ES2831183T3 - Procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado optimizado - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de transformación de un sustrato lignocelulósico que comprende las siguientes etapas: 1) una etapa de licuefacción del sustrato en la que se pone en contacto, con agitación por medio de un motor, un 10 al 40% en peso de materia seca de sustrato lignocelulósico pretratado con agua y con enzimas a una concentración comprendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramo de celulosa durante un período comprendido entre 1 y 24 horas, en el que se mide al menos el valor de la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación a lo largo del tiempo y, si se detecta una disminución de dicho valor a lo largo del tiempo, se realiza la siguiente etapa a): a) se aumenta la velocidad de alimentación del sustrato lignocelulósico pretratado, con o sin modificación del caudal de enzimas y/o de agua, y si se detecta un aumento de dicho valor en el tiempo, se realiza la siguiente etapa b): b) se aumenta la velocidad de alimentación de agua y/o de enzimas, con o sin modificación del caudal de sustrato lignocelulósico pretratado, la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación se reduce a la masa del volumen de reacción restante comprendida entre 0,5 y 2 kW/tonelada, 2) una etapa de sacarificación del sustrato lignocelulósico licuado de la etapa 1), realizándose dicha etapa de sacarificación en presencia de un microorganismo alcoholígeno según un procedimiento de sacarificación y fermentación simultáneas conocido como procedimiento SSF.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado optimizado
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado a partir de biomasa lignocelulósica. A continuación, dicho sustrato lignocelulósico licuado se puede utilizar en varias etapas posteriores tales como, por ejemplo, en una etapa de fermentación para la producción de alcoholes, o para la producción de intermedios para la química.
Técnica anterior
El desarrollo de procedimientos económicamente viables para mejorar la biomasa lignocelulósica es hoy en día un tema de gran actualidad. La escasez de recursos fósiles y la competencia con los recursos alimentarios están llevando a la búsqueda de nuevas vías para la producción de biocombustibles y productos químicos intermedios. Desde los años 1970, la transformación de biomasa lignocelulósica después de la hidrólisis de los polisacáridos constituyentes en azúcares ha sido objeto de numerosos estudios.
La biomasa lignocelulósica se caracteriza por una estructura compleja constituida por tres polímeros principales: la celulosa, las hemicelulosas y la lignina, cuya proporción varía según la especie de biomasa lignocelulósica. Una composición típica pero no limitativa es la siguiente: la celulosa en un contenido comprendido entre el 35 y el 50%, las hemicelulosas, que son polisacáridos constituidos esencialmente por pentosas y hexosas, en un contenido comprendido entre el 20 y el 30% y las ligninas, en un contenido comprendido entre el 15 y el 25% en peso. La degradación de la biomasa resulta difícil porque los polisacáridos de la pared vegetal (celulosa y hemicelulosas) están íntimamente asociados con la lignina, lo que da rigidez a las paredes. De estos tres polímeros, la celulosa es la principal fuente de azúcares porque está compuesta de glucosa, que se puede mejorar fácilmente.
Convencionalmente, los procedimientos para mejorar la biomasa por la ruta bioquímica comprenden varias etapas. Una primera etapa es la recolección y transporte de la biomasa lignocelulósica a un centro de transformación de la biomasa. La segunda etapa es el pretratamiento o la prehidrólisis de la biomasa que permite hacer accesible la celulosa a las enzimas y así producir un sustrato lignocelulósico pretratado. La tercera etapa de hidrólisis enzimática permite, gracias al uso de una solución de enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas producidas por microorganismos y denominada cóctel enzimático, la transformación de la celulosa en glucosa. Esta glucosa puede luego ser mejorada, por ejemplo, en etanol durante una cuarta etapa de fermentación, en general, por la levadura Saccharomyces cerevisiae, o como una mezcla de acetona, butanol, etanol (ABE) por fermentación con la levadura Clostridium acetobutylcum. A continuación, una quinta etapa de destilación permite concentrar las moléculas obtenidas.
Dicho sustrato lignocelulósico pretratado obtenido al final de la etapa de pretratamiento es un residuo sólido compuesto esencialmente por celulosa y lignina sólida.
En el resto del texto, la concentración de sustrato lignocelulósico pretratado se expresa como porcentaje en peso de materia seca. La materia seca, expresada en porcentaje en peso, es la relación de masa de la muestra obtenida después de secar a 105 °C durante 24 horas sobre la masa inicial de la muestra.
En la etapa de hidrólisis enzimática, dicho sustrato lignocelulósico pretratado debe mezclarse con una solución líquida que contiene las enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas. Siendo el objetivo la obtención de una concentración de azúcares elevada, la etapa de hidrólisis enzimática debe realizarse a altas concentraciones de sustratos lignocelulósicos pretratados, es decir, con un alto contenido de materia seca. La mezcla íntima con dicha solución líquida que contiene enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas es, por lo tanto, difícil.
Por lo tanto, la etapa de hidrólisis enzimática puede realizarse con un sustrato lignocelulósico pretratado diluido por adición de agua para homogeneizar el medio de reacción. Diluir dicho sustrato lignocelulósico con agua presenta el inconveniente de diluir también los azúcares y los oligómeros de azúcar obtenidos al final de la etapa de hidrólisis enzimática. Para superar este problema de dilución y poder asegurar una concentración de azúcar interesante y viable, se pueden prever implementaciones específicas: la alimentación de dicho sustrato lignocelulósico en modo “fed-batch”, definido a continuación, permite preparar un fondo del reactor suficientemente diluido para poder iniciar la reacción de hidrólisis enzimática y asegurar una buena mezcla. A medida que avanza la reacción, la mezcla se vuelve cada vez más líquida, es posible añadir sustrato nuevo para aumentar su concentración. Procediendo de esta manera, es posible entonces alcanzar altas concentraciones de sustrato y ventajosamente comprendidas entre el 20 y el 30% en peso de materia seca.
Este inicio de la hidrólisis con un alto contenido de materia seca plantea problemas de mezcla y de homogeneización. El medio de reacción es muy pastoso y viscoso, lo que requiere una agitación específica mucho más compleja que la requerida al final de la hidrólisis cuando la mezcla de reacción se ha vuelto más líquida. Por eso parece pertinente separar esta hidrólisis en dos etapas:
• La licuefacción corresponde al inicio de la hidrólisis durante la cual el medio de reacción es viscoso y requiere un sistema de agitación complejo y una energía de agitación importante. Por otro lado, el tiempo de residencia es corto, lo que permite limitar los volúmenes por instalar con dicha agitación.
• La siguiente etapa corresponde a la sacarificación en el caso de que la hidrólisis se prolongue de modo convencional o a la SSF (simultánea sacarificación y fermentación) en el caso de que se introduzcan levaduras para fermentar los azúcares mientras se hidrolizan. Esta etapa requiere una agitación más simple, menos energía, pero un tiempo de residencia más largo y, por lo tanto, un volumen más importante.
El trabajo de investigación del solicitante le ha llevado a centrarse más particularmente en la etapa de licuefacción con el fin de seguir mejor su progreso y optimizar su control.
Por tanto, la presente invención propone controlar la medida de una característica reológica del medio de reacción para optimizar la licuefacción, jugando con las adiciones de sustrato lignocelulósico, de enzima o con la dilución. Por tanto, un objetivo del procedimiento según la presente invención es proporcionar un procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado por reacción enzimática que permita la obtención de un sustrato lignocelulósico licuado que presente una reología compatible con su transferencia a la etapa situada aguas abajo, así como con su agitación en la siguiente reacción.
La solicitud de patente US 2010/0255554 describe un procedimiento de hidrólisis de la biomasa lignocelulósica en modo “fed-batch”, en el que los parámetros operativos del procedimiento se ajustan controlando el volumen del reactor y/o la frecuencia de adición de la alimentación de biomasa lignocelulósica pretratada y opcionalmente la adición de enzimas, y el volumen y/o la concentración de azúcares producidos en el reactor. En particular, la carga de biomasa lignocelulósica pretratada se añade secuencialmente al reactor, cada vez que se alcanza una conversión teórica del 70 al 90% de la celulosa en glucosa en el medio de reacción. Por lo tanto, el seguimiento de la medición de la concentración de azúcares producidos constituye el criterio de optimización del procedimiento. Por lo tanto, este método requiere conocer la tasa de conversión teórica para un sustrato dado que, teniendo en cuenta la variabilidad de los sustratos potencialmente tratados, es difícil de aplicar.
Hodge et al., Model-Based Fed-Batch for High-Solids Enzymatic Cellulose Hydrolysis, Appl. Biochem Biotechnol. (2009) 152:88-107 describe un procedimiento de hidrólisis de la biomasa lignocelulósica en modo de “fed-batch” basado en el modelado de la reacción de hidrólisis. Por tanto, es necesario determinar, para cada sustrato o mezcla de sustratos, su comportamiento durante la hidrólisis con el fin de determinar la mejor estrategia de adición de carga al reactor.
Rosgaard et al., Effects of Substrate Loading on Enzymatic Hydrolysis and Viscosity of Pretreated Barley Straw, Appl. Biochem Biotechnol. (2007) 143:27-40 examina el efecto de diferentes estrategias de adición de sustrato lignocelulósico pretratado sobre los rendimientos de azúcares de la hidrólisis enzimática. Describe el conocido fenómeno de una caída de la viscosidad a medida que avanza la reacción. La enseñanza de este artículo no permite generalizar la estrategia de alimentación del sustrato y/o de la solución enzimática en caso de cambio de sustrato y no tiene en cuenta los esfuerzos mecánicos de agitación.
La solicitud de patente US 2010/330638A describe una alimentación en modo “fed-batch” de la etapa de hidrólisis enzimática, indicando que las pruebas permiten determinar la cantidad de biomasa que se puede añadir a cada lote. Por tanto, es necesario realizar pruebas previas a la etapa de hidrólisis enzimática durante cada cambio de tipo de sustrato.
Contrariamente al estado de la técnica anterior, la presente invención proporciona un procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado en el que se realiza un seguimiento de la medición de una característica reológica del medio de reacción para optimizar la licuefacción.
En particular, la presente invención proporciona un procedimiento de transformación de un sustrato lignocelulósico que comprende las siguientes etapas:
1) una etapa de licuefacción del sustrato en la que se pone en contacto, con agitación mediante un motor, del 10 al 40% en peso de materia seca de sustrato lignocelulósico pretratado con agua y con enzimas a una concentración comprendida entre 0,1 y 60 mg de enzimas por gramo de celulosa durante un período comprendido entre 1 y 24 horas, en el que se mide al menos el valor de la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación a lo largo del tiempo y, si se detecta una disminución de dicho valor a lo largo del tiempo, se realiza la siguiente etapa a):
a) se aumenta la velocidad de alimentación del sustrato lignocelulósico pretratado, con o sin modificación del caudal de enzimas y/o de agua,
y si se detecta un aumento de dicho valor a lo largo del tiempo, se realiza la siguiente etapa b):
b) se aumenta la velocidad de alimentación de agua y/o de enzimas, con o sin modificación de la velocidad de flujo del sustrato lignocelulósico pretratado
la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación reducida a la masa del volumen de reacción que queda comprendida entre 0,5 y 2 kW/tonelada,
2) una etapa de sacarificación del sustrato lignocelulósico licuado resultante de la etapa 1), realizándose dicha etapa de sacarificación en presencia de un microorganismo alcoholígeno según un procedimiento de sacarificación y fermentación simultáneas conocido como procedimiento SSF.
Una ventaja de la presente invención es proporcionar un procedimiento para producir sustrato lignocelulósico licuado que se puede llevar a cabo en forma automática e independiente de la naturaleza del sustrato tratado.
Otra ventaja de la presente invención es proporcionar un procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado que no requiera una caracterización previa del sustrato tratado, permitiendo así una mayor flexibilidad de instalación y una mayor facilidad de uso.
La presente invención tampoco requiere el desarrollo de un modelo de reacción y, por tanto, sigue siendo relevante cualquiera que sea el tipo de sustrato o cóctel enzimático utilizado.
Otra ventaja de la presente invención es proporcionar un procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado que permite el seguimiento y una adaptación simple a la evolución del medio de reacción no requiriendo medidas complejas tales como, por ejemplo, la concentración de azúcares en el medio.
Otro documento de la técnica anterior, US 4409329, describe un procedimiento de sacarificación de un sustrato celulósico con trituración del sustrato durante la reacción, en el que se mide la viscosidad del medio de reacción para controlar la velocidad de adición del sustrato, de enzimas y/o de agua.
Descripción detallada de la invención
El sustrato lignocelulósico pretratado usado en el procedimiento según la presente invención se obtiene ventajosamente por procedimientos convencionales de pretratamiento de biomasa lignocelulósica tales como, por ejemplo, cocciones ácidas, cocciones alcalinas, explosión de vapor, procedimientos organosolv, etc. Los pretratamientos de tipo ácido en condiciones suaves y por explosión de vapor son los más adecuados. Permiten una buena accesibilidad de la celulosa a la hidrólisis.
El procedimiento según la presente invención es ventajosamente un procedimiento de licuefacción. Dicho procedimiento se realiza ventajosamente en un reactor en forma cilíndrica que presenta una relación altura/diámetro ventajosamente comprendida entre 1 y 3.
Dicho reactor permite tratar medios viscosos que presentan una viscosidad variable y así implementar niveles de materia seca en sustrato lignocelulósico que pueden alcanzar el 40% en peso. El alto contenido de sólidos y la viscosidad importante del medio de reacción requieren que el reactor esté equipado con un agitador que permita un buen contacto entre la enzima y el sustrato y una buena homogeneidad. Convencionalmente, el agitador elegido debe poder tratar flujos laminares. Se prefieren los agitadores anchos, incluso raspando la pared del reactor con velocidades de rotación moderada y ejerciendo una acción de macerado y amasado. Un ejemplo de agitador particularmente adecuado es el Paravisc (EKATO) que también permite la adición de una contracuchilla que rompe los movimientos generales.
Según la invención, el sustrato lignocelulósico pretratado se pone en contacto en el procedimiento de acuerdo con la presente invención a una concentración comprendida entre el 10 y el 40% en peso de materia seca de sustrato lignocelulósico pretratado, preferiblemente a una concentración comprendida entre el 16 y el 30% en peso de materia seca y preferiblemente comprendida entre el 18 y el 24% en peso de materia seca.
Según la invención, las enzimas se ponen en contacto en el procedimiento según la presente invención a una concentración comprendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramo de celulosa, preferiblemente a una concentración comprendida entre 5 y 30 mg de enzimas por gramo de celulosa y preferiblemente comprendida entre 10 y 20 mg de enzimas por gramo de celulosa.
Según la invención, la duración del contacto está comprendida entre 1 y 24 horas, preferentemente entre 2 y 12 horas y preferentemente entre 4 y 8 horas.
Dicho procedimiento según la presente invención se caracteriza porque se realiza una medición en el tiempo de al menos el valor de una de las características reológicas del medio de reacción.
Ventajosamente, dichas características reológicas del medio de reacción se eligen entre la viscosidad del medio de reacción, el par del eje del sistema de agitación y la potencia eléctrica consumida por el motor. La potencia eléctrica consumida por el motor se denomina Peléc.
Durante el procedimiento según la invención, es decir, durante la licuefacción, la viscosidad del medio de reacción, el par del eje del sistema de agitación y la potencia eléctrica consumida por el motor son características reológicas del seguimiento del sustrato lignocelulósico producido que presenta varios intereses. De hecho, dichas características, viscosidad, par y potencia, están interrelacionadas. La potencia eléctrica consumida por el motor Peléc está ligada a la potencia mecánica Pmeca que acciona el eje de agitación.
La potencia eléctrica consumida por el motor es un parámetro convencionalmente medido y monitorizado en instalaciones piloto o industriales.
Las siguientes fórmulas definen las relaciones entre los distintos parámetros:
Pmeca = f (Peléc), siendo f una característica de diseño del motor y estando dada por el fabricante del motor.
Pmeca = 2nN*C, en la que:
N es la velocidad de agitación en revoluciones por segundo,
C es el par en N.m,
y Pmeca es la potencia en vatios.
En agitación, está la siguiente relación:
Pmeca = pNpN3D5
p es la densidad del medio de reacción en kg.m-3
D es el diámetro externo del agitador en m,
Np es una característica del agitador según la geometría del tanque y el régimen de flujo.
En régimen de flujo laminar, está la siguiente relación:
NP=A/Re d'oú PméCa = pAN3Ds/Re
siendo A una constante del sistema de agitación y Re el número de Reynolds y
Re = pND2//^
siendo
~i” la viscosidad dinámica media medida en Pascal segundos (Pa.s) del medio de reacción con m = Pmeca/(AN2D3) = 2nC/(AD3N)
Si la viscosidad y el par del eje del sistema de agitación son medidas de fácil acceso en pequeña escala, la potencia eléctrica consumida por el motor Peléc es la cantidad más fácilmente medible en escala industrial. Muy preferiblemente, dicho procedimiento según la presente invención se caracteriza porque se realiza una medición en el tiempo de la potencia eléctrica consumida por el motor.
La evolución de la potencia eléctrica consumida por el motor se correlaciona, por lo tanto, con la licuefacción del sustrato lignocelulósico pretratado y con el progreso de la reacción.
Si la potencia cae, significa que el sustrato lignocelulósico pretratado se ha licuado y se puede agregar un sustrato nuevo. Si aumenta la potencia, significa que se acaba de añadir sustrato nuevo y que debe dejarse más tiempo para recuperar el nivel de potencia antes de añadir.
Según la invención, se monitoriza la medición de dichas características reológicas del medio de reacción de forma que, si se detecta una disminución de dicho valor en el tiempo, se lleve a cabo una etapa a) siguiente:
a) se aumenta la velocidad de alimentación del sustrato lignocelulósico pretratado, con o sin modificación del caudal de enzimas y/o de agua,
y porque si se detecta un aumento de dicho valor en el tiempo, se realiza una siguiente etapa b):
b) se aumenta la velocidad de alimentación de agua y/o de enzimas, con o sin modificación de la velocidad de flujo del sustrato lignocelulósico pretratado.
En el caso de que dicho valor sea estable en el tiempo, los caudales de sustrato, enzima y agua se mantienen ventajosamente constantes.
Según una realización preferida, el procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado por reacción enzimática de acuerdo con la invención opera ventajosamente en el modo “fed-batch” según la terminología anglosajona. En este caso, dicho procedimiento se realiza en un reactor de alimentación continua durante el cual no se realiza ninguna extracción del contenido del reactor.
Según otra realización preferida, el procedimiento de producción de sustrato lignocelulósico licuado por reacción enzimática según la invención opera ventajosamente en modo “chemostat” según la terminología anglosajona. En este caso, dicho procedimiento se lleva a cabo en un reactor de alimentación continua durante la cual se extrae una fracción del volumen de reacción para mantener constante la masa del volumen de reacción.
Según dicha realización preferida en la que dicho procedimiento se implementa en un reactor de alimentación continua y, en el caso de que se detecte una disminución de dicho valor en el tiempo, se realiza dicha etapa a) según una primera realización, en la que se aumenta la velocidad de alimentación del sustrato lignocelulósico pretratado mientras se reduce la velocidad de flujo de enzima y de agua para mantener un volumen de reacción constante. En este caso, el flujo de salida permanece constante.
Dicha etapa a) también se puede implementar ventajosamente según una segunda realización en la que se incrementa el caudal del sustrato lignocelulósico pretratado, así como los caudales de enzima y de agua para mantener la concentración de enzima y la velocidad de materia seca constante. A continuación, se aumentará la velocidad de salida para mantener constante el volumen de reacción. En este caso, el tiempo de reacción de licuefacción disminuye.
Dicha etapa a) también puede implementarse ventajosamente según una tercera realización en la que se aumenta el caudal del sustrato lignocelulósico pretratado mientras se mantienen constantes los caudales de enzima y de agua. A continuación, se aumentará la velocidad de salida para mantener constante el volumen de reacción. En este caso, el tiempo de reacción de licuefacción disminuye.
Según dicha realización preferida en la que dicho procedimiento se implementa en un reactor de alimentación continua y, en el caso de que se detecte un aumento en el tiempo de dicho valor, se implementa dicha etapa b) según una primera realización en la que se reduce el caudal del sustrato lignocelulósico pretratado mientras se aumenta el caudal de enzima y de agua para mantener un volumen de reacción constante. El flujo de salida permanece constante.
Dicha etapa b) también se puede implementar ventajosamente según una segunda realización en la que se reduce el caudal del sustrato lignocelulósico pretratado, así como los caudales de enzima y de agua para mantener la concentración de enzima y la velocidad de materia seca constante. A continuación, se reduce la velocidad de salida para mantener constante el volumen de reacción. En este caso, aumenta el tiempo de reacción de licuefacción. Dicha etapa b) también puede implementarse ventajosamente según una tercera realización en la que se reduce el caudal del sustrato lignocelulósico pretratado mientras se mantienen constantes los caudales de enzima y de agua. La velocidad de salida también aumenta para mantener constante el volumen de reacción. En este caso, aumenta el tiempo de reacción de licuefacción.
Preferiblemente, las etapas a) y b) son implementadas por un operador o automatizadas como, por ejemplo, por software de control.
El procedimiento según la presente invención opera ventajosamente a una temperatura comprendida entre 40 y 60 °C, y preferiblemente entre 45 y 55 °C, a un pH comprendido entre 4 y 6, y preferiblemente comprendido entre 4,5 y 5 y a presión atmosférica.
La velocidad de agitación depende del tamaño del reactor y del agitador.
En el caso de que se mida el valor de la potencia eléctrica consumida por el motor a lo largo del tiempo, dicha potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa del volumen de reacción permanece ventajosamente entre 0,05 y 4 kW/tonelada y preferiblemente entre 0,5 y 2 kW/tonelada.
La temperatura también es un parámetro sobre el que se puede jugar.
Si el valor de una de las características reológicas del medio de reacción que se mide en el tiempo es alto y los métodos operativos según la etapa b) no permiten reducirlo, la temperatura se puede aumentar durante un período de tiempo durante menos de 5 horas, preferiblemente menos de 2 horas. En este caso, se aumenta la temperatura para que se mantenga entre 40 y 60 °C y preferiblemente entre 45 y 55 °C.
Este aumento de temperatura acelera temporalmente la reacción, pero tiene el efecto de desactivar las enzimas más rápidamente. Equivale a un aumento temporal de la concentración de enzima.
Si el valor de una de las características reológicas del medio de reacción que se mide en el tiempo es bajo y las formas de funcionamiento según la etapa a) no permiten aumentarlo, es posible disminuir la temperatura durante un período de menos de 5 horas, y preferiblemente menos de 2 horas. En este caso, la temperatura se reduce para que se mantenga entre 40 y 60 °C y preferiblemente entre 45 y 55 °C.
La reacción se ralentiza, pero las enzimas se desactivan con menor rapidez. Esta acción equivale a una disminución temporal de la concentración de enzima.
El procedimiento según la invención permite obtener, por lo tanto, un sustrato lignocelulósico que presenta una reología que facilita su bombeo, así como su agitación.
Por lo tanto, el sustrato lignocelulósico licuado obtenido al final del procedimiento según la invención se puede transferir fácilmente a otro reactor para cualquier etapa posterior.
Por lo tanto, el procedimiento según la invención puede ser seguido ventajosamente por cualquier etapa posterior que permita la transformación del sustrato lignocelulósico licuado obtenido al final del procedimiento según la invención.
Por lo tanto, el procedimiento según la invención puede ser seguido ventajosamente por una etapa de sacarificación. Dicha etapa de sacarificación permite la producción de azúcar por hidrólisis enzimática y se continúa en condiciones similares al procedimiento según la invención, es decir, a la licuefacción, pero con un sistema de agitación más sencillo y un poder de agitación más débil.
Según una forma de realización preferida, la etapa de sacarificación se realiza ventajosamente en presencia de un microorganismo alcoholígeno para obtener un mosto de fermentación. En este caso, la sacarificación y la fermentación alcohólica se realizan en una sola etapa según un procedimiento simultáneo de sacarificación y fermentación conocido como procedimiento SSF.
El procedimiento de acuerdo con la invención también puede ser seguido ventajosamente por una etapa de producción de una mezcla de acetona, butanol, etanol (ABE), siendo realizada dicha etapa ventajosamente en presencia de la levadura Clostridium acetobutylcum.
El procedimiento según la invención también puede ser seguido ventajosamente por una etapa de producción de productos intermedios para la química.
El siguiente ejemplo de funcionamiento ilustra el procedimiento según la invención.
Ejemplos
Ejemplo N° 1 según la invención: procedimiento de licuefacción en modo “fed-batch”
El ejemplo N° 1 trata de un procedimiento de licuefacción llevado a cabo en un modo de alimentación por lotes. El principio consiste en preparar un fondo de tanque con parte del sustrato lignocelulósico pretratado por licuar. Esto permite que la reacción se inicie con un sustrato lignocelulósico pretratado diluido que permite la mezcla. A medida que avanza la licuefacción y desciende la viscosidad del medio, es posible agregar sustrato fresco para completar el volumen del reactor y lograr una materia seca alta.
El sustrato lignocelulósico pretratado considerado es la paja de trigo. Un pretratamiento adecuado para hacer que la paja sea reactiva a la hidrólisis es la explosión continua de vapor. De antemano, se requiere una etapa de molienda y una impregnación con ácido. Una cuadrícula de 10 a 20 mm es más que suficiente. La impregnación ácida se realiza en una solución de ácido sulfúrico con un contenido de materia seca del 10%. La dosis de ácido es del 0,50% en peso de ácido sulfúrico con respecto a la materia seca. La biomasa se drena y se introduce en el reactor de explosión de vapor.
La explosión de vapor se lleva a cabo en las siguientes condiciones de funcionamiento:
■ T = 200 °C
■ P = 16 bares
■ Tiempo de residencia: 5 min
■ Tasa de materia seca en el reactor: 20-25%
La paja pretratada se lleva luego a pH 4,8 con una solución concentrada de hidróxido de potasio KOH y luego se puede prensar para lograr una materia seca del 35%. La pureza de celulosa del sustrato obtenido después de este tipo de pretratamiento es comúnmente de alrededor del 50% en peso.
La etapa de licuefacción se realiza en un reactor de 4 m3 equipado con un agitador de tipo Paravisc de EKATO. El cóctel enzimático utilizado es Cellic-CTec2 de Novozyme. La solución enzimática tiene una concentración de proteína de 200 g/L y una densidad de aproximadamente 1,2.
Las condiciones de funcionamiento del lote alimentado son las siguientes:
■ Contenido de materia seca del medio de reacción inicial: 10%
■ Contenido de materia seca del medio de reacción final: 20%
■ Concentración de enzima: 20 g de solución enzimática/kg de celulosa
■ Velocidad de agitación Paravisc: 15 revoluciones por minuto
■ pH = 4,8, regulado con potasa concentrada
■ Temperatura = 50 °C, regulada
■ Adiciones de sustratos lignocelulósicos pretratados: 5 adiciones de 320 kg cada una
Inicialmente vacío, el reactor se llena con 1675 kg de agua a los que se añaden 686 kg de sustrato lignocelulósico pretratado. El reactor se calienta para alcanzar el punto de ajuste de 50 °C. Una vez alcanzado este punto de ajuste, se introducen todas las enzimas necesarias, es decir, 40 kg de solución enzimática. A continuación, la reacción comienza con una materia seca del 10% y un volumen de reacción de aproximadamente 2,4 m3 Llamaremos t0 al tiempo de adición de las enzimas correspondientes al inicio de la reacción. En t0, la potencia eléctrica consumida por el motor de agitación reducida a la masa del medio de reacción es de 4,0 kW/tonelada. A medida que se produce la reacción, la potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa del medio de reacción desciende y acaba llegando a 2,0 kW/tonelada. Luego se realiza una primera adición de 320 kg de sustrato, elevando la potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa de medio de reacción. Este procedimiento se repite hasta que se hayan realizado las 5 adiciones. En general, la última adición se realiza alrededor de t0 3 h. Se deja que la reacción prosiga durante otras 3 horas para que disminuya la viscosidad antes de poder pasar a la etapa siguiente o cambiar al modo continuo. Se puede esperar lograr una potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa de medio de reacción de 0,5 kW/tonelada al final de la licuefacción.
Ejemplo N° 2 según la invención: procedimiento de licuefacción en modo continuo a partir de un lote alimentado El ejemplo N° 2 trata de un procedimiento de licuefacción realizado en modo continuo a partir de un modo de alimentación por lotes explicado en el ejemplo N° 1. Los reactivos y las condiciones de funcionamiento del modo “fed batch” siguen siendo los mismos. La transición del modo de alimentación por lotes al modo continuo tiene lugar una vez que el reactor de 4 m3 está lleno y la potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa del medio de reacción es de 1,0 kW/tonelada. En este momento, el producto se retira continuamente a una velocidad que permite mantener un volumen de reacción constante. Para un tiempo de residencia de 4 horas, esto corresponde a un caudal de 1 tonelada por hora. Al mismo tiempo, el sustrato, el agua y las enzimas se inyectan con un caudal general idéntico para mantener constante la masa y el volumen en el reactor. El caudal másico de cada flujo es entonces el siguiente:
• Agua: 419 kg/h
• Solución enzimática: 10 kg/h
• Sustrato: 571 kg/h
Entonces comienza la licuefacción continua y pueden surgir tres casos:
• la potencia eléctrica consumida por el motor permanece constante, en cuyo caso no se modifican los caudales de sustrato, de solución enzimática o de agua
• la potencia eléctrica consumida por el motor disminuye, en cuyo caso puede:
° aumentar el flujo de sustrato reduciendo el de enzima y agua para mantener un volumen constante. El flujo de salida permanece constante. Ejemplo: 650 kg/h de sustrato, 9 kg/h de enzima, 341 kg/h de agua y una tasa de producción de 1000 kg/h;
° aumentar la tasa de flujo del sustrato manteniendo constantes las tasas de flujo de enzima y agua. El flujo de salida también debe aumentarse para mantener constante el volumen. Ejemplo: 650 kg/h de sustrato, 10 kg/h de enzima, 419 kg/h de agua y una tasa de producción de 1079 kg/h.
• aumenta la potencia eléctrica consumida por el motor, en cuyo caso se puede:
° disminuir el flujo de sustrato aumentando el de enzima y agua para mantener un volumen constante. El flujo de salida permanece constante. Ejemplo: 500 kg/h de sustrato, 12 kg/h de enzima, 488 kg/h de agua y una tasa de producción de 1000 kg/h;
° disminuir la tasa de flujo del sustrato manteniendo constantes las tasas de flujo de enzima y de agua. El flujo de salida también debe aumentarse para mantener constante el volumen. Ejemplo: 500 kg/h de sustrato, 10 kg/h de enzima, 419 kg/h de agua y un caudal de salida de 929 kg/h.
Dependiendo de los cambios en la potencia eléctrica consumida por el motor reducida a la masa del medio de reacción, es posible así controlar el procedimiento de licuefacción para mantener un punto de funcionamiento caracterizado por la viscosidad a un cizallamiento dado. El razonamiento es similar con un seguimiento en la potencia de agitación o en el par.
Ejemplo 3 según la invención: realizaciones de la etapa a)
El ejemplo N° 3 trata de las diferentes formas de realización de la etapa a). El reactor de licuefacción opera de manera estable en modo continuo y los caudales de sustrato, agua y enzima son respectivamente 40 kg/h, 59 kg/h y 1 kg/h como se indica en la Tabla, columna “Caso nominal”.
Se detecta una disminución en la característica reológica medida con el tiempo.
Partiendo del caso nominal, el caudal de sustrato se incrementa de 40 a 50 kg/h, y los caudales de agua y enzima se reducen respectivamente de 59 a 49,5 kg/h y de 1 a 0, 5 kg/h. El caudal total se mantiene y la característica reológica medida vuelve a estar en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso a) 1)”. Partiendo del caso nominal, el caudal de sustrato se incrementa de 40 a 50 kg/h, y los caudales de agua y de enzima se incrementan respectivamente de 59 a 73,75 kg/h y de 1 a 1,25 kg/h.
En comparación con el caso nominal, se mantiene la relación de caudal de agua a caudal de sustrato y la relación de caudal de enzima a caudal de sustrato. La característica reológica medida está nuevamente en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso a)2)”.
Partiendo del caso nominal, en una tercera realización, el caudal de sustrato se incrementa de 40 a 50 kg/h, y los caudales de agua y de enzima se mantienen constantes. La característica reológica medida está nuevamente en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso a)3)”.
Tabla 1 Realizaciones de la etapa a) - caudales en kg/h
Figure imgf000009_0001
Ejemplo 4 según la invención: Realizaciones de la etapa b)
El ejemplo 4 trata de las diferentes realizaciones de la etapa b). El reactor de licuefacción opera de manera estable en modo continuo y los caudales de sustrato, agua y enzima son respectivamente de 40 kg/h, 59 kg/h y 1 kg/h como se indica en la Tabla, columna “Caso nominal”.
Se detecta un aumento en la característica reológica medida con el tiempo.
Partiendo del caso nominal, en una primera realización, el caudal de sustrato se reduce de 40 a 30 kg/h, y los caudales de agua y enzima se aumentan respectivamente de 59 a 68,5 kg/h y de 1 a 1,5 kg/h. El caudal total se mantiene y la característica reológica medida vuelve a estar en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso b)1)”.
Partiendo del caso nominal, en una segunda realización, el caudal de sustrato se reduce de 40 a 30 kg/h, y los caudales de agua y de enzima se reducen respectivamente de 59 a 44,25 kg/h y de 1 a 0,75 kg/h.
En comparación con el caso nominal, se mantiene la relación de caudal de agua a caudal de sustrato y la relación de caudal de enzima a caudal de sustrato. La característica reológica medida está nuevamente en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso b)2)”.
Partiendo del caso nominal, en una tercera realización, el caudal de sustrato se reduce de 40 a 30 kg/h, y los caudales de agua y de enzima se mantienen constantes. La característica reológica medida está nuevamente en su valor nominal. Esta realización se presenta en la Tabla, columna “Caso b)3)”.
Tabla 2 Realizaciones de la etapa b) - caudales en kg/h
Figure imgf000010_0001

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de transformación de un sustrato lignocelulósico que comprende las siguientes etapas:
1) una etapa de licuefacción del sustrato en la que se pone en contacto, con agitación por medio de un motor, un 10 al 40% en peso de materia seca de sustrato lignocelulósico pretratado con agua y con enzimas a una concentración comprendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramo de celulosa durante un período comprendido entre 1 y 24 horas, en el que se mide al menos el valor de la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación a lo largo del tiempo y, si se detecta una disminución de dicho valor a lo largo del tiempo, se realiza la siguiente etapa a):
a) se aumenta la velocidad de alimentación del sustrato lignocelulósico pretratado, con o sin modificación del caudal de enzimas y/o de agua,
y si se detecta un aumento de dicho valor en el tiempo, se realiza la siguiente etapa b):
b) se aumenta la velocidad de alimentación de agua y/o de enzimas, con o sin modificación del caudal de sustrato lignocelulósico pretratado, la potencia eléctrica consumida por el motor del sistema de agitación se reduce a la masa del volumen de reacción restante comprendida entre 0,5 y 2 kW/tonelada,
2) una etapa de sacarificación del sustrato lignocelulósico licuado de la etapa 1), realizándose dicha etapa de sacarificación en presencia de un microorganismo alcoholígeno según un procedimiento de sacarificación y fermentación simultáneas conocido como procedimiento SSF.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sustrato lignocelulósico pretratado se pone en contacto en el procedimiento según la presente invención a una concentración comprendida entre el 18 y el 40%, ventajosamente entre el 24 y el 40% en peso de materia seca.
3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en el que las enzimas se ponen en contacto a una concentración comprendida entre 10 y 20 mg de enzimas por gramo de celulosa.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la duración del contacto está comprendida entre 4 y 8 horas.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la etapa de licuefacción se lleva a cabo en un reactor de alimentación continua durante la cual no se lleva a cabo ninguna extracción del contenido del reactor.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la etapa de licuefacción se lleva a cabo en un reactor de alimentación continua durante el cual se extrae una fracción del volumen de reacción para mantener constante la masa del volumen de reacción.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la etapa de licuefacción opera a una temperatura comprendida entre 40 y 60 °C, a un pH comprendido entre 4 y 6, y a presión atmosférica.
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