ES2819834B2 - Metodo de despolimerizacion de biomasa lignocelulosica - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

MÉTODO DE DESPOLIMERIZACIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA

SECTOR TÉCNICO

La presente invención se encuadra en los ámbitos de la Química y de la Ingeniería, y tiene una aplicación directa en el sector agrícola-forestal, ya que promueve el uso de la biomasa lignocelulósica para la obtención de productos con una plusvalía mejorada respecto a la materia prima original. De forma más específica, proporciona un método de despolimerización a partir de biomasa lignocelulósica que permite obtener los componentes fundamentales de esta biomasa (en particular, celulosa) o sus derivados de despolimerización (en particular, derivados de la lignina y la hemicelulosa) en fracciones separadas, que pueden ser valorizadas independientemente unas de otras.

Así, en el método de despolimerización a partir de biomasa lignocelulósica que aquí se describe se obtiene una fracción sólida que comprende celulosa, una fracción líquida que comprende compuestos derivados de la despolimerización de la lignina (en particular, compuestos fenólicos) y, preferentemente, una fracción gaseosa que comprende productos de deshidratación de la hemicelulosa (agua y furfural). De esta forma, el método de la presente invención permite el aprovechamiento por separado de los diferentes componentes fundamentales de la biomasa lignocelulósica (celulosa, hemicelulosa y lignina).

Este método de despolimerización se caracteriza por trabajar a unas condiciones suaves, con una temperatura inferior a los 200°C y a presión atmosférica, lo que permite alargar la vida de los equipos utilizados para llevar a cabo el método, al no estar severamente solicitados mecánicamente.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La biomasa en general y sus posibles tratamientos son una vieja aspiración de la Ingeniería Química, que ha desarrollado numerosos procesos e instalaciones para tal fin. En este momento y amparado por el interés gubernamental y de la U.E., hay un creciente interés en la biomasa como fuente de energía, ya que su uso o el de sus derivados puede considerarse neutro en términos de emisiones netas de CO2. Los efectos adversos de la continuada emisión de gases de efecto invernadero y la actualidad del cambio climático han promovido una búsqueda creciente de nuevos métodos para procesar la biomasa y obtener biocombustibles alternativos. El aprovechamiento de residuos agrícolas, forestales y de la biomasa lignocelulósica en general puede contribuir a paliar los problemas asociados al cambio climático, cada vez más acuciantes y de rigurosa actualidad.

Dentro de los métodos tradicionales desarrollados para procesar biomasa lignocelulósica destacan la pirolisis y la gasificación. El principal problema de la técnica de gasificación es que la biomasa está altamente oxigenada y es deficitaria en hidrógeno, por lo que éste se debe añadir para la correcta elaboración de los hidrocarburos, lo que conlleva un elevado gasto. Además, a pesar de que la utilización de la gasificación para obtener un gas pobre, para utilizar como combustible en motores de cogeneración, ha sido largamente investigada, las unidades que se han implementado siempre han sufrido innumerables problemas, no existiendo en este momento una tecnología fiable implantada en el mercado.

Por otra parte, la pirolisis (en particular, la pirolisis flash) es un proceso alternativo donde la biomasa es tratada en ausencia de oxígeno, a temperaturas de 400°C a 750°C, con una velocidad de calentamiento muy elevada (de mil a diez mil grados por segundo), seguido por la rápida condensación de los vapores. Los principales productos del proceso de pirolisis son el carbón (biochar) y bioaceites (hasta un 80% de rendimiento). Estos bioaceites son líquidos de color marrón oscuro, corrosivos y con olor a humo, formados por compuestos orgánicos polares (75-80% en peso) y agua (aprox. 20% a 25% en peso). La composición química de los bioaceites es muy compleja, constituidos por una mezcla de más de 400 compuestos altamente oxigenados, incluyendo ácidos carboxílicos, alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas y especies aromáticas, junto con algunos carbohidratos poliméricos y fragmentos de lignina. Los bioaceites retienen hasta un 70% de la energía almacenada en la biomasa (16 MJ/Kg-1) pero presentan numerosos inconvenientes para su uso directo como combustibles. Entre ellas cabe destacar su elevada acidez (pH = 2-3), alta viscosidad (cP 35-1000 a 40 °C), y reducida estabilidad química. En consecuencia, el mayor reto tecnológico de esta tecnología es desarrollar rutas eficientes para refinar los bioaceites y transformarlos en biocombustibles de altas prestaciones. Para ello, se están investigando actualmente distintas rutas catalíticas (por ejemplo, EP0904335 B1, EP0670873 B1, EP0221679 B1) orientadas a reducir el contenido de oxígeno de los mismos y aumentar su poder calorífico y estabilidad.

También se ha descrito la transformación de los azúcares presentes en la biomasa en bioetanol (WO07/082976 A1; WO2010/006840 A2). La celulosa y la hemicelulosa son polímeros de azúcares, que despolimerizados se pueden fermentar a etanol. Debemos reseñar entre los principales inconvenientes de este procedimiento que la fracción de la lignina (su porcentaje es de 27-30% en muchas especies forestales) queda como residuo en el proceso y, por lo tanto, no se aprovecha.

Uno de los inventores de esta solicitud de patente presentó y obtuvo dos patentes españolas relativas a la transformación completa de biomasa lignocelulósica: P201230430, presentada el 22 marzo 2012 (publicada como ES2412241 A1); y P201330874, del 12 de junio de 2013 (publicada como ES2415030 A1). En ambas se describen métodos de licuefacción de biomasa dentro de un disolvente acuoso, a presiones superiores a la atmosférica. En los procedimientos descritos en esas patentes se obtiene la transformación total de los tres componentes de la biomasa lignocelulósica: lignina, hemicelulosa y celulosa. A diferencia de estos procedimientos, la presente invención proporciona un método mejorado que permite aprovechar los componentes fundamentales de la biomasa lignocelulosa por separado. Así, en el método que aquí se describe se obtiene una fracción sólida que comprende celulosa, una fracción líquida que comprende compuestos derivados de despolimerización de la lignina (en particular, compuestos fenólicos) y, preferentemente, una fracción gaseosa que comprende furfural, compuesto derivado de la despolimerización y deshidratación de hemicelulosa.

En la solicitud de patente US2011144359A1 se divulga un método que comprende una primera etapa de pre-tratamiento de biomasa lignocelulósica, y una segunda etapa donde tiene lugar la producción de furfural a partir de la hemicelulosa hidrolizada obtenida en la etapa anterior. De acuerdo con este método, el material lignocelulósico se pone en contacto con una mezcla formada por agua y un ácido orgánico (en concreto ácido fórmico, ácido acético, ácido cítrico o ácido oxálico), preferentemente a una temperatura comprendida en un rango entre 130°C y 180°C y a una presión que puede ser igual o superior a la atmosférica, siempre que sea suficientemente elevada para que el agua no hierva a la temperatura de reacción (ver párrafo [0038]). De este modo se obtiene una primera fase líquida que contiene hemicelulosa hidrolizada y una segunda fase que comprende lignina y celulosa. Estas fases se separan y, mediante calentamiento de la primera fase líquida, es decir, aquella que contiene la hemicelulosa hidrolizada (en particular, xilosa) a una temperatura de al menos 130°C, se obtiene furfural. En esta solicitud de patente también se describe la separación de la lignina y celulosa, mediante disolución de la primera en una mezcla de agua y alcohol de cadena C1-C3, preferiblemente a una temperatura de 50°C (ver párrafo [0065]).

En esencia, mediante este método se obtiene furfural a partir de biomasa lignocelulósica, pero no se despolimeriza la lignina ya que ésta no es soluble en agua y, por lo tanto, no se disuelve en el medio de reacción. Por otra parte, teniendo en cuenta que la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica es de 100°C, para mantener una temperatura de reacción superior a 130°C y evitar que el agua hierva (tal como indica de forma específica US2011144359), es necesario trabajar a una presión superior a la atmosférica. En consecuencia, en el método que se describe en esta solicitud de patente americana, no es posible realizar una alimentación de biomasa lignocelulósica en semicontinuo, es decir, sin necesidad de realizar engorrosos procesos de enfriamiento/calentamiento y despresurización/presurización del sistema entre diferentes ciclos de producción, que es lo deseable y adecuado para optimizar la eficacia del tratamiento de biomasa lignocelulósica.

En el método que se describe en esta solicitud de patente se utilizan disolventes orgánicos, en particular éteres de glicol, ácido levulínico o una combinación de los anteriores. La utilización de estos disolventes orgánicos facilita la disolución y despolimerización de la lignina en el medio de reacción.

Por otro lado, la solicitud de patente CN108530404A muestra un método para el tratamiento de la biomasa lignocelulósica y la producción de furfural, celulosa y lignina. Para ello, la biomasa se introduce en un reactor, mezclada con agua, acetona, ácido fosfórico y ácido sulfúrico. El reactor trabaja a una presión de 0,5 a 2 MPa. Al igual que en la solicitud de patente US2011144359A1, el método que aquí se describe utiliza agua como disolvente, por lo que la lignina no se descompone ni disuelve en el medio y, adicionalmente, no permite la alimentación en continuo de la biomasa, ya que se trabaja a altas presiones, de 5 a 20 bar.

Por último, la solicitud de patente WO2011149341A1 presenta un método para el tratamiento de biomasa lignocelulósica, a una temperatura de 75°C, en presencia de un líquido iónico y un ácido orgánico. De esta forma se produce como resultado una mezcla que comprende celulosa. Posteriormente se hace precipitar a la celulosa. El inconveniente fundamental de este procedimiento es que los líquidos iónicos tienen un precio muy caro y, por lo tanto, este método no resulta rentable.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es un método de transformación de biomasa lignocelulósica, mediante un proceso de despolimerización, que comprende las siguientes etapas:

a) obtener un medio solvente que comprende un catalizador ácido, preferentemente ácido para-toluensulfónico, y un disolvente seleccionado del grupo que consiste en éter de glicol, ácido levulínico y una combinación de los anteriores;

b) ajustar la temperatura del medio solvente de la etapa a) entre 150 °C y 200 °C, preferentemente entre 165°C y 190°C;

c) añadir biomasa lignocelulósica al medio solvente de la etapa b), manteniendo agitación, presión atmosférica y una temperatura entre 150 °C y 200 °C, preferentemente entre 165°C y 190°C;

d) mantener las condiciones establecidas en la etapa c) por un periodo de reacción de al menos 5 minutos, en condiciones que permitan la destilación de compuestos volátiles (en particular, agua y furfural) del medio solvente; y

e) separación sólido-líquido del sólido (mayoritariamente celulosa) presente en el medio solvente enriquecido obtenido tras la etapa d), preferentemente mediante centrifugación, por ejemplo, en una centrifuga decanter conectada al recipiente reactor donde tiene lugar el tratamiento de la biomasa.

En realizaciones preferidas de la presente invención, las etapas b) a d) tienen lugar a una temperatura entre 165°C y 190°C, de forma que el furfural obtenido por despolimerización y deshidratación de la hemicelulosa presente en la biomasa lignocelulósica se evapore del medio solvente por destilación. En estas realizaciones, el método que aquí se describe comprende una etapa adicional d-1) de condensación del furfural comprendido en el destilado de la etapa d) mediante enfriamiento, en particular a una temperatura inferior a 160°C, de este destilado.

De esta forma, el método de la presente invención permite el aprovechamiento del furfural, uno de los productos obtenidos por despolimerización de la biomasa lignocelulósica y, adicionalmente, se evitan los problemas que puede generar este compuesto de mantenerse en el medio de reacción debido a su tendencia a polimerizar.

El medio solvente enriquecido obtenido tras la etapa e) es un líquido que comprende el catalizador y disolvente de la etapa a) y, adicionalmente, está enriquecido en derivados de la despolimerización de la lignina, en particular compuestos fenólicos. De la despolimerización de la lignina se obtiene una gran variedad de compuestos fenólicos formados, mayoritariamente, por unidades de ácidos fenilpropánicos con diferentes grupos funcionales.

En realizaciones particulares de la presente invención, en el método de despolimerización a partir de biomasa lignocelulósica que aquí se describe las etapas a) a e), incluyendo cuando aplique la etapa d-1) de condensación de furfural mencionada anteriormente, se repiten n veces, siendo n un número superior a 1, y al menos parte del medio solvente enriquecido obtenido tras la separación sólido-líquido de la etapa e) de un ciclo se utiliza como medio solvente en la etapa a) de un ciclo posterior. El valor de n es variable en función del tipo de biomasa y, en particular, del contenido de lignina presente en la biomasa de partida. De forma más específica, a mayor contenido de lignina en la biomasa, menor es el valor n, ya que la viscosidad del medio solvente enriquecido va aumentando con cada ciclo, llegando a poder dificultar el procedimiento. A modo de ejemplo, si la biomasa lignocelulósica es paja de cereal, el valor n puede ser superior a 20.

En la etapa c) del método que aquí se describe se inicia el proceso de despolimerización de la lignina presente en la biomasa lignocelulósica y la disolución de los productos de despolimerización, en particular, compuestos fenólicos, en el medio solvente. Así mismo, en este mismo periodo de reacción tiene lugar la despolimerización de la hemicelulosa presente en la biomasa, y la posterior deshidratación de los azúcares obtenidos a furfural y agua. Cuando esta etapa d) se realiza en condiciones que permitan la destilación de furfural del medio de reacción, preferentemente a una temperatura entre 165°C y 190°C, este compuesto se puede aislar por condensación del destilado, es decir, enfriando el destilado a una temperatura suficiente para conseguir la condensación de furfural, en particular a una temperatura igual o inferior a 160°C.

La biomasa lignocelulósica utilizada en el método que aquí se describe puede ser madera, en forma de pellets o, preferentemente, serrín, hueso de aceituna o paja de cereal.

Preferentemente, la biomasa lignocelulósica utilizada es un sólido con un tamaño inferior a 4 mm, más preferentemente inferior a 2 mm. En consecuencia, este método de despolimerización de biomasa lignocelulósica puede comprender una etapa adicional de trituración, molienda o procedimiento similar para obtener partículas de biomasa con el tamaño indicado.

El método de despolimerización de biomasa lignocelulósica que aquí se describe permite el tratamiento de la biomasa en un proceso semicontinuo, es decir, en un proceso donde las diferentes etapas pueden repetirse de forma cíclica y donde, de forma ventajosa, no son necesarias engorrosas etapas de presurización/despresurización del sistema entre cada uno de los ciclos. Preferentemente, en cada ciclo del método se añade una cantidad de biomasa entre 10% y 50 % en peso seco respecto al peso del medio solvente; más preferentemente entre 25% y 35% en peso seco respecto al peso total del medio solvente. Esta biomasa puede comprender hasta un 50 % de agua, cantidad expresada en peso respecto al peso total de biomasa lignocelulósica. En aquellas ocasiones en las que se utilice biomasa húmeda, debe entenderse que la cantidad de biomasa añadida en cada ciclo se expresa en peso de biomasa seca respecto al peso total del medio solvente.

En este documento debe entenderse como "medio solvente” al medio líquido donde tiene lugar la reacción de despolimerización. Este medio solvente siempre comprenderá un catalizador ácido y disolventes según lo expuesto en este documento y, adicionalmente, puede contener compuestos derivados de la despolimerización de la lignina, cuando se esté utilizando al menos parte de la fase líquida obtenida en la etapa e) de un ciclo anterior.

En realizaciones preferidas de la presente invención, el disolvente se selecciona del grupo que consiste en trietilén glicol (CAS 112-27-6), tripropilén glicol (CAS 24800-44-0), dipropilén glicol (CAS 25265-71-8), ácido levulínico (CAS 123-76-2) y una combinación cualquiera de los anteriores.

Además de presentar propiedades solventes adecuadas para llevar a cabo la despolimerización de la biomasa lignocelulósica en las condiciones de reacción del método que aquí se describe, el ácido levulínico presenta la ventaja adicional de que puede fabricar a partir de la celulosa obtenida por el método que aquí se describe.

Por su parte, el catalizador ácido será preferiblemente un ácido organosulfónico, más preferentemente, ácido para-toluensulfónico. La ventaja principal de este catalizador es que tiene un pKa muy bajo (es un ácido fuerte, como los inorgánicos, aunque mucho menos corrosivo que otros ácidos inorgánicos habituales como ácido clorhídrico o sulfúrico) pero su estructura es orgánica y, en consecuencia, se disuelve muy bien en solventes orgánicos.

Posteriormente, en la etapa e) del método que aquí se describe tiene lugar la separación del sólido, mayoritariamente celulosa, presente en el medio solvente enriquecido obtenido tras reacción de despolimerización de la etapa d). Esta separación sólido-líquido puede tener lugar preferentemente mediante centrifugación, y aún más preferentemente utilizando una centrifuga decanter. Parte o la totalidad del medio líquido enriquecido obtenido tras este proceso de separación sólido-líquido se puede utilizar como medio solvente de más biomasa lignocelulósica, en particular utilizándolo como medio solvente en la etapa a) de un ciclo posterior del método que se describe en este documento.

El proceso de despolimerización de la biomasa tiene lugar a presión atmosférica, es decir, sin aplicar ningún tipo de presión externa, y una temperatura relativamente moderada, en particular entre 150 y 200°C, lo que permite que el método se lleve a cabo de forma semicontinua, ya que es posible que la adición de biomasa y extracción de la mezcla de reacción tras la despolimerización (celulosa y medio solvente enriquecido) del recipiente reactor tenga lugar sin necesidad de llevar a cabo procesos de presurización y despresurización, facilitando así la ejecución del método que aquí se describe respecto a otros utilizados previamente.

Una vez que la mezcla de biomasa y medio solvente, opcionalmente medio solvente enriquecido, ha alcanzado una temperatura en el rango establecido, ésta se mantiene durante un periodo de reacción mínimo de 5 min, preferentemente entre 5 min y 40 min y, más preferentemente entre 5 min y 20 min, antes de proceder a la separación sólido-líquido de la etapa e), donde se obtiene un sólido (mayoritariamente celulosa) y un medio líquido enriquecido en compuestos derivados de la despolimerización de la lignina separar. Inesperadamente, se ha observado en las pruebas realizadas que el tiempo de despolimerización de la lignina es muy rápido, pudiendo llegar a ser de 5 min.

El sólido obtenido en la etapa e), compuesto mayoritariamente por celulosa, se puede dirigir a diferentes etapas de post-tratamiento, en función del uso que se pretenda dar a este producto. En particular, la celulosa obtenida en el método que aquí se describe puede transformarse en ácido levulínico, uno de los disolventes preferidos utilizados en este método de despolimerización de biomasa lignocelulósica.

Por otro lado, el medio solvente enriquecido obtenido tras esta etapa de separación puede utilizarse al menos parcialmente como medio solvente en la etapa a) de un nuevo ciclo del método de tratamiento de la biomasa lignocelulósica que aquí se describe. La utilización de al menos parte de este medio solvente enriquecido en un ciclo posterior del método ofrece diversas ventajas. Entre ellas cabe destacar un aumento en la solubilidad de la lignina presente en la biomasa a tratar, lo que repercute en disminución en el tiempo de reacción y, adicionalmente, una reducción del coste de producción, al no tener que reponer todo el medio solvente en cada uno de los ciclos de tratamiento de biomasa lignocelulósica.

El medio solvente enriquecido que no se utilice en un ciclo posterior del método de la presente invención, bien porque únicamente se reutiliza una parte de este medio solvente o, preferentemente, porque el contenido de compuestos derivados de la despolimerización de lignina es elevado (por ejemplo, tras la realización de varios ciclos de producción), se puede utilizar para obtener biocombustibles según procedimientos conocidos en el sector.

En definitiva, con el método de la presente invención se consigue que la biomasa lignocelulósica, preferentemente partículas con un tamaño inferior a 4 mm, más preferentemente inferior a 2 mm, y no necesariamente seca, ya que el agua que pueda estar presente se evaporará en las condiciones de reacción, se disuelva en la combinación específica de disolvente y catalizador ácido, a la temperatura y presión de trabajo especificadas, dando lugar a diferentes compuestos fácilmente separables y, por tanto, aprovechables por separado, en un tiempo de reacción muy reducido, en particular de entre 5 y 40 min y, preferentemente entre 5 y 20 min.

La reacción de transformación de biomasa lignocelulósica está catalizada por un catalizador ácido, en particular, ácido para-toluensulfónico. De esta manera, mediante el efecto del disolvente comprendido en el medio solvente combinado con la acción del catalizador, en las condiciones especificadas de reacción, se obtiene la despolimerización de la lignina de la biomasa y su conversión en una variedad de compuestos que se mantienen disueltos en el medio solvente. Durante este proceso, en particular, cuando la reacción tiene lugar a una temperatura de 165°C a 190°C, se producen gases condensables que comprenden agua y furfural. En el método de la invención, el contenido en humedad de la biomasa (ésta puede comprender hasta un 50 % de agua, en peso seco respecto al peso de biomasa húmeda) y el agua generada en las reacciones de despolimerización y deshidratación de la hemicelulosa se evapora, pudiéndose recoger aguas abajo en una torre de condensación, por lo que no es estrictamente necesario que la biomasa a tratar esté completamente seca.

Otro objeto de la invención es una instalación adecuada para llevar a cabo el método que se describe en este documento, donde la instalación comprende:

i) un sistema de alimentación de biomasa (en particular, desde una tolva de almacenamiento);

ii) un recipiente reactor conectado al sistema de alimentación de biomasa, donde el reactor comprende medios de agitación, medios de calentamiento para alcanzar una temperatura de hasta 200°C, y medios de destilación con al menos una salida de gases, y donde el recipiente adicionalmente comprende al menos una salida, preferentemente situada en el fondo del reactor, configurada para extraer un medio líquido o mezcla sólido-líquido del recipiente reactor;

iii) al menos un intercambiador de calor unido a un enfriador (condensador) conectado a la salida de gases del reactor; y

iv) una centrifuga decanter conectada a la salida del reactor mediante al menos un intercambiador de calor, adecuado(s) para reducir la temperatura de la mezcla sólido-líquido, preferentemente hasta menos de 140 °C; y, preferentemente, con una segunda conexión que permita el retorno de la fase líquida separada (es decir, el medio solvente enriquecido) al recipiente reactor.

Así, del recipiente reactor salen medios de destilación/condensación para la extracción continuada del agua que contiene la biomasa, del agua de deshidratación de los monómeros de hemicelulosa y del furfural que se forma en este proceso. De forma general, en la instalación se obtiene la despolimerización de la biomasa en sus constituyentes básicos, que se obtienen por separado en diferentes puntos de la misma.

Gracias al diseño de esta planta de transformación de biomasa lignocelulósica, mediante un proceso de despolimerización, se puede trabajar en modo semicontinuo, es decir, sin necesidad de parar la planta, ni de efectuar ciclos de calentamiento-enfriamiento o presurización-despresurización del recipiente reactor comprendido en la instalación. Por su configuración, esta planta (también denominada instalación en este documento) puede ser empleada para despolimerizar biomasa sólida que contiene lignocelulosa según el método descrito anteriormente.

De forma preferente, el diámetro mínimo del recipiente reactor de disolución es de 2 metros y su altura de 3 metros. De forma genérica y sin que suponga un aspecto limitativo, el reactor puede disponer de las medidas de seguridad convencionales, además de un medidor de temperatura y presión, válvula de regulación de la presión, disco de ruptura, válvula de seguridad adicional, u otros componentes convencionales.

Adicionalmente, la instalación puede disponer varios intercambiadores de calor, en particular de tubos carcasa, cuya misión es disminuir al máximo posible el consumo energético del proceso, que en este caso se puede proporcionar en una caldera que genera aceite térmico mediante la combustión de pellets u otra biomasa. En particular, la configuración de los diferentes intercambiadores de calor de la instalación que aquí se describe permite aprovechar el calor de la mezcla sólido-líquido extraída del recipiente reactor, para ajustar la temperatura del medio solvente enriquecido antes de incorporarlo nuevamente al recipiente reactor para iniciar el siguiente ciclo del método que aquí se describe.

Esta instalación preferida, por su configuración y diseño, resulta idónea para llevar a cabo el método de despolimerización de biomasa lignocelulósica, en cualquiera de sus variantes, de tal manera que trabajando en modo semicontinuo se obtiene la reacción deseada de la biomasa, sin necesidad de parar el sistema ni efectuar ciclos de calentamiento-enfriamiento o presurización-despresurización del recipiente reactor comprendido en la instalación, como ocurre en los típicos sistemas de batch que operan a una presión superior a la atmosférica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Instalación de transformación de biomasa sólida que contiene lignocelulosa para conseguir su despolimerización, de acuerdo con la realización preferida de la presente invención, donde se muestran los siguientes elementos:

1 - recipiente reactor

2 - sistema de alimentación de biomasa

3 - medios de agitación

4 - salida de gases del recipiente reactor

5 - salida del recipiente reactor

6a, 6b - enfriadores

7 - centrifuga

8a, 8b, 8c, 8d, 8e - intercambiadores de calor

9 - caldera

10 - salida de sólidos de la centrifuga

11 - salida de medio solvente enriquecido de la centrifuga

12 - entrada de líquidos al recipiente reactor

En particular, esta instalación comprende un recipiente reactor (1), donde se introduce el disolvente y el catalizador ácido para llevar a cabo el método que se describe en este documento. Este recipiente reactor (1) está conectado a un sistema de alimentación (2) de biomasa lignocelulósica, por ejemplo, desde una tolva de almacenamiento. Adicionalmente, este recipiente comprende medios de agitación (3), medios de calentamiento para alcanzar una temperatura de hasta 200°C, en particular el sistema de intercambiadores que se describe a continuación, medios de destilación con una salida de gases (4) del recipiente reactor, y otra salida (5) configurada para extraer un medio líquido o mezcla sólido-líquido del recipiente reactor (1), preferentemente esta salida (5) está situada en el fondo del recipiente reactor (1).

La configuración de esta instalación permite la recirculación del medio solvente desde la salida (5) del recipiente reactor, mediante una bomba y una válvula de tres vías, a través de un primer intercambiador (8a) que, a su vez, está conectado térmicamente a una caldera (9) de aceite térmico, de forma que el medio solvente alcance una temperatura entre 150°C y 200°C, preferentemente entre 165°C y 190°C. La configuración de esta instalación también permite dirigir la mezcla sólido-líquido obtenida tras la reacción de despolimerización desde la salida (5) del recipiente reactor hacia una centrifuga decanter (7), pasando a través de varios intercambiadores de calor (8b, 8c). En la realización particular que se muestra en la figura 1, la salida (5) del recipiente reactor está conectada, mediante una bomba y válvula de tres vías, a un segundo intercambiador (8b) que, a su vez, está conectado a un tercer intercambiador (8c) que, a su vez, está conectado a una centrifuga (7). Además, este tercer intercambiador (8c) está conectado térmicamente a un primer enfriador (6a) para permitir enfriar la mezcla sólidolíquido hasta una temperatura no superior a 140°C antes de que ésta entre en la centrifuga (7).

Tal como se ha mencionado anteriormente, la instalación comprende una centrífuga (7), en particular una centrífuga decanter, que permite separar la mezcla sólido-líquido obteniendo una fase sólida (mayoritariamente celulosa) y una fase líquida (medio solvente enriquecido en compuestos de despolimerización de la lignina). En esta instalación, la centrífuga (7) tiene una salida de sólido (10), y una salida de líquido (11) conectada a un cuarto intercambiador (8d), que está conectado al primer intercambiador (8a) y, finalmente, a la entrada de líquidos (12) en el recipiente reactor (1). Con objeto de aprovechar el calor procedente de la mezcla sólidolíquido para calentar el medio solvente enriquecido, el cuarto intercambiador (8d) está conectado térmicamente con el segundo intercambiador (8b).

Por otro lado, la instalación que se describe en este documento puede comprender medios de destilación y condensación del furfural producido en la reacción de despolimerización de la biomasa lignocelulósica. En particular, la instalación que se describe en la figura 1 comprende una salida de gases (4) del recipiente reactor, un enfriador (6b) y un intercambiador de calor (8e) con una salida de líquidos para recoger el furfural, o mezcla furfural/agua, condensado en este procedimiento.

Tal como se ha mencionado anteriormente, los intercambiadores de calor (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) son preferentemente tubos carcarsa.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN

EJEMPLO 1:

A continuación se describe, a modo de ejemplo y con carácter no limitante, una realización preferida de la invención, en la que se muestra el método despolimerización a partir de biomasa sólida que contiene lignocelulosa, concretamente madera en forma de serrín, para producir una fracción sólida (la celulosa), otra líquida (derivados de la despolimerización de la lignina disueltos en el medio solvente) y otra gaseosa que posteriormente condensará a líquida (agua y furfural).

De los parámetros indicados anteriormente se seleccionan los siguientes para esta realización preferida:

• El disolvente seleccionado es ácido levulínico.

• El serrín, durante el molido de la madera, debe pasar por una rejilla de 1,5 mm. de luz. • El catalizador seleccionado es el ácido p-Toluen Sulfónico, en una concentración hasta el 1% en peso respecto al peso seco de biomasa.

• La concentración de biomasa está en el 30% en peso seco respecto al peso del medio solvente, es decir, de la mezcla de disolvente y catalizador ácido.

• La temperatura de reacción se mantiene a 180°C.

La presión de reacción es la atmosférica.

El tiempo de estancia de la biomasa y la mezcla disolvente-catalizador a esa temperatura es de 10 minutos.

A la temperatura establecida en este ejemplo de 180°C, la hemicelulosa se degrada y deshidrata para producir furfural, que destila junto al agua que se forma. Posteriormente se enfrían y se recogen por condensación aguas debajo de la instalación.

Una vez transcurridos los 10 minutos a la temperatura indicada, se extrae la mezcla sólidolíquido del recipiente reactor y se enfría a una temperatura máxima de 140°C. A continuación, esta mezcla se centrifuga utilizando una centrifuga decanter, para dar lugar a la separación del sólido presente en la mezcla de reacción (mayoritariamente celulosa) del medio solvente enriquecido (líquido), que a su vez se dirige de nuevo al interior del recipiente reactor para iniciar el siguiente ciclo del método en las condiciones indicadas anteriormente.

La celulosa se puede dirigir a posteriores tratamientos de blanqueo o hidrólisis.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. - Un método de despolimerización de biomasa lingocelulósica que comprende:

a) obtener un medio solvente que comprende un catalizador ácido y un disolvente seleccionado del grupo que consiste en éter de glicol, ácido levulínico y una combinación de los anteriores;

b) ajustar la temperatura del medio solvente de la etapa a) entre 150 °C y 200 °C;

c) añadir biomasa lignocelulósica al medio solvente de la etapa b), manteniendo agitación, presión atmosférica y la temperatura entre 150 °C y 200 °C;

d) mantener las condiciones establecidas en la etapa c) por un periodo de reacción de al menos 5 minutos, en condiciones que permitan la destilación de compuestos volátiles del medio solvente; y

e) separación sólido-líquido del sólido presente en el medio solvente enriquecido obtenido tras la etapa d).

2. - El método según la reivindicación 1, donde las etapas b), c) y d) tienen lugar a una temperatura entre 165°C y 190°C para separar el furfural obtenido a partir de la biomasa lignocelulósica por destilación, y el método comprende una etapa adicional d-1) donde tiene lugar la condensación del furfural presente en el destilado mediante enfriamiento del mismo.

3. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde las etapas a) a e) se repiten n veces, siendo n un número superior a 1, y al menos parte del medio solvente enriquecido obtenido tras la separación sólido-líquido de la etapa e) de un ciclo se utiliza como medio solvente en la etapa a) de un ciclo posterior.

4. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la biomasa lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste en madera, hueso de aceituna y paja de cereal.

5. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la biomasa lignocelulósica es un sólido con partículas de tamaño inferior a 4 mm.

6. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la concentración de biomasa lignocelulósica añadida en la etapa c) es de entre 10% y 50% en peso seco respecto al peso total del medio solvente.

7. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el disolvente es éter de glicol y se selecciona del grupo que consiste en trietilén glicol, tripropilén glicol, dietilén glicol y una combinación de los anteriores.

8. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones a 1 a 7, donde el catalizador ácido es ácido para-toluensulfónico.

método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el periodo de reacción en la etapa d) es de 5 min a 20 min.