 como agente acidificante preferido con precipitación del CaCO3 permite reciclar el agente neutralizador a la fermentación sin consumir productos químicos. El CaCO3 puede utilizarse directamente para la fermentación o pueden convertirse antes en CaO por calcinación.
El proceso de destilación reactiva 80a se representa en la figura 4.
Sección de reacción
Se mezclan las materias primas, una solución diluida (al 5%) de acetato cálcico 410 (Ca(Ac)2) en agua 414 con etanol 418 y se alimentan a la columna 422 en la parte superior de la sección de reacción 424. Se alimenta el CO2 420 a la columna 422 por el fondo de la sección de reacción 424. Tiene lugar la reacción simultánea del CO2 420 con Ca(Ac)2 410 y etanol 418 en la zona de reacción 424 en la sección central de la columna 422 con formación de CaCO3 428 y acetato de etilo (EtAc) 432.
CO2 (g) + H2O - H2CO3 Ca(Ac)2 + H2CO3 - CaCO3 (s) + 2HAc 2HAc + 2EtOH - 2EtAc
El componente más volátil de la mezcla reaccionante es el azeótropo de acetato de etilo/agua/etanol 436. La composición de esta mezcla azeotrópica es un 82,6% de acetato de etilo, un 9% de agua y un 8,4% de etanol y tiene un punto de ebullición normal de 70,2°C. Se separa esta mezcla azeotrópica 436 de la mezcla reaccionante por vaporización junto con un poco de EtOH y agua. El producto del fondo de la zona de reacción es una solución de agua y etanol que contiene CaCO3 en suspensión, que fluye hacia la sección de arrastre.
Sección de separación
En la zona superior de separación 450 se separa la mezcla azeotrópica del etanol y agua, que también se vaporizan desde la mezcla reaccionante. La mezcla de etanol y agua 454 se recicla hacia la zona de reacción 424 y el producto que sale por cabeza es la mezcla azeotrópica 436. Se separa el CO2 del condensado de cabeza y se recicla a la columna con reposición de CO2. Después se rompe la mezcla azeotrópica por adición de agua, lo cual provoca la separación de las fases, la fase rica en agua y etanol se devuelve al punto apropiado de la columna de destilación reactiva (no representado).
Sección de arrastre
5 Dado que se emplea un exceso de etanol para favorecer el avance de la reacción de esterificación en la sección de reacción, la sección de arrastre 458 devuelve el exceso de etanol a la zona de reacción. En la sección de arrastre 458 se separa el etanol de la corriente de agua que contiene CaCO3, que se descarga de la columna 422 y se separa por simple separación de líquido/sólido 462, por ejemplo una centrifugación o filtración, en la base sólida 466 para reciclar y agua 470.
El efecto neto del proceso de destilación reactiva es la recuperación del ácido acético de la solución diluida de la sal, con lo cual se produce una corriente relativamente concentrada de producto en la cabeza y sin vaporización del agua que forma el grueso de la corriente. La integración de las tres secciones reduce el consumo energético. La
15 separación simultánea del producto éster desplaza el equilibrio de la esterificación y conduce a una conversión más elevada en poco tiempo.
No es habitual manejar precipitados en un sistema de destilación. Sin embargo, en este caso la reacción de precipitación tiene lugar en la fase que ocupa mayor volumen y no se debe a la concentración de la solución en una superficie de transferencia térmica, un tipo habitual de suciedad. Los alambiques de etanol de cerveza de la industria de etanol por molienda seca del maíz manipulan habitualmente los sólidos cargándolos a la sección de arrastre mediante el uso de bandejas de diseño simple y aberturas grandes. Como alternativa sería posible trabajar en la sección de reacción con otras configuraciones, por ejemplo una serie de tanques agitados con un colector habitual de vapor para simular una sección de reacción con columna.
25 El éxito del desarrollo de un proceso integrado de acidificación, esterificación y purificación de bajo coste y bajo consumo energético permite una producción económica a escala industrial de productos químicos importantes a partir de recursos renovables, que ahora se producen a partir de recursos no renovables.
Una ventaja importante de la utilización de recursos renovables es la reducción de la producción de CO2 en sustitución de las materias primas fósiles. Sería beneficioso para la economía de EE.UU. la sustitución del petróleo importado por recursos renovables nacionales. El uso de productos agrícolas para obtener productos químicos y carburantes líquidos sin subvenciones tiene beneficios importantes para el colectivo de agricultores en términos de demanda de producto y mercados estables y reduciría el coste de las subvenciones pagadas por el gobierno de
35 EE.UU.
Hidrogenación
El tercer paso importante de la invención es la conversión del éster de ácido acético dos alcoholes por hidrogenación. La hidrogenación de ésteres para obtener alcoholes es una reacción bien conocida.
acetato de etilo hidrógeno etanol
45 En las patentes US-2,782,243, 4,113,662, 4,454,358 y 4,497,967, que se incorporan a la presente en su totalidad como referencias, se describen procesos de hidrogenación de ésteres de ácido acético a etanol.
Para el caso concreto que nos ocupa, la hidrogenación puede realizarse en fase líquida o en fase gaseosa. Puede utilizarse cualquier proceso de hidrogenación idóneo. Esta reacción es también una reacción en equilibrio. La reacción puede desplazarse hacia la derecha utilizando presiones parciales elevadas de hidrógeno. Las condiciones típicas de reacción son 150-250ºC y 500-3000 psi en función del grado de conversión y de la selectividad deseados. La reacción puede catalizarse con cualquier catalizador idóneo para la hidrogenación, por ejemplo la cromita de cobre, el níquel, el níquel Raney, el rutenio y el platino. Para la hidrogenación es preferido un catalizador de cromita de cobre, de níquel o de níquel Raney porque el agua no envenena estos catalizadores. Para el proceso en fase
55 líquida, un buen disolvente puede ser un alcohol, por ejemplo el etanol.
En el proceso en fase gaseosa, el acetato de etilo alimentado se vaporiza y se alimenta al reactor de hidrogenación con un exceso de hidrógeno. Después de pasar por el lecho, se enfrían los vapores y se introducen en un tambor deshidratador de baja presión. La fase vapor, rica en hidrógeno, se recicla de nuevo al reactor. Se destila la fase líquida para separar el agua residual y el acetato de etilo que no haya reaccionado. El agua no es el resultado de la reacción química de hidrogenación; su fuente es el nivel de equilibrio líquido-líquido presente en el tambor de reflujo de la corriente ascendente de la columna de destilación reactiva.
Puede necesitarse otra columna de destilación como paso final de pulido, en función de la naturaleza y de las cantidades de productos secundarios que se formen en las unidades de esterificación e hidrogenación.
El éster preferido es el acetato de etilo, porque evita la introducción de un segundo compuesto en el proceso que tendría que purificarse por separación de la corriente de producto.
El arrastre de agua recoge las corrientes de agua de las unidades de acidificación, esterificación e hidrogenación. El agua se arrastra con vapor para recuperar los valores de disolvente, después se envía el agua a un tratamiento final y se descarga o recicla a la sección de fermentación.
Hay muchas fuentes potenciales de hidrógeno que pueden utilizarse en la presente invención. Puede utilizarse cualquier fuente idónea que produzca hidrógeno de una pureza suficiente para la reacción de hidrogenación y que no envenene al catalizador. Las materias primas para la producción de hidrógeno incluyen el agua, a partir de la cual puede formarse hidrógeno por electrólisis. Pueden utilizarse también muchos materiales fósiles y orgánicos renovables. Si se emplea un material fósil, por ejemplo metano a partir de gas natural, junto con el hidrógeno se producirá algo de CO2. Sin embargo, si se emplea un material renovable, entonces la producción de CO2 será neutra para el medio ambiente. Por ejemplo, para producir hidrógeno pueden utilizarse materiales que contienen carbono e hidrógeno a nivel molecular. Son ejemplos de materiales renovables que pueden utilizarse para la producción de hidrógeno las virutas de madera, el serrín, los residuos municipales, el papel reciclado, los residuos de la industria del papel y pasta papelera, los residuos agrícolas sólidos de la producción ganadera y/o cerealista, dicha producción de hidrógeno puede realizarse p.ej. con la tecnología de la gasificación.
El reformado de vapor de metano para producir hidrógeno es un proceso bien conocido. Tal como se representa en la figura 1, se hacen reaccionar el gas natural 90 y el agua 92 en un reformador de vapor 94 para obtener hidrógeno 96 y dióxido de carbono 98. Podrían emplearse también otros métodos para producir hidrógeno (oxidación parcial de hidrocarburos, oxidación parcial del carbón, electrólisis del agua, etc.). Si se dispone de oxígeno puro, por ejemplo en una operación de línea de vallas con planta de separaciones de aire, los procesos de oxidación parcial pueden ser económicamente viables. Si se dispone de fuentes baratas de electricidad, la electrólisis puede ser viable.
Otra ventaja de la presente invención con respecto a la técnica anterior de producción de etanol consiste en el balance térmico del proceso. En la presente invención, si el hidrógeno se obtiene por reformado de vapor “in situ”, se dispone de un exceso de calor a temperatura elevada y en una planta integrada debido a que la reacción del hidrogenación del éster es un proceso muy exotérmico. Por consiguiente, el proceso en su conjunto es muy eficiente desde el punto de vista energético. Además, ninguna de las materias primas hidrato de carbono se elimina como residuo en forma de CO2 con la correspondiente generación de calor, que tendría que evacuarse al agua de refrigeración.
Otra ventaja de la presente invención es la capacidad de convertir el gas natural a través del hidrógeno en un producto líquido, p.ej. etanol, en un rendimiento muy elevado. Esta característica puede utilizarse en situaciones en las que cualquier fuente de hidratos de carbono está situada cerca de una fuente de producción de gas natural o de un transporte fácil por gasoducto. Esto permite la utilización de gas en regiones remotas, por ejemplo islas, que producen tanto gas como caña de azúcar o bien otras cosechas de hidratos de carbono para fabricar un producto químico
o un combustible líquido de fácil transporte, una vez más con gran eficacia. Por ejemplo, una planta que utilice el proceso de la presente invención podría situarse en la isla de Trinidad, en la que se dispone de fuentes de natural gas y de hidratos de carbono a precios económicamente atractivos. La planta puede fabricar etanol sustancialmente puro para transportarse en forma líquida a destinos remotos, en los que pueda utilizarse económicamente, por ejemplo en la costa del Golfo de Texas. El etanol puede utilizarse como combustible o como material para el procesado posterior. Por ejemplo, el etanol puede convertirse en etileno y venderse a través de los sistemas de gasoductos actualmente existentes de etileno. Como alternativa, el etanol puede reciclarse dentro de la planta para producir acetato de etilo. En otras palabras, la planta puede utilizarse para producir un producto líquido que consta en su totalidad de acetato de etilo, en su totalidad de etanol o bien de una combinación de los dos. Dado que las fuentes de gas natural y de hidratos de carbono están situadas en emplazamientos relativamente próximos entre sí, estos materiales pueden convertirse en un producto líquido de valor superior, que puede transportarse fácilmente a regiones remotas de manera económica.
Con preferencia, la fuente de hidratos de carbono y la fuente de gas natural están situadas a una distancia no superior a quinientas millas entre sí, con mayor preferencia a una distancia no superior a trescientas millas entre sí, y con preferencia especial a una distancia no superior a doscientas millas entre sí. Con preferencia, la región remota a la que podría transportarse el producto líquido, cuando no es viable económicamente el transporte de los hidratos de carbono y del gas natural, estará situada p.ej. a una distancia de más de ochocientas millas, con mayor preferencia a una distancia de más de mil millas, con mayor preferencia a una distancia de más de mil quinientas millas del punto de la producción. Se podrá apreciar que en general es más fácil transportar la fuente de hidratos de carbono que la fuente de gas natural. Se podrá apreciar además que las distancias específicas que favorecen la ventaja económica dependerán del precio de los materiales, del precio del producto líquido transportado y de los costes del transporte. Los expertos podrán apreciar que los costes de transporte dependen de un gran número de factores, incluidas las barreras geográficas, por ejemplo cordilleras, cauces de agua, etc. y no dependen solamente de las distancias. Un ejemplo más: las fuentes de gas natural y de hidratos de carbono pueden hallarse en Australia y/o Nueva Zelanda. Una planta situada en estas naciones podría producir etanol y/o acetato de etilo que se transportaría a Asia y, en particular, a Japón, Taiwan, Corea y China.

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método para producir etanol, dicho método consiste en:
    (a)
    cultivar un microorganismo homoacetogénico en un medio que contiene una fuente de hidratos de carbono para producir acetato, ácido acético o mezclas de los mismos;
    (b)
    hacer reaccionar el acetato con una amina y ácido carbónico, con lo cual se forma un complejo entre la amina y el acetato;
    (c)
    descomponer térmicamente el complejo de la amina para formar ácido acético y regenerar la amina;
    (d)
    esterificar el ácido acético del complejo de la amina para formar un éster acetato en presencia de un alcohol y
    (e)
    hidrogenar el éster acetato para recuperar el etanol.
  2. 2.
    El método según la reivindicación 1, en el que por lo menos un 60% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.
  3. 3.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que por lo menos un 70% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.
  4. 4.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, en el que por lo menos un 80% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.
  5. 5.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos un 90% del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en etanol.
  6. 6.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que esencialmente nada del carbono de la fuente de hidratos de carbono se convierte en dióxido de carbono.
  7. 7.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de hidratos de carbono se elige entre el grupo formado por el maíz, el trigo, la biomasa, la madera, el papel residual, el estiércol, el suero de queso, las melazas, las remolachas azucareras y la caña de azúcar.
  8. 8.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el microorganismo homoacetogénico se elige entre el grupo formado por los microorganismos del género Clostridium, los microorganismos del género Acetobacterium y los microorganismos del género Peptostreptococcus.
  9. 9.
    El método según la reivindicación 8, en el que el microorganismo del género Clostridium es el Clostridium thermoaceticum o el Clostridium formicoaceticum.
  10. 10.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de hidratos de carbono se hidroliza enzimáticamente para generar azúcares y aminoácidos antes del cultivo.
  11. 11.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el pH del medio se sitúa entre aprox. pH 6 y pH 8.
  12. 12.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio contiene por lo menos aprox. un 20 % de nitrógeno.
  13. 13.
    El método según la reivindicación 1, en el que dicho ácido carbónico se produce empleando dióxido de carbono.
  14. 14.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el éster se elige entre el grupo formado por el éster metílico, el éster etílico y mezclas de los mismos.
  15. 15.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el alcohol se elige entre el grupo formado por el metanol, etanol y mezclas de los mismos.
  16. 16.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el éster es un éster volátil.
  17. 17.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la esterificación se lleva a cabo por destilación reactiva.
  18. 18.
    El método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el hidrógeno para el paso de la hidrogenación se produce aplicando un método que comprende de un miembro del grupo formado por el reformado de vapor, una fuente renovable y una biomasa.
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