ES2630053T3 - Método y sistema para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica - Google Patents

Método y sistema para el fraccionamiento de biomasa lignocelulósica Download PDF

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ES2630053T3 ES10784571.1T ES10784571T ES2630053T3 ES 2630053 T3 ES2630053 T3 ES 2630053T3 ES 10784571 T ES10784571 T ES 10784571T ES 2630053 T3 ES2630053 T3 ES 2630053T3
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Abstract

Un método de fraccionamiento de material de biomasa lignocelulósica que comprende: alimentar la biomasa a un reactor de desvolatilización para retirar los componentes volátiles no lignocelulósicos de la biomasa usando vapor sobrecalentado a una temperatura entre aproximadamente 120 ºC y aproximadamente 220 ºC y una presión comprendida entre aproximadamente 6 y aproximadamente 16 bar; después de la desvolatilización, alimentar la biomasa a un reactor de hidrólisis de hemicelulosa para separar e hidrolizar hemicelulosa; separar la biomasa en un primer componente sólido y un componente líquido, en el que el componente líquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o disolvente y en el que el componente sólido incluye celulosa y lignina y tiene menos de aproximadamente el 10 % de hemicelulosa; alimentar el componente sólido a un reactor de hidrólisis de celulosa que comprende un reactor de vapor sobrecalentado para hidrolizar y vaporizar el componente de celulosa; y y condensar la celulosa hidrolizada y vaporizada.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y sistema para el fraccionamiento de biomasa lignocelulosica
Esta solicitud reivindica prioridad sobre la solicitud de patente provisional de Estados Unidos n.° 61/246.721, presentada el 29 de septiembre de 2009.
Antecedentes
Actualmente esta generalmente aceptado tanto que los combustibles fosiles son limitados como recurso como que causan un aumento neto en las emisiones mundiales de dioxido de carbono, un "gas de efecto invernadero" implicado en un escenario potencial de calentamiento global. Estos combustibles fosiles, en particular el petroleo, son esenciales para la produccion de combustibles lfquidos de transporte y la gran mayona de sustancias qmmicas organicas, ademas de proporcionar una proporcion significativa de generacion de ene^a estatica.
La unica fuente alternativa significativa para los combustibles lfquidos de transporte y sustancias qmmicas organicas es la biomasa, tal como la biomasa lignocelulosica, y se han dedicado esfuerzos considerables durante muchas decadas para producir procesos eficientes y economicos para la conversion de biomasa en tales combustibles y sustancias qmmicas.
La biomasa lignocelulosica o lenosa esta compuesta en gran parte por hemicelulosa, celulosa y lignina. Las fuentes de biomasa lignocelulosica incluyen madera y residuos de madera, residuos agncolas, tales como la hojarasca de mafz, grammeas lenosas y residuos residenciales e industriales. Cada uno de los componentes principales de la biomasa lignocelulosica es un material valioso. Por ejemplo, la celulosa esta compuesta principalmente por azucares C6 (glucosa) que pueden procesarse adicionalmente para la produccion de etanol, un combustible comercial o recuperarse como azucar anhidro, levoglucosano o como acido levulmico y sustancias qmmicas finas, mezclados con alcoholes superiores y combustibles mas valiosos. La hemicelulosa esta compuesta por azucares de C5 o C6, tales como xilosa, arabinosa, galactosa, glucosa y manosa. Estos azucares tambien pueden fermentarse a etanol o recuperarse como furfural y otros derivados y procesarse adicionalmente a sustancias qmmicas finas, alcoholes y otros combustibles comerciales. La lignina es un polfmero complejo que puede procesarse adicionalmente a sustancias qmmicas finas (tal como fenol y aditivos para combustible) o puede utilizarse como combustible directo para la generacion de calor y energfa para su procesamiento y exportacion.
El componente de lignina de los materiales de biomasa lignocelulosica da resistencia ffsica a la biomasa y esta fuertemente unida a los componentes de hemicelulosa y celulosa. Por lo tanto, aunque es deseable fraccionar la biomasa, la presencia de la lignina dificulta el fraccionamiento y las duras condiciones requeridas para el fraccionamiento pueden resultar en la descomposicion de los carbohidratos en productos menos deseables.
Varios metodos han intentado eliminar los azucares de carbohidratos presentes en hemicelulosa y celulosa de la biomasa. Por ejemplo, pueden utilizarse procedimientos bioqmmicos y qmmicos que utilizan enzimas, disolventes, acido, alcali o agua caliente para intentar disolver los componentes de carbohidratos o lignina de la biomasa lignocelulosica con o sin hidrolisis concomitante. Ademas, varias formas de pretratamiento, tales como explosion de vapor, agua caliente y procesos acidos o alcalinos, intentan hacer que los carbohidratos sean accesibles para la separacion. Sin embargo, la separacion de la biomasa en fracciones y el aislamiento de cada una de estas fracciones, al tiempo que evitan la produccion de subproductos y minimizan el consumo de energfa (y, por tanto, el coste de produccion) sigue siendo diffcil.
Los procesos descubiertos hasta la fecha para la conversion de biomasa en combustible pueden considerarse generalmente incluidos en una u otra de las dos categonas siguientes. Una categona es un tratamiento termoqmmico de la biomasa entera, sin fraccionamiento o separacion de las partes componentes de la biomasa, por medio de pirolisis, gasificacion o licuefaccion, generando principalmente una mezcla cruda de bioaceite o de gas de smtesis. La otra categona incluye los pretratamientos ffsicos y qmmicos de la biomasa entera, destinados a la destruccion o neutralizacion (en lugar de separacion y recoleccion) de los componentes volatiles o extrafbles y los componentes hemicelulosicos de la biomasa (que, de otro modo, inhibinan la etapa o etapas siguientes), seguido de una hidrolisis qmmica o microbiologica (enzimatica) de los componentes celulosicos y una fermentacion microbiologica de los azucares celulosicos resultantes. Tambien se conocen otros procedimientos que son generalmente de naturaleza qmmica y llevados a cabo en la fase lfquida, tal como disolucion de disolventes y separacion de uno o mas de los componentes principales, incluyendo procedimientos de extraccion supercnticos. Todos estos procesos se refieren generalmente a la produccion de combustible de transporte lfquido o a la produccion de una sustancia qmmica espedfica o una gama limitada de sustancias qmmicas o de productos, tales como carton comprimido.
Sumario
En el presente documento se divulgan sistemas, metodos y aparatos para el fraccionamiento de biomasa lignocelulosica. Este fraccionamiento puede usarse para la recuperacion y aislamiento de azucares hemicelulosicos
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y celulosicos, incluyendo azucares de C5 y azucares de C6, lignina y/u otros componentes de biomasa. El fraccionamiento puede realizarse utilizando procesos continuos, tales como uno o mas tubos de vapor continuos, lo que permite una separacion rapida y eficiente de los componentes de biomasa.
Algunas realizaciones de la presente invencion proporcionan funcionalidad de procesamiento termoqmmico mejorada. Algunos sistemas reciben la biomasa cruda como materia prima de entrada y producen azucares hemicelulosicos relativamente puros, azucares celulosicos y lignina como producto. Algunos sistemas reciben solido lignocelulosico relativamente puro como entrada y producen tanto azucares aislados de la hemicelulosa como un solido de lignina-celulosa relativamente puro como productos. Algunos sistemas reciben un solido de lignina-celulosa relativamente puro como entrada y producen tanto azucares aislados de la celulosa como un carbon de lignina. En algunos sistemas, uno, dos o los tres sistemas tratados en este parrafo pueden incluirse como subsistemas. Cualquiera de los sistemas tratados en este parrafo puede implementarse como procesos de flujo continuo.
En algunas realizaciones, la invencion incluye un metodo de fraccionamiento y tratamiento del material de biomasa lignocelulosica que incluye un primer, segundo y tercer reactores de vapor. El metodo incluye preparar la biomasa reduciendo su tamano, tratando la biomasa utilizando tratamientos con vapor sobrecalentado y/o EM/EA y alimentando la biomasa tratada en un primer reactor continuo de ciclo de vapor sobrecalentado para separar e hidrolizar hemicelulosa y producir un componente solido y lfquido. El componente lfquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o una mezcla disolvente acuoso y se separa del componente solido. El metodo incluye ademas, opcionalmente, alimentar la biomasa a un segundo reactor continuo de ciclo de vapor sobrecalentado para reducir el contenido de agua de la biomasa y/o recuperar energfa, alimentar el componente solido a un tercer reactor de vapor sobrecalentado continuo (por ejemplo, un tubo) para separar e hidrolizar el componente de celulosa y volatilizar los productos en la corriente de vapor y separar este de un carbon de lignina y condensar la celulosa hidrolizada y el vapor de agua.
En algunas realizaciones, la invencion incluye un metodo para fraccionar el material de biomasa lignocelulosica que incluye alimentar la biomasa a un reactor de desvolatilizacion para separar y recoger componentes volatiles de la biomasa, alimentar la biomasa a un reactor de hidrolisis de hemicelulosa para separar e hidrolizar hemicelulosa, separar la biomasa en un primer componente solido y un componente lfquido, en el que el componente lfquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o disolvente y en el que el componente solido incluye celulosa y lignina y tiene menos de aproximadamente 10 % de hemicelulosa, alimentar el componente solido a un reactor de hidrolisis de celulosa que comprende un reactor de vapor sobrecalentado para hidrolizar y vaporizar el componente de celulosa y condensar la celulosa vaporizada. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa aplica vapor a la biomasa a una temperatura de al menos 300 °C. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa aplica vapor a la biomasa a una temperatura entre aproximadamente 400 y 550 °C. El reactor de hidrolisis de celulosa puede aplicar presion a la biomasa a 1-3 bares. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa aplica vapor a la biomasa a una temperatura entre aproximadamente 400 y 550 °C y una presion de 1-3 bares.
En algunas realizaciones, la invencion incluye un metodo para aislar celulosa de una biomasa que incluye alimentar una biomasa a un reactor de hidrolisis de celulosa, incluyendo la biomasa lignina y celulosa y menos de aproximadamente 10 % de hemicelulosa, hidrolizar y vaporizar una porcion de la celulosa en el reactor de hidrolisis de celulosa, separar la celulosa vaporizada de un solido de biomasa restante y condensar la celulosa vaporizada. En algunas realizaciones, el metodo incluye ademas alimentar la biomasa a un reactor de hidrolisis de hemicelulosa para separar e hidrolizar hemicelulosa antes de alimentar la biomasa al reactor de hidrolisis de celulosa. En alguna de dichas realizaciones, el metodo incluye ademas separar la biomasa en un primer componente solido y un componente lfquido, en el que el componente lfquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o disolvente, en el que el componente solido incluye celulosa y lignina y menos de 10 % de hemicelulosa y en el que la etapa de alimentar una biomasa a un reactor de hidrolisis de celulosa incluye alimentar el componente solido al reactor de hidrolisis de celulosa.
El reactor de hidrolisis de celulosa puede aplicar solo vapor al solido de biomasa o puede aplicar una mezcla de vapor y otro gas. Por ejemplo, el reactor puede aplicar una mezcla de vapor y nitrogeno, hidrogeno, dioxido de carbono, monoxido de carbono o combinaciones de mas de un gas.
El reactor de hidrolisis de celulosa tambien puede aplicar tratamiento electromagnetico o electroacustico (EM/EA) a la biomasa. Por ejemplo, el reactor de hidrolisis de celulosa puede aplicar campo electrico pulsado, energfa ultrasonica, energfa de microondas o combinaciones de los mismos a la biomasa en el reactor. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa aplica energfa ultrasonica a la biomasa, mientras que en otras realizaciones aplica energfa de microondas a la biomasa, mientras que en todavfa otras realizaciones aplica energfa ultrasonica y de microondas a la biomasa.
Despues de la hidrolisis de hemicelulosa y antes de alimentar la biomasa al reactor de hidrolisis de celulosa, los procedimientos de la invencion pueden alimentar el componente solido de la biomasa a un secador para reducir el contenido en agua del componente solido. En algunas realizaciones, el secador es un reactor continuo de vapor sobrecalentado. En algunas realizaciones, los metodos de la invencion pueden incluir desgaste del componente
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solido despues de extraerlo del reactor de la hidrolisis de hemicelulosa y antes de alimentar el componente solido en el reactor de hidrolisis de la celulosa. Por ejemplo, los metodos de la invencion pueden incluir secar primero la biomasa y, despues, desgastar la biomasa antes de la hidrolisis de la celulosa.
El reactor de hidrolisis de celulosa puede hidrolizar completamente la celulosa para producir un vapor de azucares celulosicos y un carbon de lignina. El reactor de hidrolisis de celulosa puede producir un vapor de azucares celulosicos y un segundo componente solido. El segundo componente solido puede introducirse en un segundo reactor, que puede ser un reactor de vapor sobrecalentado. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa hidroliza parcialmente la celulosa y el segundo reactor es un segundo reactor de hidrolisis de celulosa que completa la hidrolisis de la celulosa y separa el azucar celulosico vaporizado de la lignina. En otras realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa completa la hidrolisis de la celulosa y el segundo reactor reduce la lignina a un gas condensable que puede recuperarse. En el presente documento se divulgan tambien sistemas para fraccionar el material de biomasa lignocelulosica que incluye un medio para liberar componentes volatiles de la biomasa, un medio para hidrolizar hemicelulosa en la biomasa, un medio para separar la biomasa en un componente solido y un componente lfquido, en el que el componente lfquido incluye azucares hemicelulosicos hidrolizados y un medio para hidrolizar y vaporizar celulosa. El sistema puede incluir ademas un medio para secar el componente solido de la biomasa despues de la separacion del componente solido y el componente lfquido. En alguna de dichas realizaciones, el sistema puede incluir ademas un tensor para atraer el componente solido despues del secado. En algunas realizaciones, el medio para hidrolizar y vaporizar celulosa incluye un generador electromagnetico o electroacustico para aplicar tratamiento electromagnetico o electroacustico a la biomasa.
En algunas realizaciones, el metodo incluye la preparacion de un material de biomasa lignocelulosica que tiene celulas intactas para fraccionamiento que incluye proporcionar la biomasa, alimentar la biomasa a un reactor de vapor sobrecalentado a presion elevada, calentar la biomasa con vapor sobrecalentado al tiempo que se mantiene la presion elevada para explotar las celulas de biomasa dentro del reactor de vapor y separar la biomasa explotada del vapor. En algunas realizaciones, el calentamiento incluye calentar la biomasa a una temperatura entre aproximadamente 150 °C y aproximadamente 190 °C en un plazo de aproximadamente 5 a aproximadamente 10 segundos. En algunas realizaciones, la temperatura de la biomasa se incrementa a entre aproximadamente 150 °C y aproximadamente 190 °C y la presion se mantiene entre aproximadamente 10 y aproximadamente 15 bares. En algunas realizaciones, el reactor de vapor sobrecalentado comprende una estructura tubular en la que el vapor circula de forma continua en un circuito. En alguna de dichas realizaciones, la biomasa fluye a traves del reactor mientras es arrastrada en el vapor. En algunas realizaciones, el metodo incluye ademas aplicar tratamiento EM/EA a la biomasa dentro del reactor. El tratamiento EM/EA puede incluir microondas, ultrasonidos, campo electrico pulsado o una combinacion de los mismos.
En algunas realizaciones, el metodo de preparacion de un material de biomasa lignocelulosica que tiene celulas intactas para el fraccionamiento incluye, ademas, liberar componentes volatiles de la biomasa al vapor. El metodo tambien puede incluir separar los componentes volatilizados del vapor.
En algunas realizaciones, el metodo de preparacion de un material de biomasa lignocelulosica que tiene celulas intactas para fraccionamiento incluye tambien alimentar la biomasa explotada a un reactor de hidrolisis de hemicelulosa para hidrolizar hemicelulosa, separar la biomasa en un componente solido y un componente lfquido, en el que el componente lfquido incluye hemicelulosa hidrolizada y en el que el componente solido incluye celulosa y lignina, y alimentar el componente solido en un reactor de hidrolisis de celulosa para hidrolizar el componente de celulosa y separar los azucares celulosicos de la lignina. El reactor de hidrolisis de hemicelulosa y/o el reactor de hidrolisis de celulosa pueden ser reactores continuos de vapor sobrecalentado. En el presente documento tambien se divulgan sistemas para preparar un material de biomasa lignocelulosica que tiene celulas intactas para fraccionamiento que incluyen un reactor de vapor tubular, una entrada de vapor para la entrada de vapor sobrecalentado en el reactor de vapor, un ventilador para mover continuamente el vapor a traves del reactor, una entrada para biomasa al interior del reactor de vapor para la entrada del material de biomasa y una salida de biomasa dentro del reactor de vapor y aguas abajo de la entrada de biomasa para la eliminacion de la biomasa, en el que el reactor esta disenado para mantener el vapor a una temperatura y presion suficientes para romper o explotar la biomasa a medida que la biomasa pasa entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa. Por ejemplo, la temperatura puede ser de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 190 °C y la presion puede ser de aproximadamente 10 a aproximadamente 15 bares. El ventilador puede estar disenado para hacer circular el vapor a una velocidad suficiente para que la biomasa sea arrastrada dentro del vapor y que pase desde la entrada a la salida en aproximadamente 5 a aproximadamente 10 segundos. En algunas realizaciones, el reactor comprende un circuito de vapor en el que el vapor circula continuamente a traves del circuito. El sistema puede incluir ademas una salida para separar y eliminar los componentes volatiles de la biomasa liberada por explosion de las celulas de biomasa.
El sistema para preparar un material de biomasa lignocelulosica que tiene celulas intactas para fraccionamiento puede incluir, adicionalmente, una fuente de tratamiento EM/EA entre la entrada y la salida de biomasa, tal como un generador de microondas, ultrasonidos, de campo electrico pulsado o una combinacion de los mismos.
Las realizaciones de la invencion tambien incluyen metodos de fraccionamiento de material de biomasa lignocelulosica que incluyen alimentar la biomasa a un reactor de desvolatilizacion, alimentar la biomasa preparada a
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un reactor de hidrolisis de hemicelulosa para separar e hidrolizar hemicelulosa, separar la biomasa en un componente solido y un componente Kquido en el que el componente Kquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o disolvente y en el que el componente solido incluye celulosa y lignina, alimentar el componente solido en un reactor de hidrolisis de celulosa para hidrolizar el componente de celulosa y separar la celulosa hidrolizada de la lignina, en el que el tratamiento EM/EA se aplica a La biomasa en el reactor de desvolatilizacion, el reactor de hidrolisis de hemicelulosa, y/o en el reactor de hidrolisis de celulosa. El tratamiento EM/EA puede incluir microondas, energfa ultrasonica, campo electrico pulsado o una combinacion de los mismos. Las reacciones en los reactores pueden aumentarse, suplementarse o intercalarse con el uso de tratamiento EM/EA.
En algunas realizaciones, el tratamiento EM/EA se aplica a la biomasa tanto en el reactor de hidrolisis de hemicelulosa como en el reactor de hidrolisis de celulosa. En algunas realizaciones, el tratamiento EM/EA se aplica a un parametro que incluye frecuencia, forma de pulso, potencia o duracion, y uno o mas de estos parametros es ajustable. Los tratamientos EM/EA pueden ayudar a romper (lisis) las celulas, especialmente a temperaturas bajas, aumentar la tasa de transferencia de calor a lo largo de agregados de celulas, aumentar la permeabilidad de la membrana celular, degradar o reducir las estructuras polimericas de hemicelulosa, celulosa y lignina, ayudar en las reacciones hidroltticas y de otros tipos de los polfmeros de carbohidratos y ayudar a la extraccion de lfpidos, protemas y componentes no carbohidratos de las celulas.
En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de hemicelulosa es un reactor de tubo de recirculacion. En algunas realizaciones, el reactor de hidrolisis de celulosa es un reactor tubular.
En algunas realizaciones, el reactor de desvolatilizacion comprende un reactor de vapor sobrecalentado a presion elevada que calienta rapidamente la biomasa con vapor sobrecalentado al tiempo que mantiene la presion elevada para explotar la biomasa dentro del reactor de vapor. En alguna de dichas realizaciones, el tratamiento EM/EA se aplica a la biomasa dentro del reactor de desvolatilizacion. El metodo puede incluir ademas la liberacion, separacion y eliminacion de componentes volatiles de la biomasa en el reactor de desvolatilizacion.
En algunas realizaciones, un sistema para fraccionar la biomasa incluye medios para liberar los componentes volatiles de la biomasa, medios para hidrolizar hemicelulosa en la biomasa, medios para hidrolizar y vaporizar celulosa y un generador de EM/EA para aplicar el tratamiento EM/EA a la biomasa en uno o mas de los medios anteriores.
En algunas realizaciones, la invencion incluye un sistema para fraccionar material de biomasa lignocelulosica que comprende un primer reactor de circuito de vapor sobrecalentado para explotar la biomasa dentro del circuito de vapor, un segundo reactor de circuito de vapor sobrecalentado para hidrolizar la hemicelulosa, un tercer reactor de circuito de vapor sobrecalentado para reducir el contenido de humedad de la biomasa y un cuarto reactor de vapor sobrecalentado para hidrolizar la celulosa en un vapor y formar un carbon de lignina, en el que la biomasa se transporta de forma continua a traves del primer, segundo, tercer y cuarto reactores de vapor.
En algunas realizaciones, la etapa de hidrolisis de hemicelulosa emplea dos o mas etapas de procesamiento continuo. En algunas realizaciones, la etapa de hidrolisis de hemicelulosa incluye pasar la biomasa a un tornillo, extrusion u otro sistema transportador para continuar la hidrolisis de hemicelulosa. La hemicelulosa hidrolizada puede extraerse usando un lavado secuencial de multiples etapas, con agua o mezclas agua/disolvente y deshidratacion a altas presiones. Como alternativa, la hemicelulosa hidrolizada puede extraerse pasando la biomasa a una presion de aproximadamente 1-2 bares y lixiviando con agua o mezclas agua/disolvente. En algunas realizaciones, la hemicelulosa hidrolizada se deshidrata aplicando prensas de tornillo o de extrusion a alta presion a la biomasa. En algunas realizaciones, los solidos de biomasa residual incluyen celulosa y lignina y menos de 10 % de hemicelulosa. A continuacion, los solidos residuales pueden desgastarse.
En algunas realizaciones, la energfa se recupera en forma de vapor de alta presion, parte de la cual o en su totalidad se sobrecalienta, tal como el vapor portador para la etapa de hidrolisis de celulosa.
Breve descripcion de las figuras
Los siguientes dibujos son ilustrativos de realizaciones particulares de la presente invencion y, por lo tanto, no limitan el alcance de la invencion. Los dibujos no estan a escala (a menos que se indique lo contrario) y estan destinados para su uso junto con las explicaciones de la siguiente descripcion detallada. A continuacion se describiran realizaciones de la presente invencion junto con los dibujos adjuntos, en los que los mismos numeros indican elementos similares.
La figura 1 es un diagrama esquematico de un sistema para la preparacion de material lignocelulosico para fraccionamiento;
La figura 2 es un diagrama esquematico de un sistema alternativo para la preparacion de material lignocelulosico para fraccionamiento;
La figura 3 es un diagrama esquematico de un sistema de desvolatilizacion;
La figura 4 es un diagrama esquematico de un reactor de circuito de vapor de flujo continuo para la hidrolisis y
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La figura 5 es un diagrama esquematico de otra realizacion de un reactor de circuito de vapor de flujo continuo para la hidrolisis y fraccionamiento de hemicelulosa;
La figura 6 es un diagrama esquematico de una realizacion alternativa de un reactor de circuito de vapor de flujo continuo para la hidrolisis y fraccionamiento de hemicelulosa;
La figura 7 es un diagrama esquematico de otra realizacion alternativa de un reactor de circuito de vapor de flujo continuo para la hidrolisis y fraccionamiento de hemicelulosa;
La figura 8 es un diagrama esquematico de un sistema de termolisis de flujo continuo para la hidrolisis de celulosa y el fraccionamiento de celulosa y lignina;
La figura 9 es un diagrama esquematico de un sistema alternativo de termolisis de flujo continuo para la hidrolisis de celulosa y el fraccionamiento de celulosa y lignina; y
La Figura 10 es un diagrama de flujo de un proceso de fraccionamiento de biomasa.
Descripcion
La siguiente descripcion detallada es de naturaleza ilustrativa r y no pretende limitar el alcance, la aplicabilidad o la configuracion de la invencion de ninguna manera. En su lugar, la siguiente descripcion proporciona ilustraciones practicas para implementar realizaciones de ejemplo de la presente invencion. Se proporcionan ejemplos de construcciones, materiales, dimensiones y procedimientos de fabricacion para elementos seleccionados y todos los demas elementos emplean lo que los expertos en el campo de la invencion conocen. Los expertos en la materia reconoceran que muchos de los ejemplos proporcionados tienen alternativas adecuadas que pueden usarse.
Se pueden utilizar realizaciones de la invencion para proporcionar un fraccionamiento completo de la biomasa en todas sus partes constituyentes (tales como volatiles/extrafoles; azucares hemicelulosicos; azucares celulosicos; fenoles de lignina; protemas; sales inorganicas; etc.), al tiempo que mantiene tanto como sea posible la complejidad estructural de los componentes qmmicos monomericos individuales. De este modo, se puede producir una gama muy amplia de productos combustibles de transporte qmmicos y lfquidos de una manera flexible y economica. A partir de estos productos primarios, algunos de los cuales son sustancias qmmicas de plataforma, se puede recrear la complejidad completa de la actual industria de qmmica organica. El bioaceite producido es menos complejo y menos diffcil, ya que es principalmente un producto de la hidrolisis y despolimerizacion de la celulosa, con una contribucion mucho menor de otros componentes, en comparacion con otros procesos.
Ademas, las realizaciones de la invencion se pueden disenar para proporcionar un proceso continuo de fase de vapor de tiempo de residencia bajo que, por tanto,puede extenderse a escalas muy grandes (tal como 50.000 a 500.000 barriles al dfa de equivalente de aceite) en un unico sitio. Esto garantiza econoirnas de escala y se ajusta a la escala de las refinenas de petroleo. Los productos combustibles pueden producirse, por tanto, en escalas proporcionales a la demanda mundial actual de petroleo de 80 millones de barriles al dfa y el procesamiento secundario en un complejo de biorrefinena puede ser equivalente a la actual escala de la industria qmmica.
Las realizaciones de la invencion tambien pueden incluir la aplicacion de tecnologfas que no se encuentran generalmente en otros procesos de este tipo. Estas tecnologfas pueden usarse para mejorar la transferencia de calor y masa hacia y desde las partfculas solidas de biomasa, las cuales estan generalmente limitadas en otros procesos y definen las restricciones en sus capacidades, lo que conduce a mayores rendimientos y tiempos de reaccion y residencia reducidos.
Como tales, las realizaciones de la invencion pueden proporcionar el componente primario de una biorrefinena integrada, de modo que se generan i plataformas de productos qmmicos y reservas de bases de combustible adecuadas para la smtesis o refinacion qmmica adicionales, segun sea apropiado.
Los metodos y sistemas de la invencion incluyen sistemas y procedimientos para fraccionar la biomasa lignocelulosica en componentes monomericos y oligomericos que incluyen azucares de C5 y derivados, azucares de C6 y derivados, lignina y otros componentes minoritarios. . En algunas realizaciones, parte o la totalidad del proceso de fraccionamiento utiliza un proceso de flujo continuo, que hace posible fraccionar cantidades muy grandes de biomasa con una eficiencia elevada y costes reducidos.
La biomasa se prepara primero para el fraccionamiento. Esta preparacion implica las operaciones estandar normalmente implicadas para la biomasa espedfica utilizada (limpieza, etc.) y puede incluir reducir el tamano de la biomasa, desairear la biomasa y/o precalentar la biomasa. Tambien puede incluir la extraccion de componentes valiosos, tales como aminoacidos o aceites. A continuacion se abre la biomasa por algunos medios de rotura celular, tales como explosion de vapor. En algunas realizaciones, la explosion de vapor utiliza un proceso de calentamiento rapido de la biomasa en un reactor de circuito de vapor continuo a presion aumentada, explotando las celulas de biomasa y retirando componentes volatiles de la biomasa. En otras realizaciones, la explosion de vapor se puede complementar, aumentar o sustituir mediante tratamientos EM/EA.
Despues de la preparacion, la extraccion y la desvolatilizacion de la biomasa, a continuacion se somete a hidrolisis de hemicelulosa. En algunas realizaciones, la hidrolisis de hemicelulosa incluye un proceso de dos etapas que
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incluye una primera etapa de ciclo de vapor de alta presion para comenzar la hidrolisis, seguido de un sistema de retencion de segunda etapa, tal como un sistema de transportador para completar el proceso de hidrolisis de hemicelulosa. En otras realizaciones, la primera etapa de hidrolisis de hemicelulosa puede incluir mas de un tratamiento de vapor a alta presion, seguido de un sistema de retencion de segunda etapa. La hemicelulosa hidrolizada se disuelve en solucion acuosa y se separa del solido restante de biomasa mediante un sistema de lixiviacion.
A continuacion, el solido de biomasa puede secarse hasta un contenido de humedad deseado y puede triturarse hasta un tamano de partfcula fina. Sin embargo, en algunas realizaciones, tales como las realizaciones que emplean tratamientos EM/EA durante la hidrolisis de celulosa pueden no incluir el secado y la trituracion. La siguiente etapa es la hidrolisis de la celulosa. En algunas realizaciones, la hidrolisis de celulosa incluye termolisis ultra rapida. La termolisis ultrarrapida se puede realizar en un reactor de vapor continuo a baja presion y temperatura, tal como entre aproximadamente 350 y aproximadamente 450 grados centigrados. En estas condiciones, el enlace entre la lignina y la celulosa se rompe y la celulosa hidrolizada puede retirarse en una corriente de vapor con vapor de agua mientras la lignina forma un carbon solido. En algunas realizaciones, la hidrolisis de celulosa se realiza en dos o mas etapas usando dos o mas reactores de vapor sobrecalentados, con cada reactor posterior a una temperatura mas alta que cada reactor anterior.
Los metodos y sistemas de la invencion se pueden llevar a cabo utilizando sistemas continuos, tales como reactores de vapor continuos (por ejemplo, circuitos, tubos, etc.) y sistemas transportadores, por ejemplo, lo que permite un sistema de procesamiento continuo. Como tal, evita los retrasos de tiempo inherentes a los sistemas que utilizan procesamiento discontinuo. Los sistemas de procesamiento continuo descritos en el presente documento tambien son mas eficientes energeticamente que los sistemas discontinuos, dado que no requieren aumentar repetidamente la temperatura o la presion para cada lote, sino que los reactores de vapor solo deben mantener la temperatura y presion deseadas a medida que los materiales de biomasa entran y fluyen a traves de la sistemas. La exactitud inherente del control permite un aumento gradual de la gravedad del tratamiento y da como resultado un fraccionamiento completo y complejo de la biomasa.
Preparacion del material lignocelulosico
El proceso de fraccionamiento de la biomasa comienza con la preparacion del material de biomasa. Las realizaciones de la invencion pueden utilizar cualquier material lignocelulosico, tal como madera dura o blanda, hierbas, residuos agncolas, otros materiales vegetales, residuos municipales o una combinacion de uno o mas materiales de biomasa. Ejemplos de madera util en las realizaciones de la invencion incluyen pino, alamo, abeto, picea, alerce, haya, roble y palmeras y residuos de palma, por ejemplo. El material puede incluir madera de troncos, tallos, ramas rafces, duramen, recortes de madera, corteza de madera, serrrn, poda de madera y residuos forestales, por ejemplo. Los materiales o desechos agncolas que se pueden usar en las realizaciones de la invencion incluyen hojarasca de mafz, mazorcas de mafz, granos de mafz, fibras de mafz, paja, residuos de plantacion de platano, paja de arroz, cascara de arroz, paja de avena, cascara de avena, fibra de mafz, tallo de algodon, algodon desmotado, paja de trigo, bagazo de cana de azucar, restos de cana de azucar, residuos de sorgo, residuos del procesamiento del azucar, paja de cebada, paja de cereal, paja de trigo, paja de canola y hojarasca de soja, por ejemplo. Las hierbas pueden incluir pasto varilla hierba cordon, raigras, cana chinesca, hierba de Bermuda, hierba de canaria de cana alfalfa. Otros materiales vegetales pueden incluir material vegetal de madera y no de madera, incluyendo tallos, canas, arbustos, follaje, corteza, rafces, vainas, frutos, cascaras, fibras, vides y algas. Los residuos municipales pueden incluir residuos residenciales, tales como residuos de papel y alimentos y residuos industriales, tales como desperdicios de papel y carton, lodos de papel y otros desechos celulosicos.
La biomasa puede introducirse en un sistema de preparacion desde el almacenamiento o directamente desde el transito. Primero, se puede pasar a traves de la hendidura de la bolsa u otro proceso automatico de descontencion, si es necesario, y, despues, a un proceso de deteccion y eliminacion de metales y/o a una presion u otro proceso de lavado, en el que se eliminan la suciedad y las piedras de la biomasa.
A continuacion, la biomasa puede transportarse y procesarse en un sistema de secado, tal como un chorro de aire u otro sistema de secado, para eliminar el exceso de agua superficial. Despues, la biomasa limpia puede pasarse a una o mas etapas de trituracion.
El material lignocelulosico experimenta trituracion, tal como mediante la creacion de virutas o copos, con el fin de alcanzar un tamano de partfcula deseado. Esto puede realizarse por medio de una maquina de escamado y cribado, por ejemplo una desbastadora de cuchilla con tamiz vibratorio, por ejemplo. El tamano de partfcula se elige para mantener la biomasa en suspension y permitir la transferencia de calor a traves de la biomasa dentro de los sistemas de reactor continuo, que depende de la velocidad del vapor, la densidad de la biomasa y la forma de la biomasa, entre otros factores similares. En algunas realizaciones, el material se tritura a aproximadamente 0,5 a 5 mm de espesor y aproximadamente 12 a 80 mm de anchura y longitud. El tamano de partfcula preferente puede depender del diametro de los tubos empleados en las etapas de procesamiento posteriores. Algunas realizaciones trituran material hasta aproximadamente 0,5 a 1,5 mm de espesor y de aproximadamente 12 a 15 mm de anchura y longitud. Algunas realizaciones trituran material hasta aproximadamente 2 a 5 mm de espesor y de
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aproximadamente 60 a 80 mm de anchura y longitud. El tamano preferente de los copos miden aproximadamente 1 a 3 mm de espesor y aproximadamente de 25 a 40 mm de longitud y anchura en algunas realizaciones. Los tamanos de material preferentes tambien se pueden expresar en terminos de diametros equivalentes de partfculas esfericas. Por consiguiente, los tamanos preferentes pueden ser de aproximadamente 5 a 10 mm en diametro equivalente. En algunas realizaciones que tienen secciones cilmdricas, tales como materias primas de tipo hierba, los tamanos preferentes pueden ser de aproximadamente 2 a 5 mm de diametro y de 25 a 50 mm de longitud. El tamano de partfcula es una funcion de la capacidad del sistema y, por lo tanto, de las dimensiones, asf como de las caractensticas de la materia prima, de modo que algunas realizaciones pueden emplear otros intervalos de tamanos.
Algunos materiales pueden determinarse mediante un tamiz para subdimensionar. En algunas realizaciones, se puede anadir una proporcion de material subdimensionado al material del tamano deseado para su procesamiento adicional, pasando el resto a sistemas de procesamiento diferentes. En algunos casos, un sistema de procesamiento diferente puede ser un sistema para fraccionar la biomasa, estando configurado el tamano del sistema para manipular tamanos de material mas pequenos (por ejemplo, un sistema de circuito de menor capacidad y menor diametro). El material de gran tamano puede reciclarse a la maquina de formacion de copos o desmenuzado y triturar hasta el tamano deseado. Se espera que un sistema comercial pueda tener un numero de sistemas de reactor funcionando en paralelo, procesando cada sistema el material de biomasa de un tamano diferente y/o materia prima diferente.
En algunas realizaciones, el material de partida de biomasa puede estar compuesto por muchos materiales diferentes, tales como corteza, ramitas y hojas. El procesamiento de dicho material para reducir su tamano tambien hace que el material sea mas homogeneo y, por tanto, mas adecuado para el procesamiento. Al espesor deseado, tal como el descrito anteriormente, el calor se transfiere al centro de la biomasa lo suficientemente rapido, lo que lo convierte en un tamano util para su uso en los procesos del reactor de vapor descritos mas adelante. Ademas, el uso de piezas finas largas tales, como copos, por ejemplo, permite que las piezas que son lo suficientemente finas se calienten rapido pero todavfa tienen un tamano suficiente para permitir la separacion ciclonica de la biomasa solida del vapor, tal como en un separador ciclonico, tal como puede ocurrir en diversas etapas de los procedimientos de fraccionamiento descritos en el presente documento. En algunas realizaciones, el proceso de reducir el tamano del material (por ejemplo, mediante alimentacion, molienda y tamizado) dura aproximadamente un minuto.
En algunas realizaciones, el material lignocelulosico puede procesarse adicionalmente para eliminar el aire de la biomasa. Esto puede conseguirse aplicando un vado a la biomasa y/o desplazando aire en la biomasa con un gas inerte tal como CO2 O nitrogeno. En algunas realizaciones, las etapas posteriores del proceso de fraccionamiento producen CO2, que puede recogerse y utilizarse para la desaireacion del material de partida de la biomasa. En algunas realizaciones, el material de biomasa se coloca bajo vado o vado parcial y se extrae un gas inerte dentro del material, desplazando el aire y retirando el oxfgeno del material. La retirada del oxfgeno del material es deseable para reducir el nivel de degradacion oxidativa de los productos y otros mecanismos de reaccion indeseables, lo que se puede producir cada vez mas a temperaturas y presiones elevadas y en presencia de catalizadores acidos. El rendimiento de azucares y otros productos preferentes puede reducirse por degradacion oxidativa, dando lugar a rendimientos reducidos de combustible y otros productos secundarios. La degradacion tambien puede generar productos gaseosos, tales como CO2, que puede dar como resultado el desperdicio de la materia prima.
La preparacion del material lignocelulosico puede incluir, opcionalmente, la extraccion y recogida de componentes volatiles y otros componentes no lignocelulosicos, tales como aceites esenciales, terpenos, aminoacidos, etc., donde estos componentes existen en proporciones significativas y tienen valor comercial. Por ejemplo, el aceite de eucalipto puede retirarse y aislarse antes del fraccionamiento de la madera de eucalipto para extraer el valor maximo de la materia prima. Las protemas y los aminoacidos pueden retirarse de las hierbas y los desechos de los cultivos, para su uso en piensos animales o productos farmaceuticos. Estos componentes pueden recuperarse por su valor comercial y/o para evitar interferencias con el proceso de fraccionamiento o contaminacion de los productos de fraccionamiento. Pueden retirarse utilizando un proceso completamente continuo. En algunas realizaciones, estos componentes se retiran a traves de una o mas etapas de extraccion. En algunas realizaciones, las etapas de extraccion comprenden un proceso continuo de extraccion a contracorriente usando uno o mas disolventes. La etapa de extraccion puede utilizar uno o mas tratamientos EM/EA, tales como campos electricos pulsados (PEF), energfa ultrasonica (US) y/o microondas (MW) para lisar las celulas y efectuar la transferencia de masa de los componentes de interes a los disolventes. Los tratamientos EM/EA pueden aplicarse a la biomasa inmediatamente antes o durante la extraccion. Estas extracciones pueden realizarse a temperatura ambiente o a una temperatura elevada, tal como una temperatura entre la ambiente y aproximadamente 150 grados centfgrados o de entre aproximadamente 60 y aproximadamente 120 grados centfgrados. Los disolventes pueden elegirse basandose en el tipo de componente soluble que se va a extraer. Entre los ejemplos de disolventes adecuados se incluyen hidrocarburos, tales como aceite mineral, cetonas, cetonas, alcoholes y/o aromaticos. En algunas realizaciones, se aplica un primer disolvente al material de biomasa y el componente o componentes solubles se retiran del material haciendo fluir el disolvente a traves del material, recogiendo el disolvente y aislando o separando el componente soluble. A continuacion se aplica un segundo disolvente al material para permitir que el primer disolvente sea lavado usando un lavado posterior con agua. El segundo disolvente tambien puede recogerse y el componente soluble y/o el primer disolvente pueden separarse del segundo disolvente y aislarse. Por ejemplo, el segundo disolvente puede ser tanto hidrofilo como hidrofobo, de manera que sea capaz de disolver el primer disolvente y despues puede lavarse con el posterior
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lavado con agua. A continuacion, se puede hacer fluir uno o mas lavados con agua a traves del material. En algunas realizaciones, tales etapas de extraccion pueden durar aproximadamente dos minutos y medio, durando cada etapa aproximadamente un minuto mas aproximadamente 30 segundos para la alimentacion total y la descarga.
La etapa de extraccion de los componentes volatiles y otros componentes no lignocelulosicos puede realizarse mediante un equipo de extraccion continua a contracorriente o a favor de la corriente, tal como un transportador o extrusor de uno o dos tornillos, un extractor de placas verticales, un extractor rotatorio o una centrifugadora extractora, por ejemplo.
En algunas realizaciones, la retirada opcional de los volatiles y otros componentes no lignocelulosicos se puede proporcionar como una corriente lateral. En dichas realizaciones, la parte de una biomasa para la que se desea la extraccion puede desviarse hacia la corriente lateral, tal como una serie de extracciones a contracorriente como se ha descrito anteriormente. Despues, el flujo a la corriente lateral de extraccion puede detenerse y el flujo de biomasa sin extraccion puede proceder directamente a la etapa de precalentamiento o al reactor de hidrolisis de hemicelulosa. En dichas realizaciones, el flujo de biomasa desde una etapa de preparacion incluye una ramificacion para la extraccion opcional o para sortear la extraccion. Tales sistemas permiten la flexibilidad en la manipulacion de diversos materiales de biomasa para los cuales se puede o no desear la extraccion.
El material lignocelulosico puede procesarse adicionalmente precalentando el material. Por ejemplo, el material se puede precalentar usando vapor vivo (es decir, inyeccion de vapor directamente en el proceso), disolvente caliente o calentamiento indirecto. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el material puede precalentarse usando vapor a baja presion. En algunas realizaciones, el vapor a baja presion se puede aplicar al material usando un proceso continuo que incluye un transportador, tal como un transportador de tornillo. El material puede precalentarse a una temperatura de entre aproximadamente 100 y aproximadamente 200 grados centfgrados, tal como una temperatura entre aproximadamente 120 y aproximadamente 150 grados centfgrados. El material se precalienta para reducir la demanda termica en el primer reactor de vapor y asegurar que se alcanza rapidamente la temperatura de funcionamiento del reactor. La temperatura se mantiene, preferentemente, por debajo de aquella en la que se produce una hidrolisis de hemicelulosa significativa, tal como inferior a 180 grados centfgrados. En algunas realizaciones, el proceso de desaireacion y precalentamiento de la biomasa puede durar aproximadamente de dos a tres minutos.
En algunas realizaciones, el proceso para la retirada de los componentes no lignocelulosicos descrita anteriormente es un proceso de extraccion con disolvente caliente. En tal procedimiento, uno o mas de los disolventes estan a una temperatura aumentada cuando se aplican, lo que da como resultado el calentamiento de la biomasa. Por lo tanto, los disolventes calientes pueden llevar a cabo la funcion de precalentar la biomasa a una temperatura deseada, asf como a extraccion.
En algunas realizaciones, puede incluirse una etapa de ajuste del contenido de agua para llevar el contenido de agua de la biomasa al nivel deseado. Por ejemplo, puede ser necesario anadir agua a la biomasa seca, tal como paja. Se puede anadir agua como vapor o agua durante una etapa de precalentamiento como se ha descrito anteriormente. Como alternativa, se puede anadir agua al reactor de desvolatilizacion para suplementar el agua liberada de la biomasa, para mantener el caudal masico de vapor sobrecalentado requerido. Por ejemplo, el contenido de agua puede aumentarse hasta aproximadamente el 50 %.
En las figuras 1 y 2 se muestran realizaciones de sistemas para la preparacion de un material de biomasa lignocelulosica para fraccionamiento. Un material de biomasa lignocelulosica se alimenta desde el almacenamiento de materias primas a una maquina de formacion de copos y cribado 2 para reducir la materia prima a un tamano deseado. A continuacion se hace pasar la materia prima a una entrada del sistema de desaireacion 4 y, luego, a un sistema de desaireacion 6 que elimina el aire de la biomasa usando un vacfo 8. El vacfo se rompe (o el aire se desplaza) con un gas inerte (N2 o CO2). El sistema de desaireacion 6 incluye un transportador, tal como un transportador de tornillo, que transporta la biomasa a la salida 10 del sistema de desaireacion a traves de la cual la biomasa sale del sistema de desaireacion 6.
En el sistema mostrado en la figura 1, la biomasa pasa despues a un primer, segundo y tercer sistema de lavado de disolvente 12, 14, 16, cada uno de los cuales incluye una entrada 18, 20, 22 y una salida 24, 26, 28, aunque realizaciones alternativas podnan incluir mas o menos de tres sistemas de lavado. En cada sistema de lavado con disolvente 12, 14, 16, la biomasa entra a traves de la entrada 18, 20, 22, es transportada a traves del sistema 12, 14, 16 sobre o en una unidad de procesamiento continuo, tal como un transportador de tornillo, y sale a traves de la salida 24, 26, 28 para pasar a la siguiente etapa del proceso. Los sistemas de lavado con disolvente 12, 14, 16, como se muestra, son sistemas de lavado a contracorriente. El primer sistema de lavado con disolvente 12 utiliza un primer disolvente y tambien puede estar equipado con uno o mas sistemas que emplean uno o mas de los generadores de tratamiento EM/EA 29 (tales como PEF, US, MW) que abren las celulas y mejoran la extraccion de los componentes de interes en el disolvente. El segundo sistema de lavado con disolvente 14 utiliza un segundo disolvente. El componente soluble disuelto en cada disolvente se recupera de cada lavado con disolvente despues de pasar o fluir a traves de la biomasa. Los disolventes pueden reutilizarse despues para lavados con disolventes adicionales. Despues de los dos lavados con disolvente, la biomasa se lava en el tercer sistema de lavado con
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disolvente 16 con agua caliente, utilizando de nuevo un sistema a contracorriente. En algunas realizaciones, el agua esta a una temperatura entre aproximadamente 90 y aproximadamente 200 grados centigrados. En otras realizaciones, el agua esta a una temperatura entre aproximadamente 120 y aproximadamente 150 grados centigrados. El disolvente se retira de la biomasa mediante el agua caliente, al tiempo que el agua caliente precalienta la biomasa a la temperatura deseada antes de que la biomasa pase a la siguiente etapa del proceso de fraccionamiento. En algunas realizaciones, la siguiente etapa es la desvolatilizacion de la biomasa.
En la figura 2 se muestra un sistema de preparacion de la biomasa alternativo. En este sistema, no hay lavados con disolvente y, como tal, se puede usar cuando no hay extractos valiosos. Sin embargo, el sistema puede todavfa emplear un lavado con agua caliente 16 como se describe con respecto a la Figura 1. En dichas realizaciones, el lavado con agua caliente 16 funciona para precalentar la biomasa antes del procesamiento adicional.
Debe reconocerse que los sistemas mostrados en las figuras 1 y 2 pueden representar dos sistemas distintos. Como alternativa, un sistema puede incluir tanto el proceso mostrado en la figura 1 como el proceso de la figura 2 como rutas alternativas. En dicha realizacion, el sistema puede incluir una valvula de desviacion o dos alimentadores de transferencia controlada separaos despues de la etapa de desaireacion, lo que permite que la biomasa proceda opcionalmente a traves de la extraccion con disolvente o que evite la extraccion con disolvente y pasar directamente al precalentamiento. Tal sistema puede utilizarse cuando una parte de la biomasa que se procesara incluye extractos valiosos, mientras que otra porcion no incluye tales extractos.
Se puede usar uno o mas de los tratamientos EM/EA 29 (tales como PEF, US, MW) en conexion con uno o mas de los sistemas de lavado 12, 14, 16 para mejorar el rendimiento de los sistemas de lavado 12, 14, 16. Por ejemplo, uno o mas de los sistemas de lavado con disolvente 12, 14 o el sistema de lavado con agua 16 pueden incluir un generador de campo electrico pulsado para aplicar PEF a la biomasa antes de entrar o pasar a lo largo del transportador de lavado con disolvente. El PEF puede crear agujeros en las paredes celulares que pueden permitir una extraccion mas rapida de materiales de la biomasa. Los parametros de PEF vanan con la materia prima, pero, en algunas realizaciones, pueden incluir intensidad de campo de 10 a 20 kv/cm, una duracion del pulso de 5 a 10 microsegundos, un periodo de pulso de 10 a 20 milisegundos y/o un tiempo de exposicion de 0,1 a 0,2 segundos, por ejemplo.
Desvolatilizacion
Las realizaciones de la invencion incluyen un proceso de desvolatilizacion. En algunas realizaciones, los componentes volatiles (tales como gases residuales, compuestos organicos de bajo peso molecular y algunos aceites y lfpidos) se eliminan de la biomasa mediante destilacion de vapor de una o varias etapas o por volatilizacion rapida. En algunas realizaciones, se puede usar una forma unica de explosion de vapor utilizando un proceso continuo de calentamiento de vapor muy rapido para separar las celulas de la biomasa. Este proceso somete el material de biomasa a alta temperatura y a un presion moderada o alta, lo que hace que el agua en las celulas se expanda y vaporice, dando lugar a un aumento de la presion interna suficiente para romper o explotar las celulas. En otras realizaciones, la biomasa se rompe usando una combinacion de vapor y uno o mas de los tratamientos EM/EA en un proceso analogamente continuo.
El proceso de explosion de vapor de flujo continuo (o rotura de vapor mejorada) proporciona varias ventajas, incluyendo pasar de forma continua el biomaterial a traves del sistema, control fino de las condiciones de procesamiento, conservacion de la energfa mejorada y la capacidad de retirar y recoger los componentes volatiles contenidos en la biomasa. El proceso de explosion de vapor de flujo continuo (o rotura mejorada) se puede realizar usando vapor sobrecalentado, tal como en un tubo de vapor sobrecalentado tal como un circuito de vapor. La biomasa se introduce en el tubo de vapor donde se expone al vapor sobrecalentado, elevando rapidamente la temperatura de la biomasa. Ademas de la rotura celular por simple calentamiento con vapor, la rotura puede producirse por cavitacion y permeabilizacion o poracion de la pared celular. Debido a la velocidad del calentamiento, el vapor es incapaz de difundirse fuera de la celula antes de que haga que la celula a estalle. Por lo tanto, mientras las celulas estan todavfa bajo presion y temperatura elevadas dentro del tubo de vapor, las celulas de biomasa estallan o explotan, abriendo las celulas. Al romper la estructura celular, los componentes se hacen mas accesibles, lo que permitir el posterior fraccionamiento de hemicelulosa, celulosa y lignina.
En algunas realizaciones, el vapor sobrecalentado esta a una temperatura de entre aproximadamente 120 y aproximadamente 220 grados centfgrados y una presion entre aproximadamente 6 y aproximadamente 16 bares. En algunas realizaciones, la temperatura esta, preferiblemente, entre 150 y 190 grados centfgrados y la presion 10 a 15 bares. A esta temperatura y presion, la biomasa se puede calentar muy rapidamente sin formar carbon o sufrir hidrolisis significativa de las fracciones de carbohidratos.
El vapor sobrecalentado puede fluir a traves de una tubena, tubo o estructura similar. Para mejorar el rendimiento energetico, el vapor puede fluir en un circuito continuo bajo la fuerza de un soplador o ventilador. Cuando la biomasa se inyecta en la tubena, es arrastrada en el vapor y es transportada con el vapor, de manera que las partfculas de biomasa se suspenden y se mueven a traves de la tubena sin sedimentarse en el fondo de la tubena. Ademas, el vapor y la biomasa pueden ser transportados a traves del sistema a alta velocidad, generalmente a velocidades de
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10 a 25 m/s y, preferiblemente, a velocidades de 15 a 20 m/s. Mediante el uso de este proceso de arrastre de vapor sobrecalentado, la biomasa se calienta mucho mas rapidamente que con un proceso fijo o discontiuo, lo que permite el calentamiento rapido requerido para que se produzca explosion de vapor. Esto puede crear un flujo altamente turbulento, que, junto con el vapor de alta temperatura y los coeficientes de pelfcula de condensacion superficial altos, permite una transferencia mas rapida del calor del vapor a la biomasa. Se cree que el vapor se condensa en el exterior de la partfcula de biomasa, lo que da lugar a transferencia de calor a la biomasa por conduccion, conveccion y radiacion.
Ademas, el uso de tratamientos EM/EA, con el vapor de alta velocidad, puede aumentar sustancialmente la velocidad de transferencia de energfa, desde los penodos de horas o decenas de minutos para los procesos discontinuos a segundos, con PEF, por ejemplo, actuando para abrir membranas celulares en microsegundos. Los tratamientos EM/EA pueden aplicarse a la biomasa inmediatamente antes de entrar en el tubo de desvolatilizacion o cuando pasa a traves del tubo de vapor de desvolatilizacion. Una porcion del tubo puede ser un generador de campo electrico pulsado, un generador de energfa ultrasonica o un generador de microondas, dirigiendo el tratamiento EM/EA al tubo. En algunas realizaciones, el PEF se puede aplicar a la biomasa durante la desvolatilizacion. De nuevo, los parametros de PEF vanan con la materia prima y pueden incluir una intensidad de campo de 10 a 20 kv/cm, una duracion del pulso de 5 a 10 microsegundos, un periodo de pulso de 10 a 20 milisegundos y/o un tiempo de exposicion de 0,1 a 0,2 segundos. En otras realizaciones, la energfa ultrasonica puede aplicarse a la biomasa durante la desvolatilizacion. Los parametros US pueden incluir una frecuencia de 20 a 40 kHz y/o una exposicion de 30 a 90 segundos. En otras realizaciones adicionales, tanto el PEF como la energfa ultrasonica pueden aplicarse a la biomasa durante la desvolatilizacion. Puede aplicarse primero el PEF, seguido del US o se puede aplicar primero el US, seguido del PEF. El US, por ejemplo, puede calentar las celulas de biomasa de dentro hacia afuera, en cuestion de segundos, mientras que el vapor transfiere calor desde el exterior de la biomasa hacia el interior. Por lo tanto, el US permite un proceso de desvolatilizacion mas rapido y mas eficiente. En algunas realizaciones, el proceso completo de desvolatilizacion de la biomasa puede durar aproximadamente de una hora y media a tres minutos (incluyendo aproximadamente cuatro a cinco segundos en un circuito de vapor sobrecalentado).
El uso de un tubo de vapor sobrecalentado, tal como un circuito de vapor para diversos procesos de reaccion, incluyendo desvolatilizacion e hidrolisis de hemicelulosa, por ejemplo, permite un control preciso de las condiciones de temperatura y presion, asf como el tiempo de arrastre de la biomasa dentro del sistema. Ademas, el tiempo de transito de la biomasa dentro del sistema puede controlarse controlando la velocidad del soplador para aumentar o disminuir la velocidad del vapor en el que la biomasa es arrastrada. Por lo tanto, la temperatura, la presion y la velocidad de la biomasa se pueden controlar cuidadosamente e independientemente para optimizar el proceso. Un tiempo de residencia de circuito unico puede ser del orden de 5 a 10 segundos.
La explosion de vapor de flujo continuo abre la estructura de las celulas de biomasa para permitir el fraccionamiento de la biomasa y tambien libera los componentes volatiles y no carbohidratos de la biomasa, tales como acidos, aceites y terpenos (por ejemplo, trementina y aceites esenciales). Los componentes volatiles se vaporizan por la temperatura elevada y tambien se someten a destilacion por vapor debido al vapor sobrecalentado. El proceso de destilacion con vapor reduce el punto de ebullicion efectivo de ciertos componentes volatiles, tales como componentes organicos como aceites, a una temperatura que es inferior al punto de ebullicion del componente puro a temperatura atmosferica, lo que dan como resultado la volatilizacion de los componentes a una temperatura menor de lo que, de lo contrario, se requerina. Esto hace posible eliminar componentes mas volatiles de los que de otro modo sena posible calentando a una temperatura espedfica sola sin la presencia de vapor sobrecalentado.
Se pueden los componentes volatiles liberados mediante el proceso de explosion de vapor, por ejemplo permitiendo que los vapores pasen a un dispositivo de recogida de gas, tal como un condensador, tal como un condensador de contacto directo, un depurador o un aparato similar. El dispositivo de recogida de gas puede estar dispuesto en lmea dentro del tubo o circuito de vapor para permitir un flujo continuo e ininterrumpido de material de biomasa y vapor y puede operar continuamente, lo que permite que el vapor y la biomasa fluyan continuamente a traves. Ademas de eliminar los componentes volatiles, cualquier oxfgeno o cualquier gas inerte remanente dentro de la biomasa puede retirarse por el proceso de explosion de vapor, realizando o completando de este modo el proceso de desaireacion. Por lo tanto, el proceso de vapor de sobrecalentamiento de flujo continuo provoca la desvolatilizacion a traves de destilacion instantanea de vapor, explosion de vapor (con o sin tratamiento EM/EA) de las celulas de biomasa y desaireacion completa de la biomasa.
Entre los ejemplos de reactores de vapor continuos que se pueden usar para el proceso de desvolatilizacion se incluyen, por ejemplo, reactores convencionales de uno o varios tubos con o sin elementos internos estaticos o rotatorios, transportadores o extrusores de tornillo, reactores de lecho fluidizado, tales como un lecho de burbujeo, de chorros o de lecho circulante, reactores ablativos y, en general, cualquier sistema continuo de paso simple.
Antes de entrar en el reactor de vapor utilizado para la explosion del vapor de flujo continuo, la biomasa esta a presion atmosferica, al tiempo que en el interior del reactor de vapor esta a una presion elevada. Por lo tanto, la biomasa debe inyectarse en el reactor de vapor utilizando un sistema de alimentacion de solidos que puede funcionar contra esta diferencia de presion. En una realizacion, el sistema de alimentacion de solidos es un sistema de tipo tolva de bloqueo/tanque de soplado. Este sistema es un sistema discontinuo accionado de una manera
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rapidamente ciclada, pero puede hacerse operar de una manera esencialmente suave continuamente a traves de la adicion de un sistema transportador, tal como un alimentador de tomillo o rotatorio. En otra realizacion, el sistema de alimentacion de solidos es una bomba de solidos, un dispositivo centnfugo en el que se utiliza friccion para mover solidos en un flujo de tapon. Tales sistemas de alimentacion de solidos pueden usarse en cualquiera de las diversas etapas descritas en el presente documento en las que se requiere un sistema de alimentacion de solidos, o en las que la biomasa se transfiere de un sistema o etapa a otro.
En la Figura 3 se muestra una realizacion de un sistema y proceso para la explosion de vapor de alta presion de flujo continuo (y rotura celular mejorada). La biomasa preparada, tal como la biomasa resultante del proceso mostrado en la figura 1 o la figura 2, se introduce en un sistema de alimentacion de solidos 30. A continuacion, la biomasa se inyecta en el circuito de vapor continuo 32 en una entrada de circuito de vapor 34. Un ventilador 36 en conexion con el circuito de vapor 32 empuja el vapor y la biomasa arrastrada a traves del circuito de vapor 32. Dentro del circuito de vapor 32, la biomasa se calienta rapidamente usando vapor sobrecalentado a temperatura y presion altas, opcionalmente junto con uno o mas de los generadores de tratamiento EM/EA 33, para romper o explotar la estructura celular de la biomasa, liberar los componentes volatiles y preparar la biomasa para el fraccionamiento, mientras que la biomasa se transporta dentro del circuito de vapor 32. El vapor exploto, o se rompio, la biomasa viaja a traves del circuito de vapor 32 a una entrada de separador 38, en lmea con el circuito de vapor 32 para entrar en el separador 40. El separador 40, tal como un separador ciclonico, separa la biomasa solida del vapor y de los componentes volatilizados. El vapor sale del separador 40 junto con los componentes volatilizados y los gases inertes a traves de una primera salida separadora 42 para continuar circulando a traves del circuito de vapor 32. El vapor y los componentes volatilizados pasan a un dispositivo de recogida de gas 44, tal como una torre de pulverizacion, que depura los componentes volatilizados solubles. El resto de los gases inertes y otros gases y vapores pasan y una porcion de estos, junto con una proporcion similar del vapor, se retiran del circuito bajo control de presion del dispositivo 46 de control de la presion. El dispositivo de control de la presion 46 puede compensar la presion de circuito aumentada causada por gases inertes y vapores volatiles de bajo punto de ebullicion mediante la ventilacion de algunos de los gases, vapores (y vapor) para equilibrar la presion en el circuito. A continuacion, los componentes condensables pueden condensarse mediante un condensador o eliminarse mediante un depurador separado, por ejemplo, para su recuperacion. El vapor restante y los gases recirculan de nuevo al ventilador 36 y a traves del circuito de vapor 32 para su reutilizacion. La biomasa explotada sale del separador 40 a traves de una segunda salida del separador 48 para salir del circuito de vapor 32 y pasar a la siguiente etapa del proceso de fraccionamiento. En algunas realizaciones, la biomasa pasa a la etapa de hidrolisis de hemicelulosa despues de la desvolatilizacion.
En algunas realizaciones, los solidos que salen del separador 40 se introducen en uno o mas sistemas de explosion de vapor adicionales, tales como uno o mas sistemas de circuito de vapor 32 y separador 40, para repetir el proceso de explosion de vapor sobre cualquier biomasa que permanece sin explotar. En dichas realizaciones, cualquier componente volatil adicional puede recogerse nuevamente y la biomasa solida completamente explotada (o abierta) puede, por tanto, pasar a la siguiente etapa del proceso de fraccionamiento.
Hidrolisis de hemicelulosa
Una vez que se han completado las etapas preparatorias, la biomasa esta ahora lista para someterse a la extraccion de la hemicelulosa. La hemicelulosa puede retirarse de la biomasa mediante cualquier metodo o combinacion de metodos, tales como procesos con agua caliente, acido o alcali. En algunas realizaciones, la hemicelulosa se retira mediante hidrolisis usando vapor sobrecalentado. En algunas realizaciones, la totalidad de las etapas preparatorias puede durar de aproximadamente de siete a nueve minutos y medio con extraccion de aceite o cuatro y medio a siete minutos sin extraccion de aceite.
En algunas realizaciones, la hemicelulosa se hidroliza usando vapor sobrecalentado, en un proceso continuo, tal como arrastrando la biomasa en un reactor de vapor continuo (por ejemplo, un circuito, un tubo, etc.). Entre los ejemplos de reactores de vapor continuos que pueden usarse para la hidrolisis de hemicelulosa se incluyen, por ejemplo, reactores convencionales de uno o varios tubos con o sin elementos internos estaticos o rotatorios, transportadores o extrusores de tornillo, reactores de lecho fluidizado tales como reactores de burbujeo, de chorros o de lecho circulante, reactores ablativos y, en general, cualquier sistema continuo de paso simple.
En algunas realizaciones, el vapor se aplica a la biomasa a una presion de aproximadamente 10 a 35 bares y una temperatura de aproximadamente 170 a 250 grados centfgrados. En otras realizaciones, la presion es de 23 a 32 bares y la temperatura es de 220 a 240 grados centfgrados. La temperatura y la presion son suficientes para hidrolizar la hemicelulosa, minimizando o evitando la degradacion del material de biomasa. Aunque tanto la hidrolisis como la cinetica de la reaccion de degradacion son funciones de tiempo, la temperatura y las condiciones tales como el pH, presentan un optimo diferente, de manera que es posible maximizar la recuperacion de azucares de producto mediante la seleccion de las condiciones de funcionamiento apropiadas. En algunas realizaciones, se utiliza un unico reactor de vapor, mientras que, en otras realizaciones, se utilizan dos o mas reactores de vapor en serie con las condiciones de cada reactor seleccionadas para obtener diferentes productos,
En algunas realizaciones, la etapa de hidrolisis emplea uno o mas de los tratamientos EM/EA, tales como los
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tratados en otra parte del presente documento, para mejorar la transferencia de calor y ayudar en la degradacion de la hemicelulosa. Por ejemplo, uno o mas de PEF, US o microondas se pueden aplicar a la biomasa en, o antes de, el reactor de hidrolisis de hemicelulosa. En algunas realizaciones, un generador de ultrasonidos produce energfa ultrasonica dentro, o inmediatamente antes, del reactor para dirigir la energfa ultrasonica a la biomasa a medida que entra o pasa a traves del reactor. Los parametros de energfa ultrasonica vanan con la materia prima y la reaccion o los productos deseados y pueden ser, tfpicamente,: frecuencia de 20 a 40 kHz o de 200 kHz a 1 MHz; duracion de 1 a 5 segundos o de 30 a 90 segundos. La energfa ultrasonica (o microondas) puede proporcionar un metodo suplementario de calentamiento de la biomasa en el reactor de hemicelulosa calentando la biomasa internamente, haciendo que la reaccion de hidrolisis de hemicelulosa sea mas rapida.
En algunas realizaciones, la hidrolisis de hemicelulosa comienza en una primera etapa o ubicacion de vapor sobrecalentado, tal como un tubo o circuito de vapor continuo y, a continuacion, continua en una segunda ubicacion o etapa de vapor sobrecalentado o saturado, tal como fuera del tubo o circuito de vapor. En algunas realizaciones, esta segunda etapa esta aproximadamente a la misma temperatura y presion que la primera etapa, actuando la segunda etapa como un sistema de retencion, permitiendo que la reaccion de hemicelulosa que comenzo en la camara de reaccion o en el circuito de vapor se complete. La biomasa puede mantenerse en este sistema de retencion durante un tiempo suficiente para que la reaccion de hidrolisis de hemicelulosa llegue a su termino, tal como de aproximadamente uno a dos minutos, por ejemplo, a una temperatura deseada. La terminacion de las reacciones de hidrolisis podna llevarse a cabo a una temperatura mas baja, pero se requerinan tiempos de residencia mas largos para completar la hidrolisis. El sistema de retencion puede comprender un deposito de retencion, por ejemplo o puede ser un sistema transportador, tal como un transportador de movimiento lento. Como alternativa, todo el proceso de hidrolisis de hemicelulosa puede producirse dentro de una unica etapa o ubicacion, tal como manteniendo la biomasa en una camara de reaccion o manteniendola dentro del tubo o circuito de vapor durante un tiempo mas largo, suficiente para que la reaccion de hidrolisis de hemicelulosa llegue a su termino. Sin embargo, la longitud del circuito/tubo de vapor es directamente proporcional al coste del sistema, por lo que puede ser mas costoso alargar el tubo o circuito de vapor que incluir una segunda etapa separada fuera del circuito/tubo de vapor.
El proceso de la reaccion comienza en el ambiente de vapor sobrecalentado. Sin embargo, las dos etapas de la reaccion no se correlacionan necesariamente con las dos etapas del proceso de vapor sobrecalentado descrito anteriormente. La seccion de circuito/tubo sobrecalentado se emplea para proporcionar la transferencia de calor para iniciar la reaccion, ayudada, cuando sea deseable, con tratamientos de EM/Ea. Posteriormente, los parametros de reaccion se pueden determinar basandose en factores economicos y de conveniencia. Debe observarse que las hemicelulosas y las celulosas no son moleculas sencillas, puras, sino mezclas de polfmeros, copolfmeros y polfmeros reticulados, formados a partir de una serie de azucares monomericos. Cada uno de tales polfmeros tiene su propia cinetica de hidrolisis.
En algunas realizaciones, se proporcionan dos o mas reactores continuos de vapor de agua sobrecalentado de hemicelulosa en una serie. El primer reactor puede estar a una temperatura mas baja que el segundo reactor. Si se utiliza un tercer reactor, temperatura del segundo reactor puede ser menor que el tercer reactor. Por ejemplo, el primer reactor de hemicelulosa puede hidrolizar parcialmente la hemicelulosa (usando una temperatura mas baja y/o un tiempo de reaccion mas corto que el segundo reactor), produciendo oligomeros, tales como oligomeros que tienen 2-20 azucares. A continuacion, se retiranan estos oligomeros y otros productos, tal como mediante lixiviacion o prensa a alta presion, y el componente solido restante procedena a continuacion para su posterior procesamiento. En el segundo reactor de hemicelulosa, se pudo completar la hidrolisis de hemicelulosa, produciendo monomeros de azucar hemicelulosicos.
A continuacion, se retira la hemicelulosa hidrolizada de la biomasa. Los azucares de C5 algunos de C6 producidos por hidrolisis de hemicelulosa son generalmente solubles en agua y pueden disolverse en el agua circundante y absorberse en la biomasa despues de la exposicion al vapor sobrecalentado. Esta solucion puede ser una solucion de azucar relativamente compleja, que comprende los azucares monomericos particulares de la materia prima seleccionada, mas algunos oligomeros de las hemicelulosas y algunos azucares, oligomeros, etc. de las celulosas y derivados de azucar (azucares anhidros, etc.). Otros contaminantes pueden incluir volatiles residuales, tales como acido acetico, alcoholes, etc. y cualquier otro componente soluble, tal como aminoacidos, sales minerales, etc.
En algunas realizaciones, los azucares se retiran de la biomasa en una sola o en multiples etapas, usando agua adicional y secuencias de lavado y separacion lfquido/solido. Por ejemplo, los azucares C5 y C6 pueden retirarse utilizando un flujo de agua contracorriente para lixiviar los azucares de hemicelulosa C5 y C6 de los solidos de la biomasa. En algunas realizaciones, los azucares de C5 y C6 pueden retirarse despues de la primera disminucion de la presion, tal como entre aproximadamente la presion atmosferica y aproximadamente 2 bares, y, despues, ventilar los vapores para evaporar una parte del agua que contiene los azucares disueltos. El vapor instantaneo, que contendra licor cargado de azucar arrastrado, se puede condensar en un condensador directo o indirecto y el licor recuperado se envfa para la recuperacion de azucar. A continuacion, los azucares hemicelulosicos hidrolizados se lixivian de la biomasa. En algunas realizaciones, la lixiviacion a baja presion emplea un flujo de agua a contracorriente para retirar los azucares hemicelulosicos disueltos. En otras realizaciones, los azucares hemicelulosicos disueltos pueden retirarse utilizando una o mas etapas de lavado y separacion a alta presion, tal
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como usando el equipos de extrusion o compresion, tales como prensas de tomillo de alta presion y equipos de lavado continuo, tales como transportadores o tomillos de contraflujo. En algunas realizaciones, los azucares hemicelulosicos disueltos se pueden retirar utilizando tanto prensas como procesos de lixiviacion a baja presion. En algunas realizaciones, el proceso completo de hidrolisis y retirada de hemicelulosa puede durar aproximadamente de uno y medio a tres minutos.
La etapa de lixiviacion o expresion de la biomasa para la retirada de los azucares hemicelulosicos y la separacion de la biomasa en un componente lfquido y un componente solido puede realizarse mediante un equipo de extraccion continua a contracorriente o a favor de corriente, tal como un transportador o extrusor de tornillo simple o doble, un extractor de placas verticales, un extractor rotatorio o una centrifugadora extractora, por ejemplo.
Los azucares hemicelulosicos aislados que incluyen monomeros y oligomeros de azucar de C5 y C6 (y derivados, tales como azucares anhidros, aldefudos, etc.) son utiles como productos individuales y tienen diversos usos comerciales. En algunas realizaciones, pueden usarse algunos azucares de C5 y derivados de azucar para la fermentacion, tal como para la produccion de alcoholes, incluyendo etanol y alcoholes superiores, tales como butanol. Dichos procesos de fermentacion pueden realizarse junto con el proceso de fraccionamiento o pueden realizarse por separado. En algunas realizaciones, los azucares de C5 aislados pueden procesarse adicionalmente, tal como para la conversion en otras sustancias qmmicas. Por ejemplo, los azucares de C5 pueden convertirse en furfural. Los productos de hidrolisis de hemicelulosa tambien se pueden pasar para procesamiento adicional en paralelo con, o junto con, productos de hidrolisis de celulosa. Algunos de estos procesos se identifican mas adelante, en la discusion del procesamiento de celulosa.
En la Figura 4 se muestra una realizacion de un sistema y proceso de dos etapas para la hidrolisis en vapor de hemicelulosa en flujo continuo. La biomasa, tal como la biomasa desvolatilizada producida por el sistema de la figura 2, pasa a un sistema de alimentacion de solidos 50, al igual que los sistemas de alimentacion de solidos descritos anteriormente. El sistema de alimentacion de solidos 50 inyecta la biomasa en el circuito de vapor continuo 52 en la entrada del circuito de vapor 54. El soplador 56 mueve el vapor y la biomasa arrastrada a traves del circuito de vapor 52, que hace circular el vapor a traves del circuito vapor 52. La biomasa fluye de forma turbulenta y se calienta rapidamente dentro del circuito de vapor 52, comenzando la hidrolisis de la hemicelulosa. De nuevo, tambien se puede emplear en este circuito, opcionalmente, un generador 58 de tratamiento EM/EA. La biomasa pasa a traves del circuito de vapor 52 a traves de la entrada del separador 60 al separador 62, tal como un separador ciclonico, que separa el vapor de la biomasa. El vapor sale del separador 62 a traves de una primera salida del separador 64 para continuar circulando a traves del circuito de vapor 52. La biomasa calentada sale del separador 62 a traves de una segunda salida del separador 66 y pasa al sistema de retencion 68, que, en la realizacion mostrada, es un transportador de tornillo de movimiento lento a la misma temperatura y presion que el circuito de vapor 52. La hidrolisis de hemicelulosa continua completandose dentro del sistema de retencion 68. Al final del sistema de retencion 68, la biomasa se mueve a un sistema de alimentacion de solidos 70 y al sistema de lixiviacion de azucar de hemicelulosa 72. En la realizacion mostrada, el agua fluye a traves de la biomasa para lavar los azucares a contracorriente cuando la biomasa se mueve a lo largo del transportador. El agua sale del sistema de lixiviacion para la recuperacion de los azucares hemicelulosicos. Esta lixiviacion a baja presion puede durar aproximadamente de cuatro minutos y medio a cinco minutos y medio. Los azucares hemicelulosicos se pueden separar despues del agua por destilacion convencional o por tecnicas tales como pervaporacion y filtracion (utilizando membranas), destilacion reactiva o extraccion, por ejemplo. la biomasa solida a partir de la que se ha retirado la hemicelulosa y que ahora incluye celulosa y lignina sale del sistema de lixiviacion 72 y continua para su posterior procesamiento. La biomasa solida puede incluir muy poca hemicelulosa, tal como de 5 % a 10 % en peso de hemicelulosa. En algunas realizaciones, la biomasa solida pasa para la eliminacion de los azucares de la celulosa, tal como por el sistema mostrado en la figura 8.
En la figura 5 se muestra una realizacion alternativa. Como en la figura 4, la hidrolisis de hemicelulosa se realiza usando un circuito de vapor y un transportador de tornillo. En esta realizacion alternativa, la biomasa que contiene los azucares de hemicelulosa pasa del sistema de retencion 68 a una primera prensa de tornillo de alta presion 74 para deshidratar la biomasa y, despues, al tornillo de mezcla y lavado 76. Una segunda prensa de tornillo de alta presion 78 se muestra en la figura 8, donde tambien funciona como un tornillo de alimentacion 81 para la etapa de secado. Esta expresion de alta presion puede durar aproximadamente de un minuto y medio a tres minutos.
Un sistema alternativo para la hidrolisis de la hemicelulosa se muestra en la Figura 6, que tiene dos reactores de hemicelulosa en serie para la primera etapa. El primer reactor de hemicelulosa y el sistema de lixiviacion de azucar hemicelulosico se describen con respecto a la figura 4, aunque las condiciones de reaccion (tales como la temperatura, la presion y el tiempo de reaccion) pueden modificarse de tal manera que la hidrolisis de hemicelulosa sea incompleta. Los productos de hemicelulosa hidrolizados del primer reactor de hemicelulosa son lixiviados por el sistema de lixiviacion 72 y el solido residual que incluye la hemicelulosa no hidrolizada, la celulosa y la lignina se pasan al segundo reactor de hidrolisis de hemicelulosa. El solido residual se vuelve a presurizar usando un sistema de alimentacion de solidos, tal como un sistema de tolva de bloqueo/tanque de soplado. El segundo reactor de hemicelulosa incluye los mismos componentes que el primer reactor de hemicelulosa, pero puede aplicar diferentes condiciones de reaccion. Por ejemplo, el tiempo, la temperatura o la presion pueden ser tales que la hidrolisis de la hemicelulosa sea completa. El producto de azucar hemicelulosico puede ser azucares monomericos, por ejemplo, y
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el solido residual puede ser celulosa y lignina con solo un pequeno componente de hemicelulosa, tal como menor del 10 %. En la realizacion mostrada, el segundo reactor de hemicelulosa incluye un segundo sistema de alimentacion de solidos 250, un segundo circuito de vapor continuo 252 que tiene una entrada 254 para la entrada de biomasa y un soplador 256 para el vapor circulante. Los tratamientos EM/EA pueden aplicarse mediante un generador de tratamiento EM/eA 258. Un segundo separador 262 incluye una entrada 260, una primera salida del separador 264 para que el vapor salga y una segunda salida del separador 266 para pasar la biomasa a un segundo sistema de retencion 268 y, a continuacion, a un segundo sistema de alimentacion de solidos 270 y a un segundo sistema de lixiviacion de azucar de hemicelulosa 272.
En la figura 7 se muestra una realizacion alternativa adicional. En esta realizacion, como en la figura 6, hay dos circuitos del reactor de hemicelulosa en serie. En esta realizacion, sin embargo, despues de salir del sistema de retencion 68, el agua que incluye la hemicelulosa hidrolizada se retira utilizando prensas de tornillo de alta presion como en la figura 5. Una primera prensa de tornillo de alta presion 74 elimina la biomasa, seguida de un tornillo de mezcla y lavado 76. Una segunda prensa de tornillo de alta presion 78 se muestra despues del primer reactor de hemicelulosa, mientras que la segunda prensa de tornillo de alta presion 78 que sigue al segundo reactor de hemicelulosa puede verse en la figura 8, donde tambien funciona como un tornillo de alimentacion 81 para la etapa de secado. Como en la figura 6, la biomasa se vuelve a presurizar antes de entrar en el segundo reactor de hidrolisis de hemicelulosa por medio de la prensa de tornillo de alta presion 78.
En algunas realizaciones, el componente solido que queda despues de la retirada de azucares hemicelulosicos se procesa adicionalmente para la retirada de azucares celulosicos, tal como mediante los procedimientos descritos en el presente documento. En otras realizaciones, el componente solido que incluye celulosa y lignina y relativamente libre de hemicelulosa, tal como que tiene menos del 10 % de hemicelulosa, puede usarse para otros procesos, tal como para la produccion de carton comprimido. El solido de celulosa y lignina puede combinarse con una resina tradicional, tal como urea o formaldetudo. Como alternativa, la hemicelulosa obtenida como se describe en el presente documento puede convertirse en una resina por procesamiento qmmico separado y combinarse con el solido de celulosa y lignina para fabricar carton comprimido.
Hidrolisis de celulosa
En realizaciones en las que se continua el biofraccionamiento, la celulosa y la lignina en el solido restante se separan una de otra. Esto puede realizarse mediante solubilizacion con disolvente de lignina, mediante procedimientos hidroltticos enzimaticos o acidos (diluidos o concentrados) o mediante procesos piroltticos a alta temperatura. En algunas realizaciones, la biomasa de celulosa se somete a termolisis ultrarrapida para romper los enlaces de lignina de la celulosa, hidrolizar simultaneamente la celulosa y vaporizar los productos de la hidrolisis.
Despues de la retirada de la hemicelulosa, tal como por el proceso mostrado en las figuras 3-7, la biomasa solida restante incluye, principalmente, celulosa y lignina. En muchas realizaciones, sobre una base seca, la biomasa solida restante es aproximadamente 60-70 % de lignina y 30-40 % de celulosa, con pequenas cantidades de insolubles, tales como sales inorganicas. En algunas realizaciones, la biomasa solida se deshidrata para eliminar el agua de superficie suelta, como puede ser necesario para el procesamiento posterior. Por ejemplo, el agua se puede retirar utilizando una prensa de alta presion. En algunas realizaciones, la biomasa solida tiene un contenido de agua de mas de aproximadamente 60 %, tal como aproximadamente 60-75 % antes de la deshidratacion. Despues de la deshidratacion, el contenido de agua de la biomasa puede reducirse a menos de aproximadamente 60 %, tal como aproximadamente 50 a 60 %.
En algunas realizaciones, el solido deshidratado puede secarse despues utilizando un reactor de vapor sobrecalentado (por ejemplo, un circuito, un tubo, etc.). El proceso de deshidratacion produce vapor de alta presion. Este vapor adicional se puede recuperar para su uso como energfa y la presion utilizada en el proceso de deshidratacion puede determinarse en base a los requisitos de recuperacion de energfa. Esta recuperacion de energfa puede producirse mediante el uso directo del vapor en otra parte del proceso de fraccionamiento. Ademas, o como alternativa, la energfa puede recuperarse despues de la transferencia de calor a un fluido limpio, tal como a traves de un turbo-generador de reduccion de presion para generar energfa. Los sistemas que pueden usarse para la etapa de secado del componente solido de la biomasa incluyen reactores de vapor continuos, tales como reactores convencionales de uno o varios tubos con o sin elementos internos estaticos o rotatorios, transportadores o extrusores de tornillo, reactores de lecho fluidizado, tales como un lecho de burbujeo, de chorros o de lecho circulante, reactores ablativos y, por lo general, cualquier sistema continuo de paso simple.
El uso de un tubo o circuito de vapor para el secado tambien permite que el proceso de secado sea continuo. Como alternativa o adicionalmente, en algunas realizaciones, el secado puede realizarse por contacto directo con una corriente de gas caliente, seco (tal como gases de escape de combustion) o por una serie de sistemas de secado continuos indirectos, incluyendo secadores de cinta y rotativos. La biomasa se puede secar hasta un contenido en agua de aproximadamente 1 a 10 %, y tal como un contenido en agua de aproximadamente 2 a 4 %. En algunas realizaciones, el proceso de secado puede durar de uno a dos minutos (incluyendo cuatro a cinco segundos en el circuito/tubo de vapor).
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En algunas realizaciones, la biomasa solida restante se procesa adicionalmente para reducir su tamano. Por ejemplo, la biomasa puede cortarse en trozos pequenos usando un molino de desgaste o un molino para reducir el solido a un polvo fino. En algunas realizaciones, puede usarse un intervalo de tamanos de aproximadamente 0,5 a 5 mm de diametro, mientras que en otras realizaciones se puede usar un intervalo de tamanos de aproximadamente 2 a 3 mm de diametro. La reduccion de tamano se utiliza para asegurar que la partfcula alcanza rapidamente la temperatura a la que tiene lugar la termolisis, tal como en aproximadamente 0,5 a 3 segundos. El desgaste de la biomasa puede utilizarse en realizaciones en las que la biomasa experimental por ejemplo una termolisis ultrarrapida. por ejemplo. En realizaciones en las que la termolisis de la celulosa incluye tratamientos EM/EA, el secado y/o el desgaste de la biomasa pueden ser opcionales.
A continuacion, se puede realizar termolisis ultrarrapida sometiendo la biomasa a vapor o gas inerte, o una combinacion de vapor y gas inerte, opcionalmente junto con uno o mas de los tratamientos EM/EA. Los tratamientos EM/EA pueden emplearse para aumentar la velocidad de transferencia de calor y ayudar a romper las estructuras microcristalinas de las moleculas polimericas mas grandes y mas complejas. En algunas realizaciones, se pueden aplicar uno o mas de PEF, energfa ultrasonica o energfa de microondas a la biomasa inmediatamente antes de que entre o cuando pase a traves del reactor de celulosa o de cualquier reactor posterior. Como tal, una parte del reactor puede incluir un generador de tratamiento EM/EA para dirigir el tratamiento EM/EA a la biomasa antes o cuando pasa a traves del tubo del reactor, por ejemplo. En algunas realizaciones, se aplica energfa de microondas, mientras que en otras realizaciones se aplica energfa ultrasonica, mientras que en todavfa otras realizaciones, tanto la energfa de microondas como la de ultrasonidos se aplican a la biomasa en, o antes, el mismo reactor. La energfa de microondas y ultrasonidos se puede aplicar en cualquier orden, por separado, en proximidad inmediata, consecutiva o simultaneamente. Esta combinacion de tratamientos puede ser particularmente util, ya que la energfa de ultrasonidos puede romper los cristales de celulosa, mientras que la energfa de microondas puede proporcionar un calentamiento rapido. En algunas realizaciones, la energfa de ultrasonidos se puede aplicar a una frecuencia de 20 a 40 kHz o de 200 kHz a 1 MHz y una duracion de 1 a 5 segundos o de 30 a 90 segundos. la energfa de microondas se puede aplicar a una frecuencia de 0,8 a 3 GHz y una duracion de 1 a 10 segundos. En algunas realizaciones, cuando los tratamientos de EM/EA se usan en la etapa de hidrolisis de celulosa, las etapas de secado y/o desgaste de la biomasa antes de introducirla en el reactor de celulosa se pueden omitir.
La termolisis ultrarrapida se puede realizar usando un proceso continuo, tal como alimentando la biomasa en un reactor de vapor continuo. En algunas realizaciones, el reactor incluye solamente vapor como gas portador. En otras realizaciones, el vapor se utiliza en combinacion con un gas inerte para hidrolizar y transportar la biomasa. Entre los ejemplos de gases inertes que se pueden usar incluyen CO2, CO, nitrogeno, hidrogeno o combinaciones de los mismos. Ciertos gases portadores pueden dar lugar a reacciones que favorecen la produccion de ciertos productos de celulosa. Como tal, el gas o gases portadores se pueden seleccionar y utilizar de acuerdo con los productos deseados. Por ejemplo, el uso de hidrogeno como gas portador puede dar lugar a la produccion de bioaceites menos oxigenados.
En algunas realizaciones, el vapor y/o gas sobrecalentado se pueden aplicar a la biomasa a una temperatura entre aproximadamente 350 y aproximadamente 550 grados centfgrados. En algunas realizaciones, el vapor y/o gas sobrecalentado puede aplicarse a la biomasa a una temperatura entre aproximadamente 400 y aproximadamente 450 grados centfgrados. Las temperaturas reales dependen de la materia prima y de los productos deseados. En algunas realizaciones, el vapor y/o gas sobrecalentado pueden aplicarse a la biomasa a una presion de entre aproximadamente 0 bar y aproximadamente 4 bares, tal como a una presion de entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 2 bares, dependiendo de las perdidas de presion en el sistema. Utilizando la temperatura y el tiempo de residencia apropiados, se rompe la union entre la lignina y la celulosa, y la celulosa se hidroliza por el vapor en azucares de C6 y otros compuestos volatiles que se vaporizan. El solido que permanece despues de la vaporizacion de la celulosa consiste en un carbon de lignina. En algunas realizaciones, se puede seleccionar la presencia de vapor y el uso de una temperatura que sea suficientemente baja para evitar sustancialmente la pirolisis de la biomasa, lo que causana que la celulosa formara una proporcion mucho mayor de diversos hidrocarburos tales como alquitranes, aceites y gases. Por lo tanto, en dichas realizaciones, la temperatura de la reaccion de termolisis debe ser lo suficientemente alta para la hidrolisis pero no demasiado alta o bien la celulosa se pirolizara y la composicion qmmica de los productos se alterara en gran medida. En algunas realizaciones, la termolisis puede durar de aproximadamente 30 segundos a un minuto (incluyendo de medio a cinco segundos en el reactor).
En otras realizaciones, la termolisis de celulosa puede realizarse usando dos o mas reactores continuos de vapor y/o gas sobrecalentado. Las condiciones de reaccion del primer reactor de celulosa, incluyendo temperatura, presion, tiempo de reaccion y gas portador, pueden seleccionarse de tal manera que la reaccion de hidrolisis de la celulosa favorezca la produccion de uno o mas primeros productos celulosicos. Por ejemplo, el primer reactor de celulosa puede producir oligomeros de celulosa o una proporcion mas elevada de un azucar de C-6 espedfico. El segundo reactor de celulosa y cualquiera reactor de celulosa posterior pueden tener diferentes condiciones de reaccion, tal como para completar la hidrolisis de la celulosa. En dichas realizaciones, el segundo reactor puede considerarse un segundo reactor de hidrolisis de celulosa. Por ejemplo, el primer reactor de celulosa puede estar a una temperatura de 350-500 °C, mientras que el segundo reactor de celulosa puede estar a una temperatura de 450-550 °C, siendo la temperatura en el primer reactor menor que en el segundo reactor. En otras realizaciones, el segundo reactor puede proporcionar condiciones para pirolizar la lignina, en cuyo caso el segundo reactor puede comprender un reactor de
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pirolisis de lignina. Esto puede seguir a la hidrolisis completa de la celulosa. Por ejemplo, el primer reactor puede hidrolizar la celulosa a una temperatura de aproximadamente 350-550 °C y el segundo reactor puede pirolizar la lignina a una temperatura de 450-650 °C, con la temperatura del primer reactor menor que el segundo reactor. En otras realizaciones adicionales, la hidrolisis de celulosa puede realizarse parcialmente mediante un primer reactor de hidrolisis de celulosa para producir un primer producto de azucar celulosico y, despues, la hidrolisis de celulosa puede completarse mediante un segundo reactor de hidrolisis de celulosa. Por tanto, un tercer reactor (un reactor de pirolisis de lignina) puede pirolizar la lignina. En dichas realizaciones, el primer reactor puede estar a una temperatura de 350-500 °C, el segundo reactor puede estar a una temperatura de 400-550 °C y el tercer reactor puede estar a una temperatura de aproximadamente 450-650 °C, siendo la temperatura en el primer reactor menor que en el segundo reactor y siendo la temperatura en el segundo reactor menor que en el tercer reactor.
En algunas realizaciones, el reactor final puede tratar la fraccion de lignina restante despues de la eliminacion de la celulosa por uno o mas reactores de celulosa para gasificar la lignina. Tal reactor puede ser un reactor de vapor continuo como los utilizados para la termolisis de la celulosa, pero puede aplicar una temperatura mas alta, tal como aproximadamente 900-1200°C, para producir hidrogeno y monoxido de carbono que pueden usarse para procesos de conversion qmmica.
Los azucares de C6 vaporizados y volatiles pueden separarse a continuacion de la biomasa remanente y recogerse. En algunas realizaciones, la biomasa restante (tal como carbon de lignina) y los vapores se pasan a un separador para separar los vapores de los solidos, tal como un separador ciclonico, que puede estar en lmea dentro del circuito/tubo de vapor. El vapor separado incluye los vapores celulosicos hidrolizados, que a continuacion pueden condensarse, tal como mediante un condensador de contacto directo, un depurador o un aparato similar. Estos vapores tambien contienen energfa termica significativa, que puede recuperarse. Los azucares celulosicos pueden extraerse entonces del lfquido condensado, mediante, por ejemplo, cualquiera de las tecnologfas enumeradas anteriormente para los productos de hemicelulosa. Los azucares celulosicos separados pueden incluir glucosa, levoglucosano y acido levulmico, por ejemplo. Los azucares celulosicos y los otros productos recogidos pueden utilizarse despues para diversos propositos comerciales o para su posterior procesamiento, tal como la fermentacion para producir alcoholes, ya sea en combinacion con el proceso de fraccionamiento o por separado. Otras tecnologfas posteriores que pueden utilizar los productos primarios de este proceso de fraccionamiento incluyen el proceso de reforma de la fase acuosa de Virent (para gasolina sintetica, combustible pesado y diesel); tecnologfas de monomero binario de Segetis; y otros procesos de conversion catalttica y procesos de reaccion qmmica o bioqmmica.
El solido que queda despues de la hidrolisis de la celulosa es un carbon de lignina. El carbon de lignina puede procesarse adicionalmente. Por ejemplo, a lignina puede convertirse qmmicamente en otros productos, tales como fenoles, lignosulfonatos solubles y, mas generalmente, en una gama de materias primas aromaticas, dclicas y alifaticas. Como alternativa, algunos tipos de lignina pueden pirolizarse para producir fenoles para resinas sinteticas. En algunas realizaciones, la lignina se puede alimentar en un reactor como el reactor de celulosa, como reactor final. Este reactor de lignina puede usarse para pirolizar la lignina para producir productos fenolicos, por ejemplo. En otras realizaciones, la lignina puede quemarse para producir energfa, tal como para el funcionamiento del sistema de fraccionamiento. En todavfa otras realizaciones, la lignina puede gasificarse para producir hidrogeno y gas de smtesis, encontrando el hidrogeno utilizada en las reacciones de reduccion de algunos de los otros productos primarios,
La termolisis y la pirolisis pueden llevarse a cabo en reactores de tubo de flujo arrastrado sencillos o reactores de lecho fluidizado. Ejemplos de reactores de lecho fluidizado que pueden usarse incluyen lecho fluidizado de burbujeo o un lecho fluidizado circulante, o en reactores especiales, tales como un reactor de cono giratorio u otro reactor de tipo ablativo. En las realizaciones que incluyen un reactor de gasificacion de lignina, el reactor puede ser cualquiera de los reactores anteriores usados para la termolisis o pirolisis, o puede ser un reactor de lecho fijo de arrastre ascendente o de arrastre descendente. por ejemplo.
Los reactores de lecho fluidizado requieren, generalmente, un medio inerte y calentar la biomasa a traves del contacto con el medio particulado precalentado. El medio inerte tambien puede tener cierta actividad catalftica. La biomasa se introduce en el lecho inerte, que es fluidizado por una corriente de gas caliente que pasa a traves de ella.
En la figura 8 se muestra una realizacion de un sistema y procedimiento para hidrolisis y fraccionamiento de celulosa. Despues de la hidrolisis de la hemicelulosa, tal como mediante el sistema mostrado en las figuras 3-7, la biomasa puede prepararse para la termolisis ultrarrapida mediante desecacion de la biomasa. La biomasa se pasa a traves de la prensa de tornillo de alta presion de deshidratacion final 78 que tambien funciona como tornillo de alimentacion, por ejemplo, y en un circuito de vapor de calor sobrecalentado 80 a traves de una entrada del circuito de vapor 82 para vapor de agua sobrecalentado secando la biomasa. El circuito de vapor sobrecalentado 80 incluye un soplador 84 que hace que el vapor y la biomasa arrastrada circulen a traves del circuito de vapor 80 al separador 86, tal como un separador ciclonico, que separa el vapor de la biomasa. El separador incluye una entrada 88, una primera salida 90 a traves de la cual sale el vapor para recircular en el circuito de vapor 80 y una segunda salida 92 a traves de la cual sale la biomasa seca. Despues de salir del separador, la biomasa puede pasar al sistema de
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trituracion 94. Desde el sistema de trituracion 94, la biomasa pasa a un sistema de alimentacion de solidos 96, como los descritos anteriormente, y luego al reactor de vapor 100 a traves de la entrada 102 del reactor de vapor para la separacion de la celulosa de la lignina, la hidrolisis de la celulosa en vapores de azucares de C6 y otros volatiles, y la formacion de carbon de lignina dentro del reactor de vapor 100. El reactor de termolisis tambien puede contener opcionalmente uno o mas del generador de tratamiento EM/EA 103. Los vapores de celulosa y el carbon de lignina pasan a traves del reactor 100 de vapor a un separador 104, tal como un separador ciclonico, en el que el azucar de C6 y otros vapores volatiles se separan del carbon de lignina. El separador incluye una entrada 106, una primera salida 108 a traves de la cual los vapores de azucar de C6 separados y vapor salen del separador y una segunda salida 110 a traves de la cual el carbon de lignina sale del separador.
En la figura 9 se muestra una realizacion alternativa. Como en la figura 8, la biomasa puede pasar primero a traves de un circuito de vapor sobrecalentado 80 para el secado y un sistema de trituracion 94. El material solido que incluye celulosa y lignina pasa a continuacion a un primer reactor de vapor 100 para la hidrolisis de la celulosa y, despues, a traves del separador en un segundo reactor 200 de vapor. Las condiciones del primer reactor de vapor 100 solo pueden hidrolizar parcialmente la celulosa, en cuyo caso el primer reactor de vapor 100 es un primer reactor de hidrolisis de celulosa y el segundo reactor de vapor 200 puede ser un segundo reactor de hidrolisis de celulosa que completa la hidrolisis de celulosa. Como alternativa, el primer reactor de vapor 100 puede completar la hidrolisis de la celulosa de tal manera que el solido restante este compuesto solamente por lignina, en cuyo caso el segundo reactor de vapor 200 puede ser un reactor de lignina para la pirolisis de la lignina. El producto resultante del segundo reactor puede separarse por un separador 110, en fenoles y alquitran.
En la figura 9, el segundo reactor 200 de vapor es un tubo de vapor sobrecalentado como el primer reactor 100 de vapor. La biomasa restante pasa del primer separador 104 al segundo reactor 200 de vapor. El segundo reactor de vapor 200 incluye una entrada 202 y una salida 206 a traves de la cual la biomasa restante pasa a un segundo separador 204. El segundo separador incluye una primera salida 208 y una segunda salida 210. En la realizacion mostrada, el primer reactor de vapor 100 hidroliza completamente la celulosa y el segundo reactor de vapor 200 piroliza la lignina para producir fenoles. Los fenoles salen del separador como vapor a traves de la primera salida 208 mientras que el carbon de lignina restante sale del separador a traves de la segunda salida 210. En realizaciones alternativas, o en condiciones alternativas, el primer reactor de vapor 100 puede hidrolizar incompletamente la celulosa y el segundo reactor de vapor puede completar la hidrolisis de celulosa con los productos celulosicos que salen del segundo separador 204 como vapor a traves de la primera salida 208 y el carbon de lignina existente a traves de la segunda salida 210.
En algunas realizaciones, el biofraccionamiento puede incluir una rama despues de la retirada de los azucares hemicelulosicos y antes de que la celulosa y la lignina restantes continuen a la termolisis de celulosa. En esta rama, una corriente lateral de solidos de celulosa y lignina puede desviarse para procesamiento separado. Por ejemplo, la corriente lateral puede someter el solido a tratamiento qmmico para separar la celulosa y la lignina. Por ejemplo, un tratamiento estandar de pulpa de madera, tal como el proceso con sulfito (utilizando sales de acido sulfuroso como sulfitos o bisulfitos) o el proceso kraft (utilizando hidroxido de sodio y sulfato de sodio) o el proceso de fraccionamiento limpio en laboratorio nacional de energfas renovables (National Renewable Energy Laboratory (NREL)) usando metilisobutilcetona) para disolver la lignina. Por tanto, la pasta de celulosa resultante se puede obtener como producto que se puede usar para la produccion de papel o productos qmmicos celulosicos y fibras. Tal corriente lateral opcional proporciona flexibilidad adicional al sistema.
Los diversos sistemas y procesos mostrados en las Figuras 1-9 se pueden usar individualmente, en combinacion con otros sistemas de fraccionamiento o pueden usarse juntos en diversas combinaciones. Cuando se usan conjuntamente, los sistemas y procesos mostrados en las figuras 1-9 pueden usarse para formar una realizacion de un sistema de fraccionamiento en flujo continuo para la separacion de los no carbohidratos (lfpidos, protemas, etc.), hemicelulosa, celulosa y lignina de un material de biomasa lignocelulosica en el que la biomasa fluye continuamente a traves de todo el sistema. El sistema continuo separa el material lignocelulosico en cuatro o mas fracciones separadas, aislando individualmente los no carbohidratos, los azucares hemicelulosicos, los azucares celulosicos y la lignina.
En la figura 10 se muestra un diagrama de flujo que muestra un ejemplo de como se puede usar el proceso para fraccionar totalmente la biomasa lignocelulosica. Se puede crear un sistema unico mediante el cual se pueden incluir las diversas opciones y que se pueden sortear segun se desee. De esta forma, el sistema proporciona un alto grado de flexibilidad, capaz de acomodar cualquier materia prima y de ajustarse para producir los productos de fraccionamiento deseados. Como se muestra en el ejemplo de la figura 10, la primera etapa de es la preparacion de la biomasa 302. Esta etapa puede o no ser necesaria, dependiendo de la naturaleza y la fuente de la biomasa. si se desean extractos, la siguiente etapa es eliminar los extractos 304. Si no se desean extractos, se puede omitir o sortear esta etapa. A continuacion, la biomasa pasa a la siguiente etapa, que es la desvolatilizacion 306. Los volatiles liberados durante esta etapa pueden aislarse en la etapa de aislamiento de los volatiles 308. La biomasa procede a continuacion a las etapas de hidrolisis de hemicelulosa 310 y separacion de los componentes lfquidos y solidos 312. El componente lfquido puede despues proceder a la etapa de aislamiento de los productos hemicelulosicos 314. Si la hidrolisis de hemicelulosa no es completa, el solido puede continuar a traves de las etapas de hidrolisis de hemicelulosa 310 y separacion de los componentes lfquidos y solidos 312 de nuevo, aunque esto
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ocurrira en un segundo reactor de hemicelulosa y puede usar diferentes condiciones de reaccion, tales como con incremento del tiempo y/o la temperatura. Cuando la hidrolisis de hemicelulosa esta completa, la biomasa solida pasa a la etapa de hidrolisis de la celulosa 316. Los vapores producidos por la hidrolisis de celulosa se afslan en la etapa de aislamiento de productos celulosicos 318. Si la hidrolisis de la celulosa es incompleta, la biomasa restante puede repetir la etapa de hidrolisis de la celulosa, aunque el proceso ocurrira en un segundo reactor de hidrolisis de celulosa y puede utilizar diferentes condiciones de reaccion, tales como con aumento del tiempo y/o la temperatura. Si la hidrolisis de celulosa esta completa, el carbon de lignina 320 resultante puede obtenerse como producto fina o puede proceder a la etapa de pirolisis de lignina 322 o de gasificacion de lignina 324. En una realizacion alternativa, despues de completarse la hidrolisis de hemicelulosa 310, el componente solido puede utilizarse para la produccion de carton comprimido 330.
Se puede suministrar calor a los diversos reactores usando diversos medios. Por ejemplo, se puede usar aceite caliente como en los sistemas de calefaccion convencionales, teniendo los reactores camisas de aceite caliente. En algunas realizaciones, la induccion puede usarse para calentar el vapor y/o calentar la biomasa. En otras realizaciones, puede utilizarse energfa infrarroja para el calentamiento.
Se han proporcionado varios tiempos de residencia aproximados. En algunas realizaciones, todo el proceso de fraccionamiento de biomasa pretratada esta entre cuatro y medio y once minutos y medio. En realizaciones que emplean un proceso de baja presion para separar la hemicelulosa hidrolizada del solido de lignina-celulosa en la etapa de hidrolisis, la biomasa pretratada puede fraccionarse en aproximadamente siete y medio a once minutos y medio y la biomasa cruda puede pretratarse completamente (incluyendo la extraccion de aceite) y fraccionado en aproximadamente catorce y medio a veintiun minutos. En las realizaciones que emplean un proceso de alta presion para separar la hemicelulosa hidrolizada del solido de lignina-celulosa en la etapa de hidrolisis, la biomasa pretratada puede fraccionarse en aproximadamente cuatro y medio a nueve minutos y la biomasa cruda puede tratarse completamente previamente (incluyendo extraccion de aceite) y fraccionado en aproximadamente once y medio a dieciocho minutos y medio.
En la descripcion detallada anterior, la invencion se ha descrito con referencia a realizaciones espedficas. Sin embargo, puede apreciarse que pueden realizarse diversas modificaciones y cambios.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de fraccionamiento de material de biomasa lignocelulosica que comprende:
    alimentar la biomasa a un reactor de desvolatilizacion para retirar los componentes volatiles no lignocelulosicos de la biomasa usando vapor sobrecalentado a una temperatura entre aproximadamente 120 °C y aproximadamente 220 °C y una presion comprendida entre aproximadamente 6 y aproximadamente 16 bar; despues de la desvolatilizacion, alimentar la biomasa a un reactor de hidrolisis de hemicelulosa para separar e hidrolizar hemicelulosa;
    separar la biomasa en un primer componente solido y un componente lfquido, en el que el componente lfquido incluye hemicelulosa hidrolizada en agua o disolvente y en el que el componente solido incluye celulosa y lignina y tiene menos de aproximadamente el 10 % de hemicelulosa;
    alimentar el componente solido a un reactor de hidrolisis de celulosa que comprende un reactor de vapor sobrecalentado para hidrolizar y vaporizar el componente de celulosa; y y condensar la celulosa hidrolizada y vaporizada.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el reactor de hidrolisis de celulosa aplica vapor sobrecalentado a la biomasa a una temperatura de al menos 300 °C, preferiblemente a una temperatura entre aproximadamente 350 y 550 °C.
  3. 3. El metodo de reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el reactor de hidrolisis de celulosa aplica presion a la biomasa de 1-3 bares.
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el reactor de hidrolisis de celulosa aplica una mezcla de vapor y un gas al componente solido, comprendiendo preferentemente el gas nitrogeno, hidrogeno, dioxido de carbono, monoxido de carbono o combinaciones de los mismos.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende, adicionalmente, aplicar un tratamiento electromagnetico o electroacustico (EM/EA) al componente solido inmediatamente antes de que entre en el reactor de hidrolisis de celulosa y/o a medida que pasa a traves del reactor de hidrolisis de celulosa, incluyendo el tratamiento con EM/EA, preferentemente, campo electrico pulsado, energfa ultrasonica, energfa de microondas y combinaciones de los mismos.
  6. 6. El metodo de reivindicacion 1, en el que el reactor de desvolatilizacion comprende un reactor de vapor continuo.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas alimentar el componente solido a un secador que comprende un reactor de vapor sobrecalentado continuo despues de separar la biomasa en el reactor de hidrolisis de hemicelulosa para reducir el contenido de agua del componente solido antes de alimentar el componente solido al reactor de hidrolisis de celulosa.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende, ademas, el desgaste del componente solido despues de separar la biomasa en el reactor de la hidrolisis de hemicelulosa y antes de alimentar el componente solido en el reactor de hidrolisis de la celulosa.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el reactor de hidrolisis de hemicelulosa comprende un reactor de vapor sobrecalentado continuo.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el reactor de hidrolisis de celulosa produce un vapor de celulosa y un carbon de lignina.
  11. 11. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el reactor de hidrolisis de celulosa hidroliza la celulosa y produce un vapor de azucar celulosico y un segundo componente solido.
  12. 12. El metodo de la reivindicacion 11, que comprende ademas alimentar el segundo componente solido a un segundo reactor de hidrolisis de celulosa que comprende un reactor de vapor sobrecalentado continuo.
  13. 13. El metodo de la reivindicacion 12, en el que el primer reactor de celulosa hidroliza parcialmente la celulosa y el segundo reactor de hidrolisis de celulosa completa la hidrolisis de la celulosa y separa la celulosa vaporizada de la lignina.
  14. 14. El metodo de la reivindicacion 11, que comprende ademas alimentar el segundo componente solido a un reactor de vapor sobrecalentado para reducir la lignina a un vapor condensable.
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