ES2495115T3 - Proceso para el tratamiento de material lignocelulósico para producir bioetanol y proceso de producción de bioetanol - Google Patents

Proceso para el tratamiento de material lignocelulósico para producir bioetanol y proceso de producción de bioetanol Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para producir bioetanol a partir de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas, caracterizado porque comprende las etapas sucesivas de: a) Pretratamiento de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas que tiene por objetivo separar la celulosa, hemicelulosas y ligninas contenidas en esta materia prima procedente de plantas lignocelulósicas, con el fin de obtener un material pretratado que comprende varios co-sustratos a ser hidrolizados; b) Hidrólisis, especialmente hidrólisis enzimática, de dicho material pretratado; c) Fermentación alcohólica de los productos de dicha hidrólisis; Comprendiendo dicho pretratamiento de la etapa a) las siguientes etapas sucesivas que consisten en: ·- (i) Desestructurar la materia prima procedente de la planta lignocelulósica colocándola en presencia de una mezcla que contiene ácido fórmico y agua, a una temperatura de reacción entre 95°C y 110°C, llevándose a cabo dicha etapa de desestructuración a presión atmosférica; ·- (ii) A continuación, a presión atmosférica y antes de dicha acción de hidrólisis seguida por la acción de fermentar, separar: Por una parte, la fase sólida, principalmente compuesta por dicha celulosa, que constituye un primer co-sustrato, y Por otra parte, la fase líquida, que contiene, en particular en disolución acuosa, el ácido fórmico, las ligninas y las hemicelulosas, que constituye un segundo co-substrato

Description

E09703748
22-08-2014
DESCRIPCIÓN
Proceso para el tratamiento de material lignocelulósico para producir bioetanol y proceso de producción de bioetanol
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir bioetanol, o etanol, que incluye el pretratamiento 5 de la planta lignocelulósica.
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir bioetanol usando material de plantas lignocelulósicas que constituye la parte esencial de las plantas anuales y perennes.
En lo sucesivo, la expresión “planta anual” se refiere a cualquier planta que tiene una vida vegetativa del orden de un año (cereales, pastos varios, algodón, cáñamo, lino, sorgo, caña de azúcar, juncos, etc.) y la expresión “planta
10 perenne” se refiere a una planta cuyo desarrollo se extiende por un período superior (bambú, maderas duras, maderas blandas, etc.).
Las materias primas procedentes de las plantas lignocelulósicas a las cuales se aplica la invención son plantas completas o partes de estas plantas (tallos, corteza, etc.) o co-productos de los procedimientos industriales destinados para la producción de alimentos (paja de trigo, arroz, cebada; bagazo de la caña de azúcar, bagazo del
15 sorgo azucarado, etc.).
Antecedentes técnicos de la invención
La producción de bioetanol a partir de la lignocelulosa que constituye la pared de las plantas es en la actualidad un asunto importante, a raíz de:
-La disponibilidad de materia prima procedente de plantas lignocelulósicas (paja de cereales, bagazo de la 20 caña de azúcar, madera, etc.);
-El incremento del coste de las energías fósiles y especialmente del petróleo, y la necesidad subsiguiente de tener sustitutos para algunos de los productos refinados del petróleo, en particular para su uso como combustibles; y
-El reciente y muy alto incremento del coste de los cereales debido principalmente a la competencia entre el 25 sector alimentario convencional y la producción de bioetanol a partir de los granos.
La lignocelulosa es un término genérico que denota el material compuesto natural que da forma y estructura a las plantas. Es la combinación de tres biopolímeros naturales, a saber:
• Celulosa, que es un polisacárido estereorregular resultante de la polimerización de D-glucosa para dar β1,4-glucosa;
30 • Ligninas, que son polifenoles resultantes de la polimerización de alcoholes alílicos fenólicos; y
• Hemicelulosas, que son polisacáridos resultantes de la polimerización de azúcares que tienen 5 (cinco) átomos de carbono tales como xilosa y arabinosa y/o 6 (seis) átomos de carbono tales como glucosa y manosa.
La proporción y la distribución de los diversos azúcares dependen de la planta en cuestión.
35 Así, las hemicelulosas de las plantas anuales y maderas duras tienen xilosa como monómero principal en una proporción muy grande, mientras que el principal monómero de las hemicelulosas de las maderas blandas es manosa.
Estas tres macromoléculas están dispuestas como estructuras supramoleculares y anatómicas que son mucho más complejas que la estructura del gránulo de almidón o de la sacarosa libre, lo que explica por qué la utilización de
40 lignocelulosas en forma de bioetanol suscita problemas específicos, especialmente a escala industrial.
La celulosa y las hemicelulosas de estas plantas son la parte esencial de la biomasa terrestre. Por lo tanto, estos dos biopolímeros constituyen una enorme reserva de azúcares fermentables a escala mundial, que no tiene punto de comparación con la glucosa derivada de la fermentación del almidón, de granos de cereal o de patatas.
Según la materia prima vegetal inicial, el procedimiento para producir bioetanol por lo general comprende tres
45 grandes conjuntos principales de operaciones, es decir, en forma consecutiva, A) la preparación del mosto, después B) la fermentación del mosto con el fin de obtener un mosto fermentado, después C) la destilación del mosto fermentado con el fin de producir bioetanol.
Dependiendo de la planta inicial usada como materia prima, el procedimiento para producir bioetanol comprende en general tres grandes conjuntos de operaciones; es decir, consecutivamente: A) la preparación de un mosto, luego B)
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la fermentación del mosto con el fin de obtener un mosto fermentado, luego D) la destilación del mosto fermentado con el fin de producir bioetanol.
A estos tres grandes conjuntos de operaciones, es posible añadir un cuarto conjunto general de operaciones E) que consiste en varios tratamientos de los co-productos resultantes de cada uno de estos tres conjuntos principales de operaciones.
Todas las operaciones A) para preparar el mosto tienen como objetivo preparar una pasta o licor que comprende la planta materia prima capaz de ser fermentada, es decir, una disolución acuosa de azúcares que puede ser fermentada por levaduras, con el objetivo de obtener la concentración más alta posible para reducir las capacidades del equipo necesarias para preparar el mosto y para otras operaciones subsiguientes.
En el caso de la producción a partir de recursos lignocelulósicos, la conversión de la celulosa y de las hemicelulosas en etanol requiere una “etapa” previa incontrovertible de despolimerización para obtener los azúcares monómeros, seguida por su fermentación.
Desde la década de 1980, parece que la resolución de los problemas específicos relacionados con la producción a partir de recursos lignocelulósicos impuso el funcionamiento óptimo de las siguientes etapas.
LIGNOCELULOSAS → Pretratamiento → CELULOSA + LIGNINAS → hidrólisis (enzimática) → GLUCOSA + LIGNINAS → Fermentación → Destilación → ETANOL/BIOETANOL.
Aunque la operación de fermentación ha sido conocida desde la primera conversión de un licor de azúcar en una bebida alcohólica y, por lo tanto, es realizada anualmente a niveles de decenas de millones de toneladas métricas, no sucede lo mismo para el pretratamiento de la celulosa que, hasta la fecha, no tiene ninguna aplicación industrial rentable en el mundo.
Durante más de medio siglo, se han llevado a cabo numerosos estudios que se relacionan con el pretratamiento de material vegetal con el fin de lograr que la celulosa sea capaz de hidrolizarse en glucosa en condiciones industrialmente aceptables para la producción posterior de bioetanol.
Ninguno de los procedimientos estudiados hasta la fecha ha tenido realmente éxito a escala industrial, a pesar de los enormes medios que han sido dedicados a tal fin.
En general, estos pretratamientos conocidos transcurren vía una primera disolución en agua de algunas de las hemicelulosas en forma de monómeros, oligómeros y polímeros en medio ácido o básico.
La lignocelulosa se trata a continuación para obtener monosacáridos, oligosacáridos, o incluso polisacáridos que pueden ser fermentados con facilidad mediante pretratamientos a través de:
-Hidrólisis ácida de los polisacáridos en condiciones "rigurosas" a altas temperaturas (120 a 250°C) y a altas presiones con concentraciones de ácidos que pueden llegar hasta el 12% en peso;
-Explosión por vapor de agua a altas presiones (1 a 3 × 106 Pa) y altas temperaturas (190 a 220°C);
-
Adición de un solvente orgánico que facilita la desestructuración de la planta en cuestión; e
-
Hidrólisis enzimática seguida por la fermentación del hidrolizado, en combinación con un tratamiento por
ultrasonidos.
Por el documento WO-A1-95/21960 también se conoce un procedimiento para digerir celulosa en una mezcla de ácidos carboxílicos usando un pirolizador y que necesita calentar el pirolizador a muy altas temperaturas y bajo presión.
Todos estos pretratamientos conocidos ciertamente facilitan la conversión de celulosa en alcohol, pero tienen el inconveniente principal de producir un residuo lignoso contaminado con polisacáridos que luego es difícil de utilizar a menos que sea por incineración.
Estas ligninas tienen además el inconveniente de interferir con la acción de las enzimas durante la etapa de hidrólisis que sigue al pretratamiento, especialmente en virtud de la presencia de ligninas y de furfural presente en la mayoría de los prehidrolizados ácidos.
Además, este tipo de pretratamiento genera un coste significativo, que es prohibitivo a escala industrial, especialmente en virtud de la inversión en equipos y en la necesidad de usar vapor de agua.
Sumario de la invención
Con el fin de superar estos inconvenientes, el procedimiento según la invención proporciona un enfoque radicalmente diferente llevando a cabo la etapa de pretratamiento sobre la base de una separación de los tres
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biopolímeros por solvólisis en un medio ácido/acuoso, que posibilita separar ligninas lineales, no recombinadas, de bajo peso molecular y alto valor añadido, antes de cualquier acción de hidrólisis y posterior fermentación de la celulosa y las hemicelulosas.
En consecuencia, la invención se refiere a un procedimiento que posibilita obtener producciones industriales
5 independientemente de la naturaleza de las plantas usadas, y que, por lo tanto, es particularmente ventajoso en el caso de las plantas anuales para abrir camino a una nueva valorización, especialmente en el caso de la paja de los cereales, y el bagazo de la caña de azúcar o bagazo del sorgo azucarado, una valorización que se añade a la ya propuesta por el solicitante en la solicitud internacional WO-A1-00/68494, que se relaciona con un método para producir pasta de papel, ligninas, azúcares y ácido acético por fraccionamiento del material vegetal lignocelulósico
10 en un medio de ácido fórmico/ácido acético.
La invención propone un procedimiento para producir bioetanol a partir de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas, caracterizado porque comprende las siguientes etapas sucesivas:
a) Pretratamiento de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas que tiene por objetivo separar la celulosa, hemicelulosas y ligninas contenidas en esta materia prima procedente de plantas 15 lignocelulósicas, con el fin de obtener un material pretratado que comprende varios co-sustratos a ser
hidrolizados;
b) Hidrólisis, especialmente hidrólisis enzimática, de dicho material pretratado;
c) Fermentación alcohólica de los productos de dicha hidrólisis;
Comprendiendo dicho pretratamiento de la etapa a) las siguientes etapas sucesivas que consisten en:
20 • (i) Desestructurar la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas colocándola en presencia de una mezcla que contiene ácido fórmico y agua, a una temperatura de reacción entre 95°C y 110°C, llevándose a cabo dicha etapa de desestructuración a presión atmosférica;
• (ii) A continuación, a presión atmosférica y antes de dicha hidrólisis seguida por la acción de fermentar, separar:
25 * Por una parte, la fase sólida, principalmente compuesta por dicha celulosa, que constituye un primer co-sustrato, y
* Por otra parte, la fase líquida, que contiene, en particular en disolución acuosa, el ácido fórmico, las ligninas y las hemicelulosas – que constituye un segundo co-substrato.
En virtud del procedimiento de pretratamiento según la invención que requiere un intervalo preciso de valores de
30 temperatura de reacción, se obtienen – a partir de la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas – por primera vez, en condiciones industriales y económicas y simultáneamente, dos co-sustratos, o sustratos, capaces de ser hidrolizados, que incluyen:
a) Un primer co-substrato compuesto de celulosa molida, es decir, celulosa que está exenta de ligninas y de hemicelulosas, que tiene condiciones óptimas para su hidrólisis enzimática subsiguiente;
35 b) Un segundo substrato compuesto de "melazas de azúcar" originadas a partir de las hemicelulosas, cuyos hidrolizados están exentos de furfural, y que pueden ser separados de los otros componentes de la fase líquida y en particular de las ligninas por operaciones simples, de manera tal que el contenido de lignina residual de las melazas de azúcar sea casi cero.
El procedimiento según la invención va así en contra de los procedimientos conocidos en los cuales las etapas de
40 pretratamiento consisten en colocar la materia primera vegetal en presencia de un ácido mineral a temperaturas de 110°C dando lugar a una producción significativa de furfural.
Además, las ligninas obtenidas son lineales, no recombinadas, de bajo peso molecular, muy alta calidad y alto valor añadido.
El procedimiento según la invención tiene así un excelente equilibrio económico, toda vez que los tres compuestos
45 macromoleculares principales, o biopolímeros, de la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas son utilizados o son recuperables en forma de bioetanol y en forma de ligninas, sin que exista ninguna “contaminación” entre estas dos partes de la utilización.
Según otros aspectos de la invención:
- La mezcla contiene al menos 50% en peso de ácido fórmico;
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-
La etapa de desestructuración (i) consiste en colocar la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas en presencia de una mezcla que contenga ácido fórmico, ácido acético y agua, a una temperatura de reacción entre 95°C y 110°C;
5
- Esta mezcla contiene al menos 20% en peso de ácido fórmico y al menos 50% en peso de ácido acético; el ácido fórmico permite la desestructuración del material lignocelulósico y posibilita la obtención de celulosa que está exenta de ligninas y de hemicelulosas; su contenido depende del material lignocelulósico a ser tratado; el ácido acético sirve como disolvente, con el fin de llevar ligninas y hemicelulosas a la fase líquida;
-
La etapa de separación (ii) se lleva a cabo por prensado, por ejemplo, usando un filtro prensa. Tal separación permite, contrariamente a la centrifugación, una separación perfecta de ligninas-azúcares;
10
- El procedimiento puede, además, comprender una etapa previa que consiste, antes de dicha etapa de desestructuración (i), en llevar a cabo una impregnación previa de la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas a presión atmosférica y a una temperatura al menos 30°C inferior a la temperatura de reacción.

Claims (4)

  1. E09703748
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    REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento para producir bioetanol a partir de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas, caracterizado porque comprende las etapas sucesivas de:
    a) Pretratamiento de una materia prima procedente de plantas lignocelulósicas que tiene por objetivo
    5 separar la celulosa, hemicelulosas y ligninas contenidas en esta materia prima procedente de plantas lignocelulósicas, con el fin de obtener un material pretratado que comprende varios co-sustratos a ser hidrolizados;
    b) Hidrólisis, especialmente hidrólisis enzimática, de dicho material pretratado;
    c) Fermentación alcohólica de los productos de dicha hidrólisis;
    10 Comprendiendo dicho pretratamiento de la etapa a) las siguientes etapas sucesivas que consisten en:
    • (i) Desestructurar la materia prima procedente de la planta lignocelulósica colocándola en presencia de una mezcla que contiene ácido fórmico y agua, a una temperatura de reacción entre 95°C y 110°C, llevándose a cabo dicha etapa de desestructuración a presión atmosférica;
    • (ii) A continuación, a presión atmosférica y antes de dicha acción de hidrólisis seguida por la acción 15 de fermentar, separar:
    °• Por una parte, la fase sólida, principalmente compuesta por dicha celulosa, que constituye un primer co-sustrato, y
    °• Por otra parte, la fase líquida, que contiene, en particular en disolución acuosa, el ácido fórmico, las ligninas y las hemicelulosas, que constituye un segundo co-substrato.
    20 2. El procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque dicha mezcla contiene al menos 50% en peso de ácido fórmico.
  2. 3. El procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque dicha etapa de desestructuración
    (i) consiste en colocar la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas en presencia de una mezcla que contiene ácido fórmico, ácido acético y agua, a una temperatura de reacción entre 95°C y 110°C.
    25 4. El procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque dicha mezcla contiene al menos 20% en peso de ácido fórmico y al menos 50% en peso de ácido acético.
  3. 5.
    El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha etapa de separación (ii) se lleva a cabo por filtración, por ejemplo usando un filtro prensa.
  4. 6.
    El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
    30 comprende, además, un etapa previa que consiste, antes de dicha etapa de desestructuración (i), en llevar a cabo una impregnación previa de la materia prima procedente de plantas lignocelulósicas a presión atmosférica y a una temperatura al menos 30°C inferior a la temperatura de reacción.
    6
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