ES2592859T3 - Procedimiento para la producción de azúcares C5-C6 fermentables a partir de especies de plantas oleaginosas - Google Patents

Procedimiento para la producción de azúcares C5-C6 fermentables a partir de especies de plantas oleaginosas Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la producción de azúcares C5-C6 fermentables a partir de plantas herbáceas oleaginosas que pertenecen a la tribu Cardueae, que comprende las etapas de: a) separar mecánicamente las semillas de la biomasa de lignocelulosa aérea de las plantas herbáceas oleaginosas y triturar dicha biomasa de lignocelulosa; b) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa triturada con una disolución acuosa básica que contiene el 5% en volumen o menos de un disolvente orgánico para preparar una pasta acuosa que contiene la biomasa de lignocelulosa triturada en una cantidad del 10 al 50% en peso, a una temperatura de entre 10 y 95°C y durante un tiempo de entre 1 minuto y 24 horas; c) separar la pasta en una fracción sólida y una fracción líquida; d) someter la fracción sólida a hidrólisis enzimática de la hemicelulosa y la celulosa contenidas en la misma.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para la produccion de azucares C5-C6 fermentables a partir de especies de plantas oleaginosas Antecedentes de la invencion
Esta invencion se refiere a un procedimiento para la produccion de azucares C5-C6 fermentables a partir de plantas herbaceas oleaginosas que pertenecen a latribu Cardueae como se define en las reivindicaciones.
Este procedimiento puede usarse para extraer, separar y recuperar sacaridos fermentables a partir de dichas especies de plantas. A traves de este procedimiento, los azucares C5-C6 que tienen un bajo contenido en lignina, que son particularmente adecuados para los procedimientos de fermentacion, se obtienen a partir de la biomasa de lignocelulosa residual del material de la planta oleaginosa despues de que se hayan extrafdo las semillas.
La biomasa de lignocelulosa, que es rica en polfmeros de hidratos de carbono que comprenden azucares C5-C6 (hemicelulosa y celulosa), es una fuente renovable importante de sacaridos fermentables. Sin embargo, debido a su estructura compleja, con el fin de facilitar la hidrolisis enzimatica de los hidratos de carbono a azucares simples (monosacaridos), es necesario romper los enlaces qmmicos entre sus componentes estructurales (celulosa, hemicelulosa y lignina). Se usan comunmente, por tanto, pretratamientos que tratan de destruir la estructura externa formada por lignina y hemicelulosa, ademas de reducir la cristalinidad y el grado de polimerizacion de la propia celulosa y permitir a las enzimas hidrolfticas acceder a la celulosa.
Estos pretratamientos pueden ser de naturaleza ffsica, qmmica y/o biologica. El tipo de pretratamiento usado, junto con la naturaleza del sustrato, tiene un efecto en la eficacia de la hidrolisis enzimatica posterior. Generalmente, los pretratamientos son tratamientos costosos, complejos y agresivos que pueden provocar degradacion de la lignina y hemicelulosa y la consecuente formacion de subproductos toxicos, que pueden inhibir fases de fermentacion posteriores.
Con el fin de mejorar la utilizacion de la biomasa de lignocelulosa, es por tanto necesario desarrollar un pretratamiento que, dependiendo del tipo de biomasa usada, conservara la hemicelulosa rica en azucares fermentables, hara posible usar los subproductos y limitara la formacion en inhibidores, a un coste menor y con menor consumo de energfa.
El pretratamiento con alcali es un pretratamiento qrnmico que es capaz de eliminar lignina, con degradacion reducida de los azucares. Se describe un ejemplo de pretratamiento con alcali en la solicitud de patente WO 2011/014894 (Annikki GmbH), en el que un material de lignocelulosa, tal como paja de trigo, se somete a un tratamiento de 24 horas con una disolucion acuosa que contiene peroxido de hidrogeno y una base. Este procedimiento requiere la presencia de un disolvente organico para limitar la disolucion de la hemicelulosa, y tiene la desventaja de que requiere tiempos largos y concentraciones altas de bases, que se eliminan en forma de sales.
El pretratamiento con alcali se ha combinado tambien con sistemas ffsicos de tipo mecanico o termico, por ejemplo, tratamientos de extrusion, pero con dificultades importantes asociadas con la baja plasticidad y propiedades de flujo pobres de la biomasa. Sin embargo, para una buena eficacia, estos tratamientos requieren altas temperaturas y concentraciones altas de bases y el uso de agentes gelificantes para modificar el comportamiento reologico de la biomasa. Mediante el procedimiento segun la invencion, usando la biomasa de lignocelulosa aerea derivada del cultivo de plantas herbaceas oleaginosas, es posible obtener azucares C5-C6 con un rendimiento alto de azucares a traves de pretratamiento con alcali tal como extraccion con disoluciones acuosas a un pH basico, a baja temperatura y sin la necesidad de anadir aditivos que modifican el comportamiento reologico de la biomasa.
El pretratamiento de la biomasa en el procedimiento segun la invencion en realidad hace posible eliminar eficazmente lignina, acetato, materiales extrafbles y ceniza a temperaturas mas bajas que en tipos de pretratamiento conocidos, asegurando una alta recuperacion de hemicelulosa y celulosa y evitando la formacion de productos de degradacion que tienen un efecto inhibidor, tales como furfural, hidroximetilfurfural (HMF) y sus derivados. Ademas, en comparacion con el pretratamiento descrito anteriormente, requiere tiempos cortos y resulta en un consumo mas bajo de bases y lfquidos.
Descripcion de la invencion
Esta invencion se refiere a un procedimiento para la produccion de azucares C5-C6 fermentables a partir de plantas herbaceas oleaginosas que pertenecen a la tribu Cardueae, dicho procedimiento comprende las etapas de:
a) separar mecanicamente las semillas de la biomasa de lignocelulosa aerea de las plantas herbaceas oleaginosas y triturar dicha biomasa de lignocelulosa, desmenuzarla a trozos que tiene preferiblemente un tamano menor de 5 cm, mas preferiblemente menor de 2 cm, especialmente preferiblemente de 0,5 a 10 mm;
b) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa triturada con una disolucion acuosa basica que contiene el 5% en
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volumen o menos de un disolvente organico para preparar una pasta acuosa que contiene la biomasa de lignocelulosa triturada en una cantidad del l0 al 50% en peso, a una temperature de entre 10 y 95°C, preferiblemente de entre 25 y 95°C, mas preferiblemente de entre 40 y 90°C y durante un tiempo de entre 1 minuto y 24 horas, preferiblemente de entre 2 minutos y 10 horas;
c) separar la pasta en una fraccion solida y una fraccion Uquida;
d) someter la fraccion solida a hidrolisis enzimatica de la hemicelulosa y la celulosa contenidas en la misma.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo del procedimiento de la presente invencion.
La figura 2 es un diagrama de flujo de una realizacion espedfica del procedimiento de la presente invencion, que comprende una etapa de lavado entre las etapas a) y b).
La figura 3 es un diagrama de flujo de otra realizacion de la presente invencion, que comprende una primera etapa de lavado entre las etapas a) y b) y una segunda etapa de lavado entre las etapas c) y d).
Descripcion detallada de la invencion
La figura 1 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento para la produccion de azucares C5-C6 fermentables a partir de plantas herbaceas oleaginosas segun la presente invencion.
Las plantas oleaginosas pertenecen a la tribu Cardueae, preferiblemente a las especies Cynara cardunculus o Silybum marianum. Incluso mas preferiblemente se usa Cynara cardunculus.
El contenido en semillas oleaginosas es normalmente de al menos el 3% con respecto al peso seco de la biomasa de lignocelulosa aerea.
Con el fin de obtener cantidades mas altas de azucares C5-C6 fermentables, las plantas herbaceas oleaginosas se seleccionan preferiblemente de aquellas que tienen un contenido de no mas del 20% en peso de lignina con respecto al peso seco de la biomasa de lignocelulosa aerea. En tal caso, en la etapa c) de dicho procedimiento, la pasta obtenida en la etapa b) se separa en una fraccion solida que contiene esencialmente hemicelulosa y celulosa y que tiene un contenido en lignina de no mas del 10% con respecto al peso seco de la fraccion solida y en una fraccion lfquida que contiene lignina y materiales extrafbles que tienen un contenido en hemicelulosa de no mas del 25% en peso, preferiblemente no mas del 10% en peso, con respecto al contenido en hemicelulosa de la biomasa de lignocelulosa.
Los azucares C5-C6 obtenidos en la etapa d) tienen un contenido reducido en lignina e inhibidores y, por tanto, son adecuados particularmente para procedimientos de fermentacion y requieren operaciones sencillas para separar y purificar los productos tras la fermentacion.
El termino “biomasa de lignocelulosa aerea” (A.L.B.) se refiere a la fraccion epigea de la planta que puede obtenerse tras la cosecha, que comprende el tallo o tronco con sus correspondientes ramas, hojas y la parte de la espiga que queda tras la eliminacion de las semillas.
El termino “pasta” se refiere al material que comprende la disolucion acuosa basica y la biomasa de lignocelulosa aerea, que se alimenta al dispositivo en la etapa c) con el fin de separarla en una fase solida y una fase lfquida.
Las especies de plantas usadas como materia prima para esta invencion se cultivan para la produccion de semillas oleaginosas y biomasa de lignocelulosa. Las especies de plantas se caracterizan preferiblemente por un contenido bajo en lignina. La invencion se refiere a cultivos de especies de plantas que pertenecen a la tribu Cardueae, preferiblemente a la especies Cynara cardunculus o Silybum marianum. Incluso mas preferiblemente se usa Cynara cardunculus. Estas especies de plantas pueden cultivarse incluso en zonas aridas con un clima poco favorable. Entre estas, los cultivos de especies de plantas en los que la lignina representa no mas del 20% en peso de la biomasa, mas preferiblemente no mas del 18% e incluso aun mas preferiblemente no mas del 15% y en los que las semillas representan preferiblemente al menos el 3% del peso seco de la biomasa aerea, mas preferiblemente al menos el 5% y aun mas preferiblemente se prefiere al menos el 10%.
Mas preferiblemente, se usan como materia prima especies de plantas en los que las semillas representan al menos el 10% y en los que una fraccion de la planta no menor del 40% con respecto a todos los otros componentes de la A.L.B., excluyendo las semillas, tiene un contenido en lignina de no mas del 15% en peso.
EL contenido en lignina de la A.L.B. se determina sumando la cantidad de lignina insoluble en acido segun el metodo Tappi T222 y la cantidad de lignina soluble en acido se determina a su vez mediante espectrofotometna a traves de
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la medicion de la absorcion de radiacion ultravioleta a una longitud de onda de 205 nm.
El procedimiento segun la invencion se describira a continuacion en mas detalle.
Ventajosamente, las semillas se separan de la biomasa de lignocelulosa aerea (etapa a) en el procedimiento) en el momento de la cosecha.
Segun un aspecto preferido de esta invencion, las semillas se someten a tratamiento para extraer el aceite, que puede usarse (directamente o tras tratamiento de hidrogenacion selectivo para maximizar el contenido de acidos grasos monoinsaturados) para la produccion de biocombustibles y para la produccion de productos intermedios qmmicos, tales como acidos carboxflicos y sus derivados. El residuo solido del prensado (torta) puede usarse para la produccion de piensos para animales. La parte de celulosa de la torta tambien puede tratarse para obtener azucares.
En el caso en el que la semilla se someta a tratamiento para la extraccion de aceite, este se realiza ventajosamente de manera mecanica o usando disolventes qmmicos (por ejemplo, hexano, benceno, tolueno), posiblemente en presencia de enzimas, y puede ser seguido por refinamiento posterior mediante tratamientos ffsicos, qmmicos o enzimaticos.
Si se usan cultivos oleaginosos que tienen un contenido en acido oleico alto como materia prima, el aceite obtenido puede someterse a tratamientos qmmicos y/o de fermentacion para recuperar derivados que comprenden acidos carboxflicos monofuncionales o difuncionales a partir del mismo. Preferiblemente, el aceite se somete a procedimientos de escision oxidativa continuos o discontinuos como se describe en las solicitudes de patente WO 2008/138892 y WO 2011/080296. Una alternativa comprende someter el aceite o su derivado (acido o ester metflico) a procedimientos de omega oxidacion mediante una via de fermentacion, seguida posiblemente por reacciones de hidrogenacion.
En ambos casos los derivados bifuncionales obtenidos pueden usarse como monomeros para la smtesis de polfmeros.
Despues de que las semillas se hayan separado de la planta, la biomasa de lignocelulosa aerea residual se somete a tratamientos preparatorios con el fin de aumentar el area de superficie disponible de la biomasa, para desmenuzarla a trozos pequenos y para eliminar componentes no deseados.
Ventajosamente, la biomasa aerea tiene un contenido en agua menor del 20% en peso, preferiblemente menor del 15% en peso, y es friable, con el fin de facilitar el desmenuzado de la biomasa aerea en trozos finos.
Preferiblemente en el momento de la cosecha, tras la separacion de las semillas, la biomasa se descompone y se desmenuza a trozos, que tienen preferiblemente un tamano de menor de 5 cm, mas preferiblemente menor de 2 cm, especialmente preferiblemente de aproximadamente 0,5 a 10 mm. La descomposicion (triturado) de la biomasa se lleva a cabo a traves de tratamientos mecanicos tales como molienda, corte, agrietamiento, picado o sus combinaciones, y pueden realizarse o bien en seco o bien en presencia de agua.
Tras el triturado de la biomasa en la etapa a), tambien es posible llevar a cabo un tratamiento de lavado opcional con agua para eliminar de la biomasa sales, acido acetico y otros componentes solubles en agua posibles. Este tratamiento permite reducir la cantidad de base necesaria en la etapa b) del procedimiento.
La etapa de lavado se lleva a cabo preferiblemente a una temperatura comprendida entre 25 y 100°C. Dependiendo del porcentaje en peso de la biomasa solida con respecto al agua puede efectuarse la separacion del solido de la fase acuosa:
- con una prensa mecanica para un contenido en solido entre el 15-50% en peso;
- por filtracion en reactor para un contenido en solido menor del 15% en peso.
La disolucion de lavado acuosa eliminada puede reutilizarse varias veces y el agua puede recuperarse al final del lavado para los tratamientos posteriores.
La figura 2 muestra el diagrama de flujo 2 del procedimiento segun la invencion que comprende el lavado opcional con agua tras la etapa a).
Tras la etapa a), en las etapas b) y c) del procedimiento, la biomasa se somete entonces a tratamiento qmmico/ffsico suave con el fin de eliminar lignina, materiales extrafbles, ceniza y una cantidad limitada de hemicelulosa y evitar la formacion de productos de degradacion tales como, por ejemplo, furfural, HMF y sus derivados (tal como acido formico y acido levulmico) y acetatos, que inhiben la posterior formacion de azucar en la etapa d).
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En la etapa b), la biomasa se pondra entonces en contacto con una disolucion acuosa basica a una temperatura de entre 10 y 95°C, preferiblemente 25-95°C, mas preferiblemente 40-90°C, y sometida posteriormente a separacion, preferiblemente por compresion, en la etapa c) del procedimiento. La presencia de un disolvente organico no se requiere en el procedimiento de la invencion. Por razones medioambientales, la disolucion acuosa basica contiene el 5% en volumen (es decir, volumen del disolvente organico por volumen total de la disolucion acuosa basica) o menos de un disolvente organico. Incluso mas preferiblemente, la disolucion esta libre de disolventes organicos.
En la etapa c) del procedimiento la pasta se separa en una fase solida que contiene principalmente hemicelulosa y celulosa y una fase lfquida que contiene lignina y materiales extrafbles. Dicha separacion se realiza mediante un dispositivo tal como una prensa. En caso de que se use una prensa en la etapa c), la etapa de separacion de la pasta en una fase solida y una fase lfquida tambien se refiere como “compresion” o, alternativamente, como “prensado”.
El pH basico de la disolucion acuosa puede obtenerse anadiendo bases tales como NaOH, LiOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, carbonatos alcalinos (por ejemplo, Na2CO3, Li2CO3, K2CO3) y sus mezclas. Se prefiere el uso de NaOH, Na2CO3, y K2CO3.
En caso de usar NaOH con el fin de limitar el coste global del procedimiento, este se anade en una cantidad preferiblemente menor del 10%, mas preferiblemente menor del 8% e incluso mas preferiblemente menor del 6% con respecto al peso de la biomasa.
Cuando se usan bases diferentes de NaOH, se usan cantidades correspondientes a los mismos equivalentes de NaOH, con respecto al peso de la biomasa.
La biomasa se impregna preferiblemente con dicha disolucion acuosa basica en la etapa b) del procedimiento segun la invencion, formando una pasta de una consistencia tal que puede alimentarse a la etapa c), con una concentracion de solidos comprendida desde el 10 hasta el 50% en peso. La etapa b) puede tener lugar en condiciones estaticas (es decir, sin agitacion) o preferiblemente con agitacion suave, para obtener una pasta que tiene una composicion homogenea.
La pasta obtenida en la etapa b) se envfa entonces al dispositivo (o “prensa”) en el que se produce el procedimiento de separacion (etapa c)). Preferiblemente, dicha separacion se realiza por compresion.
En una realizacion preferida del procedimiento segun la invencion, una parte de la disolucion acuosa basica se anade a la pasta durante el prensado en la etapa c). Operando de esta manera, es posible reducir aun mas la cantidad de bases. Esto tiene ventajas evidentes desde el punto de vista economico y desde el punto de vista de eliminacion de las bases en forma de sales.
La pasta obtenida en la etapa b) puede tener un contenido en solido que oscila entre el 10 y el 50% en peso, tambien dependiendo de la manera de realizar la etapa c).
Cuando la separacion de las fracciones solidas y lfquidas se realiza usando un dispositivo como un filtro prensa, la pasta se prepara ventajosamente en un unico lote y tiene un contenido en solido que oscila entre el 10 y el 25% en peso, preferiblemente entre el 15 y el 20% en peso. Cuando la separacion de las fracciones solidas y lfquidas se realiza alimentando la pasta a una prensa continua, tal como un sistema para machacar semillas oleaginosas, la pasta tiene ventajosamente un contenido en solido que oscila entre el 20 y el 50% en peso, preferiblemente entre 25 y el 40% en peso.
En caso de usar una prensa continua, las etapas b) y c) pueden realizarse opcionalmente en el mismo dispositivo, alimentando a dicha prensa continua la biomasa de lignocelulosa y la disolucion basica separadamente.
La temperatura durante la etapa c) es preferiblemente menor de 100°C, mas preferiblemente entre 10 y 95°C, incluso mas preferiblemente entre 25°C y 95°C y aun mas preferiblemente entre 40 y 90°C.
El dispositivo que puede separar la fraccion solida y una fraccion lfquida en la etapa c) es preferiblemente una prensa mecanica o hidraulica. Ejemplos preferidos de prensas son sistemas para machacar las semillas oleaginosas, filtros prensa o cualquier sistema usado para el prensado de materiales fibrosos. Las prensas pueden comprender sistemas de eje unico o de doble eje y pueden funcionar de manera continua o discontinua. Se prefieren particularmente maquinas para machacar semillas que producen un efecto adicional de desfibrado de la biomasa.
Ventajosamente, la prensa usada para el prensado de las semillas obtenidas en la etapa a) puede usarse en la etapa c) del procedimiento. La prensa puede usarse individualmente o como parte de un conjunto.
El prensado se realiza ventajosamente a temperaturas entre 25 y 100°C. Estas temperaturas pueden obtenerse o bien a traves del efecto de friccion en la prensa o bien a traves del calentamiento y termostatizacion de la prensa.
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Como resultado del prensado se obtienen una fraccion solida que contiene principalmente celulosa y hemicelulosa y una fraccion lfquida que contiene lignina, acetatos, hemicelulosa y otros materiales extrafoles.
Con el fin de obtener un efecto de concentracion de la lignina en la fraccion lfquida y ataque enzimatico mas eficaz en la celulosa y hemicelulosa, en una realizacion preferida de la invencion, la fraccion solida y la fraccion lfquida se alimentan a la prensa de la que se han obtenido o a otra prensa. Puede usarse la fraccion lfquida entera o parte de la misma. Puede alimentarse agua junto con la fraccion solida y la fraccion lfquida. Esta operacion se repite ventajosamente una o mas veces.
Esto significa que, segun una realizacion preferida, la fraccion solida obtenida en la etapa c) se combina con al menos una de agua y una parte o la totalidad de la fraccion liquida obtenida previamente, y la pasta asf obtenida se separa otra vez en una fraccion solida y una fraccion lfquida. Es preferible combinar la fraccion solida al menos con una parte o la totalidad de la fraccion lfquida y opcionalmente anadir agua adicional, si se desea.
El procedimiento de combinacion y separacion puede realizarse una o mas veces. El numero total de estas etapas opcionales de combinacion/separacion esta preferiblemente en el intervalo de 1 a 10, mas preferiblemente de 2 a 6. Puede usarse para la separacion el mismo tipo de dispositivo (por ejemplo, una prensa) como se usa en la etapa c). Es posible usar un unico dispositivo, por ejemplo, realimentando la pasta al mismo dispositivo como se usa para la etapa c) y/o la etapa precedente de combinacion/separacion, o una pluralidad de dispositivos tales como prensas conectadas en serie. Por ejemplo, es posible usar un sistema de prensas en cascada en el que la fraccion solida y la fraccion lfquida que contienen lignina, materiales extrafbles, ceniza y acetatos obtenidos en la etapa c) y/o la etapa precedente de combinacion/separacion, se alimentan a la etapa de combinacion/separacion posterior hasta que se consigue mejor disponibilidad para ataque enzimatico en la fraccion solida.
Variando las condiciones de concentracion de solidos, temperatura y composicion de las disoluciones acuosas anadidas a las distintas etapas de combinacion/separacion (por ejemplo, prensado), tambien es posible extraer de manera selectiva componentes individuales de la biomasa (es decir, lignina, acetatos, ceniza, etc.) en la fraccion lfquida.
Las fracciones lfquidas obtenidas en la etapa c) y/o la(s) etapa(s) de combinacion/separacion posterior(es) pueden reunirse parcialmente o totalmente.
La fraccion lfquida obtenida tras la separacion (por ejemplo, prensado) en la etapa c) y/o la(s) etapa(s) de combinacion/separacion posterior(es), que es rica en lignina, puede tratarse adicionalmente de manera qmmica o ffsica y puede reutilizarse como disolucion acuosa en el pretratamiento segun la invencion, tras la adicion de una cantidad de base adecuada.
De esta fraccion lfquida es posible obtener, por ejemplo, tras acidificacion y precipitacion, ligninas de alta calidad que pueden usarse para la produccion de fenoles, poliuretanos, productos de reaccion con anhudridos y polianhudridos. Las ligninas tambien pueden usarse como cargas y nanocargas reactivas, por ejemplo, en materiales plasticos, o como aditivos de refuerzo para cauchos o para poliesteres biodegradables. Un ejemplo de aplicacion de los poliesteres obtenidos es la produccion de macetas para viveros.
Mediante metodos conocidos en la tecnica, por ejemplo, anadiendo una cantidad adecuada de acido y alcoholes a la fraccion lfquida, tambien es posible facilitar la precipitacion y consecuente recuperacion de hidratos de carbono, que comprenden principalmente azucares C5, que pueden estar presentes en los mismos.
La fraccion solida obtenida tras el prensado en la etapa c) o cualesquiera etapas de prensado posteriores, tiene un contenido en agua que es normalmente menor del 50% en peso, por ejemplo, menor del 40% en peso. Esta fraccion solida es rica en hidratos de carbono (es decir, celulosa y hemicelulosa) y, en caso de tratamiento de plantas herbaceas oleaginosas que tienen no mas del 20% en peso de lignina con respecto al peso seco de la biomasa de lignocelulosa aerea, tiene un contenido en lignina de no mas del 10% con respecto al peso seco de la biomasa, determinado como se describe anteriormente. Una ventaja adicional del procedimiento de la presente invencion es que otros contaminantes tales como, por ejemplo, furfural y HMF no estan presentes en la fraccion solida, o solo estan presentes en una cantidad despreciable. Esto permite obtener azucares C5-C6 en la etapa d) con un contenido reducido en lignina e inhibidores, que son adecuados particularmente para procedimientos de fermentacion y requieren operaciones sencillas para separar y purificar productos tras la fermentacion.
La fraccion solida obtenida tras la finalizacion de la etapa c) y/o las etapas opcionales de combinacion/separacion, descritas anteriormente puede someterse opcionalmente a uno o mas lavados con agua, o con una disolucion acuosa ligeramente acida, para eliminar la base residual (etapa c-1)). El lavado puede hacerse ventajosamente mediante extraccion en contracorriente.
Tras el lavado, la fraccion solida obtenida se somete a hidrolisis enzimatica en la etapa d).
La figura 3 muestra el diagrama de flujo 3 del procedimiento segun la invencion que comprende el lavado opcional
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con agua en la etapa a) y el lavado opcional de la fraccion solida de la etapa c-1).
En el procedimiento segun la invencion, las etapas de a) a c-1) representan el asf denominado “pretratamiento”.
La fraccion solida rica en hidratos de carbono obtenida tras el pretratamiento de la biomasa se somete a tratamiento con enzimas que forman azucar para producir azucares C5-C6 simples en la etapa d) del procedimiento.
El tratamiento con enzimas se realiza usando enzimas hidroltticas o sus mezclas capaces de dividir los hidratos de carbono en monosacaridos (por ejemplo, celulasas y/o hemicelulasas).
La etapa d) de hidrolisis enzimatica puede realizarse ventajosamente segun la invencion alimentando una disolucion que contiene dichas enzimas y la fraccion solida a una prensa a traves de un procedimiento de prensado continuo/formacion de azucar. Como alternativa, esto puede realizarse mezclando la fraccion solida con dichas enzimas en un reactor discontinuo. Pueden anadirse aditivos densificantes que corregiran la viscosidad de la pasta y reduciran la cristalinidad de la celulosa a distintas etapas en el prensado y/o el prensado/formacion de azucar.
Los azucares C5-C6 simples obtenidos mediante el procedimiento segun la invencion pueden por tanto someterse a conversion por medios qmmicos o bioqmmicos (por ejemplo, fermentacion) para obtener compuestos organicos.
Ejemplos de tratamiento bioqmmico es la fermentacion realizada por bacterias (por ejemplo E. coli) o por levaduras oleaginosas tales como, por ejemplo, aquellas que pertenecen al genero Yarrowia, Candida, Rhodotorula, Rhodosporidium, Cryptococcus, Trichosporon y se prefieren particularmente Lipomyces, Yarrowia y Candida.
Los compuestos organicos que pueden obtenerse mediante tales tratamientos son, por ejemplo, dialcoholes (preferiblemente butanodiol), monoalcoholes, hidroxiacidos y diacidos, aminoacidos y diaminas.
Por ejemplo, pueden usarse mezclas de azucares C5 y C6 por E. coli modificada geneticamente mediante el procedimiento descrito en la patente estadounidense 8.067.214 B2 para obtener butanodiol.
Los azucares obtenidos pueden someterse tambien a procedimientos de conversion qmmica.
Ejemplos de conversion qmmica son la isomerizacion de glucosa a fructosa y la posterior deshidratacion en un ambiente acido con el fin de obtener HMF, que puede a su vez oxidarse, produciendo acido furano dicarboxflico y sus derivados.
Los productos intermedios qmmicos que pueden obtenerse por la conversion de azucares producidos mediante el procedimiento segun la invencion, tales como, por ejemplo, butanodiol, acido succmico, acido adfpico, acido muconico, acido furano dicarboxflico, acido tereftalico, acido levulmico, acido lactico y polihidroxialcanoatos, son utiles como monomeros para la smtesis de polfmeros, en particular poliesteres.
En otra realizacion del procedimiento segun la invencion, una fraccion de la biomasa de lignocelulosa aerea residual se usa para producir energfa y/o biocombustibles mediante procedimientos de combustion/pirolisis y/o biogas y/o hidrogeno.
Ejemplos
Se describira a continuacion una realizacion no limitante del procedimiento segun la invencion.
Ejemplo 1
Se uso una muestra de Cynara cardunculus variedad altilis.
Etapa a)
En el momento de la cosecha las semillas se separaron de la biomasa de lignocelulosa aerea restante que comprende tallos, hojas y capftulos (sin las semillas). El contenido en lignina fue de aproximadamente el 18% con respecto al peso seco de la biomasa. La biomasa se trituro entonces a un tamano de 1-3 mm en un molino de tipo M 100 de Retsch.
Etapa b)
Se colocaron 100 g de biomasa (que tienen un contenido en humedad del 10%) y 350 de agua destilada en un reactor cilmdrico equipado con deflectores y un agitador mecanico con palas alternas, termometro, pH-metro y embudo de goteo.
La pasta obtenida se elevo entonces a una temperatura de 90°C usando un bano de calentamiento y se anadio una
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disolucion de NaOH al 12% por goteo, manteniendo el pH a valores por debajo de 11. Se anadieron 50 ml de disolucion correspondiente a un total de 6 g de NaOH durante 3 horas, obteniendo una pasta con el 18% de biomasa. Se continuo la agitacion durante 2 horas adicionales.
Etapa c)
La pasta obtenida durante la etapa b) se prenso usando un filtro prensa para laboratorio.
La fase solida resultante se lavo entonces sucesivamente con agua hasta pH neutro. Tras el secado se obtuvieron 62 g de fraccion solida.
Se analizo la fraccion lfquida tras el pretratamiento y se demostro una extraccion de lignina de aproximadamente el 70% e hidrolisis mmima de la hemicelulosa, correspondiente a una perdida del 5% con respecto al contenido inicial de hemicelulosa.
Etapa d)
La fraccion solida obtenida se sometio entonces a hidrolisis enzimatica.
Se anadieron 100 mg de fraccion solida a 9,8 ml de tampon acetato (pH 4,8) en un matraz y se inocularon con 200 pl de Accellerase 1500 (un complejo enzimatico que contiene enzimas que tienen actividad celulolftica y hemicelulolftica). El matraz se mantuvo a 50°C durante 48 horas.
Se centrifugo entonces la mezcla de reaccion (que comprende fraccion solida, tampon y disolucion enzimatica). La concentracion de glucosa en disolucion se determino entonces usando un analizador bioqmmico 2900 de YSI.
Se obtuvieron 44,7 mg de glucosa a partir de la hidrolisis enzimatica de 100 mg de fraccion solida tratada segun la invencion. La misma calidad de biomasa no tratada sometida a hidrolisis enzimatica de la misma manera produjo en cambio 3,99 mg de glucosa.
Ejemplo 2
Etapa a)
Se obtuvo una muestra de biomasa de lignocelulosa aerea de Cynara cardunculus analoga a la usada en el ejemplo 1 por separacion de las semillas en el momento de la cosecha, como en el ejemplo 1.
La biomasa se trituro entonces a un tamano de 1 mm en un molino de tipo M100 de Retsch.
Etapa b)
Se impregnaron 100 g de biomasa (que tiene un contenido en humedad del 10%) con 200 ml de disolucion acuosa que contiene 5 g de NaOH y se homogeneizaron en una mezcladora durante 15 minutos a temperatura ambiente. La biomasa absorbio facilmente la disolucion acuosa adquiriendo las propiedades de un polvo hidratado que fluye, que tambien podna describirse como una pasta, y se alimento a la tolva de la prensa (contenido en biomasa del 30%).
Etapa c)
La pasta se alimento a una maquina para prensar semillas de prensa de husillo Kern Kraft KK 8/2 con un cabezal calentado a 90°C, a una velocidad de aproximadamente 900 g/h. La maquina se doto de un tornillo que operaba a una velocidad de 15 rpm. El material de salida comprendfa una fraccion solida y una fraccion lfquida que se recogieron separadamente.
La fraccion solida recogida se mezclo de nuevo con la fraccion lfquida con el fin de obtener un efecto de concentracion de lignina en la fraccion lfquida y un ataque enzimatico mas eficaz en la celulosa y hemicelulosa. La pasta asf obtenida se alimento a la misma prensa.
Esta operacion se repitio tres veces obteniendo 62 g de fase solida lavada y secada al final del quinto prensado. Etapa d)
Se obtuvo tras cada uno de los prensados una muestra de la fraccion solida que se lavo con agua destilada y se seco.
Se sometieron entonces 100 mg de cada muestra de fraccion solida a hidrolisis enzimatica para obtener azucares C5 y C6 como en el ejemplo 1, etapa d).
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Al final de la reaccion enzimatica, la mezcla de reaccion, filtrada y diluida a 1:10 con una disolucion de H2SO4 0,005 N, se analizo entonces mediante HPLC para determinar la concentracion de azucares C5 y C6.
Se uso un instrumento equipado con un detector de rndice de refraccion y una columna Rezex-ROA-acido organico H+ (8%) de 300 x 7,8 mm en las siguientes condiciones de operacion:
Flujo: 0,6 ml/min
Temperature: 65°C.
Eluyente: disolucion acuosa de H2SO4 0,005 N
La tabla a continuacion muestra la cantidad de azucares obtenidos tras la hidrolisis enzimatica de la fraccion solida al final de cada prensado.
Muestra de fraccion solida
Glucosa (C6) Xilosa (C5)
(100 mg)
(mg) (mg)
Primer prensado
32,1 13,2
Segundo prensado
34,1 14,0
Tercer prensado
39,3 14,9
Cuarto prensado
45,4 17,2
Quinto prensado
46,9 18,2
El ejemplo demuestra que el pretratamiento segun la invencion es eficaz en cuanto a la extraccion de lignina, aumentando la eficacia de la hidrolisis enzimatica, y conserva la hemicelulosa en la fraccion solida, proporcionando altos rendimientos de azucares C5 y C6.
Ejemplo 3
Etapa a)
Se obtuvo una muestra de biomasa de lignocelulosa aerea de Cynara cardunculus analoga a la usada en los ejemplos previos mediante separacion de las semillas en el momento de la cosecha, como en el ejemplo 1.
La biomasa se trituro a un tamano de 1 mm en un molino de tipo M100 de Retsch. Se agitaron entonces 100 g de biomasa (que tiene un contenido en humedad del 10%) y 200 ml de agua en una mezcladora durante 10 minutos a temperatura ambiente.
La pasta asf obtenida se alimento a una maquina para prensar semillas de prensa de husillo Kern Kraft KK 8/2 con un cabezal calentado a 100°C, a una velocidad de aproximadamente 900 g/h. La maquina se doto de un husillo que operaba a una velocidad de 15 rpm. El material de salida comprendfa 132 g de una fraccion solida humeda y 135 g de una fraccion lfquida marron que se recogieron separadamente. El analisis de la fraccion lfquida mostro la presencia de acidos glucuronico, succmico, lactico, acetico y levulrnico, para una acidez total correspondiente a 0,8 g de NaOH.
Etapa b)
La fraccion solida humeda, correspondiente a un peso seco de 73 g, se trato como en el ejemplo 2 con una disolucion de NaOH (4,5 g) en agua (200 ml) y se homogeneizo en una mezcladora durante 15 minutos a temperatura ambiente.
Las etapas c) y d) se llevaron a cabo como se describe en el ejemplo 2, obteniendo al final del quinto prensado 46,7 mg de glucosa y 18,5 mg de xilosa.
Ejemplo 4
Etapa a)
Se obtuvo una muestra de biomasa de lignocelulosa aerea de Cynara cardunculus analoga a la usada en los ejemplos previos mediante separacion de las semillas en el momento de la cosecha, como en el ejemplo 1. La biomasa se trituro a un tamano de aproximadamente 5 mm en un molino de tipo Cumberland.
Etapa b)
Se agitaron 4,01 kg (contenido en humedad del 10%) de biomasa de lignocelulosa y una disolucion de 250 g de NaOH en 7,99 kg de agua en una mezcladora de 50 litros durante 2 minutes a temperatura ambiente (12,3°C).
Etapa c)
5
La pasta obtenida se alimento a una prensa continua para triturado con aceite del tipo MIG PC 25, que tiene una capacidad de 12 kg/h y equipada con un husillo de 110 mm de diametro y una L/D = 4,4, girando a 10 rpm.
Se separaron las fracciones solidas y lfquidas proporcionando 6 kg de biomasa humeda extruida (51,7% de solido) y 10 5,6 kg de una suspension (lfquido + pasta) a anadir a la alimentacion posterior.
Etapa d)
Tras el lavado con agua con el fin de eliminar la base residual se sometio el solido a hidrolisis enzimatica 15 produciendo 1,06 kg de azucares.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Procedimiento para la produccion de azucares C5-C6 fermentables a partir de plantas herbaceas oleaginosas que pertenecen a la tribu Cardueae, que comprende las etapas de:
    5
    a) separar mecanicamente las semillas de la biomasa de lignocelulosa aerea de las plantas herbaceas oleaginosas y triturar dicha biomasa de lignocelulosa;
    10
    b) poner en contacto la biomasa de lignocelulosa triturada con una disolucion acuosa basica que contiene el 5% en volumen o menos de un disolvente organico para preparar una pasta acuosa que contiene la biomasa de lignocelulosa triturada en una cantidad del 10 al 50% en peso, a una temperatura de entre 10 y 95°C y durante un tiempo de entre 1 minuto y 24 horas;
    15
    c) separar la pasta en una fraccion solida y una fraccion lfquida; d) someter la fraccion solida a hidrolisis enzimatica de la hemicelulosa y la celulosa contenidas en la misma.
  2. 2.
    Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que las semillas obtenidas en la etapa a) se someten a tratamiento para extraer el aceite.
    CO o CM
    Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que despues de la etapa a) y antes de la etapa b), dicha biomasa de lignocelulosa aerea triturada se lava con agua.
    LO CM
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que despues de la etapa c) y antes de la etapa d), la fraccion solida se lava una o mas veces con agua o con una disolucion acuosa ligeramente acida.
  3. 5.
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las plantas herbaceas oleaginosas pertenecen a las especies Cynara cardunculus o Silybum marianum.
    CD o CO
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que, despues de la etapa c), la fraccion solida se combina con al menos uno seleccionado de agua y una parte o la totalidad de la fraccion lfquida obtenida previamente;
    35
    y la pasta asf obtenida se separa otra vez en una fraccion solida y una fraccion lfquida; dicha combinacion y separacion se realizan una o mas veces;
  4. 40 7.
    y la fraccion solida obtenida finalmente se procesa adicionalmente segun la etapa d). Procedimiento segun la reivindicacion 6, en el que la fraccion solida se combina con parte o la totalidad de la fraccion liquida obtenida previamente, opcionalmente en combinacion con agua.
    4^ cn co
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la separacion de la pasta en una fraccion solida y una fraccion lfquida se realiza con una prensa mecanica o hidraulica o con una cascada de prensas hidraulicas o mecanicas.
  5. 9.
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha disolucion acuosa basica de la etapa b) se obtiene anadiendo al agua una base que se selecciona de NaOH, LiOH, KOH, Mg(OH)2,
    50
    Ca(oH)2, carbonatos alcalinos y sus mezclas.
  6. 10.
    Procedimiento segun la reivindicacion 9, en el que la base es NaOH y se anade en una cantidad de menos del 10% con respecto al peso de la biomasa de lignocelulosa.
    55 11.
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la disolucion acuosa basica esta libre de disolvente organico.
  7. 12.
    Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la etapa c) se realiza a una temperatura por debajo de 100°C.
    CO o CD
    Procedimiento segun la reivindicacion 12, en el que la etapa c) se realiza a una temperatura de entre 25°C y 95°C.
  8. 14. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la biomasa de lignocelulosa en la etapa a) se tritura a un tamano de partfcula promedio de 2 cm o menos, como se determina mediante el metodo de tamizado.
    5 15. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la etapa d) se realiza con una
    mezcla de enzimas celulasa y hemicelulasa.
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