ES2606279T3 - Procesamiento de biomasa - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para fabricar un producto que comprende: determinar el contenido de lignina de una materia prima de biomasa; tratar el material de materia prima de biomasa; y fijar un parámetro de proceso del proceso basado en el contenido de lignina, donde la etapa de tratamiento comprende la irradiación con radiación ionizante, y donde la etapa de fijación comprende fijar la dosificación de radiación ionizante que se va a entregar al material de la materia prima.

Description

DESCRIPCION
Procesamiento de biomasa.
5 SOLICITUDES RELACIONADAS
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional de Estados Unidos N° de serie 61/151,724, presentada el 11 de febrero de 2009.
10 ANTECEDENTES
Diversos carbohidratos, tales como materiales celulosicos y lignocelulosicos, por ejemplo, en forma fibrosa, se producen, se procesan y se usan en grandes cantidades en varias aplicaciones. A menudo dichos materiales se usan una vez, y despues se desechan como desperdicio, o se consideran simplemente materiales de desecho, por 15 ejemplo, aguas residuales, bagazo, serrfn y rastrojo.
Se han descrito diversos materiales celulosicos y lignocelulosicos, sus usos y aplicaciones en las patentes de Estados Unidos N° 7,307,108, 7,074,918, 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105; y en diversas solicitudes de patente, incluyendo "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, presentada 20 el 23 de marzo de 2006 (publicada como WO2006102543) y "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", publicacion de solicitud de patente de Estados Unidos N° 2007/0045456.
RESUMEN
25 La materia objeto de la invencion se describe en las reivindicaciones adjuntas.
En general, esta invencion se refiere a procesos para fabricar un intermedio o un producto, por ejemplo, energfa, un combustible, tal como etanol, un alimento o un material, a partir de una pluralidad de diferentes materias primas que contienen carbono y/o de una materia prima que tiene una composicion variable. La materia prima que contiene 30 carbono puede incluir, por ejemplo, materiales que contienen carbohidratos (por ejemplo, materiales amilaceos y/o materiales celulosicos o lignocelulosicos), y en algunos casos, puede ser un material de desecho que tiene una composicion impredecible o variable.
Los procesos desvelados en el presente documento, en solitario o en combinacion, cambian la estructura molecular 35 y/o nivel de recalcitrancia de la materia o materias primas, permitiendo que se obtenga un producto deseado a partir de la materia prima de una manera economicamente factible. Los inventores han descubierto que la cantidad de cambio en la estructura y/o el nivel de recalcitrancia de la materia prima requerida para producir un producto varfan e funcion del contenido de lignina de la materia prima. Por ejemplo, el cambio en la recalcitrancia necesario puede ser directamente proporcional al contenido de lignina. Por consiguiente, los procedimientos desvelados en el presente 40 documento implican ajustar el tipo de proceso o uno o mas parametros de proceso usados para fabricar el producto para compensar cambios en el contenido de lignina de la materia prima que se esta usando, por ejemplo, aplicar una dosis o velocidad de dosis mayor o menor durante el proceso de pretratamiento usado.
Muchos de los procedimientos descritos en el presente documento pueden proporcionar materiales celulosicos y/o 45 lignocelulosicos que tienen, por ejemplo, un menor nivel de recalcitrancia, un menor peso molecular, un nivel diferente de funcionalizacion y/o cristalinidad en relacion a un material natural. Muchos de los procedimientos proporcionan materiales que pueden utilizarse mas facilmente por una diversidad de microorganismos, tal como uno o mas homoacetogenos o heteroacetogenos (con o sin la ayuda de hidrolisis enzimatica) para producir productos utiles, tal como energfa, combustibles, alimentos y materiales. Los ejemplos especfficos de productos incluyen, pero 50 sin limitacion, hidrogeno, alcoholes (por ejemplo, alcoholes monohfdricos o alcoholes dihfdricos, tales como etanol, n-propanol o n-butanol),, azucares, biodiesel, acidos organicos (por ejemplo, acido acetico y/o acido lactico), hidrocarburos, subproductos (por ejemplo, protefnas, tales como protefnas celulolfticas (enzimas) o protefnas de celulas simples), y mezclas de cualquiera de estos. Otros ejemplos incluyen acidos carboxflicos, tales como acido acetico o acido butfrico, sales de un acido carboxflico, una mezcla de acidos carboxflicos y sales de acidos 55 carboxflicos y esteres de acidos carboxflicos (por ejemplo, esteres metflicos, etflicos y n-propflicos), cetonas, aldehfdos, acidos alfa, beta insaturados, tales como acido acrflico y olefinas, tal como etileno. Otros alcoholes y derivados de alcohol incluyen propanol, propilenglicol, 1,4-butanodiol, 1,3-propanodiol, esteres metflicos o etflicos de cualquiera de estos alcoholes. Otros productos incluyen acrilato de metilo, metilmetacrilato, acido lactico, acido propionico, acido butfrico, acido succfnico, acido 3-hidroxipropionico, una sal de cualquiera de los acidos y una 60 mezcla de cualquiera de los acidos y sales respectivas.
Otros productos e intermedios, incluyendo productos alimenticios y farmaceuticos, se describen en la solicitud provisional de Estados Unidos N° de serie 61/139,453 (vease la solicitud internacional publicada WO2009/134791).
Muchos de los productos obtenidos mediante los procedimientos desvelados en el presente documento, tales como 5 etanol o n-butanol, pueden utilizarse directamente como un combustible o como una mezcla con otros componentes, tal como gasolina, para energizar coches, camiones, tractores, barcos o trenes, por ejemplo, como un combustible de combustion interna o como una materia prima de celdas de combustible. Otros productos descritos en el presente documento (por ejemplo, acidos organicos, tal como acido acetico y/o acido lactico) pueden convertirse en otros restos (por ejemplo, esteres o anhfdridos) que pueden convertirse y utilizarse como un combustible. Muchos de los 10 productos obtenidos tambien pueden utilizarse para energizar aeronaves, tales como aviones, por ejemplo, que tienen motores a reaccion o helicopteros. Ademas, los productos descritos en el presente documento pueden utilizarse para la generacion de energfa electrica, por ejemplo, en una planta generadora de vapor convencional o en una planta de celdas de combustible.
15 La invencion caracteriza un procedimiento para elaborar un producto que comprende determinar el contenido de lignina de una materia prima de biomasa; tratar el material de materia prima de biomasa con radiacion ionizante; fijar un parametro de proceso del proceso en base al contenido de lignina; y convertir al menos una porcion de la materia prima de biomasa tratada, utilizando un microorganismo, para producir un producto o intermedio, tal como energfa, combustibles, alimentos o materiales, en el que la etapa de fijacion comprende ajustar la dosificacion de la radiacion 20 ionizante que se va a administrar al material de materia prima.
El tratamiento ffsico puede comprender la irradiacion con radiacion ionizante, en solitario o acompanada por tratamiento mecanico antes y/o despues de la irradiacion. La irradiacion puede realizarse, por ejemplo, con un haz de electrones.
25
La etapa de fijacion comprende fijar la dosificacion de radiacion ionizante que se va a administrar al material de la materia prima. Por ejemplo, puede administrarse una dosificacion de radiacion de 0,1 Mrad a 5,0 Mrad por 1 % en peso de lignina en la materia prima de biomasa, por ejemplo, de 0,25 Mrad a 4,0 Mrad o de 0,3 Mrad a 3,5 Mrad.
30 El intermedio o producto puede ser, por ejemplo, uno cualquiera o mas de los productos enumerados en el presente documento. En algunos casos, el producto puede ser energfa o un combustible, por ejemplo, biodiesel o un alcohol, tal como etanol o metanol. El intermedio o producto tambien puede ser, por ejemplo, un acido carboxflico, un ester de un acido carboxflico, una sal de un acido carboxflico, o una mezcla de los mismos.
35 El procedimiento puede incluir adicionalmente repetir las etapas de determinar, tratar y fijar con una segunda materia prima.
En algunas implementaciones, uno o mas componentes del equipo de procesamiento, por ejemplo, el equipo de irradiacion, el equipo sacarificacion y/o fermentacion, o cualquiera de los otros equipos descritos en el presente 40 documento, pueden ser portatiles, por ejemplo, al igual que el equipo de procesamiento movil descrito en la solicitud internacional publicada N° WO 2008/011598.
Cambiar una estructura molecular de un material, como se usa en el presente documento, significa cambiar la disposicion de union qufmica o conformacion de la estructura. Por ejemplo, el cambio en la estructura molecular 45 puede incluir cambiar la estructura supramolecular del material, oxidacion del material, cambiar un peso molecular medio, cambiar una cristalinidad promedio, cambiar un area superficial, cambiar un grado de polimerizacion, cambiar una porosidad, cambiar un grado de ramificacion, injertar sobre otros materiales, cambiar un tamano de dominio cristalino o cambiar un tamano de dominio global. Puede realizarse un cambio en la estructura molecular usando uno cualquiera o mas de los tratamientos ffsicos descritos en el presente documento, en solitario o en cualquier 50 combinacion, aplicado una vez o repetidamente.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso para elaborar un producto a partir de materia prima que 55 contiene carbono que tiene un contenido de lignina variable.
La figura 1A es un diagrama de flujo que ilustra etapas del proceso mostrado en la figura 1 de acuerdo con una implementacion.
60 La figura 2 es un diagrama esquematico que ilustra un proceso para elaborar etanol.
DESCRIPCION DETALLADA
Las materias primas de biomasa (por ejemplo, biomasa vegetal, biomasa animal y biomasa de desechos municipales) pueden procesarse a un menor nivel de recalcitrancia (si es necesario) y convertirse en productos 5 utiles, tales como los enumerados a modo de ejemplo en el presente documento. Los sistemas y procesos se describen en el presente documento que usan materiales facilmente abundantes pero a menudo diffciles de procesar, tales como materiales celulosicos o lignocelulosicos, que de otro modo serfan desecho, por ejemplo, residuos de cosecha y papel de desecho.
10 En general, una planta de fabricacion que utiliza los procesos descritos en el presente documento obtendra una diversidad de diferentes materias primas en el transcurso de su operacion. Algunas materias primas pueden ser relativamente homogeneas en composicion, por ejemplo, un traslado de mazorcas de mafz, mientras que otras materias primas pueden ser de composicion variable, por ejemplo, desechos municipales, por ejemplo, diversos flujos de papel de desecho.
15
Las materias primas pueden incluir, por ejemplo, papel, productos de papel, madera, materiales relacionados con la madera, tableros de partfculas, pastos, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, fibra de coco, algas, algas marinas, celulosas alteradas, por ejemplo, acetato de celulosa, celulosa regenerada y similares, o mezclas de cualquiera de estos.
20
En algunos casos, la biomasa es un material microbiano. Las fuentes microbianas incluyen, pero sin limitacion, cualquier microorganismo u organismo de origen natural o geneticamente modificado que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (por ejemplo, celulosa), por ejemplo, protistas, por ejemplo, protistas animales (por ejemplo, protozoarios, tales como flagelados, amiboides, ciliados y esporozoarios) y protistas 25 vegetales (por ejemplo, algas tales como alveolados, cloraracniofitos, criptomonadas, euglenidos, glaucofitos, haptofitos, algas rojas, estramenopilos, y viridaeplantae). Otros ejemplos incluyen algas marinas, plancton (por ejemplo, macroplancton, mesoplancton, microplancton, nanoplancton, picoplancton y femptoplancton), fitoplancton, bacterias (por ejemplo, bacterias gram positivas, bacterias gran negativas y extremofilos), levadura y/o mezclas de estos. En algunos casos, la biomasa microbiana puede obtenerse de fuentes naturales, por ejemplo, el oceano, 30 lagos, cuerpos de agua, por ejemplo, agua salda o agua dulce o en tierra. Como alternativa o ademas, la biomasa microbiana puede obtenerse de sistemas de cultivo, por ejemplo, sistemas de cultivo en seco y humedo de gran escala.
Para permitir que la planta de fabricacion utilice estos diferentes tipos de materias primas para producir uno o mas 35 productos deseados, el proceso de fabricacion es ajustable para compensar variaciones y/o dentro de las materias primas, por ejemplo, para compensar variaciones en el contenido de lignina de las diferentes materias primas.
Muchos de los procesos descritos en el presente documento pueden disminuir de manera eficaz el nivel de recalcitrancia de la materia prima, haciendola mas facil de procesar, tal como mediante bioprocesamiento (por 40 ejemplo, con cualquier microorganismo descrito en el presente documento, tal como un homoacetogeno o un heteroacetogeno, y/o cualquier enzima descrita en el presente documento), procesamiento termico (por ejemplo, gasificacion o pirolisis) o procedimientos qufmicos (por ejemplo, hidrolisis de acido u oxidacion).
Como se muestra en la figura 1, en algunas implementaciones el contenido de lignina de la materia prima entrante 45 se determina (etapa 100), y despues, en base al contenido de lignina, el tipo de tratamiento o tratamientos ffsicos (radiacion) y/o una o mas condiciones de procesamiento requeridas para obtener el producto deseado se determinan (etapa 102). Si la materia prima tiene un nivel relativamente alto de variabilidad, por ejemplo, desechos municipales, pueden tomarse una diversidad de muestras y el contenido de lignina promedio puede calcularse. En algunos casos, la materia prima puede pretratarse para homogeneizarla antes de la medicion de contenido de lignina, por ejemplo, 50 mediante molienda o pulverizacion, por ejemplo, molienda por congelacion (por ejemplo, como se describe en la solicitud provisional de Estados Unidos N° 61/081,709, presentada el 17 de julio de 2008, publicada como US2010/012756). En algunos casos, por ejemplo, como se muestra en la figura 1A, dos o mas materias primas entrantes pueden mezclarse juntas para formar una materia prima combinada y puede medirse el contenido de lignina de la materia prima combinada.
55
Los procedimientos para preparar muestras y determinar el contenido de lignina se desvelan en los procedimientos de prueba del Department of Energy (DOE) NREL/TP-510-42618 (revisado 4/2008), NREL/TP-510-42619 (Revisado 1/2008) y NREL/TP-510-42620 (Revisado 1/2008).
60 Una vez que el contenido de lignina se ha determinado, puede usarse, por ejemplo, en base a las relaciones determinadas empfricamente entre contenido de lignina y recalcitrancia, para determinar las condiciones de
procesamiento, que se introducen despues al equipo de procesamiento (etapa 104). Por ejemplo, como se muestra en la figura 1A, los parametros pueden ser los usados en una o mas etapas de proceso de reduccion de recalcitrancia que cambiaran la estructura y/o reduciran la recalcitrancia de la materia prima, como se describira en mas detalle a continuacion.
5
Si se desea, el resultado del proceso puede controlarse (etapa 106, figura 1), y los parametros de proceso ajustarse en base a estas mediciones (etapa 108, figura 1). Por ejemplo, puede medirse el volumen, pureza u otras caracterfsticas del resultado. El resultado puede ser el producto final, o puede ser un producto intermedio, tal como un material lignocelulosico o celulosico que tiene recalcitrancia reducida.
10
Haciendo referencia ahora a la figura 2, en un ejemplo, la metodologfa que se ha analizado anteriormente puede integrarse en un proceso para fabricar un producto, por ejemplo, energfa, combustible, alimento o material, por ejemplo, un alcohol tal como etanol. Tal proceso puede incluir, por ejemplo, tratar mecanicamente la materia prima (etapa 110), antes y/o despues de este tratamiento, tratar la materia prima con radiacion ionizante, para reducir 15 adicionalmente su recalcitrancia (etapa 112), y despues procesar la materia prima tratada para producir un producto deseado (etapa 114), que se produce, por ejemplo, mediante destilacion (etapa 116). Las etapas individuales de este proceso se describiran en detalle mas adelante. Las etapas para medir el contenido de lignina (etapa 118) y fijar o ajustar los parametros de proceso (etapa 120) pueden realizarse en diversas fases del proceso, por ejemplo, justo antes de la etapa o etapas de proceso usadas para cambiar la estructura de la materia prima, como se muestra.
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MATERIALES DE BIOMASA
La biomasa puede ser, por ejemplo, un material celulosico o lignocelulosico. Dichos materiales incluyen papel y productos de papel (por ejemplo, papel polirrecubierto y papel Kraft), madera, materiales relacionados con madera, 25 por ejemplo, tablero de partfculas, pastos, cascaras de arroz, bagazo, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, fibra de coco; y materiales con alto contenido de a-celulosa, por ejemplo, algodon. Las materias primas pueden obtenerse a partir de materiales textiles de recorte vfrgenes, por ejemplo, remanentes, desperdicio post-consumidor, por ejemplo, trapos. Cuando se usan productos de papel, pueden ser materiales vfrgenes, por ejemplo, materiales vfrgenes de recorte o pueden ser desecho post-consumidor. Ademas de materiales sin procesar, 30 los desechos post-consumidor, industriales (por ejemplo, despojos) y de procesamiento (por ejemplo, efluentes del procesamiento de papel) pueden utilizarse ademas como fuente de fibras. Las materias primas de biomasa se pueden obtener o derivarse tambien de residuos humanos (por ejemplo, aguas residuales), animales o plantas. Materiales celulosicos y lignocelulosicos adicionales se han descrito en las patentes de Estados Unidos N°s. 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105.
35
En algunas realizaciones, el material de biomasa incluye un carbohidrato que es o que incluye un material que tiene uno o mas enlaces p-1,4 y tiene un peso molecular medio en numero entre aproximadamente 3.000 y 50.000. Tal carbohidrato es, o incluye celulosa (I), que se deriva de (13-glucosa 1) a traves de la condensacion de los enlaces P(1,4)-glucosfdicos. Este enlace contrasta en sf mismo con aquel para enlaces a-(1,4)-glucosfdicos presentes en el 40 almidon y otros carbohidratos.
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imagen1
Los materiales amilaceos incluyen el propio almidon, por ejemplo, almidon de mafz, almidon de trigo, almidon de patata o almidon de arroz, un derivado de almidon, o un material que incluye almidon, tal como un producto alimenticio comestible o una cosecha. Por ejemplo, el material amilaceo puede ser arracacha, trigo sarraceno, platano, cebada, yuca, kudzu, oca, sagu, sorgo, patatas convencionales, batata, taro, name, o uno o mas granos, 5 tales como habas, lentejas o guisantes. Las mezclas de cualesquiera dos o mas materiales amilaceos tambien son materiales amilaceos. En realizaciones particulares, el material amilaceo se obtiene a partir de mafz. Se describen diversos almidones de mafz y derivados en "Corn Starch", Corn Refiners Association (11a edicion, 2006).
En algunos casos, la biomasa es un material microbiano. Las fuentes microbianas incluyen, pero sin limitacion, 10 cualquier microorganismo u organismo de origen natural o geneticamente modificado que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (por ejemplo, celulosa), por ejemplo, protistas, por ejemplo, protistas animales (por ejemplo, protozoarios, tales como flagelados, amiboides, ciliados y esporozoarios) y protistas de plantas (por ejemplo, algas, tales como alveolatos, cloraracniofitos, criptomonadas, euglenicos, glaucofitos, haptofitos, algas rojas, estramenopilos y viridaeplantae). Otros ejemplos incluyen algas marinas, plancton (por 15 ejemplo, macroplancton, mesoplancton, microplancton, nanoplancton, picoplancton y femptoplancton), fitoplancton, bacterias (por ejemplo, bacterias gram positivas, bacterias gram negativas y extremofilos), levadura y/o mezclas de estos. En algunos casos, la biomasa microbiana puede obtenerse de fuentes naturales, por ejemplo, el oceano, lagos, cuerpos de agua, por ejemplo, agua salada o agua dulce, o en tierra. Como alternativa o adicionalmente, la biomasa microbiana puede obtenerse de sistemas de cultivo, por ejemplo, sistemas de cultivo en seco y humedo de 20 gran escala.
EJEMPLOS DE OTRAS MEZCLAS
Tambien pueden utilizarse las mezclas de la materia prima de biomasa con otros materiales, por ejemplo, materiales 25 que contienen carbono, tal como pre-carbon o carbon, por ejemplo, turba, lignita, sub-bituminoso, bituminoso y antracita, arena de petroleo, esquisto bituminoso de petroleo. Ademas, pueden utilizarse mezclas de cualquier material de biomasa descrito en el presente documento con otro materiales que contiene carbono para hacer cualquiera de los productos descritos en el presente documento, tal como etanol, acido acetico o acetato de etilo.
30 TRATAMIENTO FISICO
Los procesos de tratamiento ffsico pueden incluir adicionalmente uno o mas de cualquiera de los descritos en el presente documento, tal como tratamiento mecanico, tratamiento qufmico, irradiacion, sonicacion, oxidacion, pirolisis o explosion de vapor. Los procedimientos de tratamiento pueden usarse en combinaciones de dos, tres, cuatro o 35 incluso todas de estas tecnologfas (en cualquier orden). Cuando mas se usa mas de un procedimiento de tratamiento, los procedimientos pueden aplicarse al mismo tiempo o en diferentes momentos. Tambien pueden usarse otros procesos que cambian una estructura molecular de una materia prima de biomasa, en solitario o en combinacion con los procesos desvelados en el presente documento.
40 Uno o mas de los procesos de tratamiento descritos a continuacion pueden incluirse en la unidad operativa de reduccion de recalcitrancia que se ha analizado anteriormente. Como alternativa, o adicionalmente, pueden incluirse otros procesos para reducir recalcitrancia.
Tratamientos mecanicos
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En algunos casos, los procedimientos pueden incluir tratar mecanicamente la materia prima de biomasa. Los tratamientos mecanicos incluyen, por ejemplo, cortar, moler, prensar, machacar, cortar y picar. La molienda puede incluir, por ejemplo, molienda de bolas, molienda de martillo, molienda en seco o humedo de rotor/estator, u otros tipos de molienda. Otros tratamientos mecanicos incluyen, por ejemplo, molienda de piedra, craqueo, rasgado o 50 desgarre mecanico, machacado con clavija o molienda de desgaste con aire.
El tratamiento mecanico puede ser ventajoso para "abrir", "tensar", romper y destrozar los materiales celulosicos o lignocelulosicos, haciendo a la celulosa de los materiales mas susceptible a escision de cadena y/o reduccion de cristalinidad. Los materiales abiertos tambien pueden ser mas susceptibles a oxidacion cuando son irradiados.
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En algunos casos, el tratamiento mecanico puede incluir una preparacion inicial de la materia prima como se recibio, por ejemplo, reduccion de tamano de materiales, tales como por corte, machaque, corte, pulverizacion o picado. Por ejemplo, en algunos casos, la materia prima suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales amilaceos o mijo) es preparada mediante corte o desmenuzado.
Ademas, el material de la materia prima se trata ffsicamente por radiacion ionizante, y despues se trata
mecanicamente. Esta secuencia puede ser ventajosa debido a que los materiales tratados por uno o mas de los demas tratamientos, por ejemplo, irradiacion o pirolisis, tienden a ser mas quebradizos, y por lo tanto, puede ser mas facil de cambiar adicionalmente la estructura molecular del material mediante tratamiento mecanico.
5 En algunas realizaciones, el material de la materia prima esta en forma de un material fibroso, y el tratamiento mecanico incluye corte para exponer las fibras del material fibroso. El corte puede realizarse, por ejemplo, usando un cortador de cuchilla giratoria. Otros procedimientos para tratar mecanicamente la materia prima incluyen, por ejemplo, molienda o machacado. La molienda puede realizarse usando, por ejemplo, un molino de martillo, molino de bolas, molino coloidal, molino conico o de cono, molino de disco, molino de borde, molino Wiley o molino de 10 molienda. El machacado puede realizarse usando, por ejemplo, un machacador de piedra, machacador de clavija, machacador de cafe o machacador de torno. El machacado puede proporcionarse, por ejemplo, mediante una clavija reciprocante u otro elemento, como es el caso en un molino de clavija. Otros procedimientos de tratamiento mecanico incluyen rasgado o desgarre mecanico, otros procedimientos que aplican presion a las fibras y molienda de desgaste por aire. Los tratamientos mecanicos adecuados incluyen ademas cualquier otra tecnica que cambie la 15 estructura molecular de la materia prima.
Si se desea, el material mecanicamente tratado puede pasarse a traves de un tamiz, por ejemplo, que tiene un tamano de abertura medio de 1,59 mm o menos (1/16 pulgadas, 0,0625 pulgadas). En algunas realizaciones, el corte, u otro tratamiento mecanico, y el tamizado se realizan concurrentemente. Por ejemplo, puede usarse un 20 cortador de cuchilla rotatoria para collar concurrentemente y tamizar la materia prima. La materia prima es cortada entre cuchillas fijas y cuchillas rotatorias para proporcionar un material cortado que pasa a traves de un tamiz y es capturado en un compartimiento. El compartimiento puede tener una presion por debajo de la presion atmosferica nominal, por ejemplo, al menos un 10 por ciento por debajo de la presion atmosferica nominal, por ejemplo, al menos un 25 por ciento por debajo de la presion atmosferica nominal, al menos un 50 por ciento por debajo de la presion 25 atmosferica nominal, o al menos un 75 por ciento por debajo de la presion atmosferica nominal. En algunas realizaciones, se utiliza una fuente de vacfo para mantener el compartimiento por debajo de la presion atmosferica nominal.
El material celulosico o lignocelulosico puede tratarse mecanicamente en un estado seco (por ejemplo, que tiene 30 poca o ninguna agua libre en su superficie), un estado hidratado (por ejemplo, que tiene hasta un diez por ciento en peso de agua absorbida), o en un estado humedo, por ejemplo, que tiene entre aproximadamente un 10 por ciento y aproximadamente un 75 por ciento en peso de agua. La fuente de fibra puede tratarse incluso mecanicamente mientras que esta sumergida parcial o completamente bajo un lfquido, tal como agua, etanol o isopropanol.
35 El material celulosico o lignocelulosico tambien puede tratarse mecanicamente bajo un gas (tal como una corriente o atmosfera de gas diferente de aire), por ejemplo, oxfgeno o nitrogeno, o vapor.
Si se desea, la lignina puede eliminarse de cualquiera de los materiales de materia prima que incluyen lignina. Ademas, para facilitar la descomposicion de los materiales que incluyen celulosa, el material puede tratarse antes de 40 o durante el tratamiento mecanico o irradiacion con calor, un producto qufmico (por ejemplo, acido mineral, base o un oxidante fuerte, tal como hipoclorito sodico) y/o una enzima. Por ejemplo, el machacado puede realizarse en presencia de un acido.
Los sistemas de tratamiento mecanico pueden configurarse para producir corrientes con caracterfsticas especfficas, 45 tales como por ejemplo, tamanos maximos especfficos, longitud-ancho especffica, o proporciones de areas superficiales especfficas. El tratamiento mecanico puede aumentar la velocidad de reaccion o reducir el tiempo de procesamiento requerido abriendo los materiales y haciendolos mas accesibles para procesos y/o reactivos, tales como reactivos en una solucion. La densidad volumica aparente de materias primas tambien puede controlarse usando tratamiento mecanico. Por ejemplo, en algunas realizaciones, despues del tratamiento mecanico, el material 50 tiene una densidad volumica aparente de menos de 0,25 g/cm3, por ejemplo, 0,20 g/cm3, 0,15 g/cm3, 0,10 g/cm3, 0,05 g/cm3 o menos, por ejemplo, 0,025 g/cm3. La densidad volumica aparente se determina usando ASTM D1895B. En resumen, el procedimiento implica llenar un cilindro de medicion de volumen conocido con una muestra y obtener un peso de la muestra. La densidad volumica aparente se calcula al dividir el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centfmetros cubicos.
55
Si la materia prima es un material fibroso, las fibras del material mecanicamente tratado pueden tener una proporcion de longitud-diametro medio relativamente grande (por ejemplo, mayor de 20-a-1), incluso si se han cortado mas de una vez. Ademas, las fibras de los materiales fibrosos descritos en el presente documento pueden tener una distribucion de proporcion de longitud y/o longitud-diametro relativamente estrecha.
60
Como se usa en el presente documento, los anchos de fibra medios (por ejemplo, diametros) son los determinados
opticamente seleccionando aleatoriamente aproximadamente 5.000 fibras. Las longitudes de fibra promedio son longitudes de longitud pesada corregidas. Las areas superficiales BET (Brunauer, Emmet y Teller) son areas superficiales de multiples puntos, y las porosidades son las determinadas mediante porosimetrfa de mercurio.
5 Si la materia prima es un material fibroso, la proporcion de longitud-diametro promedio de fibras del material mecanicamente tratado puede ser, por ejemplo, mayor de 8/1, por ejemplo, mayor de 10/1, mayor de 15/1, mayor de 20/1, mayor de 25/1 o mayor de 50/1. Una longitud de fibra promedio del material mecanicamente tratado puede estar, por ejemplo, entre aproximadamente 0,5 mm y 2,5 mm, por ejemplo, entre aproximadamente 0,75 mm y 1,0 mm, y un ancho promedio (por ejemplo, diametro) del segundo material fibroso 14 puede estar, por ejemplo, entre 10 aproximadamente 5 pm y 50 pm, por ejemplo entre aproximadamente 10 pm y 30 pm.
En algunas realizaciones, si la materia prima es un material fibroso, una desviacion estandar de la longitud de fibra del material mecanicamente tratado es menor del 60 por ciento de una longitud de fibra promedio del material mecanicamente tratado, por ejemplo, menor del 50 por ciento de la longitud promedio, menor del 40 por ciento de la 15 longitud promedio, menor del 25 por ciento de la longitud promedio, menos del 10 por ciento de la longitud promedio, menos del 5 por ciento de la longitud promedio, o incluso menos del 1 por ciento de la longitud promedio.
En algunas realizaciones, un area superficial BET del material mecanicamente tratado es mayor de 0,1 m2/g, por ejemplo, mayor de 0,25 m2/g, mayor de 0,5 m2/g, mayor de 1,0 m2/g, mayor de 1,5 m2/g, mayor de 1,75 m2/g, mayor 20 de 5,0 m2/g, mayor de 10 irr/g, mayor de 25 m2/g, mayor de 35 m2/g, mayor de 50 m2/g, mayor de 60 m2/g, mayor de 75 m2/g, mayor de 100 m2/g, mayor de 150 m2/g, mayor de 200 m2/g, o incluso mayor de 250 m2/g.
Una porosidad del material mecanicamente tratado puede ser, por ejemplo, mayor del 20 por ciento, mayor del 25 por ciento, mayor del 35 por ciento, mayor del 50 por ciento, mayor del 60 por ciento, mayor del 70 por ciento, 25 mayor del 80 por ciento, mayor del 85 por ciento, mayor del 90 por ciento, mayor del 92 por ciento, mayor del 94 por ciento, mayor del 95 por ciento, mayor del 97,5 por ciento, mayor del 99 por ciento, o incluso mayor del 99,5 por ciento.
En algunas situaciones, puede ser deseable preparar un material de baja densidad volumica aparente, densificar el 30 material (por ejemplo, hacerlo mas facil y menos costoso de transportar a otro sitio), y despues revertir el material a un estado de densidad volumica aparente menor. Los materiales densificados pueden procesarse mediante cualquiera de los procedimientos descritos en el presente documento, o cualquier material procesado mediante cualquiera de los procedimientos descritos en el presente documento puede densificare posteriormente, por ejemplo, como se describe en el documento WO 2008/073186.
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Tratamiento por radiacion
Se usan una o mas secuencias de procesamiento de radiacion ionizante para procesar la materia prima, y para proporcionar un material estructuralmente modificado que funciona como entrada para etapas y/o secuencias de 40 procesamiento adicionales. Por ejemplo, la irradiacion puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad de la materia prima. En algunas realizaciones, la energfa depositada en un material que libera un electron de su orbital atomico se usa para irradiar los materiales. La radiacion puede proporcionarse por 1) partfculas cargadas pesadas, tales como partfculas alfa o protones, 2) electrones, producidos, por ejemplo en aceleradores de haces de electrones o desintegracion beta, o 3) radiacion electromagnetica, por ejemplo, rayos gamma, rayos X o rayos ultravioleta. En 45 un enfoque, la radiacion producida mediante sustancias radioactivas puede usarse para irradiar la materia prima. En algunas realizaciones, puede utilizarse cualquier combinacion en cualquier orden o concurrentemente de (1) a (3). En otro enfoque, la radiacion electromagnetica (por ejemplo, producida usando emisores de haces de electrones) puede usarse para irradiar la materia prima. Las dosis aplicadas dependen del efecto deseado y la materia prima particular. Por ejemplo, altas dosis de radiacion pueden romper enlaces qufmicos dentro de componentes de materia 50 prima. En algunos casos, cuando la escision de cadena es deseable y/o la funcionalizacion de cadena de polfmero es deseable, pueden utilizarse partfculas mas pesadas que los electrones, tales como protones, nucleos de helio, iones argon, iones silicio, iones de neon, iones de carbono, iones de fosforo, iones de oxfgeno o iones de nitrogeno. Cuando se desea la escision de cadena de apertura de anillo, pueden utilizarse partfculas cargadas positivamente por sus propiedades de acido de Lewis para escision de cadena de apertura de anillo mejorada. Por ejemplo, 55 cuando se desea oxidacion maxima, pueden utilizarse iones de oxfgeno, cuando se desea nitracion maxima, pueden utilizarse iones de nitrogeno.
En un procedimiento, se irradia un primer material que es o incluye celulosa que tiene un primer peso molecular medio en numero (Mn1) mediante el tratamiento con radiacion ionizante (por ejemplo, en forma de radiacion gamma, 60 radiacion de rayos X, luz ultravioleta (UV) de 100 nm a 280 nm, un haz de electrones u otras partfculas cargadas) para proporcionar un segundo material que incluye celulosa que tiene un segundo peso molecular medio en numero
(Mn2) menor que el primer peso molecular medio en numero. El segundo material (o el primer o segundo material) puede combinarse con un microorganismo (con o sin tratamiento enzimatico) que puede utilizar el segundo y/o primer material o sus azucares constituyentes o lignina para producir un combustible u otro producto util que es o incluye hidrogeno, un alcohol (por ejemplo, etanol o butanol, tal como n-, sec- o t-butanol), un acido organico, un 5 hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
Debido a que el segundo material tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer material, y en algunos casos, una cristalinidad reducida tambien, el segundo material es generalmente mas dispersable, hinchable y/o soluble en una solucion que contiene un microorganismo y/o una enzima. Estas 10 propiedades hacen al segundo material mas susceptible a ataque qufmico, enzimatico y/o biologico con respecto al primer material, que puede mejorar enormemente la velocidad de produccion y/o el nivel de produccion de un producto deseado, por ejemplo, etanol. La radiacion puede esterilizar tambien los materiales o cualquier medio necesario para bioprocesar el material.
15 En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio en numero (Mn2) es menor que el primer peso molecular medio en numero (Mni) en mas de aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso mas de aproximadamente el 75 por ciento.
En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (C2) que es menor que la 20 cristalinidad (C1) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (C1) en mas de aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40 o incluso mas de aproximadamente el 50 por ciento.
En algunas realizaciones, el fndice de cristalinidad inicial (antes de la irradiacion) es de aproximadamente el 40 a 25 aproximadamente el 87,5 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 50 a aproximadamente el 75 por ciento o de aproximadamente el 60 a aproximadamente el 70 por ciento, y el fndice de cristalinidad despues de la irradiacion es de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 50 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 45 por ciento o de aproximadamente el 20 a aproximadamente el 40 por ciento. Sin embargo, en algunas realizaciones, por ejemplo, despues de una irradiacion extensa, es posible tener un fndice de 30 cristalinidad de menos del 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de la irradiacion es sustancialmente amorfo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio en numero inicial (antes de la irradiacion) es de aproximadamente 200.000 a aproximadamente 3.200.000, por ejemplo, de aproximadamente 250.000 a 35 aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio en numero despues de la irradiacion es de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, por ejemplo, de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, por ejemplo, despues de la irradiacion extensa, es posible tener un peso molecular medio en numero de menos de aproximadamente 10.000 o incluso menor del 40 aproximadamente 5.000.
En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (O2) que es mayor que el nivel de oxidacion (O1) del primer material. Un mayor nivel de oxidacion del material puede facilitar su capacidad de dispersion, hinchamiento y/o solubilidad, potenciando adicionalmente la susceptibilidad del material a ataque 45 qufmico, enzimatico o biologico. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de la oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la irradiacion se realiza en un entorno de oxidacion, por ejemplo, bajo un manto de aire u oxfgeno, produciendo un segundo material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos aldehfdo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que pueden aumentar su hidrofilicidad.
50
Radiacion ionizante
Cada forma de radiacion ioniza el material que contiene carbono a traves de interacciones particulares, como se determina por la energfa de la radiacion. Las partfculas cargadas pesadas ionizan principalmente materia a traves de 55 la dispersion de Coulomb; adicionalmente, estas interacciones producen electrones energeticos que pueden ionizar adicionalmente la materia. Las partfculas alfa son identicas al nucleo de un atomo de helio y se producen por la desintegracion alfa de diversos nucleos radioactivos, tales como isotopos de bismuto, polonio, astatina, radon, francio, radio, varios actfnicos, tales como actinio, torio, uranio, neptunio, curio, californio, americio y plutonio.
60 Cuando se utilizan partfculas, pueden ser neutras (no cargadas), positivamente cargadas o negativamente cargadas. Cuando estan cargadas, las partfculas cargadas pueden soportar una unica carga positiva o negativa, o multiples
cargas, por ejemplo, una, dos, tres o incluso cuatro mas cargas. En casos en los cuales se desea la escision de cadena, pueden ser deseables partfculas positivamente cargadas, en parte debido a su naturaleza acida. Cuando se utilizan partfculas, las partfculas pueden tener la masa de un electron en reposo, o mayores, por ejemplo, 500, 1000, 1500, 2000, 10.000 o incluso 100.000 veces la masa de un electron en reposo. Por ejemplo, las partfculas pueden 5 tener una masa de aproximadamente 1 unidad atomica a aproximadamente 150 unidades atomicas, por ejemplo, de aproximadamente 1 unidad atomica a aproximadamente 50 unidades atomicas, o de aproximadamente 1 a aproximadamente 25, por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 o 15 amu. Los aceleradores usados para acelerar las partfculas pueden ser DC electrostatico, DC electrodinamico, RF lineal, induccion magnetica lineal u onda continua. Por ejemplo, los aceleradores tipo ciclotron estan disponibles en IBA, Belgica, tal como el sistema Rhodatron®, 10 mientras que los aceleradores tipo DC estan disponibles en RDI, ahora IBA Industrial, tal como Dynamitron®. Los iones y aceleradores de iones se analizan en Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiely & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-lon Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 de marzo de 2006, Iwata, Y. y col., "Alternating-Phase-Focused IH-DTl for Heavy-lon Medical Accelerators" Proceedings of EPAC 2006, Edimburgo, Escocia y Leaner, C.M. y col. "Status of 15 the Superconducting ECR Ion Source Venus" Proceedings of EPAC 2000, Viena, Austria.
La radiacion gamma tiene la ventaja de una profundidad de penetracion significativa en una diversidad de materiales. Las fuentes de rayos gamma incluyen nucleos radioactivos, tales como isotopos de cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, cripton, samario, selenio, sodio, talio y xenon.
20
Las fuentes de rayos X incluyen colision de haces de electrones con objetivos de metal, tales como tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes de luces compactas, tales como las producidas en el mercado por Lyncean.
Las fuentes de radiacion ultravioleta incluyen lamparas de deuterio o cadmio.
25
Las fuentes de radiacion infrarroja incluyen lamparas de ceramica de ventana de zafiro, cinco o seleniuro.
Las fuentes de microondas incluyen klistrones, fuentes RF tipo Slevin, o fuentes de haces de atomos que emplean gases de hidrogeno, oxfgeno o nitrogeno.
30
En algunas realizaciones, se usa un haz de electrones como la fuente de radiacion. Un haz de electrones tiene la ventaja de altas velocidades de dosis (por ejemplo, 1,5 o incluso 10 Mrad por segundo), alto rendimiento, menos contencion y menos equipo de confinamiento. Los electrones tambien pueden ser mas eficientes para provocar escision de cadena. Ademas, los electrones que tienen energfas de 4-10 MeV pueden tener una profundidad de 35 penetracion de 5 a 30 mm o mas, tal como 40 mm.
Los haces de electrones pueden generarse, por ejemplo, mediante generadores electrostaticos, generadores de cascada, generadores de transformadores, aceleradores de baja energfa con un sistema de exploracion, aceleradores de baja energfa con un catodo lineal, aceleradores lineales y aceleradores pulsados. Los electrones 40 como una fuente de radiacion ionizante pueden ser utiles, por ejemplo, para pilas relativamente delgadas de materiales, por ejemplo, menos de 0,5 pulgadas, por ejemplo menos de 0,4 pulgadas, 0,3 pulgadas, 0,2 pulgadas o menos de 0,1 pulgadas. En algunas realizaciones, la energfa de cada electron del haz de electrones es de aproximadamente 0,3 MeV a aproximadamente 2,0 MeV (millon de electron volts), por ejemplo, de aproximadamente 0,5 MeV a aproximadamente 1,5 MeV, o de aproximadamente 0,7 MeV a aproximadamente 1,25 MeV.
45
Los dispositivos de irradiacion de haces de electrones pueden procurarse en el mercado en Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Belgica o Titan Corporation, San Diego, cA. Las energfas de electrones tfpicas pueden ser 1 MeV, 2 MeV, 4,5 MeV, 7,5 MeV o 10 MeV. La potencia de dispositivo de irradiacion de haces de electrones tfpica puede ser 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 50 kW, 100 kW, 250 kW o 500 kW. El nivel de despolimerizacion de la materia 50 prima depende de la energfa de electrones usada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposicion depende de la potencia y dosis. Las dosis tfpicas pueden adoptar valores de 1 kGy, 5 kGy, 10 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 100 kGy o 200 kGy.
Haces de partfculas de iones
55
Pueden utilizarse partfculas mas pesadas que los electrones para irradiar materiales, tales como carbohidratos o materiales que incluyen carbohidratos, por ejemplo, materiales celulosicos, materiales lignocelulosicos, materiales amilaceos, o mezclas de cualquiera de estos y otros descritos en el presente documento. Por ejemplo, pueden utilizarse protones, nucleos de helio, iones argon, iones silicio, iones de neon, iones de carbono, iones de fosforo, 60 iones de oxfgeno, iones de nitrogeno. En algunas realizaciones, las partfculas mas pesadas que los electrones pueden inducir mayores cantidades de escision de cadena (en relacion con partfculas mas ligeras). En algunos
casos, las partfculas positivamente cargadas pueden inducir mayores cantidades de escision de cadena que partfculas negativamente cargadas debido a su acidez.
Pueden generarse haces de partfculas mas pesados, por ejemplo, usando aceleradores lineales o ciclotrones. En 5 algunas realizaciones, la energfa de cada partfcula del haz es de aproximadamente 1,0 MeV/unidad atomica a aproximadamente 6,000 MeV/unidad atomica, por ejemplo, de aproximadamente 3 MeV/unidad atomica a aproximadamente 4.800 MeV/unidad atomica, o de aproximadamente 10 MeV/unidad atomica a aproximadamente 1,000 MeV/unidad atomica.
10 En ciertas realizaciones, los haces de iones usados para irradiar materiales que contienen carbono, por ejemplo, materiales de biomasa, pueden incluir mas de un tipo de iones. Por ejemplo, los haces de iones pueden incluir mezclas de dos o mas tipos de iones diferentes (por ejemplo, tres, cuatro o mas). Las mezclas ejemplares pueden incluir iones y protones de carbono, iones de carbono e iones de oxfgeno, iones y protones de nitrogeno, e iones y protones de hierro. Mas generalmente, las mezclas de cualquiera de los iones analizados anteriormente (o cualquier 15 otro ion) pueden usarse para formar haces de iones irradiantes. En particular, pueden usarse mezclas de iones relativamente ligeros y relativamente mas pesados en un haz de iones simple.
En algunas realizaciones, los haces de iones para irradiar materiales incluyen iones cargados positivamente. Los iones cargados positivamente pueden incluir, por ejemplo, iones de hidrogeno cargados positivamente (por ejemplo, 20 protones), iones de gases nobles (por ejemplo, helio, neon, argon), iones de carbono, iones de nitrogeno, iones de oxfgeno, atomos de silicio, iones de fosforo e iones de metal, tales como iones de sodio, iones de calcio y/o iones de hierro. Sin desear quedar ligando a teorfa alguna, se cree que tales iones cargados positivamente se comportan qufmicamente como restos de acido de Lewis cuando se exponen a materiales, iniciando y sosteniendo las reacciones de escision de cadena de apertura de anillo cationicas en un entorno oxidante.
25
En ciertas realizaciones, los haces de iones para irradiar materiales incluyen iones cargados negativamente. Los iones cargados negativamente pueden incluir, por ejemplo, iones de hidrogeno cargados negativamente (por ejemplo, iones de hidruro), e iones cargados negativamente de diversos nucleos relativamente electronegativos (por ejemplo, iones de oxfgeno, iones de nitrogeno, iones de carbono, iones de silicio y iones de fosforo). Sin desear 30 quedar ligando a teorfa alguna, se cree que tales iones cargados negativamente se comportan qufmicamente como restos de base de Lewis cuando se exponen a materiales, provocando reacciones de escision de cadena de apertura de anillo anionicas en un entorno reductor.
En algunas realizaciones, los haces para irradiar materiales pueden incluir atomos neutrales. Por ejemplo, pueden 35 incluirse uno cualquiera o mas de atomos de hidrogeno, atomos de helio, atomos de carbono, atomos de nitrogeno, atomos de oxfgeno, atomos de neon, atomos de silicio, atomos de fosforo, atomos de argon y atomos de hierro en haces que se usan para irradiacion de materiales de biomasa. En general, pueden estar presentes mezclas de cualesquiera dos o mas de los tipos anteriores de atomos (por ejemplo, tres o mas, cuatro o mas, o incluso mas) en los haces.
40
En ciertas realizaciones, los haces de iones usados para irradiar materiales incluyen iones cargados individualmente, tal como uno o mas de H+, H-, He+, Ne+, Ar+, C+, C-, O+, O', N+, N-, Si+, Si-, P+, P-, Na+, Ca+ y Fe+. En algunas realizaciones, los haces de iones pueden incluir iones de multiples cargas, tales como uno o mas de C2+, C3+, C4+, N3+, N5+, N3-, O2+, O2-, O22-, Si2+, Si4+, Si2- y Si4-. En general, los haces de iones tambien pueden incluir iones 45 polinucleares mas complejos que llevan multiples cargas positivas o negativas. En ciertas realizaciones, en virtud de la estructura del ion polinuclear, las cargas positivas o negativas pueden distribuirse eficazmente sobre sustancialmente toda la estructura de los iones. En algunas realizaciones, las cargas positivas o negativas pueden localizarse en parte sobre porciones de la estructura de los iones.
50 Radiacion electromagnetica
En realizaciones en las que la irradiacion se realiza con radiacion electromagnetica, la radiacion electromagnetica puede tener, por ejemplo, energfa por foton (en electron volts) mayor de 102 eV, por ejemplo, mayor de 103, 104, 105, 106, o incluso mayor de 107 eV. En algunas realizaciones, la radiacion electromagnetica tiene una energfa por foton 55 de entre 104 y 107, por ejemplo, entre 105 y 106 eV. La radiacion electromagnetica puede tener una frecuencia, por ejemplo, mayor de 1016 hz, mayor de 1017 hz, 1018, 1019, 1 020, o incluso mayor de 1021 hz. En algunas realizaciones, la radiacion electromagnetica tiene una frecuencia de entre 1018 y 1022 hz, por ejemplo, entre 1019 a 1021 hz.
Dosis
60
La dosis de radiacion dependera del contenido de lignina de la materia prima. Por ejemplo, en algunos casos se
administra de 0,1 Mrad a 5,0 Mrad por 1% en peso de lignina en la materia prima de biomasa, por ejemplo, de 0,25 Mrad a 4,0 Mrad, o de 0,3 Mrad a 3,5 Mrad por 1%.
En algunas realizaciones, la irradiacion (con cualquier fuente de radiacion o una combinacion de fuentes) se realiza 5 hasta que el material recibe una dosis de al menos 0,25 Mrad, por ejemplo, al menos 1,0 Mrad, al menos 2,5 Mrad, al menos 5,0 Mrad, o al menos 10,0 Mrad. En algunas realizaciones, la irradiacion se realiza hasta que el material recibe una dosis de entre 1,0 Mrad y 6,0 Mrad, por ejemplo, entre 1,5 Mrad y 4,0 Mrad.
En algunas realizaciones, la irradiacion se realiza a una velocidad de dosis de entre 5,0 y 1500,0 kilorads/hora, por 10 ejemplo entre 10,0 y 750,0 kilorads/hora o entre 50,0 y 350,0 kilorads/horas.
En algunas realizaciones, se usan dos o mas fuentes de radiacion, tales como dos o mas radiaciones ionizantes. Por ejemplo, las muestras pueden tratarse, en cualquier orden, con un haz de electrones seguido de radiacion gamma y luz UV que tiene longitudes de onda de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 280 nm. En algunas 15 realizaciones, las muestras se tratan con tres fuentes de radiacion ionizante, tal como un haz de electrones, radiacion gamma y luz UV energetica.
Sonicacion
20 Pueden usarse una o mas secuencias de procesamiento de sonicacion para procesar materiales a partir de una amplia diversidad de fuentes diferentes para extraer sustancias utiles a partir de los materiales, y para proporcionar material organico parcialmente degradado (cuando se emplean materiales organicos), el cual funciona como entrada para etapas y/o secuencias de procesamiento adicionales. La sonicacion puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad de los materiales, tal como uno o mas de cualquiera de los materiales descritos en el presente 25 documento, por ejemplo, una o mas fuentes de carbohidratos, tal como materiales celulosicos o lignocelulosicos, o materiales amilaceos. Como se ha analizado anteriormente con respecto a la radiacion, los parametros de proceso usados para la sonicacion variaran dependiendo del contenido de lignina de la materia prima. Por ejemplo, materias primas con mayores niveles de lignina generalmente requieren un mayor tiempo de residencia y/o nivel de energfa, dando como resultado una energfa total mayor entregada a la materia prima.
30
En un procedimiento de referencia, un primer material que incluye celulosa que tiene un primer peso molecular medio en numero (Mn1) se dispersa en un medio, tal como agua, y se sonica y/o cavita de otra manera, para proporcionar un segundo material que incluye celulosa que tiene un segundo peso molecular medio en numero (Mn2) menor que el primer peso molecular medio en numero. El segundo material (o el primer y segundo material en 35 ciertas realizaciones) pueden combinarse con un microorganismo (con o sin tratamiento enzimatico) que puede utilizar el segundo y/o primer material para producir un combustible que es o incluye hidrogeno, un alcohol, un acido organico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
Dado que el segundo material tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer material, 40 en algunos casos, una cristalinidad reducida tambien, el segundo material generalmente es mas dispersable, hinchable y/o soluble en una solucion que contiene el microorganismo, por ejemplo, a una concentracion de mas de 106 microorganismos/ml. Estas propiedades hacen al segundo material mas susceptible a ataque qufmico, enzimatico y/o microbiano con respecto al primer material, lo cual puede mejorar enormemente la velocidad de produccion y/o el nivel de produccion de un producto deseado, por ejemplo, etanol. La sonicacion tambien puede 45 esterilizar los materiales, pero no debera usarse mientras se suponga que los microorganismos estan vivos.
En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio en numero (Mn2) es menor que el primer peso molecular medio en numero (Mn1) en mas de aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso mas de aproximadamente el 75 por ciento.
50
En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene como cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (C1) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (C1) en mas de aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40 o incluso mas de aproximadamente el 50 por ciento.
55
En algunas realizaciones, el fndice de cristalinidad inicial (antes de la sonicacion) es de aproximadamente el 40 a aproximadamente el 87,5 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 50 a aproximadamente el 75 por ciento o de aproximadamente el 60 a aproximadamente el 70 por ciento, y el fndice de cristalinidad despues de la sonicacion es de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 50 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 15 a 60 aproximadamente el 45 por ciento o de aproximadamente el 20 a aproximadamente el 40 por ciento. Sin embargo, en ciertas realizaciones, por ejemplo, despues de una sonicacion extensa, es posible tener un fndice de cristalinidad
de menos del 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de la sonicacion es sustancialmente amorfo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio en numero inicial (antes de la sonicacion) es de 5 aproximadamente 200.000 a aproximadamente 3.200.000, por ejemplo, de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio en numero despues de la sonicacion es de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, por ejemplo, de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, por ejemplo, despues de una sonicacion 10 extensa, es posible tener un peso molecular medio en numero de menos de aproximadamente 10.000 o incluso menos de aproximadamente 5.000.
En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (O2) que es mayor que el nivel de oxidacion (O1) del primer material. Un mayor nivel de oxidacion del material puede facilitar su capacidad de 15 dispersion, hinchamiento y/o solubilidad, potenciando adicionalmente la susceptibilidad del material a ataque qufmico, enzimatico o microbiano. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de la oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la sonicacion se realiza en un medio de oxidacion, produciendo un segundo material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos aldehfdo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que pueden aumentar su 20 hidrofilicidad.
En algunas realizaciones, el medio de sonicacion es un medio acuoso. Si se desea, el medio puede incluir un oxidante, tal como un peroxido (por ejemplo, peroxido de hidrogeno), un agente dispersante y/o un tampon. Los ejemplos de agentes dispersantes incluyen agentes dispersantes ionicos, por ejemplo, lauril sulfato de sodio y 25 agentes dispersantes no ionicos, por ejemplo, poli(etilenglicol).
En otras realizaciones, el medio de sonicacion es no acuoso. Por ejemplo, la sonicacion puede realizarse en un hidrocarburo, por ejemplo, tolueno o heptano, un eter, por ejemplo, eter dietflico o tetrahidrofurano, o incluso en un gas licuado, tales como argon, xenon o nitrogeno.
30
Pirolisis
Pueden usarse una o mas secuencias de procesamiento de pirolisis para procesar materiales que contienen carbono a partir de una amplia diversidad de fuentes diferentes para extraer sustancias utiles a partir de los materiales y 35 proporcionar materiales parcialmente degradados, los cuales funcionan como entrada para etapas y/o secuencias de procesamiento adicionales. Las materias primas con mayores niveles de lignina generalmente requieren una mayor temperatura, mayor tiempo de residencia y/o la introduccion de mayores niveles de oxfgeno durante la pirolisis.
En un ejemplo de referencia, un primer material que incluye celulosa que tiene un primer peso molecular medio en 40 numero (Mn1) es pirolizado, por ejemplo, calentando el primer material en un horno de tubo (en presencia o ausencia de oxfgeno), para proporcionar un segundo material que incluye celulosa que tiene un segundo peso molecular medio en numero (Mn2) menor que el primer peso molecular medio en numero. El segundo material (o el primer y segundo material en ciertas realizaciones) se combina con un microorganismo (con o sin acido o hidrolisis enzimatica) que puede utilizar el segundo y/o primer material para producir un combustible que es o incluye 45 hidrogeno, un alcohol (por ejemplo, etanol o butanol, tal como n-, se- o t-butanol), un acido organico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
Dado que el segundo material tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer material, y en algunos casos, una cristalinidad reducida tambien, el segundo material es generalmente mas dispersable, 50 hinchable y/o soluble en una solucion que contiene el microorganismo, por ejemplo, a una concentracion de mas de 106 microorganismos/ml. Estas propiedades hacen al segundo material mas susceptible a ataque qufmico, enzimatico y/o microbiano con respecto al primer material, que puede mejorar enormemente la velocidad de produccion y/o el nivel de produccion de un producto deseado, por ejemplo, etanol. La pirolisis tambien puede esterilizar el primer y segundo materiales.
55
En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio en numero (Mn2) es menor que el primer peso molecular medio en numero (Mn1) en mas de aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso mas de aproximadamente el 75 por ciento.
60 En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (C1) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (C1) en mas de
aproximadamente el 10 por ciento, por ejemplo, el 15, 20, 25, 30, 35, 40 o incluso mas de aproximadamente el 50 por ciento.
En algunas realizaciones, la cristalinidad inicial (antes de la pirolisis) es de aproximadamente el 40 a 5 aproximadamente el 87,5 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 50 a aproximadamente el 75 por ciento o de aproximadamente el 60 a aproximadamente el 70 por ciento, y el fndice de cristalinidad despues de la pirolisis es de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 50 por ciento, por ejemplo, de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 45 por ciento o de aproximadamente el 20 a aproximadamente el 40 por ciento. Sin embargo, en ciertas realizaciones, por ejemplo, despues de un pirolisis extensa, es posible tener un fndice de cristalinidad de 10 menos del 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de la pirolisis es sustancialmente amorfo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio en numero inicial (antes de la pirolisis) es de aproximadamente 200.000 a aproximadamente 3.200.000, por ejemplo, de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000 y el peso molecular medio en numero despues de la 15 pirolisis es de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, por ejemplo, de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, por ejemplo, despues de una pirolisis extensa, es posible tener un peso molecular medio en numero de menos de aproximadamente 10.000 o incluso menor del aproximadamente 5.000.
20 En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (O2) que es mayor que el nivel de oxidacion (O1) del primer material. Un mayor nivel de oxidacion del material puede facilitar su capacidad de dispersion, hinchamiento y/o solubilidad, potenciando adicionalmente la susceptibilidad de los materiales a ataque qufmico, enzimatico o microbiano. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de la oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la pirolisis se realiza en un entorno oxidante, produciendo un segundo 25 material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos aldehfdo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que pueden aumentar su hidrofilicidad.
En algunas realizaciones, la pirolisis de los materiales es continua. En otras realizaciones, el material es pirolizado 30 durante un tiempo predeterminado, y despues se deja enfriar durante un segundo tiempo predeterminado antes de pirolizarse nuevamente.
Oxidacion
35 Pueden usarse una o mas secuencias de procesamiento oxidante para procesar materiales que contienen carbono a partir de una amplia diversidad de diferentes fuentes para extraer sustancias utiles a partir de los materiales y proporcionar material parcialmente degradado y/o alterado, que funciona como entrada para etapas y/o secuencias de procesamiento adicionales. Las condiciones de oxidacion variaran dependiendo del contenido de lignina de la materia prima, siendo deseado generalmente un mayor grado de oxidacion para materias primas con mayor 40 contenido de lignina.
En un procedimiento de referencia, un primer material que incluye celulosa que tiene un primer peso molecular medio en numero (Mm) y que tiene un primer contenido de oxfgeno (O1) se oxida, por ejemplo, calentando el primer material en una corriente de aire o aire enriquecido con oxfgeno, para proporcionar un segundo material que incluye 45 celulosa que tiene un segundo peso molecular medio en numero (Mn2) y que tiene un segundo contenido de oxfgeno (O2) mayor que el primer contenido de oxfgeno (O1).
Dichos materiales tambien pueden combinarse con un solido y/o un lfquido. El lfquido y/o solido puede incluir un microorganismo, por ejemplo, una bacteria, y/o una enzima. Por ejemplo, la bacteria y/o enzima puede trabajar sobre 50 el material celulosico o lignocelulosico para producir un combustible, tal como etanol, o un subproducto, tal como una protefna. Los combustibles y subproductos se describen en FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, USSN 11/453,951, presentada el 15 de junio de 2006 (publicada como US2007/045456).
En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio en numero es no mas del 97 por ciento menor que el 55 primer peso molecular medio en numero, por ejemplo, no mas del 95 por ciento, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12,5, 10,0, 7,5, 5,0, 4,0, 3,0, 2,5, 2,0 o no mas del 1,0 por ciento menor que el primer peso molecular medio en numero. La cantidad de reduccion de peso molecular dependera de la aplicacion. Por ejemplo, en algunas realizaciones preferidas que proporcionan compuestos, el segundo peso molecular medio en numero es sustancialmente el mismo que el primer peso molecular medio en numero. En otras aplicaciones, tales como la 60 elaboracion de etanol u otro combustible o subproducto, generalmente se prefiere una mayor cantidad de reduccion de peso molecular.
En algunas realizaciones en las que los materiales se usan para hacer un combustible o un subproducto, el peso molecular medio en numero inicial (antes de la oxidacion) es de aproximadamente 200.000 a aproximadamente 3.200.000, por ejemplo, de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 5 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio en numero despues de la oxidacion es de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, por ejemplo, de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, por ejemplo, despues de una oxidacion extensa, es posible tener un peso molecular medio en numero de menos de aproximadamente 10.000 o incluso menos de aproximadamente 5.000.
10
En algunas realizaciones, el segundo contenido de oxfgeno es al menos aproximadamente un cinco por ciento mayor que el primer contenido de oxfgeno, por ejemplo, un 7,5 por ciento mayor, 10,0 por ciento mayor, 12,5 por ciento mayor, 15,0 por ciento mayor o un 17,5 por ciento mayor. En algunas realizaciones preferidas, el segundo contenido de oxfgeno es al menos aproximadamente un 20,0 por ciento mayor que el primer contenido de oxfgeno 15 del primer material. El contenido de oxfgeno se mide mediante analisis elemental pirolizando una muestra en un horno operando a 1300 °C o mas. Un analizador elemental adecuado es el analizador LECO CHNS-932 con un horno de pirolisis de alta temperatura VTF-900.
En general, la oxidacion de un material se produce en un entorno oxidante. Por ejemplo, la oxidacion puede 20 realizarse o facilitarse mediante pirolisis en un entorno oxidante, tal como en aire o argon enriquecido en aire. Para facilitar la oxidacion, pueden anadirse diversos agentes qufmicos, tales oxidantes, acidos o bases, al material antes de o durante la oxidacion. Por ejemplo, puede anadirse un peroxido (por ejemplo, peroxido de benzoflo) antes de la oxidacion.
25 Algunos procedimientos oxidantes para reducir la recalcitrancia en una materia prima de biomasa emplean qufmica tipo Fenten o Fenton. Tales procedimientos se desvelan, por ejemplo, en la solicitud provisional de Estados Unidos N° 61/139,473, presentada el 19 de diciembre de 2008.
Los oxidantes ejemplares incluyen peroxidos, tales como peroxido de hidrogeno y peroxido de benzoflo, persulfatos, 30 tal como persulfato de amonio, formas activadas de oxfgeno, tales como ozono, permanganatos, tal como permanganato de potasio, percloratos, tal como perclorato sodico, e hipocloritos, tal como hipoclorito sodico (lejfa convencional).
En algunas situaciones, el pH se mantiene a o por debajo de aproximadamente 5,5 durante contacto, tal como entre 35 1 y 5, entre 2 y 5, entre 2,5 y 5 o entre aproximadamente 3 y 5. Las condiciones tambien pueden incluir un periodo de contacto de entre 2 y 12 horas, por ejemplo, entre 4 y 10 horas o entre 5 y 8 horas. En algunos casos, las condiciones incluyen no exceder 300 °C, por ejemplo, no exceder 250, 200, 150, 100 o 50 °C. En casos deseables especiales, la temperatura permanece sustancialmente a ambiente, por ejemplo, a o aproximadamente 20-25 °C.
40 En algunas realizaciones deseables, el uno o mas oxidantes se aplican a un primer material celulosico o lignocelulosico y el uno o mas compuestos como un gas, tal como generando ozono in situ irradiando el primer material celulosico o lignocelulosico y el uno o mas compuestos a traves de aire con un haz de partfculas, tales como electrones.
45 En realizaciones deseables particulares, se dispersa en primer lugar un primer material celulosico o lignocelulosico en agua o un medio acuoso que incluye uno o mas compuestos dispersos y/o disueltos en el mismo, el agua se elimina despues de un tiempo de remojo (por ejemplo, el agua suelta y libre se elimina mediante filtracion), y despues uno o mas oxidantes se aplican a la combinacion como un gas, tal como generando ozono in situ irradiando el primer material celulosico o lignocelulosico y el uno o mas compuestos a traves de aire con un haz de partfculas, 50 tales como electrones (por ejemplo, siendo cada uno acelerado por una diferencia de potencial de entre 3 MeV y 10 MeV). El remojo puede abrir porciones interiores a oxidacion.
En algunas realizaciones, la mezcla incluye uno o mas compuestos y uno o mas oxidantes, y una proporcion en mol de uno o mas compuestos con respecto al uno o mas oxidantes es de aproximadamente 1:1000 a aproximadamente 55 1:25, tal como de aproximadamente 1:500 a aproximadamente 1:25 o de aproximadamente 1:100 a aproximadamente 1:25.
En algunas realizaciones deseables, la mezcla incluye ademas una o mas hidroquinonas, tal como 2,5- dimetoxihidroquinona (DMHQ) y/o una o mas benzoquinonas, tal como 2,5-dimetoxi-1,4-benzoquinona (DMBQ), lo 60 que puede facilitar las reacciones de transferencia de electrones.
En algunas realizaciones deseables, uno mas oxidantes se generan electroqufmicamente in situ. Por ejemplo, el peroxido de hidrogeno y/o el ozono pueden producirse electroqufmicamente dentro de un recipiente de contacto o reaccion.
5 Otros procesos para solubilizar, reducir recalcitrancia o para funcionalizar
Cualquiera de los procesos de este parrafo puede usarse en combinacion con cualquiera de los procesos descritos en el presente documento (en cualquier orden): explosion de vapor, tratamiento de acido (incluyendo tratamiento de acido concentrado y diluido con acidos minerales, tales como acido sulfurico, acido clorhfdrico y acidos organicos, tal 10 como acido trifluoroacetico), tratamiento de base (por ejemplo, tratamiento con cal o hidroxido sodico), tratamiento de UV, tratamiento de extrusion de tornillo (vease, por ejemplo, solicitud de patente de Estados Unidos N° de serie 61/073,530, presentada el 18 de noviembre de 2008, tratamiento de disolvente (por ejemplo, tratamiento con lfquidos ionicos) y molienda por congelacion (vease, por ejemplo, solicitud de patente de Estados Unidos N° de serie 61/081,709).
15
Conversion termoqufmica
Un proceso de conversion termoqufmica incluye cambiar estructuras moleculares de material que contiene carbono a temperaturas elevadas. Los ejemplos especfficos incluyen gasificacion, pirolisis, reformado, oxidacion parcial y 20 mezclas de estos (en cualquier orden).
La gasificacion convierte materiales que contienen carbono en un gas de sfntesis (syngas), el cual puede incluir metanol, monoxido de carbono, dioxido de carbono e hidrogeno. Muchos microorganismos, tales como acetogenos u homoacetogenos son capaces de utilizar un syngas a partir de la conversion termoqufmica de biomasa, para 25 producir un producto que incluye un alcohol, un acido carboxflico, una sal de un acido carboxflico, un ester de acido carboxflico o una mezcla de cualquiera de estos. La gasificacion de biomasa (por ejemplo, materiales celulosicos o lignocelulosicos), puede lograrse mediante una diversidad de tecnicas. Por ejemplo, la gasificacion puede realizarse utilizando reformado de vapor en fases con un reactor de lecho fluido en el que el material carbonaceo se piroliza en primer lugar en ausencia de oxfgeno y despues los vapores de la pirolisis se reforman a gas de sfntesis con vapor 30 proporcionando hidrogeno y oxfgeno adicionados. En tal tecnica, el calor de proceso procede de la quema de carbon. Otra tecnica utiliza un reactor de barreno de tornillo en el que la humedad (y oxfgeno) se introducen en la fase de pirolisis y el calor de proceso se genera de la quema de parte del gas producido en la ultima fase. Otra tecnica utiliza reformado de flujo atrapado en la que tanto el vapor exterior como el aire se introducen en un reactor de gasificacion de una sola fase. En la gasificacion de oxidacion parcial, se utiliza oxfgeno puro con nada de vapor. 35
PRODUCCION DE COMBUSTIBLES, ACIDOS, ESTERES Y/U OTROS PRODUCTOS
Un recurso de biomasa tfpico contiene celulosa, hemicelulosa y lignina mas cantidades menores de protefnas, extrafbles y minerales. Despues de haber realizado uno o mas de las etapas de procesamiento que se han analizado 40 anteriormente en la biomasa, los carbohidratos complejos contenidos en las fracciones de celulosa y hemicelulosa pueden procesarse en azucares fermentables, opcionalmente, junto con hidrolisis enzimatica o acido. Los azucares liberados pueden convertirse en una diversidad de productos, tales como alcoholes o acidos organicos. El producto obtenido depende del microorganismo utilizado y las condiciones bajo las que se produce el bioprocesamiento.
45 Por lo tanto, un material de biomasa puede tratarse para reducir su recalcitrancia tal como con radiacion ionizante, y uno o mas de sonicacion, pirolisis, oxidacion y explosion de vapor, y despues al menos una porcion de la biomasa tratada de este modo puede convertirse utilizando un microorganismo para producir un producto que incluye uno o mas de un alcohol, un acido carboxflico, una sal de un acido carboxflico, un ester de acido carboxflico o una mezcla de cualquiera de estos. Despues, este producto puede acidificarse, esterificarse y/o hidrogenarse, para formar un 50 producto final, por ejemplo, etanol. En algunos casos, los acetogenos u homoacetogenos, que son capaces de utilizar un syngas a partir de un proceso de conversion termoqufmica, pueden utilizarse para potenciar la eficiencia de la conversion.
Los grupos de acido carboxflico en estos productos generalmente disminuyen el pH de la solucion de fermentacion, 55 tendiendo a inhibir la fermentacion con algunos microorganismos, tal como Pichia stipitis. Por consiguiente, en algunos casos es deseable anadir una base y/o un tampon, antes o durante la fermentacion, para elevar el pH de la solucion. Por ejemplo, pueden anadirse hidroxido sodico o cal al medio de fermentacion para elevar el pH del medio al intervalo que sea optimo para el microorganismo utilizado.
60 Se desvelan en otra parte procedimientos de bioprocesamiento adecuados.
En general, diversos microorganismos pueden producir una diversidad de productos utiles, tal como un combustible, actuando, por ejemplo, en la fermentacion de los materiales que contienen carbono tratado.
El microorganismo puede ser un microorganismo natural o un microorganismo disenado. Por ejemplo, el 5 microorganismo puede ser una bacteria, por ejemplo, una bacteria celulolftica, un hongo, por ejemplo, una levadura, una planta o un protista, por ejemplo, un alga, un protozoario o un protista tipo hongo, por ejemplo, un moho de limo. Cuando los organismos son compatibles, pueden utilizarse mezclas de organismos. El microorganismo puede ser un aerobio o un anaerobio. El microorganismo puede ser un microorganismo homofermentativo (produce un unico o sustancialmente un unico producto final). El microorganismo puede ser un microorganismo homoacetogeno, un 10 microorganismo homolactico, una bacteria de acido propionico, una bacteria de acido butfrico, una bacteria de acido succfnico o una bacteria de acido 3-hidroxipropionico. El microorganismo puede ser de un genero seleccionado del grupo Clostridium, Lactobacillus, Moorella, Thermoanaerobacter, Proprionibacterium, Propionispera, Anaerobiospirillum y Bacteriodes. En casos especfficos, el microorganismo puede ser Clostridium formiocoaceticum, Clostridium butyricum, Moorella thermoacetica, Thermoanaerobacter kivui, Lactobacillus delbrukii, Propionibacterium 15 acidipropionici, Propinispera arboris, Anaerobiospirillum succinicproducens, Bacteriodes amylophilus o Bacteriodes ruminicola. Por ejemplo, el microorganismo puede ser un microorganismo recombinante disenado para producir un producto deseado, tal como Escherichia coli recombinante transformada con uno o mas genes capaces de codificar protefnas que dirigen la produccion del producto deseado (vease, por ejemplo, patente de Estados Unidos N° 6,852,517, expedida el 8 de febrero de 2005).
20
Las bacterias que pueden fermentar biomasa en etanol y otros productos incluyen, por ejemplo, Zymomonas mobilis y Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, supra). Leschine y col. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160) aislaron una bacteria celulolftica, mesofflica, anaerobica de suelo forestal, Clostridium phytofermentans sp. Nov., que convierte celulosa en etanol.
25
La fermentacion de biomasa en etanol y otros productos puede realizarse usando ciertos tipos de microorganismos disenados geneticamente o termofilos, tal como la especie Thermoanaerobacter, incluyendo T. mathranii y especies de levadura, tal como Pichia species. Un ejemplo de una cepa de T. mathranii es A3M4 descrita en Sonne-Hansen y col. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541) o Ahring y col. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 11430 119).
Para facilitar la descomposicion de los materiales que incluyen la celulosa (tratada mediante cualquier procedimiento descrito en el presente documento o incluso no tratada), pueden utilizarse una o mas enzimas, por ejemplo, una enzima celulolftica. En algunas realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa se tratan en primer lugar con la 35 enzima, por ejemplo, combinando el material y la enzima en una solucion acuosa. Este material puede combinarse despues con cualquier microorganismo descrito en el presente documento. En otras realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa, la una o mas enzimas y el microorganismo se combinan concurrentemente, por ejemplo, por combinacion en una solucion acuosa.
40 La fermentacion se realiza generalmente en un medio de crecimiento acuoso, que puede contener una fuente de nitrogeno u otra fuente de nutriente, por ejemplo, urea, junto con vitaminas y minerales traza y metales. Generalmente es preferible que el medio de crecimiento sea esteril, o al menos tenga una carga microbiana baja, por ejemplo, recuento bacteriano. La esterilizacion del medio de crecimiento puede realizarse de cualquier manera deseada. Sin embargo, en implementaciones preferidas, la esterilizacion se realiza irradiando el medio de 45 crecimiento o los componentes individuales del medio de crecimiento antes de la mezcla. La dosificacion de radiacion es generalmente lo mas baja posible, mientras que aun se obtengan resultados adecuados, con el fin de minimizar el consumo de energfa y coste resultante. Por ejemplo, en muchos casos, el propio medio de crecimiento o componentes del medio de crecimiento pueden tratarse con una dosis de radiacion de menos de 5 Mrad, tal como menos de 4, 3, 2 o 1 Mrad. En casos especfficos, el medio de crecimiento se trata con una dosis de entre 50 aproximadamente 1 y 3 Mrad.
OTRAS REALIZACIONES
Aunque es posible realizar todos los procesos descritos en el presente documento todos en una ubicacion ffsica, en 55 algunas realizaciones, los procesos se completan en multiples sitios, y/o pueden realizarse durante el transporte.
La lignina liberada en cualquier proceso descrito en el presente documento puede ser capturada y utilizada. Por ejemplo, la lignina puede usarse como capturada en forma de un plastico, o puede mejorarse sinteticamente a otros plasticos. En algunos casos, puede utilizarse como una fuente de energfa, por ejemplo, quemada para proporcionar 60 calor. En algunos casos, tambien puede convertirse a lignosulfonatos, que pueden utilizarse como aglutinantes, dispersantes, emulsionantes o como secuestrantes. La medicion del contenido de lignina de la materia inicial puede
usarse en el control de proceso en dichos procesos de captura de lignina.
Cuando se usa como un aglutinante, la lignina o un lignosulfonato puede, por ejemplo, utilizarse en briquetas de carbon, en ceramica, para ligar negro de humo, para ligar fertilizantes y herbicidas, como supresor de polvo, en la 5 elaboracion de madera contrachapada y tablero de partfculas, para ligar alimentos animales, como un aglutinante para fibra de vidrio, como un aglutinante en pasta de linoleo y como un estabilizante de suelo.
Como un dispersante, la lignina o lignosulfonatos pueden usarse, por ejemplo, en mezclas de hormigon, arcilla y ceramica, tintes y pigmentos, curtido de pieles y en placas de yeso.
10
Como un emulsionante, la lignina o lignosulfonatos pueden usarse, por ejemplo, en asfalto, pigmentos y tintes, pesticidas y emulsiones de cera.
Como un secuestrante, la lignina o lignosulfonatos pueden usarse, por ejemplo, en sistemas de mico-nutrientes, 15 compuestos de limpieza y sistemas de tratamiento de agua, por ejemplo, para sistemas de calderas y refrigeracion.
Como una fuente de calentamiento, la lignina generalmente tiene un mayor contenido de energfa que la holocelulosa (celulosa y hemicelulosa) debido a que contiene mas carbono que la homocelulosa. Por ejemplo, la lignina seca puede tener un contenido de energfa de entre aproximadamente 11.000 y 12.500 BTU por libra (=25.586- 20 29.075 kJ/kg), en comparacion con 7.000 y 8.000 BtU por libra (=16.282-18.608 Kj/kg) de holocelulosa. Como tal, la lignina puede densificarse y convertirse en briquetas y granulos para quemar. Por ejemplo, la lignina puede ser convertida en granulos mediante cualquier procedimiento descrito en el presente documento. Para un granulo o briqueta de quemado mas lento, la lignina puede reticularse, tal como aplicando una dosis de radiacion de entre aproximadamente 0,5 Mrad y 5 Mrad. La reticulacion puede hacer un factor de forma de quemado mas lento. El 25 factor de forma, tal como un granulo o briqueta, puede convertirse en un "carbon sintetico" o carbon pirolizando en ausencia de aire, por ejemplo, entre 400 y 950 °C. Antes de la pirolisis, puede ser deseable reticular la lignina para mantener la integridad estructural.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento para fabricar un producto que comprende:
    5 determinar el contenido de lignina de una materia prima de biomasa;
    tratar el material de materia prima de biomasa; y
    fijar un parametro de proceso del proceso basado en el contenido de lignina,
    10
    donde la etapa de tratamiento comprende la irradiacion con radiacion ionizante, y donde la etapa de fijacion comprende fijar la dosificacion de radiacion ionizante que se va a entregar al material de la materia prima.
  2. 2. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde se entregan de 0,1 Mrad a 5,0 Mrad por 1 % en peso de 15 lignina en la materia prima de biomasa.
  3. 3. El procedimiento de la reivindicacion 2, donde se entregan de 0,25 Mrad a 4,0 Mrad por 1 % en peso de lignina en la materia prima de biomasa.
    20 4. El procedimiento de la reivindicacion 3, donde se entregan de 0,3 Mrad a 3,5 Mrad por 1 % en peso de
    lignina en la materia prima de biomasa.
  4. 5. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde el tratamiento con radiacion ionizante comprende el tratamiento con un haz de electrones.
    25
  5. 6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende ademas convertir al menos una porcion de la materia prima de biomasa tratada, utilizando un microorganismo, para producir un producto.
    30 7. El procedimiento de la reivindicacion 6, donde el producto comprende un alcohol.
  6. 8. El procedimiento de la reivindicacion 6, donde el producto comprende un acido carboxflico, ester de
    acido carboxflico, sal de acido carboxflico, o una mezcla de los mismos.
    35 9. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas repetir
    las etapas de determinacion, tratamiento y fijacion con una segunda materia prima.
  7. 10. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde la materia prima se trata previamente para homogeneizarlo antes de la medicion del contenido de lignina.
    40
  8. 11. El procedimiento de la reivindicacion 10, donde el pretratamiento comprende molienda o pulverizacion, por ejemplo molienda por congelacion.
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