ES2648245T3 - Procedimiento para la producción de etanol durante una fermentación - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la producción de etanol, que comprende a. La reacción fermentativa de azúcares C5 y/o C6 para dar etanol en una disolución de fermentación; b. La eliminación in situ de etanol mediante paso a la fase gaseosa con ayuda de un gas soporte, manteniéndose la concentración de etanol en la disolución de fermentación por debajo de 5 % (w/v), y llevándose a cabo la rectificación de gas en una columna de rectificación de gas unida al fermentador, que se alimenta continuamente con la disolución de fermentación, y cuya salida conduce de nuevo al fermentador; c. Paso de la mezcla de etanol-gas soporte producida mediante la rectificación de gas a través de un adsorbedor de zeolita, adsorbiéndose etanol de la mezcla de reacción en un adsorbedor, y conectándose varias columnas de ad-/desorción en paralelo y/o en serie, y llevándose a cabo la adsorción en una columna simultáneamente a la desorción en otra columna; y d. La desorción del etanol adsorbido del adsorbedor, Recirculándose el gas soporte a la disolución de fermentación contenida en la columna de rectificación de gas tras la salida del adsorbedor.

Description

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La Figura 1b muestra una posible forma de realización del procedimiento según la invención, efectuándose en este caso la rectificación de gas en una columna de rectificación de gas externa conectada al fermentador (12). En este caso se alimenta disolución de fermentación a la columna de rectificación de gas externa, y la disolución rectificada se devuelve de nuevo a la disolución de fermentación contenida en la columna de rectificación de gas. Todos los demás pasos de procedimiento son análogos a la Figura 1a.

La Figura 7 muestra la configuración tipo “revólver”, en la que están conectadas en serie tres columnas (A1-A3) para la adsorción del gas de rectificación procedente del fermentador (F). Las columnas A4 a A6 están conectadas en paralelo. La columna A4 se calienta (a), la columna A5 se desorbe (b), y la columna A6 se refrigera (c). Una vez finalizado el tiempo del ciclo, la columna A3 llega a la fase de calentamiento (a), A4 se desorbe (b) y A5 se refrigera (c). Para la adsorción, las columnas A6, A1 y A2 están conectadas en serie posteriormente. Tras 6 tiempos de ciclo se desorbe de nuevo la misma columna como al comienzo, de modo que se completa un ciclo y comienza uno nuevo.

Ejemplos comparativos

Ejemplo comparativo 1 – Separación in situ de etanol durante la fermentación

A) Fermentación con Pachysolen tannophilus en medio sintético

Se fermentó Pachysolen tannophilus (DMSZ, Braunschweig) con y sin separación in situ de etanol, bajo condiciones idénticas por lo demás, durante 100 horas a 30ºC. El medio de fermentación estaba constituido por 5 g/L de extracto de levadura Bacto TM (Becton, Dickinson Co., Francia), 6,7 g/l de base nitrogenada de levadura 1x Difco sin aminoácidos (Becton, Dickinson Co., Francia), en 350 mL de H2O destilada. Se dispusieron dos cultivos de 350 mL respectivamente en botellas de vidrio Schott de 1 L con distribuidores de varias bocas de botella GL 45 impermeables a gases (Bola, Grünsfeld), que tenían tres accesos GL 14 para conexiones roscadas de tubo. Como fuente de carbono se usaron en cada caso 35 g de glucosa en el funcionamiento por cargas de alimentación. Se usó una entrada para la toma de muestras. A través de una entrada ulterior se introdujo el gas soporte (nitrógeno) en el medio de fermentación a través de un tubo PA 12-8x6x1 (Riegler, Bad Urach) y una frita de vidrio. A través de la tercera entrada se condujo el gas soporte en un tubo de la cabeza de la botella a una columna de fritas de vidrio, que estaba cargada con una zeolita para la separación in situ (producida según la patente US Nº 7 244 409 B2). Para el experimento de referencia, la columna de fritas de vidrio no estaba cargada. El circuito de gas se accionó mediante una bomba de membrana (KNF, Friburgo), que se conectó entre la columna de fritas de vidrio y las botellas de vidrio de Schott, con 1,5 L/min. Cada 2,5 % (w/v) de glucosa (Sigma-Aldrich, Munich) se alimentó en 0, 24, 48 y 72 horas. La cantidad de etanol en el medio de fermentación se determinó por medio de cromatografía de gases (Trace GC, Thermo Fisher). El resultado del experimento se representa en la Figura 2. Las determinaciones por GC de las concentraciones de etanol en los medios muestran que, mediante la separación in situ, se puede mantener la concentración de etanol del medio de fermentación por debajo de 1 % (w/v). Por consiguiente, se evitan inhibiciones a través de la concentración de etanol.

Bajo condiciones idénticas por lo demás a las descritas anteriormente se fermentó además una mezcla de azúcares C5 y C6, y se fermentaó sin separación in situ de etanol. En este caso se usaron 24,5 g de glucosa y 10,5 g de xilosa como fuentes de carbono en el funcionamiento por cargas.

B) Fermentación con Pichia stipitis sobre sustrato lignocelulósico

Se fermentó Pichia stipitis (DSMZ; Braunschweig, Alemania) con y sin separación in situ de etanol, bajo condiciones idénticas por lo demás, durante 95 horas a 30ºC bajo condiciones microaerobias. El medio de fermentación era sustrato lignocelulósico tratado previamente e hidrolizado. Se dispusieron dos cultivos de 800 mL respectivamente en fermentadores reducidos de 1,4 L. Mediante uso del sustrato lignocelulósico, como fuente de carbono estaban contenidos respectivamente 56 g/L de glucosa y 31 g/L de xilosa. Se fermentó en funcionamiento por cargas. Se llevó a cabo uno de ambos cultivos sin rectificación in situ, el otro con rectificación in situ. En el último caso, la corriente gaseosa se ajustó a 1 vvm a través de un rotámetro (Vöglin, Aesch, Suiza). Con ayuda de una bomba de membrana (KNF, Friburgo, Alemania) y tubos impermeables a gases (VWR, Darmstadt, Alemania) se condujo la corriente gaseosa a través de una columna de vidrio, y después se recirculó. La columna de vidrio estaba empaquetada con 535 g de granulado de zeolita (ZSM-5; SiO2/Al2O3 = 200; Süd-Chemie AG, Alemania). Durante la fermentación se tomaron muestras y se cuantificaron el contenido en etanol mediante cromatografía de gases (Trace GC, ThermoFisher, Alemania) y los azúcares a través de HPLC (Dionex, USA). Además se determinó el aumento de peso de la zeolita y la proporción de agua de la mezcla adsorbida a través de titración de Karl-Fischer (Schott Instruments, Alemania). Además se supuso que únicamente se adsorben agua y etanol bajo las condiciones dadas, lo que se pudo confirmar en ensayos previos. De este modo se pueden obtener conclusiones sobre la proporción de etanol a partir del contenido en agua.

Los resultados del experimento se representan en la Figura 3 (arriba: sin rectificación in situ; abajo: con rectificación in situ). Los valores analíticos de los caldos de fermentación muestran que, mediante la separación in situ, se puede mantener la concentración de etanol del medio de fermentación por debajo de 2 % (w/v). Por consiguiente, se evitan inhibiciones a través de la concentración de etanol, y de este modo se posibilita la fermentación de la proporción de

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En Walsh et al. se enumeran en la tabla IV dos ensayos en los que la concentración de etanol en el líquido se situaba por debajo de 5 % (w/v) (4,94 % (w/v) y 3,37 % (w/v). Si se calculan las proporciones másicas de etanol a partir de las masas adsorbidas, resulta respectivamente 61 % (w/w) y 21 % (w/w) (véase gráfica, puntos rojos). Por consiguiente, en el procedimiento según la invención resultan fracciones másicas de etanol claramente más

5 elevadas con las zeolitas empleadas (véase la Figura 6).

B) Comparación directa de zeolita con carbón activo en el caso de rectificación de gas y adsorción

En dos ensayos, idénticos por lo demás, se cargaron una vez 90 g de zeolita y una vez 90 g de carbón activo en una columna de vidrio (VWR, Bruchsal, Alemania). Se rectificaron respectivamente 250 mL de una disolución de etanolagua al 5 % (w/v) 24 horas a 1 vvm. Por lo demás, se usó el mismo montaje que en el ejemplo 2, con una bomba de 10 membrana (KNF Neuberger, Friburgo, Alemania), un regulador de corriente volumétrica (Swagelok, Garching, Alemania) y un frasco lavador de gas (VWR, Bruchsal, Alemania). Después de 24 horas se concluyó el ensayo, se determinó el aumento de peso de la empaquetadura, y se cuantificó la concentración de etanol mediante cromatografía de gases (Trace GC, Thermo Fisher). Ya que el sistema está cerrado, el etanol rectificado a partir de la disolución se debe haber adsorbido sobre la zeolita, o bien el carbón activo. El aumento de peso restante se

15 puede atribuir a agua. Por lo tanto, a través de un balance de masas se calcularon las cantidades adsorbidas de etanol y agua y, por consiguiente, se determinaron las siguientes proporciones másicas de etanol de la mezcla adsorbida:

Zeolita: 97,4 % (w/w)

Carbón activo: 49,8 % (w/w)

20 Por lo tanto, se muestra que el uso de una zeolita presenta claras ventajas frente a carbón activo, ya que la adsorción se desarrolla de modo claramente más selectivo en el caso de zeolitas. Ésta es una ventaja decisiva respecto a los costes energéticos para la subsiguiente purificación térmica.

Con carbón activo no se puede obtener el efecto técnico de la presente solicitud, ya que el carbón activo enlaza claramente más agua que zeolita. Por lo tanto, la ventaja decisiva de zeolita frente a carbón activo es la selectividad

25 más elevada, es decir, zeolita enlaza preferentemente etanol y apenas poca agua. De este modo se simplifica la subsiguiente purificación de etanol desorbido (se debe desorber menos masa, la columna de rectificación es menor, y los costes energéticos son reducidos drásticamente).

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Claims (1)

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