ES2568002T3 - Método y sistema para sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica - Google Patents

Método y sistema para sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica Download PDF

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ES2568002T3 ES12176577.0T ES12176577T ES2568002T3 ES 2568002 T3 ES2568002 T3 ES 2568002T3 ES 12176577 T ES12176577 T ES 12176577T ES 2568002 T3 ES2568002 T3 ES 2568002T3
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Noriaki Izumi
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Abstract

Método de sacarificación hidrolítica de una biomasa celulósica con el uso de recipientes de presión plurales, comprendiendo el método una etapa de carga, una etapa de calentamiento, una etapa de hidrólisis, una etapa de disminución de temperatura, y una etapa de descarga, que se llevan a cabo secuencialmente en cada uno de dichos recipientes de presión, en el que: dicha etapa de carga es una etapa de carga de dicha biomasa celulósica en un recipiente permeable al agua y a continuación encapsulación de dicho recipiente permeable al agua y agua en cada uno de dichos recipientes de presión; dicha etapa de calentamiento es una etapa de cierre hermético del recipiente de presión y calentamiento de dicha biomasa celulósica y agua; dicha etapa de hidrólisis es una etapa de hidrólisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulósica en sacáridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presión; dicha etapa de disminución de temperatura es una etapa de evaporación por expansión instantánea de vapor de agua a alta temperatura y alta presión contenida en el recipiente de presión para disminuir la temperatura del mismo; dicha etapa de descarga es una etapa de retirada de dicha agua y dicho recipiente permeable al agua fuera de dicho recipiente de presión; se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrólisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrólisis es n veces (donde n es un número natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas; y el número de recipientes de presión usado es un múltiplo de (4 + n); y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presión plurales lleva a cabo dicha etapa de carga, uno cualquiera de los demás recipientes de presión lleva a cabo dicha etapa de descarga de modo que permita que se produzca el intercambio de calor entre el agua que se carga en el recipiente de presión que lleva a cabo dicha etapa de carga y el agua a alta temperatura que se descarga del recipiente de presión que lleva a cabo dicha etapa de descarga; y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presión plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demás recipientes de presión lleva a cabo dicha etapa de disminución de temperatura y permite que se realice una recuperación de calor mediante el suministro de vapor de expansión instantánea descargado desde el recipiente de presión que lleva a cabo dicha etapa de disminución de temperatura al recipiente de presión que lleva a cabo dicha etapa de calentamiento.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y sistema para sacarificacion hidrolttica de una biomasa celulosica Antecedentes de la invencion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo de hidrolisis y a un sistema para producir de forma eficaz sacaridos a partir de biomasas, particularmente biomasas celulosicas, usadas como materiales de partida.
Descripcion de la tecnica relacionada
Como parte de la utilizacion de ene^a de la biomasa, se han realizado intentos para obtener etanol (bioetanol) por hidrolisis de celulosa o hemicelulosa, que son los constituyentes principales de las plantas. Se planea que el etanol obtenido de ese modo se utilice como combustible para mezclar con combustible de automovil o como combustible alternativo para la gasolina.
Los constituyentes principales de las plantas incluyen celulosa (un polfmero de glucosa, que es un sacarido C6 que comprende seis atomos de carbono), hemicelulosa (un polfmero de un sacarido C5 que comprende cinco atomos de carbono y un sacarido C6), lignina, almidon, y similares. El etanol se produce a partir de sacaridos, tales como un sacarido C5, un sacarido C6, y un oligosacarido que es un complejo de estos sacaridos, usados como materiales de partida, mediante la accion de la fermentacion de una levadura fungica o similar.
Se preve el uso industrial de tres metodos de hidrolisis de una biomasa celulosica que comprende celulosa, hemicelulosa o similar en sacaridos, que incluyen: 1) un metodo de hidrolisis de tal biomasa mediante la potencia oxidativa de un acido fuerte, tal como acido sulfurico; 2) un metodo de hidrolisis de tal biomasa mediante levadura; y 3) un metodo que utiliza la potencia oxidativa de agua supercntica, agua subcntica o similar. Sin embargo, el metodo hidrolttico 1) que usa un acido requiere necesariamente un tratamiento para neutralizar el acido anadido despues de la hidrolisis de la celulosa o la hemicelulosa en sacaridos y antes de la fermentacion de los sacaridos en etanol debido a que el acido anadido actua como inhibidor frente a la fermentacion de la levadura o similar. El coste de tal tratamiento hace diffcil poner en practica este metodo en vista del aspecto economico.
La perspectiva para la realizacion a escala industrial el metodo de hidrolisis 2) que usa levadura es todavfa incierta en vista de la rentabilidad debido a que aun no se ha encontrado una levadura eficaz para el metodo 2) y, si se encontrara, se espera que tal levadura acarree un alto coste de produccion de la misma, aunque el metodo 2) se puede llevar a cabo mediante un proceso a temperatura normal y presion normal.
En cuanto al metodo 3) de hidrolisis de celulosa o similar en sacaridos mediante el uso de agua supercntica o subcntica, el documento de Patente 1 ha desvelado un metodo de produccion de polisacaridos insolubles en agua, que se caracteriza por la hidrolisis de polvo celulosico al poner en contacto el polvo con agua caliente presurizada de 240 a 340 °C. El documento de Patente 2 ha desvelado un metodo que incluye: hidrolizar astillas de biomasa con agua caliente presurizada a una presion de vapor saturada o superior de 140 a 230 °C durante un penodo de tiempo predeterminado para extraer la hemicelulosa; y a continuacion llevar a cabo la hidrolisis usando agua caliente presurizada calentada a una temperatura no inferior a la temperatura de hidrolisis de la celulosa para extraer celulosa. El documento de Patente 3 ha desvelado un metodo de produccion de glucosa y/o celo-oligosacarido soluble en agua, que se caracteriza por que la celulosa que tiene un grado de polimerizacion medio no inferior a 100 se hidroliza mediante las etapas de: poner en contacto la celulosa con agua supercntica o subcntica a una temperatura no inferior a 250 °C y no superior a 450 °C y a una presion no inferior a 15 MPa y no superior a 450 MPa durante un penodo de tiempo no inferior a 0,01 segundos y no superior a 5 segundos; enfriar la celulosa; y a continuacion poner la celulosa en contacto con agua subcntica a una temperatura no inferior a 250 °C y no superior a 350 °C y a una presion no inferior a 15 MPa y no superior a 450 MPa durante un penodo de tiempo no inferior a 1 segundo y no superior a 10 minutos.
Por otra parte, el documento de Patente 4 ha desvelado un metodo de tratamiento de un residuo de tipo biomasa, que incluye: colocar un objeto para tratamiento que contiene un disolvente que contiene alcohol de bajo peso molecular como componente principal y el residuo de tipo biomasa en un recipiente cerrado; y tratar el objeto mediante presurizacion y calentamiento del interior del recipiente cerrado de modo que el alcohol de bajo peso molecular alcance su estado supercntico. Ademas, el documento de Patente 5 ha desvelado un metodo de hidrolisis y licuefaccion de biomasa, que incluye tratar una biomasa celulosica mediante el uso de un disolvente mixto preparado por adicion al 5-20 % el volumen de agua a un alcohol alifatico C1 a C8 en condiciones supercnticas o subcnticas del alcohol.
Documento de Patente 1: Publicacion Provisional de Patente Japonesa N° 2000-186102
Documento de Patente 2: Publicacion Provisional de Patente Japonesa N° 2002-59118
Documento de Patente 3: Publicacion Provisional de Patente Japonesa N° 2003-212888
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Documento de Patente 4: Publicacion Provisional de Patente Japonesa N° 2001-170601 Documento de Patente 5: Publicacion Provisional de Patente Japonesa N° 2005-296906
Los documentos de Patente US 4.992.105, WO 96/25553 y US 4.941.944 desvelan metodos de hidrolisis de materiales celulosicos que implican el uso de temperatures y presiones elevadas. En el documento de Patente WO 96/09882 se desvela un metodo de hidrolisis que comprende el uso de una pluralidad de recipientes de reaccion presurizados.
En comparacion con el metodo hidrolttico que usa un acido fuerte, el metodo de sacarificacion hidrolttica de celulosa y hemicelulosa como constituyentes principales de una biomasa mediante el uso de agua supercntica o subcntica a alta temperatura y alta presion requiere un coste de procesamiento inferior y es mas ecologico debido a que este metodo no requiere ningun tratamiento de neutralizacion de acido. Sin embargo, este metodo tiene la desventaja de que sin una refrigeracion inmediata despues de la finalizacion de la hidrolisis, los sacaridos producidos de ese modo se degradanan en gran medida a acidos organicos o similar debido a que el uso de agua supercntica o subcntica hace que la celulosa y la hemicelulosa se hidrolicen completamente en los sacaridos en varios segundos a varios minutos debido a su fuerte poder oxidativo.
Con un sistema pequeno a escala de laboratorio para la hidrolisis, parece que tal degradacion se puede prevenir mediante la refrigeracion rapida del agua supercntica o subcntica en el recipiente de calentamiento. Con un sistema de hidrolisis a escala industrial, sin embargo, es muy diffcil refrigerar una gran cantidad de agua supercntica o subcntica en un penodo de tiempo corto. Por esta razon, el metodo de hidrolisis de biomasa celulosica que usa agua supercntica o subcntica a alta temperatura y alta presion, cuando se aplica a un sistema a escala de una planta, proporcionara un bajo rendimiento de sacaridos, lo que conforma uno de los factores que evitan que este metodo se ponga en practica.
Cuando se usa una gran cantidad de agua supercntica o subcntica, la suspension se tiene que calentar con una gran cantidad de energfa, lo que conforma un factor que aumenta el coste de procesamiento. El metodo de hidrolisis de biomasa celulosica, que somete una suspension que contiene alcohol o similar como disolvente a hidrolisis en condiciones supercnticas o subcnticas, requiere una presion de vapor muy elevada y, por lo tanto, requiere una mayor cantidad de energfa y tiene que usar un sistema que tenga una elevada resistencia a la presion.
Es un objetivo de la presente invencion proporcionar un metodo y un sistema para hidrolizar celulosa y/o hemicelulosa contenida en una biomasa en monosacaridos y oligosacaridos (en lo sucesivo en el presente documento denominados "sacaridos") mediante el uso de agua a alta temperatura y alta presion en condiciones subcnticas, cuyo metodo y sistema son excelentes en eficacia termica y rendimiento de sacaridos.
Sumario de la invencion
El inventor de la presente invencion ha descubierto que en la hidrolisis de celulosa o hemicelulosa en sacaridos mediante el uso de agua a alta temperatura y alta presion en condiciones subcnticas es posible refrigerar una gran cantidad de suspension a una temperatura no superior a la temperatura de hidrolisis de la celulosa evitando de ese modo que los sacaridos se degraden en acidos organicos o similar asf como ahorrar energfa por recuperacion de energfa termica, al someter la suspension contenida en un recipiente de presion en condiciones de alta temperatura y alta presion a una evaporacion por expansion instantanea de vapor en un recipiente de presion que se carga con una suspension de una biomasa celulosica y se calienta a medio camino. De ese modo, se ha conseguido la presente invencion.
Espedficamente, la presente invencion se refiere un metodo de sacarificacion hidrolttica de una biomasa celulosica con el uso de recipientes de presion plurales, comprendiendo el metodo una etapa de carga, una etapa de calentamiento, una etapa de hidrolisis, una etapa de disminucion de temperatura, y una etapa de descarga que se llevan a cabo secuencialmente mediante cada uno de dichos recipientes de presion, en el que:
dicha etapa de carga es una etapa de carga de dicha biomasa celulosica en un recipiente permeable al agua y a continuacion encapsulado de dicho recipiente permeable al agua y agua en cada uno de dichos recipientes de presion;
dicha etapa de calentamiento es una etapa de cierre hermetico del recipiente de presion y calentamiento de dicha biomasa celulosica y agua;
dicha etapa de hidrolisis es una etapa de hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenidas en dicha biomasa
celulosica en sacaridos mediante el poder oxidativo del agua a alta temperatura y alta presion;
dicha etapa de disminucion de temperatura es una etapa de evaporacion por expansion instantanea de vapor del
agua a alta temperatura y alta presion contenida en el recipiente de reaccion para disminuir la temperatura del
mismo;
dicha etapa de descarga es una etapa de retirada de dicha agua y dicho recipiente permeable al agua fuera de dicho recipiente de presion;
se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrolisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural) mayor que el
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tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas; y el numero de recipientes de presion usado es un multiplo de (4 + n); y
mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de carga, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de descarga de modo que permita que se produzca el intercambio de calor entre el agua que se carga en el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de carga y el agua a alta temperature que se descarga del recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de descarga; y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura y permite que se realice una recuperacion de calor mediante el suministro de vapor de expansion instantanea descargado desde el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura al recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de calentamiento.
La presente invencion tambien se refiere a un sistema para la sacarificacion hidrolftica de una biomasa celulosica, que comprende recipientes de presion plurales configurados cada uno para llevar a cabo etapas secuenciales que incluyen:
una etapa de carga de encapsulacion de agua y un recipiente permeable al agua cargado con dicha biomasa celulosica en el recipiente de presion;
una etapa de calentamiento de cierre hermetico del recipiente de presion y calentamiento del recipiente de presion; una etapa de hidrolisis para hidrolizar la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulosica en sacaridos mediante el poder oxidativo del agua a alta temperatura y alta presion;
una etapa de disminucion de temperatura de evaporacion por expansion instantanea de vapor del agua a alta temperatura y alta presion contenida en el recipiente de presion para disminuir la temperatura del mismo; y una etapa de descarga de retirada de un residuo de dicha biomasa celulosica fuera del recipiente de presion, en el que:
se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrolisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas; y el numero de recipientes de presion usado es un multiplo de (4 + n),
mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de carga, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de descarga de modo que permita que se produzca el intercambio de calor entre el agua que se carga en el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de carga y el agua a alta temperatura que se descarga del recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de descarga; y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura y permite que se realice una recuperacion de calor mediante el suministro de vapor de expansion instantanea descargado desde el recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de disminucion de temperatura al recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de calentamiento.
En el metodo y sistema a la sacarificacion hidrolftica de una biomasa celulosica de acuerdo con la presente invencion, se llevan a cabo cinco etapas de proceso en cada uno de los recipientes de presion plurales. Mediante la conexion del recipiente de presion en la etapa de disminucion de temperatura a otro recipiente de presion en la etapa de calentamiento, la suspension en el recipiente de presion en la etapa de disminucion de temperatura se puede refrigerar rapidamente mediante evaporacion por expansion instantanea de vapor. Al mismo tiempo, la suspension en el recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de calentamiento se puede calentar mediante vapor de expansion instantanea a alta temperatura, mediante lo cual se puede ahorrar la energfa requerida para calentar la suspension.
Mediante la reduccion de la presion interna del recipiente de presion de la parte de la fase gaseosa, no existe ningun peligro de que los componentes disueltos y los solidos contenidos de la suspension se trasladen para obstruir la boquilla y la tubena para el paso del vapor de expansion instantanea. Ademas, no existe ninguna necesidad de proporcionar un controlador de temperatura especial o similar. En el suministro del lado precalentado (es decir, el recipiente de presion en la etapa de calentamiento) con vapor de expansion instantanea, el precalentamiento de la suspension se vuelve mas eficaz mediante el suministro de vapor de expansion instantanea en la suspension.
El metodo y sistema para sacarificacion hidrolftica de una biomasa celulosica de acuerdo con la presente invencion permite que se produzca el intercambio de calor entre la suspension que se descarga (desagua) del recipiente de presion en la etapa de descarga y la suspension que se carga en otro recipiente de presion en la etapa de carga, haciendo posible de ese modo ahorrar ademas la energfa requerida para calentar la suspension.
En la hidrolisis de celulosa o hemicelulosa en sacaridos mediante el uso de agua a alta temperatura y alta presion en condiciones subcrfticas, la biomasa celulosica se carga en el recipiente permeable al agua que tiene perforaciones, orificios o similares para permitir que el agua se mueva desde el exterior al interior del recipiente permeable al agua y viceversa y a continuacion el recipiente permeable al agua y el agua se encapsulan en cada recipiente de presion
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(encapsulacion compresiva y densa). De ese modo, se puede prevenir que los recipientes y las tubenas asociadas se contaminen con el residuo fino de la suspension.
Se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas a la etapa de hidrolisis y el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural) mayor que el tiempo requerido para completar las otras cuatro etapas respectivas, y el numero de los recipientes de presion usado es un multiplo de (4 + n). Cuando el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis es n veces mayor que el requerido para completar cualquier otra etapa, el numero de recipientes de presion para llevar a cabo la etapa de hidrolisis es preferentemente n veces mayor que el numero de recipientes de presion para llevar a cabo las otras etapas. Con esta caractenstica, las etapas secuenciales se pueden llevar a cabo sin dificultad mientras que se lleva a cabo la recuperacion de calor dos veces.
Cuando la etapa de hidrolisis se lleva a cabo una temperatura no inferior a 140 °C y no superior a 180 °C, la hemicelulosa se puede hidrolizar en sacaridos (que incluyen principalmente monosacaridos C5). Una biomasa que contiene una gran cantidad de hemicelulosa se procesa preferentemente en condiciones relativamente moderadas debido a que el procesamiento a alta temperatura hace que los monosacaridos C5 y similares se degraden en acidos organicos y similares.
Al someter el recipiente permeable al agua que se ha sometido a la etapa de descarga nuevamente a la etapa de carga y llevar a cabo la etapa de hidrolisis a una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C, es posible hidrolizar celulosa en sacaridos.
La hemicelulosa contenida en la biomasa se hidroliza en primer lugar en sacaridos a una temperatura no inferior a 140 °C y no superior a 180 °C y a continuacion la biomasa se somete a una separacion solido-lfquido. De ese modo, la celulosa se puede separar en forma de un solido. La suspension que comprende la celulosa obtenida de ese modo se somete a la etapa de carga y a continuacion a la etapa de hidrolisis a una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C. De ese modo, la celulosa se puede hidrolizar en sacaridos. Este proceso es eficaz para una biomasa que contiene celulosa y hemicelulosa en cantidades basicamente iguales.
Cuando la etapa de hidrolisis se lleva a cabo una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C, la celulosa se puede hidrolizar en sacaridos (que incluyen principalmente monosacaridos C6). En el caso de una biomasa que tiene un alto contenido de celulosa, un proceso para hidrolizar solo la celulosa en sacaridos a una temperatura relativamente alta es mas eficaz debido a que la necesidad de tener en consideracion la degradacion de la hemicelulosa es baja.
Preferentemente, la etapa de carga incluye la adicion de etanol en una cantidad no inferior a un 2 % de moles y no superior a un 10 % de moles al agua que se encapsula en la etapa del recipiente de presion. La adicion de una pequena cantidad de etanol hace que disminuya la velocidad de reaccion de hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa en sacaridos mediante el agua subcntica. De ese modo, se puede ajustar el tiempo de hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa en la etapa de hidrolisis de modo que se facilite la inhibicion de la degradacion en acidos organicos y similares, aumentando de ese modo el rendimiento.
El etanol anadido se transfiere en su mayor parte al vapor de expansion instantanea en la etapa de disminucion de temperatura y a continuacion se recoge en la suspension en otro recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de calentamiento. La solucion acuosa que contiene sacaridos, que se retira de cada recipiente de presion mediante la etapa de descarga, se somete a fermentacion de etanol y se convierte de este modo en bioetanol. Si queda etanol en la fase inicial de la fermentacion de etanol, la fermentacion mediante la levadura queda inhibida por tal etanol residual. La invencion de acuerdo con la reivindicacion 5 tiene la caractenstica de que es diffcil de inhibir la fermentacion de etanol debido a que el metodo puede reducir la cantidad de etanol en la suspension que contiene celulosa y/o hemicelulosa que se obtiene despues de la etapa de descarga mientras se mantiene una concentracion de etanol deseada en la etapa de hidrolisis.
Los anteriores y otros objetivos, caractensticas y ventajas asociadas de la presente invencion seran mas evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripcion detallada de la invencion junto con las figuras acompanantes.
[Ventaja de la invencion]
De acuerdo con la presente invencion, se puede hidrolizar la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en una biomasa celulosica en sacaridos con un rendimiento elevado a un bajo coste con el uso de recipientes de presion plurales. Ademas, la presente invencion puede ahorrar el consumo calorico en aproximadamente un 60 % y por lo tanto tiene un merito economico muy excelente debido a que se puede recuperar facilmente el calor desprendido desde un recipiente de presion para llevar a cabo otra etapa y se utiliza para precalentar a una temperatura adecuada la reaccion de sacarificacion hidrolttica.
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Al cargar una biomasa celulosica en el recipiente permeable al agua y encapsular el recipiente permeable al agua y el agua en cada recipiente de presion, es posible prevenir que las tubenas y similares se manchen as^ como mejorar adicionalmente la eficacia de operacion.
Breve descripcion de las figuras
La Figura 1 es un grafico que ilustra un procedimiento para operar un sistema de sacarificacion hidrolftica de acuerdo con la realizacion 1;
la Figura 2 es un grafico de programacion temporal para operar el sistema de sacarificacion hidrolftico de la realizacion 1 como un sistema discontinuo de secuenciacion;
la Figura 3 es un grafico de programacion temporal para operar un sistema de sacarificacion hidrolftico de la realizacion 2 como un sistema discontinuo de secuenciacion;
la Figura 4 es un grafico que representa la relacion entre el tiempo de reaccion de la sacarificacion hidrolftica de una biomasa y el rendimiento de sacaridos (%);
la Figura 5 es un grafico de programa temporal para operar un sistema de sacarificacion hidrolftica de la realizacion 3 como sistema discontinuo de secuenciacion; y
la Figura 6 es una vista que ilustra un ejemplo en el que el bagazo seco se carga comprensiva y densamente en un recipiente permeable al agua de acuerdo con la realizacion 4.
Descripcion detallada de las realizaciones preferentes
En lo sucesivo en el presente documento, se describiran realizaciones de la presente invencion con referencia apropiada a las figuras. Se ha de observar que la presente invencion no se limita a las realizaciones que se describen a continuacion. Las realizaciones 1 a 3 no forman parte de la invencion pero sirven para ilustrar las etapas de proceso que se pueden usar en la invencion reivindicada y los sistemas adaptados para llevar a cabo tales etapas de proceso.
Realizacion 1
Por referencia a la Figura 1, se hara una descripcion de un procedimiento para operar un sistema de sacarificacion hidrolftica configurado para llevar a cabo cinco etapas de proceso en total y usar cinco recipientes de presion de acuerdo con la realizacion 1.
En primer lugar, se tritura una biomasa celulosica (por ejemplo, una biomasa de vegetacion que comprende bagazo, residuos de remolacha azucarera, pajas o similar) hasta tamanos no superiores a varios miftmetros y a continuacion se mezclan con agua o una solucion acuosa diluida de etanol (2 a 10 % en moles) para preparar una suspension que tiene una concentracion de materia solida de aproximadamente un 30 %. La suspension obtenida de ese modo (suspension de partida) se carga en un recipiente de presion N° 1, como se muestra en la Figura 1(a) (etapa de carga). Dado que no hay energfa termica liberada en ningun otro recipiente de presion en el momento en que el sistema de sacarificacion hidrolftica empieza a operar, la suspension de partida no se puede precalentar mediante intercambio de calor.
Los recipientes de presion N° 1 a 5 llevan a cabo cada uno repetidamente la secuencia de etapas de proceso: etapa de carga ^ etapa de calentamiento ^ etapa de hidrolisis ^ etapa de disminucion de temperatura ^ etapa de descarga, y los cuatro recipientes de presion N° 2 a 5 operan cada uno con un retraso temporal que corresponde a una etapa de proceso. En el caso de las Figuras 1(a) a 1(e), cuando el recipiente de presion N° 1 esta en la etapa de carga, los recipientes de presion N° 2 a 5 estan en la etapa de descarga, la etapa de disminucion de temperatura, la etapa de hidrolisis y la etapa de calentamiento, respectivamente.
En las Figuras 1(a) a 1(e), las expresiones "precalentamiento y carga", "precalentamiento y calentamiento", "calentamiento", "expansion instantanea" y "drenaje" representan la etapa de carga, la etapa de calentamiento, la etapa de hidrolisis, la etapa de disminucion de temperatura y la etapa de descarga, respectivamente.
En los casos en los que el sistema de sacarificacion hidrolftica ya esta en operacion y la segunda o posterior etapa de carga se va llevar a cabo en el recipiente de presion N° 1, se permite que se produzca intercambio de calor entre la suspension (que contiene sacaridos) que se va a descargar (o drenar) del recipiente de presion N° 2 en la etapa de descarga y la suspension de partida que se va a cargar el recipiente de presion N° 1, precalentando de ese modo la suspension de partida.
Posteriormente, el recipiente de presion N° 1 se cierra hermeticamente (etapa de calentamiento). En este momento, el recipiente de presion N° 4 esta en la etapa de disminucion de temperatura como se muestra en la Figura 1(b). Por esta razon, el gas a alta temperatura presente en la parte superior del recipiente de presion N° 4 se suministra como vapor de expansion instantanea al recipiente de presion N° 1 con el fin de recuperar calor (como se ha descrito anteriormente, el vapor de expansion instantanea se suministra preferentemente a la solucion acuosa contenida en el recipiente de presion). Como resultado, la temperatura de la suspension contenida en el recipiente de presion N° 1
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aumenta adicionalmente, mediante lo cual se puede ahorrar la energfa requerida para llevar la suspension a su estado subcntico.
Posteriormente, el interior del recipiente de presion N° 1 se calienta usando una fuente de calor, tal como una corriente a alta temperature, para llevar la suspension a su estado subcntico, como se muestra en la Figura 1(c) (etapa de hidrolisis). Preferentemente, se anade previamente etanol a la suspension de partida hasta una concentracion no inferior a un 2 % en moles y no superior a un 10 % en moles. La adicion de etanol permite que se ralentice de la velocidad de reaccion de hidrolisis, haciendo de ese modo facil controlar la reaccion de hidrolisis de la celulosa o la hemicelulosa en la etapa de hidrolisis.
La "etapa de hidrolisis", como se usa en la presente invencion, pretende incluir no solo el tiempo durante el cual la suspension esta en el estado subcntico, sino tambien el tiempo requerido para calentar la suspension que tiene que elevar su temperatura mediante la etapa de calentamiento hasta que la suspension se lleva a su estado subcntico.
Si se anade etanol a la suspension de partida en una concentracion superior a un 10% en moles, el tiempo de hidrolisis se hace mayor de lo necesario mientras que al mismo tiempo el recipiente de presion necesita tener una resistencia a la presion mayor. Ademas, la suspension descargada (o drenada) mediante la etapa de descarga contiene una alta concentracion de etanol residual. Por estas razones, la adicion de demasiado etanol perjudica el valor practico de la invencion.
Posteriormente, el recipiente de presion N° 1 que ha pasado un tiempo de hidrolisis apropiado se conecta al recipiente de presion N° 3 en la etapa de precalentamiento con el fin de suministrar, en forma de vapor de expansion instantanea, la suspension a alta temperatura presente en la parte inferior del recipiente de presion N° 1 en el recipiente de presion N° 3, como se muestra en la Figura 1(d). Al hacer esto, el interior del recipiente de presion N° 1 se refrigera rapidamente a una temperatura inferior a la temperatura de sacarificacion hidrolftica, haciendo de ese modo posible detener la reaccion de degradacion de sacaridos en acidos organicos o similares. Al mismo tiempo, aumenta la temperatura de la suspension en el recipiente de presion N° 3.
Con el fin de que la hemicelulosa contenida en la biomasas se sacarifique hidrolfticamente en la etapa de hidrolisis, la temperatura de la suspension se ajusta dentro del intervalo de temperatura de 140 °C a 180 °C lo que permite que solo se sacarifique hidrolfticamente la hemicelulosa, sin aumentarse dentro del intervalo de temperatura (240 °C a 280 °C) que permite que se sacarifique hidrolfticamente la celulosa. Por otra parte, con el fin de que la celulosa contenida en la biomasa se sacarifique hidrolfticamente, la temperatura de la suspension se aumenta dentro del intervalo de temperatura (240 °C a 280 °C) lo que permite que se sacarifique hidrolfticamente la celulosa.
Posteriormente, el recipiente de presion N° 1 cuya temperatura ha disminuido y cuya presion ha disminuido a una presion normal o a una presion cercana a la presion normal se abre y la suspension que contiene sacaridos se descarga (o drena) del mismo, como se muestra en la Figura 1(e) (etapa de descarga). En el caso de que la suspension se haya sometido a una temperatura de 240 °C a 280 °C en la etapa de hidrolisis, la temperatura de la suspension en la etapa de descarga es de aproximadamente 110 °C a aproximadamente 150 °C. Por esta razon, se permite que se produzca intercambio de calor entre la suspension en el recipiente de presion N° 1 en la etapa de descarga y la suspension que se carga en el recipiente de presion N° 5. Al hacer esto, es posible que calentar la suspension que se carga el recipiente de presion N° 5 asf como enfriar la suspension que se retira del recipiente de presion N° 1.
Aunque se ha realizado principalmente la descripcion del procedimiento de operacion para el recipiente de presion N° 1 por referencia a las Figuras 1(a) a 1(e), los recipientes de presion N° 2 a 5 tambien se operan cada uno de acuerdo con el mismo procedimiento. Con respecto a los recipientes de presion distintos del recipiente de presion N° 1, las operaciones de recuperacion del calor residual (es decir, intercambio de calor) que usan vapor de expansion instantanea y suspension a alta temperatura estan parcialmente omitidas en las Figuras 1(a) a 1(e). Sin embargo, es innecesario decir que la recuperacion de calor residual (es decir, intercambio de calor) se lleva a cabo para cada uno de estos recipientes de presion de la misma manera que para el recipiente de presion N° 1.
Los sacaridos y el contenido solido residual coexisten en la suspension descargada (o drenada) mediante la etapa de descarga y refrigerada mediante intercambio de calor. Cuando la temperatura de la etapa de hidrolisis esta dentro del intervalo de 140 °C a 180 °C, el contenido solido residual comprende celulosa y lignina como componentes principales. Cuando la temperatura de la etapa de hidrolisis esta dentro del intervalo de 240 °C a 280 °C, el contenido solido residual comprende lignina como componente principal.
Despues de que el contenido solido residual de la suspension se haya retirado mediante separacion solido-ftquido, el ftquido resultante se somete a fermentacion de etanol utilizando la accion de fermentacion y similar de la levadura, proporcionando de ese modo bioetanol. Dado que la tecnica de fermentacion de etanol se conoce bien, la descripcion de la misma se omite el presente documento. Los sacaridos obtenidos mediante la presente invencion se pueden convertir en bioetanol mediante un proceso de fermentacion conocido distinto de la fermentacion de levadura.
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Por referencia a la Figura 2, se realizara la descripcion de una programacion temporal para la operacion del sistema de sacarificacion hidrolftica que usa los cinco recipientes de presion que se muestran en las Figuras 1(a) a 1(e) como un sistema discontinuo de secuenciacion. En la Figura 2, el tiempo requerido para completar cada etapa del proceso es cinco minutos.
Inicialmente, el recipiente de presion N° 1 lleva a cabo la etapa de carga y, posteriormente, los recipientes de presion N° 2 a 5 llevan a cabo la etapa de carga secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos desde un recipiente de presion al siguiente. Cada recipiente de presion repite las cinco etapas secuenciales: [C] ^ [PH] ^ [GL] ^ [F] ^ [DC] y, por lo tanto, un ciclo del proceso de sacarificacion hidrolftica para una biomasa celulosa es 5 min x 5 etapas = 25 minutos. Los recipientes de presion N° 1 a 5 llevan a cabo este ciclo secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente.
La expansion instantanea del vapor contenido en el recipiente de presion N° 1 en la etapa de disminucion de temperatura se suministra al recipiente de presion N° 2 en la etapa de calentamiento, consiguiendo de ese modo recuperacion de calor. Asimismo, la expansion instantanea del vapor contenido en cada uno de los recipientes de presion N° 2 a 5 en la etapa de disminucion de temperatura se suministra al respectivo recipiente de presion N° 3, 4, 5 y 1, consiguiendo de ese modo recuperacion de calor.
La suspension que se descarga (o drena) del recipiente de presion N° 1 en la etapa de descarga intercambia calor con la suspension que se carga en el recipiente de presion N° 5 en la etapa de carga. Asimismo, la suspension a alta temperatura contenida en cada uno de los recipientes de presion N° 2 a 5 en la etapa de descarga intercambia calor con la suspension que se carga en el respectivo recipiente de presion N° 1 al 4 en la etapa de carga.
Tal sistema discontinuo de secuenciacion hace posible sacarificar hidrolfticamente una biomasa en un corto penodo de tiempo con ahorro de la energfa requerida.
Realizacion 2
Por referencia a la Figura 3, se realizara descripcion de una programacion temporal para la operacion de un sistema de sacarificacion hidrolftica como sistema discontinuo de secuenciacion, configurandose el sistema de sacarificacion hidrolftica para llevar a cabo cuatro etapas en total y usar cuatro recipientes de presion configurados cada uno para llevar a cabo la etapa de descarga y la etapa de carga en paralelo como una etapa de descarga y carga en una operacion continua. En la Figura 3, el tiempo requerido para completar cada etapa es cinco minutos.
Inicialmente, el recipiente de presion N° 1 lleva a cabo la primera etapa de carga Co y, posteriormente, los recipientes de presion N° 2 a 4 llevan a cabo la primera etapa de carga Co secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente. Cuando el sistema comienza a operar, el sistema lleva a cabo la misma etapa de carga que el sistema de sacarificacion hidrolftica que se muestra en la Figura 1. Por esta razon, la etapa de descarga y carga realizada en primer lugar se denomina "primera etapa de carga Co" en la Figura 3. En la operacion continua, cada recipiente de presion repite las cuatro etapas secuenciales: [C] ^ [PH] ^ [GL] ^ [F] y, por lo tanto, un ciclo del proceso de sacarificacion hidrolftica para una biomasa celulosica es 5 min x 4 etapas = 20 minutos. Los recipientes de presion N° 1 a 4 llevan a cabo este ciclo secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente.
La expansion instantanea del vapor contenido en el recipiente de presion N° 1 en la etapa de disminucion de temperatura se suministra al recipiente de presion N° 2 en la etapa de calentamiento, consiguiendo de ese modo recuperacion de calor. Asimismo, la expansion instantanea del vapor contenido en cada uno de los recipientes de presion N° 2 a 4 en la etapa de disminucion de temperatura se suministra al respectivo recipiente de presion N° 3 a 5 en la etapa de calentamiento, consiguiendo de ese modo recuperacion de calor.
La suspension se retira del recipiente de presion N° 1 en la etapa de descarga y carga despues de la etapa de disminucion de temperatura y a continuacion se carga una suspension de partida en el mismo recipiente de presion. Es decir, el recipiente de presion N° 1 que ha completado la etapa de disminucion de temperatura lleva a cabo la etapa de descarga y carga en paralelo. Cuando la temperatura de la suspension que se descarga es suficientemente alta, se puede realizar intercambio de calor con la suspension que se carga.
Al finalizar la operacion, el recipiente de presion N° 1 que ha completado la ultima etapa de disminucion de temperatura lleva a cabo la ultima etapa de descarga Cx y, posteriormente, los recipientes de presion N° 2 a 4 llevan a cabo la ultima etapa de descarga Cx secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente. Al finalizar la operacion del sistema, el sistema lleva a cabo la misma etapa de descarga que el sistema de sacarificacion hidrolftica que se muestra en la Figura 1. Por esta razon, la ultima etapa de descarga y carga llevada a cabo se denomina "ultima etapa de descarga Cx" en la Figura 3.
Este sistema discontinuo de secuenciacion es capaz de conseguir la sacarificacion hidrolftica continua en un corto penodo de tiempo con menos recipientes de presion que el sistema de sacarificacion hidrolftica que se muestra en las Figuras 1 y 2.
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[Efecto de la adicion de etanol en la etapa de hidrolisis]
Se estudio el efecto de la adicion de etanol en la sacarificacion hidrolftica de reactivo de celulosa en el estado subcntico con el reactivo de celulosa usado como biomasa. La Figura 4 muestra el resultado del experimento en el que se hicieron pasar agua pura y solucion acuosa al 5 % en peso de etanol (2 % en moles), que estaban a la misma temperatura de 280 °C, cada una a traves de la celulosa indicada anteriormente.
La Figura 4 muestra la relacion entre el tiempo de reaccion y el rendimiento de sacaridos (%). Se descubrio que la adicion de etanol no tema basicamente ningun efecto en el rendimiento maximo de sacaridos. Sin embargo, respecto a la velocidad de produccion de sacaridos y la velocidad de hidrolisis, se disminuyeron aparentemente mediante la adicion del etanol. Por ejemplo, el tiempo requerido para alcanzar el rendimiento maximo aumento aproximadamente tres veces (0,7 min ^ 2,0 min) mediante la adicion de etanol.
Para un sistema a escala industrial, es diffcil controlar el tiempo de reaccion en el estado subcntico al segundo. Por esta razon, se confirmo que la adicion de etanol a una suspension de partida es eficaz para aumentar el rendimiento de sacaridos.
Realizacion 3
Por referencia a la Figura 5, se realizara la descripcion de una programacion temporal para la operacion de un sistema de sacarificacion hidrolftica como sistema discontinuo de secuenciacion, configurandose el sistema de sacarificacion hidrolftica para llevar a cabo cinco etapas en total y usar ocho recipientes de presion. Este sistema se adapta a casos en los que la biomasa celulosica es diffcil de sacarificar hidrolfticamente en condiciones subcrfticas y, por lo tanto, la etapa de hidrolisis no se puede llevar a cabo durante un tiempo mayor que las otras cuatro etapas. En la Figura 5, el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis es 20 minutos y el requerido para completar cualquier otra etapa es cinco minutos.
Inicialmente, el recipiente de presion N° 1 lleva a cabo la etapa de carga y, posteriormente, los recipientes de presion N° 2 a 8 llevan a cabo la etapa de carga secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente. Cada recipiente de presion repite las cinco etapas secuenciales: [C] ^ [PH] ^ [GL] ^ [F] ^ [DC]. Aqrn, el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis de una biomasa celulosica en sacaridos es 20 minutos y, por lo tanto, un ciclo del proceso de sacarificacion hidrolftica es (5 min x 4 etapas) + (20 min x 1 etapa) = 40 minutos. Los recipientes de presion N° 1 a 8 llevan a cabo este ciclo secuencialmente con un retraso temporal de cinco minutos de un recipiente de presion al siguiente.
Con el sistema discontinuo de secuenciacion que se muestra en la Figura 5, el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis es cuatro veces mayor que el requerido para completar cualquier otra etapa del proceso. Por lo tanto, si se usan cinco recipientes de presion, cuyo numero corresponde a las cinco etapas del proceso, la energfa termica del vapor de expansion instantanea y la de la suspension a alta temperatura no se pueden recuperar a menos que cada una de las etapas de proceso distintas de la etapa de hidrolisis dure 20 minutos al igual que la etapa de hidrolisis. Por esta razon, el tiempo de procesamiento debena ser mayor. En vista de tal inconveniente, el sistema de sacarificacion hidrolftica de acuerdo con la presente realizacion usa ocho recipientes de presion para llevar a cabo una recuperacion de calor eficaz aunque dure cinco minutos cualquiera de las etapas de proceso distintas de la etapa de hidrolisis al igual que en el sistema anterior y 20 minutos la etapa de hidrolisis.
Cuando el recipiente de presion N° 1 esta en la etapa de disminucion de temperatura, la expansion instantanea del vapor contenido en el recipiente de presion N° 1 se aplica al recipiente de presion N° 6 en la etapa de calentamiento. Asimismo, la expansion instantanea del vapor contenido en cada uno de los recipientes de presion N° 2 a 8 en la etapa de disminucion de temperatura se suministra al respectivo recipiente de presion N° 7, 8, 1, 2, 3, 4 y 5, consiguiendo de ese modo la recuperacion de calor.
La suspension a alta temperatura que se descarga (o drena) del recipiente de presion N° 1 en la etapa de descarga intercambia calor con la suspension que se carga en el recipiente de presion N° 8 en la etapa de carga. Asimismo, la suspension a alta temperatura que se descarga de cada uno de los recipientes de presion N° 2 a 8 en la etapa de descarga intercambia calor con la suspension que se carga en el respectivo recipiente de presion N° 1 a 7.
En los casos en los que se requiere un tiempo igual para completar las cuatro etapas respectivas distintas de la etapa de hidrolisis y el tiempo requerido para completar la etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural; n es cuatro en este ejemplo) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas, el numero de recipientes de presion usado es preferentemente un multiplo de (4 + n). El sistema dispuesto de ese modo como sistema discontinuo de secuenciacion es capaz de conseguir la sacarificacion hidrolftica continua de una biomasa celulosica en un corto penodo de tiempo con el ahorro de la energfa requerida, al igual que en la realizacion 1.
Aunque la realizacion 3 usa ocho recipientes de presion, el sistema de sacarificacion hidrolftica, cuando esta comprendido por dos sistemas discontinuos de secuenciacion, puede usar 16 recipientes de presion en total. El
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sistema de sacarificacion hidrolttica configurado para llevar a cabo cuatro etapas del proceso en total se puede operar de forma similar a la indicada anteriormente.
Realizacion 4
Con respecto a las realizaciones 1 a 3 anteriores, la descripcion se ha referido a los casos en los que se muele una biomasa celulosica y a continuacion se mezcla con agua para preparar una suspension, que a continuacion se carga en un recipiente de presion en la etapa de carga o la etapa de descarga y carga. Sin embargo, en la etapa de carga de acuerdo con la presente invencion, la biomasa celulosica no necesita suspenderse. La sacarificacion por hidrolisis de una biomasa celulosica se puede conseguir tambien mediante una etapa de carga tal que incluye: cargar una biomasa celulosica, tal como bagazo, en un recipiente permeable al agua que tiene perforaciones, orificios o similares que permita que el agua se mueva desde el exterior al interior del recipiente permeable al agua y viceversa; y encapsular el recipiente permeable al agua y el agua en cada recipiente de presion (encapsulacion compresiva y densa).
Aunque no existe ninguna limitacion en el material del recipiente permeable al agua siempre que el material pueda soportar temperaturas elevadas en el recipiente de presion, el material es preferentemente acero inoxidable y un material similar que tenga una alta resistencia. Ademas, no existe ninguna limitacion en la forma del recipiente permeable al agua; por ejemplo, se puede seleccionar de forma apropiada una forma de paralelepfpedo rectangular, una forma cilmdrica o similar para el recipiente permeable al agua. Sin embargo, es preferente la misma forma que la forma interna (forma cilmdrica) de cada recipiente de presion en vista de su alta eficacia volumetrica. Cualquier medio que asegure permeabilidad al agua se puede emplear sin ninguna limitacion particular siempre que el recipiente permeable al agua permita que el agua se mueva desde el exterior al interior del recipiente permeable al agua y viceversa; por ejemplo, el recipiente permeable al agua puede estar parcial o completamente reticulado; el recipiente permeable al agua se puede formar con ranuras o perforaciones circulares; o el recipiente permeable al agua puede tener la parte superior abierta.
La Figura 6 ilustra un ejemplo en el que se carga bagazo seco como biomasa celulosica en el recipiente permeable al agua. En esta figura, el recipiente permeable al agua que se carga con bagazo tiene una forma cilmdrica (con la parte superior abierta) que tiene una superficie de fondo y una superficie periferica, que se forman con multiples perforaciones. En este caso no existe ninguna necesidad de moler el bagazo seco. El bagazo seco se puede usar con la longitud que tiene como tal o se puede cortar a una longitud apropiada.
Despues de la carga, es preferente comprimir el bagazo seco en el recipiente permeable al agua desde la parte superior por medio de una maquina de prensado o similar. Se puede cargar el bagazo seco en condiciones de compresion previa al recipiente permeable al agua. El bagazo seco, que tiene una densidad relativa de aproximadamente 5 a aproximadamente 10 kg/m3 antes de la compresion, se puede comprimir hasta una densidad relativa no inferior a 50 kg/m3. El bagazo seco en estas condiciones de compresion se encapsula en cada recipiente de presion y a continuacion se vierte agua en el recipiente de presion hasta su capacidad. De ese modo, el interior del recipiente de presion tiene una concentracion de materia solida de aproximadamente varios %, que es el mismo nivel de concentracion de materia solida que la suspension. Por lo tanto, el recipiente de presion tiene basicamente la misma eficacia volumetrica que con el bagazo seco en la forma de una suspension.
En la compresion del bagazo seco en el recipiente permeable al agua, es preferente que el recipiente permeable al agua se cargue compresiva y densamente con bagazo seco tanto como sea posible repitiendo la introduccion de bagazo seco en el recipiente permeable al agua y la operacion de prensado. La operacion de prensado se puede llevar a cabo solo una vez siempre que se pueda cargar compresiva y densamente suficiente cantidad de bagazo seco en el recipiente permeable al agua.
La densidad relativa de una biomasa celulosica, tal como bagazo seco, se ajusta preferentemente hasta un valor no inferior a 50 kg/m3 y no superior a 300 kg/m3, mas preferentemente no inferior a 100 kg/m3 y no superior a 200 kg/m3, antes de la encapsulacion en el recipiente de presion. Si la densidad relativa de la biomasa celulosica es demasiado baja, la concentracion de materia solida se hace menor que la de la biomasa celulosica en la forma de suspension, lo que da como resultado una eficacia volumetrica disminuida. Por otra parte, si la densidad relativa de la biomasa celulosica es demasiado alta, es diffcil que el agua penetre en la biomasa celulosica y, por lo tanto, la reaccion de hidrolisis de la biomasa celulosica se produce con dificultad.
En la formacion de una suspension de biomasa celulosica tal como bagazo seco, la energfa requerida para pulverizar la biomasa celulosica es aproximadamente de 0,5 a 2 kW por 1 kg de material de partida. Tal operacion de pulverizacion se elimina en la presente realizacion. Incluso si fuera necesaria la molienda, no se requiere la pulverizacion. La cantidad de trabajo requerido para tratar previamente la biomasa celulosica se reduce hasta 1/10 a 1/2.
En la carga de la biomasa celulosica en la forma de suspension al recipiente de presion, se requiere que se disminuya la concentracion de materia solida o se pulverice la biomasa celulosica con el fin de prevenir que se obstruyan las tubenas. La biomasa celulosica tiene un contenido de agua relativamente alto. Por esta razon, incluso
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cuando la concentracion de materia solida de la suspension es aproximadamente un 10% tomando en consideracion el contenido de agua de la biomasa celulosica, la fluidez de la suspension es baja. Sin embargo, mediante la encapsulacion del recipiente permeable al agua cargado con la biomasa celulosica en el recipiente de presion junto con agua, la concentracion de materia solida en el recipiente de presion se puede hacer basicamente igual que la de la suspension, como se ha descrito anteriormente.
Con la biomasa celulosica en la forma de suspension, la materia solida a veces se deposita en la pared interior de las tubenas asf como en la pared interior del recipiente de presion y permanece sobre las mismas en forma de materia solida residual. Tal materia solida residual no solo afecta la eficacia volumetrica de cada tubena y el recipiente de presion sino que tambien se mezcla, en forma de polvo fino que ha reaccionado, en la suspension que no ha reaccionado. Por lo tanto, tal materia solida residual hace que aumente la frecuencia de limpieza. Sin embargo, tal problema no surgira en virtud de la etapa de encapsulacion del recipiente permeable al agua cargado con la biomasa celulosica en el recipiente de presion junto con agua, seguido de calentamiento debido a que solo pasa agua a traves de la tubena, quedandose la biomasa celulosica dentro del recipiente permeable al agua.
Ademas, en los casos en los que la biomasa celulosica se calienta a una temperatura no inferior a 140 °C y no superior a 180 °C para hidrolizar la hemicelulosa en sacaridos y a continuacion la materia solida residual se calienta a una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C para hidrolizar la celulosa en sacaridos, se requiere que el contenido de solidos obtenidos despues de la hidrolisis de la hemicelulosa se separe mediante separacion solido-lfquido y a continuacion se mezcle con agua de nuevo para formar una suspension cuando la etapa de carga incluye la carga de la biomasa celulosica en la forma de suspension en el recipiente de presion. Sin embargo, con el proceso de encapsulacion del recipiente permeable al agua cargado con la biomasa celulosica en el recipiente de presion junto con agua y a continuacion calentamiento del recipiente de presion, existen las ventajas de que es suficiente descargar el agua que contiene los sacaridos y que el recipiente permeable al agua sirve tambien como medio para la separacion solido-lfquido. Al recoger el agua que contiene los sacaridos que permanece junto con el residuo de biomasa en el recipiente permeable al agua por lavado del residuo de biomasa, es posible recoger los sacaridos de forma mas eficaz.
En el caso en el que el recipiente permeable al agua cargado con la biomasa celulosica se encapsula en el recipiente de presion junto con agua en la etapa de carga, la etapa de carga incluye: descargar agua que contiene sacaridos a alta temperatura; retirar el recipiente permeable al agua del recipiente de presion; y retirar un residuo solido (que es una materia solida residual que queda despues de la hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en la biomasa celulosica y que comprende lignina y un contenido de ceniza como componentes mayoritarios), seguido de eliminacion.
Dado que este residuo se puede utilizar como combustible para calentar el interior del recipiente de presion, la presente realizacion, de acuerdo con la que se puede aumentar la concentracion de materia solida en el recipiente de presion y, por lo tanto, se puede aumentar la cantidad de residuo retirado del recipiente de presion, es capaz de suprimir la cantidad de combustible que se usa, tal como gasolina.
En la etapa de disminucion de temperatura, el agua a alta temperatura contenida en el recipiente de presion se evapora por expansion instantanea para intercambiar calor con el agua que se carga en el recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de carga. Las demas caractensticas son similares a las caractensticas correspondientes del metodo y sistema en el que la biomasa celulosica en la forma de suspension se carga mediante la etapa de carga o la etapa de descarga y carga.
Por ejemplo, en el caso de la etapa de carga en la que se carga la biomasa celulosica en el recipiente permeable al agua y a continuacion se encapsula en el recipiente de presion junto con agua, el "agua y el recipiente permeable al agua cargado con la biomasa celulosica" es equivalente a la "suspension de partida" que aparece en la Figura 1 que ilustra el procedimiento para operar el sistema de sacarificacion hidrolttica de la realizacion 1.
[Aplicabilidad industrial]
La presente invencion es util como metodo y sistema para hidrolizar una biomasa celulosica en sacaridos, para aplicarse en campos industriales tales como la bioindustria y la industria energetica.

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo de sacarificacion hidrolftica de una biomasa celulosica con el uso de recipientes de presion plurales, comprendiendo el metodo una etapa de carga, una etapa de calentamiento, una etapa de hidrolisis, una etapa de disminucion de temperature, y una etapa de descarga, que se llevan a cabo secuencialmente en cada uno de dichos recipientes de presion, en el que:
    dicha etapa de carga es una etapa de carga de dicha biomasa celulosica en un recipiente permeable al agua y a continuacion encapsulacion de dicho recipiente permeable al agua y agua en cada uno de dichos recipientes de presion;
    dicha etapa de calentamiento es una etapa de cierre hermetico del recipiente de presion y calentamiento de dicha biomasa celulosica y agua;
    dicha etapa de hidrolisis es una etapa de hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulosica en sacaridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presion; dicha etapa de disminucion de temperatura es una etapa de evaporacion por expansion instantanea de vapor de agua a alta temperatura y alta presion contenida en el recipiente de presion para disminuir la temperatura del mismo; dicha etapa de descarga es una etapa de retirada de dicha agua y dicho recipiente permeable al agua fuera de dicho recipiente de presion;
    se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrolisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas; y el numero de recipientes de presion usado es un multiplo de (4 + n); y
    mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de carga, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de descarga de modo que permita que se produzca el intercambio de calor entre el agua que se carga en el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de carga y el agua a alta temperatura que se descarga del recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de descarga; y mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura y permite que se realice una recuperacion de calor mediante el suministro de vapor de expansion instantanea descargado desde el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura al recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de calentamiento.
  2. 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha etapa de hidrolisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 140 °C y no superior a 180 °C para hidrolizar la hemicelulosa en sacaridos.
  3. 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que dicho recipiente permeable al agua que se ha sometido a dicha etapa de descarga se somete a de nuevo a dicha etapa de carga y dicha etapa de hidrolisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C para hidrolizar la celulosa en sacaridos.
  4. 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha etapa de hidrolisis se lleva a cabo a una temperatura no inferior a 240 °C y no superior a 280 °C para hidrolizar la celulosa en sacaridos.
  5. 5. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha etapa de carga incluye la adicion de etanol en una cantidad no inferior a un 2 % en moles y no superior a un 10 % en moles a dicha agua.
  6. 6. Sistema para la sacarificacion hidrolftica de una biomasa celulosica, que comprende recipientes de presion plurales configurados cada uno para llevar a cabo etapas secuenciales que incluyen:
    una etapa de carga de encapsulacion de agua y un recipiente permeable al agua cargado con dicha biomasa celulosica en el recipiente de presion;
    una etapa de calentamiento de cierre hermetico del recipiente de presion y calentamiento del recipiente de presion; una etapa de hidrolisis de hidrolisis de la celulosa y/o la hemicelulosa contenida en dicha biomasa celulosica en sacaridos mediante el poder oxidativo de agua a alta temperatura y alta presion;
    una etapa de disminucion de temperatura de evaporacion por expansion instantanea de vapor del agua a alta
    temperatura y alta presion contenida en el recipiente de presion para disminuir la temperatura del mismo; y
    una etapa de descarga de retirada de un residuo de dicha biomasa celulosica del recipiente de presion, en el que:
    se requiere el mismo tiempo para completar las cuatro etapas respectivas distintas de dicha etapa de hidrolisis; el tiempo requerido para completar dicha etapa de hidrolisis es n veces (donde n es un numero natural) mayor que el tiempo requerido para completar cada una de las otras cuatro etapas; y el numero de recipientes de presion usado es un multiplo de (4 + n),
    mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de carga, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de descarga de modo que permita que se produzca el intercambio de calor entre el agua que se carga en el recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de carga y el agua a alta temperatura que se descarga del recipiente de presion que lleva a cabo dicha etapa de descarga; y
    mientras uno cualquiera de dichos recipientes de presion plurales lleva a cabo dicha etapa de calentamiento, uno cualquiera de los demas recipientes de presion lleva a cabo dicha etapa de disminucion de temperatura y permite que se realice una recuperacion de calor mediante el suministro de vapor de expansion instantanea descargado desde el recipiente de presion que lleva a cabo la etapa de disminucion de temperatura al recipiente de presion que 5 lleva a cabo la etapa de calentamiento.
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