ES2552603B2 - Procedure for the transformation of dried Opuntia ficus-indica cactus cladodes to produce second generation bioethanol - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la transformación de los cladodios de cactus Opuntia ficus-indica secos para producir bioetanol de segunda generación.#La invención se basa en la aplicación de una serie de técnicas de pre-tratamiento mecánico, pre-tratamiento termoquímico ácido, sacarificación y fermentación alcohólica simultánea (SSF) y destilación, con el objetivo de extraer a la vez los azúcares fermentables de la matriz lignocelulósica de los cladodios de cactus y a continuación convertirlos a bioetanol de segunda generación.#La invención permite la valorización de los cladodios de cactus Opuntia ficus-indica como un recurso de biomasa lignocelulósica no alimentaria, abundante y no explotada, para el desarrollo de biocombustibles de segunda generación como energía renovable y limpia, para afrontar el agotamiento notable de los recursos en energías fósiles.Process for the transformation of dried Opuntia ficus-indica cactus cladodes to produce second-generation bioethanol. # The invention is based on the application of a series of mechanical pre-treatment, acid thermochemical pre-treatment, saccharification and alcoholic fermentation techniques. Simultaneous (SSF) and distillation, with the aim of extracting both fermentable sugars from the lignocellulosic matrix of cactus cladodes and then converting them to second generation bioethanol. # The invention allows the valorization of Opdountia cactus cactus cladodes. indicates as a non-food, abundant and unexploited lignocellulosic biomass resource for the development of second generation biofuels as renewable and clean energy, to face the notable depletion of fossil energy resources.
Description
Procedimiento para la transformación de los cladodios de cactus Opuntia jicus-indica secos para producir bioetanol de segunda generación. Procedure for the transformation of dried opuntia jicus-indica cactus cladodes to produce second generation bioethanol.
SECTOR DE LA TÉCNICA SECTOR OF THE TECHNIQUE
La presente invención forma parte del desarrollo de biocombustibles a partir de la biomasa Hgnocelulósica no alimentaria para hacer frente al agotamiento de los recursos de la energía fósil. The present invention is part of the development of biofuels from non-food Hgnocellulosic biomass to cope with the depletion of fossil energy resources.
ESTADO DE LA TÉCNICA STATE OF THE TECHNIQUE
El notable agotamiento de los recursos energéticos fósiles y el coste que estos suponen, así como las exigencias reglamentarias del desarrollo sostenible, son los principales argumentos a favor del desarrollo de este invento. The notable depletion of fossil energy resources and the cost they entail, as well as the regulatory requirements of sustainable development, are the main arguments in favor of the development of this invention.
Las bio·refinerias son los principales productoras de energías renovables produciendo metano, hidrogeno, bioetanol y biodiesel (Lens, 2005). Por otro lado, la biornasa lignocellulosica constituye un sustrato adecuado. seguro. abundante y con un gran potencial para las biorrefinerías (Kumar et al. 2009). Bio · refineries are the main producers of renewable energy producing methane, hydrogen, bioethanol and biodiesel (Lens, 2005). On the other hand, lignocellulosic biornase constitutes a suitable substrate. sure. abundant and with great potential for biorefineries (Kumar et al. 2009).
Las plantas verdes producen aproximadamente 170 Gtonelada de biomasa seca/año donde 10 Gtoneladas/año serán explotadas con fines energéticos en el horizonte 2050 (que representa el 15% de la demanda energética mundial total) (Lens. 2005). Entre los recursos de biomasa lignocelulósica podemos citar: los residuos y co-productos agricolas (bagazo de la caña de azúcar. tallo de algodón. la paja de trigo, la paja de arroz, la madera .... etc.). los residuos agro-industriales. el compost. los residuos sólidos urbanos y los cultivos energéticos no-alimentarios que producen 300 millones de toneladas de biomasa seca por año (Lens. 2005). Green plants produce approximately 170 tons of dry biomass / year where 10 tons / year will be exploited for energy purposes by the 2050 horizon (which represents 15% of total global energy demand) (Lens. 2005). Among the lignocellulosic biomass resources we can mention: agricultural waste and co-products (bagasse of sugarcane. Cotton stalk. Wheat straw, rice straw, wood ... etc.). agro-industrial waste. the compost urban solid waste and non-food energy crops that produce 300 million tons of dry biomass per year (Lens. 2005).
A pesar del espectacular desarrollo de los cultivos del cactus en Túnez, la explotación de esta especie queda restringida a la producción y la comercialización de tunas. Los cladodios que constituyen la mayor parte de la especie en biomasa son muy poco explotados a pesar de su composición química rica en nutrientes. Opuntia es una planta suculenta con tejidos que permiten el almacenamiento del agua lo que convierte a Opuntia en la planta más eficaz para la conversión del agua en materia seca con respecto a otras plantas grasas. Así, algunas especies de Opuntia producen 26 toneladas de MSlhectárea/año. Despite the spectacular development of cactus crops in Tunisia, the exploitation of this species is restricted to the production and marketing of prickly pears. The cladodes that make up the majority of the species in biomass are very little exploited despite their nutrient-rich chemical composition. Opuntia is a succulent plant with tissues that allow water storage, which makes Opuntia the most effective plant for converting water into dry matter compared to other fatty plants. Thus, some Opuntia species produce 26 tons of MSlhectare / year.
5 De la misma manera, se ha estimado la cantidad de biomasa producida por los cladodios y los frutos de cactus en los climas áridos, semi-áridos así como los suelos de regadío. La especie Opuntia ficus-indica cultivada en condiciones optimas, asegura una producción anual de biomasa que puede exceder las 30 toneladas de MSlhectárea/año según se muestra en la Tabla I (Harndi, 2006). 5 In the same way, the amount of biomass produced by cladodes and cactus fruits in arid, semi-arid climates as well as irrigated soils has been estimated. The Opuntia ficus-indica species cultivated under optimal conditions, ensures annual biomass production that can exceed 30 tons of MSlhectare / year as shown in Table I (Harndi, 2006).
10 Tabla 1: La producción teórica de la biomasa de cactus en función de las condiciones bioclimáticas (Harndi, 2006). 10 Table 1: The theoretical production of cactus biomass according to bioclimatic conditions (Harndi, 2006).
Regiooes CUma Árida Semi--árida Regadío Regiooes CUma Arid Semi - Arid Irrigation
Talla (m x m) Plantaslhectárea Size (m x m) Hectare plants
Cladodios Frutos Cladodios Fruits
4x4 4x4
2,63 0,79 2.63 0.79
Materia vegetal Plant matter
2x2 2 x 2
Biomasa (toneladaslhectárea) 10,5 Biomass (tonnes Hectare) 10.5
3,15 3.15
2 xl 5000 2 xl 5000
21 6,3 21 6.3
- Por otro lado, la especie Opuntia presenta la tasa de producción de biomasa más On the other hand, the Opuntia species presents the biomass production rate plus
- elevada de las plantas invasoras en Túnez. Además. la producción de biomasa del high of invasive plants in Tunisia. Further. biomass production of
- 1S 1S
- cactus aumenta todavía más, a pesar del aumento atroz y peJjudicial de las Cactus increases even more, to despite the increase atrocious and judicial of the
- concentraciones de C02 atmosférico. De este modo, el desarrollo del cactus puede atmospheric C02 concentrations. In this way, the development of the cactus can
- llegar a frenar el efecto invernadero (Florian et aL , 2005). Por tanto, los cladodios come to curb the greenhouse effect (Florian et aL, 2005). Therefore, the cladodes
- de cactus pueden servir of cactus can serve
- como soporte naturaJ para la captura y secuestro de how support nature for capture and kidnapping from
- dióxido de carbono. carbon dioxide.
- 20 twenty
- Hasta la fech a, las patentes relativas a la producción de bioetanol de segunda Till the date, the patents relating to the production of second bioethanol
- generación generation
- a partir de la biomasa lignocelulósica principaJmente emplean los to from lignocellulosic biomass they mainly use the
- siguientes sustratos: following substrates:
El bagazo de la caña de azúcar (US 2010/ 0330638 Al. Dec.30, 2010) ; Los residuos agrícolas: madera dura y blanda, residuos forestales, lodos de la industria papelera, residuos sólidos industriales y municipales, diferentes plantas herbáceas (la paja, el maíz, el sorgo, el trigo, la cebada, el arroz, la soja) (WO 2011 1 137150 Al. Nov.03, 2011) (WO 20111 137147 Al. Nov.03, 201 1); El pino, el roble y algunas plantas perennes (WO 2011 1 136616 A2. Nov.03,2011). The sugarcane bagasse (US 2010/0330638 Al. Dec. 30, 2010); Agricultural waste: hard and soft wood, forest residues, sludge from the paper industry, industrial and municipal solid waste, different herbaceous plants (straw, corn, sorghum, wheat, barley, rice, soy) (WO 2011 1 137150 Al. Nov. 03, 2011) (WO 20111 137147 Al. Nov. 03, 201 1); Pine, oak and some perennials (WO 2011 1 136616 A2. Nov. 03,2011).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN. DESCRIPTION OF THE INVENTION
El objetivo principal de la presente invención es la transfonnación de los cladodios de cactus secos «Opuntia jicus-indica» mediante la aplicación de los pre-treatamientos tennoquímicos y sacarificcacion enzimática para extraer los azucares fennentables y asi producir bioetanol de segunda generación mediante la fermentación alcohólica. Esta invención pennite por una parte valorizar exclusivamente los recursos de biomasa lignocelulosica disponible y no explotada y por otra parte, contribuye en el desarrollo de biocarburante de segunda generación como fuente de nergía renovable limpia. The main objective of the present invention is the transfonation of the dry cactus clades "Opuntia jicus-indica" by applying the tennochemical pre-treatments and enzymatic saccharification to extract the fennentable sugars and thus produce second generation bioethanol by alcoholic fermentation . This invention, on the one hand, exclusively values the resources of available and unexploited lignocellulosic biomass and, on the other hand, contributes to the development of second generation biofuel as a source of clean renewable energy.
El sector de las energías renovables podrá beneficiarse de las ventajas notables de esta invención en e! plan de! desarrollo de los biocarburantes y favorecer así la independencia energética de las energías fósiles. De este modo, el agotamiento notable de los recursos en energías fósiles y las exigencias dictadas para e! desarrollo sostenible son los principales argumentos a favor de esta invención. The renewable energy sector can benefit from the remarkable advantages of this invention in e! plan of! development of biofuels and thus favor the energy independence of fossil energies. Thus, the remarkable depletion of resources in fossil energies and the requirements dictated for e! Sustainable development are the main arguments in favor of this invention.
Los cultivos de Opuntia spp., extendidos por todos los países mediterráneos, y específicamente en Túnez, representan un recurso renovable importante de la biomasa lignocelulósica no alimentaria, que está disponible e ¡nexplotado (En algunos casos se utiliza como alimento de animales). The crops of Opuntia spp., Spread throughout all Mediterranean countries, and specifically in Tunisia, represent an important renewable resource for non-food lignocellulosic biomass, which is available and nexploited (in some cases it is used as animal feed).
- Cabe destacar que los cladodios de cactus son sustratos ricos en materia orgánica seca compuesta principalmente por carbohidratos (Nefzaoui, et al, 2002), lo que justifica su utilización para producir bioetanol. It should be noted that cactus cladodes are substrates rich in dry organic matter composed mainly of carbohydrates (Nefzaoui, et al, 2002), which justifies their use to produce bioethanol.
- S 10 S 10
- La invención tal y como se detalla posterionnente, está basada en la aplicación de una serie de técnicas de pre-tratamiento mecánico (etapa 1), pre-tratamiento termoquímico acido (etapa 2), sacarificación y fennentación alcohólica simultanea (SSF) (etapa 3) y destilación (etapa 4), con e1 objetivo de extraer a la vez los azucares fennentables de la matriz lignocelulosica de los cladodios de cactus y convertirlos a bioetanol de segunda generación. A continuación se describe brevemente cada etapa: The invention, as detailed below, is based on the application of a series of techniques of mechanical pre-treatment (stage 1), thermochemical acid pre-treatment (stage 2), saccharification and simultaneous alcoholic fennentation (SSF) (stage 3 ) and distillation (step 4), with the objective of extracting at the same time the sugars of the lignocellulosic matrix of cactus cladodes and converting them to second generation bioethanol. Each stage is briefly described below:
- Etapa 1.-Pre-tratamiento mecánico de trituración, para reducir el tamaño de las fibras a un diametro medio de las particulas de I mm. Esta etapa tiene como objetivo disminuir el grado de polimerización de la celulosa y de la lignina y Stage 1.-Mechanical pre-treatment of crushing, to reduce the size of the fibers to an average diameter of the particles of I mm. This stage aims to reduce the degree of polymerization of cellulose and lignin and
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- aumentar la superficie de contacto, y por tanto, la accesibilidad de la celulosa y la hemicelulosa a los diferentes reactivos. increase the contact surface, and therefore, the accessibility of cellulose and hemicellulose to the different reagents.
- Etapa 2.-Pre-tratamiento termoquímico ácido en atmósferea inerte en presencia de N2, a una temperatura de 175 oC, una presión de 5 bares, una concentración del Step 2.-Pre-thermochemical acid treatment in an inert atmosphere in the presence of N2, at a temperature of 175 oC, a pressure of 5 bar, a concentration of
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- ácido sulfúrico H2S04 de 0,06 % (mlv), durante un tiempo de contacto de 75 minutos. Esta etapa tiene como objetivo la hidrólisis de la fracción hemicelulósica de la biomasa de los cladodios de cactus secos y así poner la fracción celulósica más accesible a la digestión enzimática ulterior. H2S04 sulfuric acid of 0.06% (mlv), during a contact time of 75 minutes. This stage aims at hydrolysis of the hemicellulosic fraction of the biomass of the dry cactus cladodes and thus make the cellulosic fraction more accessible to subsequent enzymatic digestion.
- 25 25
- Etapa 3.-Sacarificación y fermentación simultanea (SSF) mediante el empleo de Wla mezcla enzimática, con las actividades endocelulasa y exocelulasa (fJglucosidasa) asi como las actividades xilanasas, e inoculando las levaduras Saccharomyces cerevisiae y Pachyso/en tannophi/us ATCC 32691 para convertir los disacaridos (sacarosa) y los monosacaridos fermentables en C6 (glucosa, fructosa..) yen C5 (principalmente xilosa) procedentes de la digestión enzimática simultánea de la fracción celulósica del pretratamiento termoquímico ácido. Stage 3.-Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) through the use of the enzymatic mixture, with the endocellulase and exocellulase (fJglucosidase) activities as well as the xylanase activities, and inoculating the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Pachyso / in tannophi / us ATCC 32691 for convert deaccharides (sucrose) and fermentable monosaccharides into C6 (glucose, fructose ...) and C5 (mainly xylose) from simultaneous enzymatic digestion of the cellulosic fraction of the acid thermochemical pretreatment.
Etapa 4.-Destilación (separación líquida/vapor) para aumentar el contenido en alcohol del mosto obtenido. Stage 4.-Distillation (liquid / vapor separation) to increase the alcohol content of the must obtained.
DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS DESCRIPTION OF THE CONTENT OF THE FIGURES
Figura 1.-Representa un diagrama detallado de las etapas del procedimiento de la transfonnación de las fibras de cactus para la producción del bioetanol de segunda generación. Figure 1.- Represents a detailed diagram of the steps of the process of transfusion of cactus fibers for the production of second generation bioethanol.
Figura 2.-Representa la curva relativa a la isotenna de adsorción de las fibras de cactus secos, pennitiendo el estudio del comportramiento de estas fibras con respecto al agua, calculando la cantidad máxima de la adsorción del agua por las fibras de cactus. Figure 2.- Represents the curve related to the isotenna of adsorption of dry cactus fibers, allowing the study of the behavior of these fibers with respect to water, calculating the maximum amount of water adsorption by cactus fibers.
Figura 3.-Representa la cinética de la sacarificación de la suspensión de fibras de cactus al 10% en materia seca en presencia de 100 rnglg de la enzima CeIlic®Cetc2 diluida 10 veces. Figure 3.- Represents the kinetics of saccharification of the 10% cactus fiber suspension in dry matter in the presence of 100 rnglg of the CeIlic®Cetc2 enzyme diluted 10 times.
Figura 4. Micrografias fotónicas (3X) de las fibras de los cladodios de cactus secos brutos (a) y trituradas (b). Figure 4. Photonic micrographs (3X) of the cladodes fibers of raw dried cacti (a) and crushed (b).
Figura 5. Micrografias Electrónica de Barridos, MEB, de las fibras de los cladodios de cactus secos (370 X) (e) y sus poros (1500 X) (d). Figure 5. Scanning Electron Micrographs, MEB, of the fibers of the dried cactus cladodes (370 X) (e) and their pores (1500 X) (d).
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN La estrategia experimental adoptada en esta invención tiene como objetivo operar en condiciones óptimas y favorables, con la aplicación de pre-tratamientos que favorezcan la hidrólisis de las fracciones lignocelulósica dificiJes de biodegradar y menos asimilables por un proceso de tratamiento biológico. MODE OF CARRYING OUT THE INVENTION The experimental strategy adopted in this invention aims to operate in optimal and favorable conditions, with the application of pre-treatments that favor the hydrolysis of lignocellulosic fractions difficult to biodegrade and less assimilable by a biological treatment process. .
El procedimiento para la transfonnación de los cladodios de cactus secos Opuntia ficus-indica mediante el pre-tratamiento mecánico y tennoquímico ácido, así como la saccarificación y la fennentación simultanea (SSF), seguida de una etapa de destilación, con el objetivo de obtener el bioetanol de segunda generación esta ilustrado en la Figura 1. The procedure for the transfonnación of the cladodes of dry cactus Opuntia ficus-indica by means of mechanical and tennochemical acid pre-treatment, as well as saccharification and simultaneous fennentation (SSF), followed by a distillation stage, in order to obtain the Second generation bioethanol is illustrated in Figure 1.
A continuación se detalla el procedimiento aplicado a las muestras de c1adodios secos de cactus procedentes de la bioc1imática árida de Túnez. The procedure applied to the samples of dried cactus cactus from the arid biocytics of Tunisia is detailed below.
Ensayo t. Pre-tratamiento mecánico y caracterización fisicoquímica y estructural de las fibras de cactus. Essay t. Mechanical pre-treatment and physicochemical and structural characterization of cactus fibers.
El pre-tratamiento mecánico empleado consistió en la trituración, mediante un molino de martillo tipo (Leshan Dongchuan Machinery Co. Ud Sichuan, China). The mechanical pre-treatment used consisted of crushing, using a hammer mill type (Leshan Dongchuan Machinery Co. Ud Sichuan, China).
10 El estudio estructural de las fibras lignocelulósicas crudas de la biomasa vegetal, previamente trituradas, se realizó mediante la observación microscópica fotónica y electrónica de barrido MEB. Las Figuras 4 y 5 muestran la estructura fibrosa de los cladodios de cactus secos. Las rnicrograflas electrónicas han puesto en evidencia la unifonnidad de la superficie porosa de las fibras de cactus con un 10 The structural study of raw lignocellulosic fibers of plant biomass, previously crushed, was carried out by means of photonic and electronically scanning microscopic observation MEB. Figures 4 and 5 show the fibrous structure of dried cactus cladodes. Electronic rnographs have demonstrated the uniformity of the porous surface of cactus fibers with a
15 diámetro de poro de 10 Jlm aproximadamente. 15 pore diameter of approximately 10 Jlm.
La caracterización fisicoquímica de los cladodios secos de cactus ha permitido determinar la materia seca contenida en los residuos, la densidad de la fibra, el volumen de inflado de las fibras dentro del agua así que la capacidad de retención del agua y del aceite. Estas características se encuentran recogidas en la Tabla 2. The physicochemical characterization of the dry cactus cladodes has allowed to determine the dry matter contained in the residues, the density of the fiber, the volume of inflation of the fibers within the water, as well as the water and oil retention capacity. These characteristics are shown in Table 2.
20 Tabla 2. Características fisico-químicas de los c1adodios de cactus. 20 Table 2. Physico-chemical characteristics of cactus cactus.
- Características fIslcD-9ufmicas FIslcD-9ufmicos characteristics
- Valores Values
- Materia seca (%) Dry material (%)
- 96,122 ± 1,482 96,122 ± 1,482
- Contenido en cenizas (%) Ash content (%)
- 8,568 ± 0,326 8.568 ± 0.326
- Contenido en agua (%) Contained in water (%)
- 3,878 ± 1,482 3,878 ± 1,482
- Densidad de párticulas de las fibras con respecto al iso-butanol Density of fiber particles with respect to iso-butanol
- 2,688 ± 0,056 2,688 ± 0,056
- Volumen de hinchazón de las fibras en el agua (mUg) Volume of swelling of the fibers in the water (mUg)
- 2,649 ± 0,158 2,649 ± 0,158
- Capacidad de retención del agua (g de agua! g MS) Water retention capacity (g of water! G MS)
- 2,157 ± O,769 2,157 ± O, 769
- Capacidad de retención del aceite (aceite de girasol) (mi de aceitelMS) Oil retention capacity (sunflower oil) (mi from aceitelMS)
- 4,978 ± 0,117 4,978 ± 0,117
- Contenido en proteínas (%) Protein content (%)
- 2,155 ± 0,158 2,155 ± 0,158
El estudio del comportamiento de las muestras de cactus secos con respecto al agua se efectuó estableciendo isotennas de adsorción del vapor de agua a 20°C (Figura 2). The study of the behavior of dried cactus samples with respect to water was carried out by establishing water vapor adsorption isotennes at 20 ° C (Figure 2).
5 El diagramade absorción del agua pennite el seguimiento de la hidratación de las fibras de cactus en función de la actividad del agua en el medio. El contenido máximo de agua que pennite fijar las fibras de cactus es del orden del 15,36% (glloog MS). 5 The water absorption diagram follows the hydration of the cactus fibers according to the activity of the water in the environment. The maximum water content to fix the cactus fibers is of the order of 15.36% (glloog MS).
La composición en a-celulosa, hemiceJulosa, lignina. carbono organico total The composition in a-cellulose, hemice Julose, lignin. total organic carbon
10 (COT), carbono inórganico (C ing), carbono total (C tot) y nitrógeno total (N tot) de los cladodios secos de cactus se recogen en la Tabla 3. 10 (COT), inorganic carbon (C ing), total carbon (C tot) and total nitrogen (N tot) of dried cactus cladodes are shown in Table 3.
Tabla 3. Composición en a-celulosa, hemicelulosa, Jignina, carbono orgánico total (COT), carbono inorgánico (C ing), catbono total (C tot) y nitrógeno total (N tot) de los cJadodios secos. Table 3. Composition in a-cellulose, hemicellulose, Jignin, total organic carbon (COT), inorganic carbon (C ing), total cathode (C tot) and total nitrogen (N tot) of dry cJadodios.
Componente Valor ('lo) Value Component ('lo)
- a-Celulosa a-Cellulose
- 50 fifty
- Hemicelulosa Hemicellulose
- 18 18
- Lignina Lignin
- 27 27
- COT COT
- 6,206 ± 0,001 6.206 ± 0.001
- e ¡ng e ng
- 0,451 ± 0,008 0.451 ± 0.008
- e tot e tot
- 6,705 ± 0,173 6,705 ± 0,173
- N tot N tot
- 1,878 ± 0,041 1,878 ± 0,041
En efecto el contenido en holocelulosa y en lignina de los cladodios de cactus secos confinna la naturaleza lignocelulosica de las muestras de cactus seco. In fact, the holocellulose and lignin content of dried cactus cladodes confines the lignocellulosic nature of dried cactus samples.
- Ensayo 2. Pre-tratamiento termoquímico ácido de las fibras de cactus. Test 2. Pre-thermochemical acid treatment of cactus fibers.
- S S
- Una vez trituradas con un molino de martillos (Leshan Dongchuan Machinery Co. Ltd Sichuan. China) y caracterizadas exhaustivamente, las fibras de cactus seco fueron pre-tratadas mediante un pre-tratamiento tennoquímico ácido utilizando un reactor a presión (Pan®, series 4600-4620) de un litro de volúmen útil, equipado de válvulas de control de presión y temperatura; la regulación de la presión se hace mediante una válvu1a neumática con un compresor auxiliar. Once crushed with a hammer mill (Leshan Dongchuan Machinery Co. Ltd Sichuan. China) and thoroughly characterized, the dried cactus fibers were pre-treated by an acidic tennochemical pre-treatment using a pressure reactor (Pan®, 4600 series -4620) of a liter of useful volume, equipped with pressure and temperature control valves; Pressure regulation is done by a pneumatic valve with an auxiliary compressor.
- 10 10
- El reactor a presión utilizado en esta etapa de pre-tratamiento es de tipo 'batch'. sin agitación. Este reactor se llenó al 10% de su capacidad total con una suspensión de fibras al 10% en sólidos totales. Para generar un ambiente inerte dentro del reactor se empleó nitrógeno a una presión fija. The pressure reactor used in this pre-treatment stage is of the 'batch' type. without agitation This reactor was filled to 10% of its total capacity with a 10% fiber suspension in total solids. To generate an inert environment inside the reactor, nitrogen was used at a fixed pressure.
- 15 fifteen
- Las condiciones empleadas para el pretratamiento termoquímico ácido de las fibras secas del cactus empleadas fueron de una presión de 5 bares, 1750C de temperatura, con la adición del ácido sulfurico H2S04 a una concentración del 0,06% Y un tiempo de reacción de 75 minutos. The conditions used for the acid thermochemical pretreatment of the dried cactus fibers used were of a pressure of 5 bar, 1750C temperature, with the addition of H2S04 sulfuric acid at a concentration of 0.06% and a reaction time of 75 minutes .
- El análisis de la composición de las fibras de cactus después del pre-tratamiento tennoquímico está presentado en la Tabla 4. The analysis of the composition of the cactus fibers after the tennochemical pre-treatment is presented in Table 4.
- Tabla 4. Análisis de la composición de las fibras de cactus antes y después del pre-tratamiento termoquímico. Table 4. Analysis of the composition of cactus fibers before and after thermochemical pre-treatment.
- Componente Component
- Antes del pre-rrQtamiento Después del pre-trQtQmiento Before pre-treatment After pre-trQtQmiento
- Carbono total soluble (%) Total soluble carbon (%)
- 6,705 11,85 6,705 11.85
- Xilosa (%) Xylose (%)
- 0.577 5,350 0.577 5,350
- Glucosa(%) Glucose(%)
- O 0,360 OR 0.360
- Fructosa ('lo) Fructose ('lo)
- O 0,539 OR 0.539
- Sacarosa (%) Sucrose (%)
- O 0,107 OR 0.107
- Acidez volátil total (%) Total volatile acidity (%)
- O 0,50 OR 0.50
- Hidroxi-metil-furfural (%) Hydroxy-methyl-furfural (%)
- O O OR OR
- a-Celulosa (%) a-Cellulose (%)
- 50,00 55,17 50.00 55.17
- Hernicelulosa ('lo) Hernicellulose ('lo)
- 18,00 1,82 18.00 1.82
- Lignina (%) Lignin (%)
- 27,00 15,36 27.00 15.36
- Cenizas ('lo) Ashes ('lo)
- 8,24 7,90 8.24 7.90
El contenido en carbono total soluble (orgánico y inorgánico) se detenninó mediante un equipo automático de carbono y nitrógeno (multi N/e3100 analyzer de Analytic Jena) utilizando una fase mobile de H3P04 al 10%. El contenido en azucares se ha detenninado mediante un kit enzimático. La acidez volátil total (expresada por gramos de ácido acético por cada IOOg de muestra) ha sido detenninada mediante un cromatógrafo de gases de Shimadzu GC201O. Los ácidos grasos volátiles de cadena corta delenninados son el acético, propiónico, isobutírico, butírico, isovalérico, valérico, isocaproico, caproico y heptanoico. El contenido en hidroxi-metil-furfural (HMF) se detenninó por cromatografia The total soluble carbon content (organic and inorganic) was stopped by an automatic carbon and nitrogen equipment (multi N / e3100 analyzer from Analytic Jena) using a mobile phase of 10% H3P04. The sugar content has been determined by an enzymatic kit. Total volatile acidity (expressed in grams of acetic acid per sample IOOg) has been determined by a Shimadzu GC201O gas chromatograph. The delenninated short chain volatile fatty acids are acetic, propionic, isobutyric, butyric, isovaleric, valeric, isocaproic, caproic and heptanoic. The hydroxy methyl furfural (HMF) content was stopped by chromatography
gaseosa. soda.
Ensayo 3. Sacarificación enzimática de las fibras de cactus pre-tratadas. Test 3. Enzymatic saccharification of pre-treated cactus fibers.
A continuación se realizó un estudio de la sacarificación enzimática de las fibras de cactus secos pre-tratados. Esta hidrólisis enzimática se realizó preparando suspensiones de fibras de cactus al 10% en materia seca con una concentración de la enzimas comercial CelliC®Cetc2 de 100 mg/g, diluida 10 veces a un pH de 4,8 y a una temperatura de 50 ± 1°C con una velocidad de agitación de 150 rpm mediante microincubadores. La duración de la sacarificación enzimática fue de 72 horas. A study of the enzymatic saccharification of pre-treated dried cactus fibers was then carried out. This enzymatic hydrolysis was performed by preparing suspensions of 10% cactus fibers in dry matter with a concentration of the commercial CelliC®Cetc2 enzymes of 100 mg / g, diluted 10 times at a pH of 4.8 and at a temperature of 50 ± 1 ° C with a stirring speed of 150 rpm by microincubators. The duration of enzymatic saccharification was 72 hours.
La CelliC®Cetc2 es una preparación enzimática de la marca Novozymes, con una concentración en proteinas totales de 217 giL. una actividad de papel filtro de 120,5 FPUlrnL y una actividad ~-glucosidasa de 2731 U/rnL. CelliC®Cetc2 is an enzymatic preparation of the Novozymes brand, with a total protein concentration of 217 giL. a filter paper activity of 120.5 FPUlrnL and a ~ -glucosidase activity of 2731 U / rnL.
El análisis de los azúcares por cromatografia gaseosa pennitió estudiar la cinética de la sacarificación enzimática, igualmente, el contenido en glucosa ha sido detenninado con una técnica enzimática. Así, la Figura 3 muestra con detalles la cinética de la sacarificación enzimática de las fibras de cactus pre-tratadas. The analysis of sugars by gas chromatography allowed studying the kinetics of enzymatic saccharification, likewise, the glucose content has been determined with an enzymatic technique. Thus, Figure 3 shows in detail the kinetics of enzymatic saccharification of pre-treated cactus fibers.
Con este ensayo de sacarificación se alcanzó un rendimiento de glucosa de 19~1 O % ± 0,530. y una materia seca residuaJ de 5,50 % ± 0,36. With this saccharification test, a glucose yield of 19 ~ 1 O% ± 0.530 was achieved. and a residual dry matter J of 5.50% ± 0.36.
La composición en azúcares de las fracciones líquidas de la materia hidrolizada realizada mediante cromatografia gaseosa sepresenta en la Tabla 5. The sugar composition of the liquid fractions of the hydrolyzed matter carried out by gas chromatography is presented in Table 5.
Tabla 5. Composición en azúcares liberados durante la sacarificación enzimática Table 5. Composition in sugars released during enzymatic saccharification
de las fibras pre-tratadas del cactus seco, detenninadas mediante cromatografia of the pre-treated fibers of the dried cactus, arrested by chromatography
gaseosa. soda.
Hidrólisis del eatíu, al 10% en materia seca y 100 mg/g de enzima Eatíu hydrolysis, 10% dry matter and 100 mg / g enzyme
- EIp. EIp.
- CelobiOla Loct... GlueOl. XiIos. Ga....... Arabinosa M'ROIa CelobiOla Loct ... GlueOl XiIos. Ga ....... Arabinosa M'ROIA
- Patron 24 h 24 h pattern
- 0,093 0.093
- Patron 48 b Pattern 48 b
- 0,319 0,079 0,082 0.319 0.079 0.082
- Patrón 12 b Pattern 12 b
- 0,47 0,144 0.47 0.144
- Muestra 24 h 24 hour sample
- 10,027 0,681 9,237 2,602 10,027 0.681 9,237 2,602
- Muestra 48 b Sample 48 b
- 8,233 8,3 l 8 2,268 8,233 8.3 l 8 2,268
- Muestra 12 h Sample 12 h
- 8,07 0,825 8,936 2,458 8.07 0.825 8,936 2,458
·Los contenidos en azúcares están expresados en gIL. Las concentraciones están determinadas después de 72 horas de hidrólisis. Ensayo 4. Sacarificación y fermentación simultanea (SSF) de las fibras de · The sugar contents are expressed in gIL. The concentrations are determined after 72 hours of hydrolysis. Test 4. Saccharification and simultaneous fermentation (SSF) of the fibers of
cactus pre-tratadas termoquímicamente en medio ácido con la levadura 10 Saccharomyces cerevisiae y la enzima Cellic®Cetc2. Cactus pre-treated thermochemically in acidic medium with 10 Saccharomyces cerevisiae yeast and the enzyme Cellic®Cetc2.
El objetivo de esta etapa es mejorar la eficacia del procedimiento, particulannente con respecto a la variable tiempo de reacción y de la concentración final en etanol. Para ello se preparó una suspensión de fibras de cactus al 14% en materia seca preparada con el tampón acetato de sodio a 50 mM a un pH de 4,82 con el 3% de The objective of this stage is to improve the efficiency of the procedure, particularly with respect to the variable reaction time and the final concentration in ethanol. For this purpose, a suspension of 14% cactus fibers in dry matter prepared with 50 mM sodium acetate buffer at a pH of 4.82 with 3% of
15 la disolución de cloranfenicol al 0,2% preparada en el tampón de acetato para evitar contaminaciones bacterianas a lo largo de la reacción. The 0.2% chloramphenicol solution prepared in the acetate buffer to avoid bacterial contamination throughout the reaction.
De la misma manera, se añadió al medio de la SSF una suspensión de la enzima Cellic®Cetc2 a 100 mglg. diluida 10 veces a razón de 0,70 vlv con respecto al volúmen total de la reacción. El medio de la reacción fue inoculado al 10% con la 20 levadura Saccharomyces cerevisiae procedente de un medio de cultivo líquido sintético de 20 giL de azúcares a pH de 4,2. La composición de este medio de cultivo consta de extracto de levadura (4,00 giL), peptona de caseina (3,60 giL), (N\-4),SO, (3,00 giL). MgSO, 7H,O (2.05 giL), KH,PO, (2,00 giL), xilosa (5 giL); glucosa (10 giL), fructosa (2,5 giL), Y sacarosa (2,5 giL). Para favorecer el 25 crecimiento de Saccharomyces cerevisiae durante la SSF se añadió un medio de In the same way, a suspension of the Cellic®Cetc2 enzyme at 100 mglg was added to the SSF medium. diluted 10 times at a rate of 0.70 vlv with respect to the total volume of the reaction. The reaction medium was inoculated at 10% with Saccharomyces cerevisiae yeast from a synthetic liquid culture medium of 20 giL of sugars at pH 4.2. The composition of this culture medium consists of yeast extract (4.00 giL), casein peptone (3.60 giL), (N \ -4), SO, (3.00 giL). MgSO, 7H, O (2.05 giL), KH, PO, (2.00 giL), xylose (5 giL); glucose (10 giL), fructose (2.5 giL), and sucrose (2.5 giL). To favor the growth of Saccharomyces cerevisiae during the SSF, a medium of
- S S
- cultivo líquido sintético concentrado 25 veces con una concentración de 0,025 v/v con respecto al volúmen total. Este medio de cultivo concentrado tiene la composición siguiente: Extracto de levadura (50 giL), peptona de caseina (45 giL), (NH,hSO, (37,5 giL), MgSO, 7H,O (25,625 giL), Y KH,PO, (25 giL); todos los reactivos se ajustaron a un pH de 4,28. Synthetic liquid culture concentrated 25 times with a concentration of 0.025 v / v with respect to the total volume. This concentrated culture medium has the following composition: Yeast extract (50 giL), casein peptone (45 giL), (NH, hSO, (37.5 giL), MgSO, 7H, O (25.625 giL), and KH , PO, (25 giL); all reagents were adjusted to a pH of 4.28.
- La SSF se desarrolló en un microincuhador operando a una 35±1°C con agitación fija a 150 rpm durante 120 horas (5 días). The SSF was developed in a micro-incubator operating at 35 ± 1 ° C with fixed agitation at 150 rpm for 120 hours (5 days).
- temperatura de Temperature of
- 10 10
- La producción de etanol obtenida al final del proceso de SSF se analizó mediante cromatografia gaseosa (OC) y usando un kit enzimatico (Boehringer Manheim, Cat. nO 176290) adaptado que permite calcular el rendimiento final de la conversión de glucosa a etanol. El rendimiento obtenido fue del 75% con respecto al rendimiento de conversión teórica. La concentración final obtenida en etanol ha sido de 0,5 giL. The ethanol production obtained at the end of the SSF process was analyzed by gas chromatography (OC) and using an enzymatic kit (Boehringer Manheim, Cat. No. 176290) that allows calculating the final yield of the conversion of glucose to ethanol. The yield obtained was 75% with respect to the theoretical conversion yield. The final concentration obtained in ethanol has been 0.5 giL.
- 15 fifteen
- Ensayo 5. Sacarificación y fermentación simultanea (SSF) de las fibras de cactus pre-tratadas termoquimicamente en medio ácido mediante un cultivo de dos levaduras (Saccharomyces cerevisiae y Pachysolen tannophilus ATCC 32691) y la enzima CelliC®Cetc2 Test 5. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of thermochemically pre-treated cactus fibers in an acid medium by means of a culture of two yeasts (Saccharomyces cerevisiae and Pachysolen tannophilus ATCC 32691) and the enzyme CelliC®Cetc2
- 20 twenty
- En este ensayo se probó la posibilidad de convertir a la vez los diferentes azucares en C6 (glucosa y fructosa) yeneS (xi losa). asi como los disacáridos (sacarosa) producidos durante la digestión enzimática. Este objetivo se alcanzó mediante el emplo de un cultivo mixto de dos levaduras: Saccharomyces cerevisiae y Pachysolen tannophi/us durante la SSF. In this test the possibility of converting the different sugars into C6 (glucose and fructose) yene (xi slab) was tested. as well as the disaccharides (sucrose) produced during enzymatic digestion. This objective was achieved through the use of a mixed culture of two yeasts: Saccharomyces cerevisiae and Pachysolen tannophi / us during the SSF.
- 25 25
- Para alcanzar el objetivo, se elaboró un protocolo experimental del establecimiento de la SSF similar al que esta descrito previamente en el ejemplo 4, sobre el que se aplicaron las modificaciones siguientes: el medio de reacción fue inoculado al 10% con el cultivo mixto de las dos levaduras Pachysolen tannophilus y Saccharomyces cerevisiae con una proporciones de 46% y de 54% respectivamente provenientes de précultivos diferentes. To achieve the objective, an experimental protocol was established for the establishment of the SSF similar to that previously described in example 4, on which the following modifications were applied: the reaction medium was inoculated at 10% with the mixed culture of the two yeasts Pachysolen tannophilus and Saccharomyces cerevisiae with a proportions of 46% and 54% respectively from different precultures.
La detenninación de la concentración final del etanol producido se detenninó por cromatografia gaseosa (OC) y con el kit enzimático adaptado, siendo esta concentración próxima a 0,7 giL. The final concentration of the ethanol produced was stopped by gas chromatography (OC) and with the enzyme kit adapted, this concentration being close to 0.7 giL.
S Ensayo 6. Destilación S Test 6. Distillation
El objetivo de esta última etapa de destilación es aumentar la concentración de etanol en el producto final de la fennentación. La etapa de destilación consta en una separación líquido-vapor de los componentes de la mezcla obtenida en la etapa anterior mediante una sucesión de vaporización y condensación llevando la The objective of this last distillation stage is to increase the concentration of ethanol in the final product of the fencing. The distillation stage consists of a liquid-vapor separation of the components of the mixture obtained in the previous stage by means of a succession of vaporization and condensation carrying the
10 mezcla a ebullición (o vaporización) del etanol, cuyo punto de ebullición a 1 atm es de 78,2 oc. 10 boiling mixture (or vaporization) of ethanol, whose boiling point at 1 atm is 78.2 oc.
APLICACIÓN INDUSTRIAL INDUSTRIAL APPLICATION
Los sectores industriales que pueden beneficiarse de este invento son: The industrial sectors that can benefit from this invention are:
15 • Las empresas que operan en el campo de los biocombustibles, energías renovables o en general toda empresa biotecnológica. 15 • Companies operating in the field of biofuels, renewable energy or in general any biotechnology company.
- • •
- Las refinerías que quieren desarrollar una línea de energías nuevas y limpias. Refiners that want to develop a new and clean energy line.
- • •
- Todas las industrias que tratan los residuos ncos en fracciones All industries that treat ncos waste in fractions
20 lignocelulósicas, fracciones celulósicas (industria pastero-papelera) o fracciones de polisacáridos (industria de almidón). 20 lignocellulosic, cellulosic fractions (pastry-paper industry) or polysaccharide fractions (starch industry).
• Cualquier empresa de servicio de recogida de residuos agrícolas, forestales, o residuos sólidos urbanos, etc.... • Any company that collects agricultural, forestry, or urban solid waste, etc ...
Claims (8)
- 3. 3.
- Procedimiento para la transformación de los cladodios de cactus Opunlia ficus-indica secos para producir bioetanol de segunda generación, según reivindicación l? caracterizado porque la concentración de fibras de cactus empleada en la etapa de sacarificación y fermentación simultanea es del 14% en materia seca con el tampón acetato de sodio a 50 Mm a un pH 4,82 con el 3% de una disolución de cloranfenicol al 0,2% preparada en el tampón acetato. Process for the transformation of dried Opunlia ficus-indica cactus cladodes to produce second generation bioethanol, according to claim 1? characterized in that the concentration of cactus fibers used in the simultaneous saccharification and fermentation stage is 14% in dry matter with the sodium acetate buffer at 50 mm at a pH 4.82 with 3% of a chloramphenicol solution at 0 , 2% prepared in acetate buffer.
- 4. Four.
- Procedimiento para la transformación de los cladodios de cactus Opuntia ficus indica secos para producir bioetanol de segunda generación, según las reivindicaciones número 1 y 3, caracterizado porque en la etapa de sacarificación y fermentación simultánea a las fibras de cactus se añade una suspensión de la enzima Cellic®Cetc2 a lOO m¡ifg, diluida 10 veces a razón de 0,70 v/v respecto al volwnen total de la reacción. Process for the transformation of the cactus cladodes Opuntia ficus indica dry to produce second generation bioethanol, according to claims number 1 and 3, characterized in that in the simultaneous saccharification and fermentation stage to the cactus fibers a suspension of the enzyme is added Cellic® Cetc2 at 10 mfg, diluted 10 times at a rate of 0.70 v / v with respect to the total volwnen of the reaction.
- 5. 5.
- Procedimiento para la trnnsfonnación de los cladodios de cactus Opuntia ficus indica secos para producir bioetanol de segunda generación, según las reivindicaciones de 1, 3 Y 4, caracterizado porque al medio de la reacción se inocula al 10% con un cultivo mixto de dos levaduras con proporciones del 46% y 54%, respectivamente, de Pachyso/en tannophilus ATCC 32691 y de Saccharomyces cerevisiae a un pH de 4,2. Procedure for the trnnsfonnación of the cladodes of cactus Opuntia ficus indica dry to produce second generation bioethanol, according to claims 1, 3 and 4, characterized in that the reaction medium is inoculated at 10% with a mixed culture of two yeasts with proportions of 46% and 54%, respectively, of Pachyso / in tannophilus ATCC 32691 and Saccharomyces cerevisiae at a pH of 4.2.
- 6. 6.
- Procedimiento para la transformación de los c1adodios de cactus Opuntia ficU'J indica secos para producir bioetanol de segunda generación. según la rei vindicación 5, caracterizado porque la composición del medio de cultivo líquido sintético que contiene las levaduras Saccharomyces cerevisiae y Pachysolen tannophi/us ATCe 32691 es de un extracto de levadura (4,00 ¡YL), peptona de caseina (3,60 !YL), (N!-L,),SO. (3,00 ¡YL) ; MgSO. 7H, O(2,05 ¡YL), KH, PO. (2,00 !YL), xilosa (5 ¡YL), glucosa (10 !YL), fructosa (2,5 !YL), y sacarosa (2,5 !YL). Procedure for the transformation of cactus cactus Opuntia ficU'J indicates dried to produce second generation bioethanol. according to claim 5, characterized in that the composition of the synthetic liquid culture medium containing the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Pachysolen tannophi / us ATCe 32691 is of a yeast extract (4.00 YL), casein peptone (3.60 ! YL), (N! -L,), SO. (3.00 YL); MgSO 7H, O (2.05 YL), KH, PO. (2.00! YL), xylose (5 YL), glucose (10! YL), fructose (2.5! YL), and sucrose (2.5! YL).
- 7. 7.
- Procedimiento para la transformación de los cladodios de cactus OpunOa jicus indica secos para producir bioetanol de segunda generación, según la reivindicación 6~ caracterizado porque, para favorecer el crecimiento de las levaduras S. cerevisiae y P. tannophilus durante la SSF, se añade un medio de cultivo líquido sintético concentrado 25 veces con una concentración de 0,025 v/v respecto al volumen total con la siguiente composición: extracto de levadura (50 !YL), peptona de caseina (45 !YL), (NH,hSO. (37,5 ¡YL), MgS04 7H,O (25,625 ¡YL), Y KH,PO. (25 !YL); el medio se ajusta a un pH de 4,82. Procedure for the transformation of the cladodes of cactus OpunOa jicus indicates dried to produce second generation bioethanol, according to claim 6, characterized in that, to favor the growth of S. cerevisiae and P. tannophilus yeasts during the SSF, a medium is added of synthetic liquid culture concentrated 25 times with a concentration of 0.025 v / v with respect to the total volume with the following composition: yeast extract (50! YL), casein peptone (45! YL), (NH, hSO. (37, 5 YL), MgS04 7H, O (25,625 YL), Y KH, PO. (25! YL); the medium is adjusted to a pH of 4.82.
- 8. 8.
- Procedimiento para la transformación de de los cladodios de cactus Opuntia ficus-indica secos para producir bioetanol de segunda generación, según las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado porque la etapa de sacarificación y fermentación simultánea se realiza en un agitador operando a una temperatura de 35± 1 oC con agitación fija a 150 rpm durante 120 horas (5 días). Process for the transformation of the dried Opuntia ficus-indica cactus cladodes to produce second generation bioethanol, according to claims 1 to 7, characterized in that the simultaneous saccharification and fermentation stage is carried out in a stirrer operating at a temperature of 35 ± 1 oC with fixed stirring at 150 rpm for 120 hours (5 days).
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WO2009102609A1 (en) * | 2008-02-12 | 2009-08-20 | Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College | Thermochemical treatment of lignocellulosics for the production of ethanol |
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