ES2898874T3 - Conversión hidrotermo-mecánica de biomasa lignocelulósica en etanol u otros productos de fermentación - Google Patents

Abstract

Un proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica, comprendiendo dicho proceso: (a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde dicha materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina; (b) exponer dicha materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro de dicho digestor, para solubilizar al menos una porción de dicha hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida rica en celulosa; (c) refinar dicha fase sólida rica en celulosa, junto con dicha fase líquida, en un refinador mecánico para reducir el tamaño medio de partícula de dicha fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y dicha fase líquida; (d) hidrolizar enzimáticamente dicha mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables a partir de dicha mezcla, en donde dicho reactor de hidrólisis incluye una o más etapas de hidrólisis; y (e) fermentar al menos algunos de dichos azúcares fermentables en un fermentador para producir un producto de fermentación.

Description

DESCRIPCIÓN

Conversión hidrotermo-mecánica de biomasa lignocelulósica en etanol u otros productos de fermentación

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a procesos para preparar azúcares fermentables y productos de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica.

Antecedentes de la invención

La biomasa lignocelulósica es el material renovable más abundante en el planeta y durante mucho tiempo se ha reconocido como una materia prima potencial para la producción de productos químicos, combustibles y materiales. La biomasa lignocelulósica normalmente comprende principalmente celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa y la hemicelulosa son polímeros naturales de azúcares, y la lignina es un polímero de hidrocarburo aromático/alifático que refuerza toda la red de biomasa.

El refinado de biomasa (o biorrefinado) se ha vuelto frecuente en la economía mundial. Las fibras de celulosa y azúcares, azúcares de hemicelulosa, lignina, gas de síntesis y los derivados de estos intermedios se utilizan para la producción de productos químicos y combustibles. Las biorrefinerías integradas son capaces de procesar la biomasa entrante de manera muy similar a como las refinerías de petróleo procesan ahora petróleo crudo. Las materias primas de biomasa lignocelulósica infrautilizadas tienen el potencial de ser mucho más baratas que el petróleo, sobre una base de carbono, así como mucho mejor desde el punto de vista del ciclo de vida ambiental. En los últimos años, se han construido varias biorrefinerías a escala comercial, diseñadas para convertir biomasa lignocelulósica como rastrojo de maíz, paja de trigo y bagazo de caña de azúcar o paja en el llamado etanol de segunda generación.

Por ejemplo, el documento US 2012/0006320 desvela un proceso para la producción de etanol a partir de biomasa celulósica. Sin embargo, sigue existiendo la necesidad de mejorar las tecnologías de conversión para producir etanol de segunda generación. Lo que se necesita es un enfoque práctico de bajo coste para hacer que la biomasa lignocelulósica sea fácilmente accesible para las enzimas celulasa, para producir azúcares fermentables.

Sumario de la invención

La presente invención se dirige a las necesidades de la técnica mencionadas anteriormente. Algunas variaciones de la invención se conocen como tecnología GreenPower3+™ o tecnología GP3+™, comúnmente asignadas con el cesionario de esta solicitud de patente.

En un aspecto, la invención proporciona un proceso para producir un producto de fermentación (por ejemplo, etanol) a partir de biomasa lignocelulósica, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar la fase sólida rica en celulosa, junto con la fase líquida, en un refinador mecánico para reducir el tamaño medio de partícula de la fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y la fase líquida;

(d) hidrolizar enzimáticamente la mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables a partir de la mezcla, en donde el reactor de hidrólisis incluye una o más etapas de hidrólisis; y (e) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables en un fermentador para producir un producto de fermentación.

En algunas realizaciones, la materia prima de biomasa lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste en maderas duras, maderas blandas, bagazo de caña de azúcar, paja de caña de azúcar, caña energética, rastrojo de maíz, mazorcas de maíz, fibra de maíz y combinaciones de las mismas.

La materia prima de biomasa lignocelulósica se puede pretratar, antes del paso (a), utilizando una o más técnicas seleccionadas del grupo que consiste en limpieza, lavado, pre-vaporización, secado, molienda, clasificación del tamaño de partículas y combinaciones de los mismos.

En algunas realizaciones, la solución de reacción comprende además un ácido, tal como (pero sin limitarse a) ácido acético. En algunas realizaciones, al menos una parte de la solución de reacción se introduce en la materia prima en un preimpregnador antes de el paso (b).

El paso (b) puede incluir un tiempo de residencia del digestor de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas. En algunas realizaciones, el tiempo de residencia del digestor es de aproximadamente 10 minutos o menos. El paso (b) puede incluir una temperatura del digestor de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 220 °C, tal como de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 200 °C. el paso (b) se puede realizar con una relación en peso de líquido-sólido del digestor de aproximadamente 1 a aproximadamente 4, preferentemente aproximadamente 2 o menos. El paso (b) se puede realizar a un pH del digestor de aproximadamente 3 a aproximadamente 5, tal como de aproximadamente 3,5 a aproximadamente 4,5.

En algunas realizaciones del proceso, un tanque de soplado está configurado para recibir la fase sólida rica en celulosa o los sólidos ricos en celulosa refinada a una presión menor que la presión del digestor. El tanque de soplado puede disponerse aguas abajo del digestor y aguas arriba del refinador mecánico, es decir, entre el digestor y el refinador. O el tanque de soplado puede disponerse aguas abajo del refinador mecánico. En determinadas realizaciones, un primer tanque de soplado está dispuesto aguas arriba del refinador mecánico y un segundo tanque de soplado está dispuesto aguas abajo del refinador mecánico. Opcionalmente, el vapor se separa del uno o más tanques de soplado. El vapor puede purgarse y/o condensarse o comprimirse y devolverse al digestor. En cualquier caso, el calor se puede recuperar de al menos parte del vapor.

El refinador mecánico puede seleccionarse del grupo que consiste en un refinador de soplado en caliente, un refinador de stock caliente, un refinador de línea de soplado, un refinador de disco, un refinador cónico, un refinador cilíndrico, un desfibrador en línea, una extrusora, un homogeneizador y combinaciones de los mismos.

El refinador mecánico puede operar a una presión de refinado seleccionada entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 20 bar. En algunas realizaciones, la presión de refinado es de aproximadamente 3 bar o menos. En algunas realizaciones, el refinador mecánico se opera a presión atmosférica o a aproximadamente la misma.

El refinador mecánico puede funcionar con una carga eléctrica de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 50 kW, tal como aproximadamente 5 kW a aproximadamente 20 kW, la potencia de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa. El refinador mecánico puede transferir hasta aproximadamente 500 kW-h de energía de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa, tal como de aproximadamente 50 kW-hr a aproximadamente 200 kW-hr de energía de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa.

El proceso puede utilizar múltiples refinadores mecánicos en diferentes partes del proceso. Por ejemplo, entre los pasos (c) y (d), al menos una porción de la mezcla se puede transportar a un segundo refinador mecánico, normalmente se opera a la misma presión de refinado o a una inferior en comparación con la del refinador mecánico en el paso (c). En determinadas realizaciones, el primer refinador mecánico en el paso (c) es un refinador presurizado y el segundo refinador mecánico es un refinador atmosférico.

En algunas realizaciones, el paso (d) utiliza múltiples reactores de hidrólisis enzimática. Por ejemplo, el paso (d) puede utilizar hidrólisis enzimática de una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde la hidrólisis enzimática de un solo paso incluye uno o más tanques o recipientes. El paso (d) puede utilizar hidrólisis enzimática de múltiples etapas configurada para licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes. Cuando se emplea hidrólisis enzimática de etapas múltiples, el proceso puede incluir un refinado mecánico adicional de la mezcla, o una forma parcialmente hidrolizada de la misma, después de al menos una primera etapa de hidrólisis enzimática.

El proceso de acuerdo con algunas realizaciones incluye además:

introducir la mezcla en un primer reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir un hidrolizado líquido que comprende azúcares de los sólidos refinados ricos en celulosa y opcionalmente de la hemicelulosa, y una fase sólida residual rica en celulosa;

separar opcionalmente al menos algo del hidrolizado líquido de la fase sólida residual rica en celulosa; transportar la fase sólida residual rica en celulosa a través de un refinador mecánico adicional y/o reciclar la fase sólida residual rica en celulosa a través del refinador mecánico, para generar sólidos residuales ricos en celulosa refinados; e

introducir los sólidos residuales ricos en celulosa refinados en un segundo reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis efectivas, para producir azúcares adicionales.

En algunas realizaciones, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo del reactor de hidrólisis para eliminar hebras de fibra celulósica. Las hebras de fibra celulósica pueden reciclarse de vuelta al reactor de hidrólisis.

Las enzimas celulasa pueden introducirse directamente en el refinador mecánico, de forma que se produce el refinado e hidrólisis simultáneos. Como alternativa o adicionalmente, las enzimas celulasa pueden introducirse en la fase sólida rica en celulosa antes del paso (c), de modo que durante el paso (c), se produce el refinado e hidrólisis simultáneos. En estas realizaciones, el refinador mecánico se opera preferentemente a una temperatura máxima de 75 °C o menos para mantener las condiciones de hidrólisis efectivas.

El proceso puede incluir la conversión de hemicelulosa en el producto de fermentación, de diversas formas. Por ejemplo, el paso (d) puede incluir la hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables. el paso (e) puede incluir hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables dentro del fermentador. Los azúcares monoméricos, derivados de la hemicelulosa, pueden co-fermentarse junto con glucosa o puede fermentarse en un segundo fermentador operado en serie o en paralelo con el fermentador principal.

El proceso puede comprender además la eliminación de uno o más inhibidores de la fermentación, tal como por decapado con vapor. En algunas realizaciones, el ácido acético (un inhibidor de la fermentación) se elimina y opcionalmente se recicla al digestor.

El proceso incluye normalmente concentrar el producto de fermentación por destilación. La destilación genera una corriente de colas de destilación y, en algunas realizaciones, la corriente de colas de destilación se evapora en un evaporador de colas de destilación que es un evaporador mecánico por compresión de vapor o está integrado en un tren de evaporadores de múltiples efectos.

El producto de fermentación puede seleccionarse del grupo que consiste en etanol, isopropanol, acetona, n-butanol, isobutanol, 1,4-butanodiol, ácido succínico, ácido láctico y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el producto de fermentación es etanol (y CO2 necesariamente producido en fermentación).

Otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) separar al menos una parte de la fase líquida de la fase sólida rica en celulosa;

(d) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa para reducir el tamaño medio de partícula, proporcionando así sólidos refinados ricos en celulosa;

(e) hidrolizar enzimáticamente los sólidos ricos en celulosa refinados en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables;

(f) hidrolizar la hemicelulosa en la fase líquida, por separado del paso (e), para generar azúcares de hemicelulosa fermentables; y

(g) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables y, opcionalmente, al menos algunos de los azúcares de hemicelulosa fermentables, en un fermentador para producir un producto de fermentación.

Todavía otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa para reducir el tamaño medio de partícula, proporcionando así sólidos refinados ricos en celulosa mezclados con la fase líquida;

(d) separar al menos una parte de la fase líquida de los sólidos refinados ricos en celulosa;

(e) hidrolizar enzimáticamente los sólidos refinados ricos en celulosa en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables;

(f) hidrolizar la hemicelulosa en la fase líquida, por separado del paso (e), para generar azúcares de hemicelulosa fermentables; y

(g) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables y, opcionalmente, al menos algunos de los azúcares de hemicelulosa fermentables, en un fermentador para producir un producto de fermentación.

Todavía otro proceso para producir azúcares fermentables a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa, junto con la fase líquida, para reducir el tamaño medio de partícula de la fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y la fase líquida;

(d) hidrolizar enzimáticamente la mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, generar azúcares fermentables a partir de la mezcla; y

(e) recuperar o tratar adicionalmente los azúcares fermentables.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador de línea de soplado presurizado.

La Figura 2 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador atmosférico.

La Figura 3 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando múltiples tanques de soplado con un refinador presurizado entre los tanques de soplado.

La Figura 4 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador atmosférico y recuperación de lignina.

La Figura 5 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador atmosférico e hidrólisis enzimática o ácida integrada.

La Figura 6 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador atmosférico y reciclado de sólidos no convertidos después de la hidrólisis enzimática de regreso al refinador.

La Figura 7 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones de la presente invención, Empleando un refinador atmosférico y reciclado de sólidos no convertidos después de la separación sólido-líquido de regreso al refinador.

La Figura 8 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso integrado de algunas realizaciones de la presente invención, con un refinador presurizado, evaporación intermedia del hidrolizado y concentración del producto de fermentación.

La Figura 9 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso integrado de algunas realizaciones de la presente invención, con un refinador mecánico opcional, evaporación intermedia del hidrolizado y concentración del producto de fermentación.

La Figura 10 es un diagrama de flujo de bloques simplificado que representa el proceso de algunas realizaciones, Empleando pasos de refinado e hidrólisis adicionales.

Descripción detallada de las realizaciones de la invención

Esta descripción permitirá a un experto en la materia realizar y utilizar la invención y describe varias realizaciones, adaptaciones, variaciones, Alternativas y usos de la invención. Estas y otras realizaciones, Atributos y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes para los expertos en la materia cuando se tomen haciendo referencia a la siguiente descripción detallada de la invención junto con cualquier dibujo adjunto.

Como se utilizan en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas en singular "un", "una", Y "el/la" incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario. A menos que se defina lo contrario, Todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el que se entiende comúnmente por un experto habitual en la materia a la que pertenece esta invención. Todos los números e intervalos de composición basados en porcentajes son porcentajes en peso, A menos que se indique lo contrario. Todos los intervalos de números o condiciones están destinados a abarcar cualquier valor específico contenido dentro del intervalo, Redondeado a cualquier punto decimal adecuado.

A menos que se indique de otro modo, todos los números que expresan las condiciones de reacción, estequiometrías, Concentraciones de componentes, etc. Usadas en la memoria descriptiva y las reivindicaciones deben entenderse como modificadas en todos los casos por el término "aproximadamente". En consecuencia, a menos que se indique lo contrario, Los parámetros numéricos establecidos en la siguiente especificación y las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo al menos de una técnica analítica específica.

El término "comprendiendo", que es sinónimo de "incluyendo", "conteniendo", O "caracterizado por" es inclusivo o ilimitado y no excluye elementos o pasos del método adicionales, no mencionados. "Comprendiendo" es un término de la técnica utilizado en el lenguaje de la reivindicación, lo que significa que los elementos de la reivindicación mencionados son esenciales, Pero se pueden añadir otros elementos de reivindicación y seguir formando una construcción dentro del alcance de la reivindicación.

Como se usa en el presente documento, la expresión "que consiste en" excluye cualquier elemento, Paso o ingrediente no especificado en la reivindicación. Cuando la expresión "consiste en" (o variaciones de la misma) aparece en una cláusula del cuerpo de una reivindicación, en lugar de seguir inmediatamente el preámbulo, limita únicamente el elemento establecido en esa cláusula; Otros elementos no están excluidos de la reivindicación en su conjunto. Como se usa en el presente documento, la expresión "que consiste esencialmente en" limita el alcance de una reivindicación a los elementos o pasos del método especificados, Más aquellos que no afecten materialmente a la base y características novedosas del objeto reivindicado.

Con respecto a las expresiones "comprendiendo", "que consiste en", y "que consiste esencialmente en", cuando una de estas tres expresiones se usa en el presente documento, La materia objeto de la presente divulgación y reivindicación puede incluir el uso de cualquiera de las otras dos expresiones. Por tanto, en algunas realizaciones no recitadas explícitamente de otra forma, cualquier caso de "comprendiendo" puede ser reemplazado por "que consiste en" o, como alternativa, Por "que consiste esencialmente en".

Algunas variaciones se basan en el descubrimiento de un proceso simple para convertir la biomasa lignocelulósica en azúcares fermentables. En algunas realizaciones, la biomasa se somete a un baño de vapor o agua caliente para disolver las hemicelulosas, Con o sin adición de ácido acético. Opcionalmente, este paso puede ir seguido de un refinamiento mecánico, tal como en un refinador de soplado en caliente, De los sólidos ricos en celulosa (y ricos en lignina). Los sólidos refinados se hidrolizan después enzimáticamente para generar azúcares, En uno o más reactores o recipientes de hidrólisis (o licuefacción). Un paso de evaporación después de la hidrólisis enzimática y antes de la fermentación, Pueden incluirse para eliminar el agua y los inhibidores potenciales de la fermentación del hidrolizado. Esta evaporación intermedia reduce los costes de capital y operativos de un proceso para biocombustibles celulósicos, Tales como etanol y butanol.

La accesibilidad de la celulosa a las enzimas celulasa se logra de acuerdo con los procesos desvelados. La accesibilidad se maximiza mediante el uso de dos controles que son (i) hidrotermales y (ii) mecánicos por naturaleza. Las condiciones hidrotermales óptimas proporcionan la liberación de hemicelulosas de la estructura sólida de la biomasa, que aumenta la accesibilidad de la celulosa a las enzimas, Incluso cuando el contenido de lignina permanece alto. Las condiciones óptimas de refinado mecánico proporcionan una mayor accesibilidad de la celulosa a las enzimas.

A continuación se describirán determinadas realizaciones de ejemplo de la invención. Estas realizaciones no pretenden limitar el alcance de la invención como se reivindica. El orden de los pasos puede variar, Algunos pasos pueden omitirse y/o pueden agregarse otros pasos. La referencia aquí al primer paso, segundo paso, Etc. Es solo para fines ilustrativos. De forma similar, las operaciones de la unidad pueden configurarse en diferentes secuencias, Algunas unidades pueden omitirse y otras unidades pueden agregarse.

Las Figuras 1 a 10 presentan diagramas de flujo de bloques simplificados que representan el proceso de algunas realizaciones de la presente invención. El proceso de la Figura 1 emplea un refinador de línea de soplado presurizado. El proceso de emplea un refinador atmosférico. El proceso de la Figura 3 emplea múltiples tanques de soplado con un refinador presurizado entre los tanques de soplado. El proceso de la Figura 4 emplea un refinador atmosférico y recuperación de lignina. El proceso de la Figura 5 emplea un refinador atmosférico e hidrólisis ácida o enzimática integrada. El proceso de la Figura 6 emplea un refinador atmosférico y recicla los sólidos no convertidos después de la hidrólisis enzimática de regreso al refinador. El proceso de la Figura 7 emplea un refinador atmosférico y recicla los sólidos no convertidos después de la separación sólido-líquido de regreso al refinador. El proceso de la Figura 8 emplea un refinador presurizado, evaporación intermedia del hidrolizado y concentración del producto de fermentación. El proceso de la Figura 9 incluye un refinador mecánico opcional, evaporación intermedia del hidrolizado y concentración del producto de fermentación. El proceso de la Figura 10 emplea (opcionalmente) varios pasos adicionales de refinado e hidrólisis adicionales.

En un aspecto, la invención proporciona un proceso para producir un producto de fermentación (por ejemplo, etanol) a partir de biomasa lignocelulósica, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar la fase sólida rica en celulosa, junto con la fase líquida, en un refinador mecánico para reducir el tamaño medio de partícula de la fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y la fase líquida;

(d) hidrolizar enzimáticamente la mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables a partir de la mezcla, en donde el reactor de hidrólisis incluye una o más etapas de hidrólisis; y (e) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables en un fermentador para producir un producto de fermentación.

En algunas realizaciones, la materia prima de biomasa lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste en maderas duras, maderas blandas, bagazo de caña de azúcar, paja de caña de azúcar, caña energética, rastrojo de maíz, mazorcas de maíz, fibra de maíz y combinaciones de las mismas.

La materia prima de biomasa puede seleccionarse de maderas duras, maderas blandas, residuos forestales, residuos agrícolas (tales como el bagazo de caña de azúcar), desechos industriales, Residuos del consumidor, o combinaciones de los mismos. En cualquiera de estos procesos, La materia prima puede incluir sacarosa. En algunas realizaciones con sacarosa presente en la materia prima (por ejemplo, caña de azúcar o remolacha azucarera), La mayor parte de la sacarosa se recupera como parte de los azúcares fermentables. En algunas realizaciones con dextrosa (o almidón que se hidroliza fácilmente a dextrosa) presente en la materia prima (por ejemplo, maíz), La dextrosa se recupera como parte de los azúcares fermentables.

Algunas realizaciones de la invención permiten el procesamiento de "residuos agrícolas", que para los presentes fines pretende incluir biomasa lignocelulósica asociada con cultivos alimentarios, pastos anuales, Cultivos energéticos u otras materias primas renovables anualmente. Los residuos agrícolas de ejemplo incluyen, pero no se limitan a, rastrojo de maíz, fibra de maíz, paja de trigo, bagazo de caña de azúcar, paja de arroz, paja de avena, paja de cebada, miscanthus, caña energética, o combinaciones de las mismas.

La materia prima de biomasa lignocelulósica se puede pretratar, antes del paso (a), utilizando una o más técnicas seleccionadas del grupo que consiste en limpieza, lavado, pre-vaporización, secado, molienda, clasificación del tamaño de partículas y combinaciones de los mismos. El proceso puede incluir limpiar la materia prima de partida mediante limpieza en húmedo o en seco. El proceso puede incluir reducción de tamaño, remojo en agua caliente, deshidratación, vaporización u otras operaciones, Aguas arriba del digestor.

En algunas realizaciones, la solución de reacción comprende además un ácido, tal como (pero sin limitarse a) ácido acético. En algunas realizaciones, al menos una parte de la solución de reacción se introduce en la materia prima en un preimpregnador antes de el paso (b).

El paso (b) puede incluir un tiempo de residencia del digestor de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas. En algunas realizaciones, el tiempo de residencia del digestor es de aproximadamente 10 minutos o menos. En diversas realizaciones, El tiempo de residencia del digestor es de aproximadamente 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 minutos, o aproximadamente 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5 o 4,0 horas.

El paso (b) puede incluir una temperatura del digestor de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 220 °C, tal como de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 200 °C. En diversas realizaciones, la temperatura del digestor es de aproximadamente 160 °C, 165 °C, 170 °C, 175 °C, 180 °C, 181 °C, 182 °C, 183 °C, 184 °C, 185 °C, 186 °C, 187 °C, 188 °C, 189 °C, 190 °C, 195 °C o 200 °C. A una determinada severidad de la reacción, Existe una compensación entre el tiempo y la temperatura. Opcionalmente, Se especifica un perfil de temperatura para el digestor.

Cabe señalar que la temperatura del digestor se puede medir de diversas formas. La temperatura del digestor puede tomarse como la temperatura del vapor dentro del digestor. La temperatura del digestor puede medirse a partir de la temperatura de los sólidos y/o los líquidos (o una mezcla de reacción de los mismos). La temperatura del digestor puede tomarse como la temperatura de entrada del digestor, La temperatura de salida del digestor, o una combinación o correlación de las mismas. La temperatura del digestor puede medirse, o correlacionarse con, La temperatura de la pared del digestor. Tenga en cuenta que especialmente en tiempos de residencia cortos (por ejemplo, 5 minutos), las temperaturas de las diferentes fases presentan vapor, líquido, Sólido y paredes metálicas) pueden no alcanzar el equilibrio.

El paso (b) puede incluir una presión del digestor de la presión atmosférica a aproximadamente 40 bar, Tal como de aproximadamente 10 bar a aproximadamente 20 bar. La presión del digestor puede corresponder a la presión de saturación del vapor a la temperatura del digestor. En algunas realizaciones, la presión del digestor es más alta que la presión de saturación del vapor a la temperatura del digestor, Tal como cuando se desea vapor de agua sobresaturado o cuando también está presente un gas inerte en el digestor. En algunas realizaciones, la presión del digestor es menor que la presión de saturación del vapor a la temperatura del digestor, Como cuando se desea vapor sobrecalentado o cuando está presente una línea de purga de vapor digestor.

El paso (b) puede realizarse con una relación en peso líquido-sólido del digestor de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10, tal como de aproximadamente 1 a aproximadamente 4, preferentemente aproximadamente 2 o menos. En diversas realizaciones, la relación en peso líquido-sólido del digestor es de aproximadamente 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 2,9; o 3,0.

El paso (b) se puede realizar a un pH del digestor de aproximadamente 2 a aproximadamente 6, tal como de aproximadamente 3 a 5, o de aproximadamente 3,5 a aproximadamente 4,5. En diversas realizaciones, el pH del digestor es de aproximadamente 3,1; 3,2; 3,3; 3,4; 3,5; 3,6; 3,7; 3,8; 3,9; 4,0; 4,1; 4,2; 4,3; 4,4; 4,5; 4,6; 4,7; 4,8 o 4,9. Por lo general, Un pH más bajo da una mayor severidad de la reacción. Normalmente, el pH del digestor no está controlado, sino que lo dicta la composición de la materia prima de partida (por ejemplo, Contenido de ácido o capacidad tampón) y si se incluye un ácido en la solución de reacción acuosa. Basándose en las mediciones realizadas al material de partida o mediciones dinámicas realizadas o correlacionadas durante el proceso, un aditivo (por ejemplo, Un ácido o una base) al digestor para variar el pH del digestor.

En algunas realizaciones del proceso, un tanque de soplado está configurado para recibir la fase sólida rica en celulosa o los sólidos ricos en celulosa refinada a una presión menor que la presión del digestor. El tanque de soplado puede disponerse aguas abajo del digestor y aguas arriba del refinador mecánico, es decir, entre el digestor y el refinador. O el tanque de soplado puede disponerse aguas abajo del refinador mecánico. En determinadas realizaciones, un primer tanque de soplado está dispuesto aguas arriba del refinador mecánico y un segundo tanque de soplado está dispuesto aguas abajo del refinador mecánico. Opcionalmente, el vapor se separa del uno o más tanques de soplado. El vapor puede purgarse y/o condensarse o comprimirse y devolverse al digestor. En cualquier caso, el calor se puede recuperar de al menos parte del vapor.

El refinador mecánico puede seleccionarse del grupo que consiste en un refinador de soplado en caliente, un refinador de stock caliente, un refinador de línea de soplado, un refinador de disco, un refinador cónico, un refinador cilíndrico, un desfibrador en línea, una extrusora, un homogeneizador y combinaciones de los mismos.

El refinador mecánico puede operar a una presión de refinado seleccionada entre aproximadamente 1 bar y aproximadamente 20 bar. En algunas realizaciones, la presión de refinado es de aproximadamente 3 bar o menos. En algunas realizaciones, el refinador mecánico se opera a presión atmosférica o a aproximadamente la misma.

El refinador mecánico puede funcionar con una carga eléctrica de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 50 kW, tal como aproximadamente 5 kW a aproximadamente 20 kW, la potencia de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa. En diversas realizaciones, El refinador mecánico opera con una carga eléctrica de aproximadamente 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35 o 40 kW de potencia de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa.

El refinador mecánico puede transferir hasta aproximadamente 500 kW-h de energía de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa, tal como de aproximadamente 50 kW-hr a aproximadamente 200 kW-hr de energía de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa. En diversas realizaciones, El refinador mecánico transfiere aproximadamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350 o 400 kW-h de energía de refinado por tonelada de fase sólida rica en celulosa.

El refinador mecánico puede diseñarse y funcionar utilizando principios que son bien conocidos en la técnica de las plantas y biorrefinerías de pulpa y papel. Por ejemplo, las dimensiones del espacio de la placa refinadora pueden variar, tales como de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 10 mm, o de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 2 mm, Para alcanzar la distribución de tamaño de partícula deseada. La elección de las dimensiones del espacio puede depender de la naturaleza de la materia prima inicial, por ejemplo.

En algunas realizaciones, el refinador mecánico está diseñado y/o ajustado para lograr ciertas longitudes promedio de fibra, tal como aproximadamente 1 mm, 0,9 mm, 0,8 mm, 0,7 mm, 0,6 mm, 0,5 mm, 0,4 mm, 0,3 mm, 0,2 mm, 0,1 mm o menos. En términos generales, las fibras más cortas o las fibras con un diámetro más bajo son más fáciles de hidrolizar enzimáticamente a azúcares, En comparación con fibras más grandes.

En algunas realizaciones, el refinador mecánico está diseñado y/o ajustado para lograr un cierto contenido de agramizas (haces de fibras), tal como menos de aproximadamente el 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 % o menos. Las agramizas no son deseables porque tienden a ser más difíciles de hidrolizar enzimáticamente a azúcares. Los nudos y otras partículas grandes también deben refinarse.

El proceso puede utilizar múltiples refinadores mecánicos en diferentes partes del proceso. Por ejemplo, entre los pasos (c) y (d), al menos una porción de la mezcla se puede transportar a un segundo refinador mecánico, normalmente se opera a la misma presión de refinado o a una inferior en comparación con la del refinador mecánico en el paso (c). En determinadas realizaciones, el primer refinador mecánico en el paso (c) es un refinador presurizado y el segundo refinador mecánico es un refinador atmosférico.

En algunas realizaciones, el paso (d) utiliza múltiples reactores de hidrólisis enzimática. Por ejemplo, el paso (d) puede utilizar hidrólisis enzimática de una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde la hidrólisis enzimática de un solo paso incluye uno o más tanques o recipientes. El paso (d) puede utilizar hidrólisis enzimática de múltiples etapas configurada para licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes. Cuando se emplea hidrólisis enzimática de etapas múltiples, el proceso puede incluir un refinado mecánico adicional de la mezcla, o una forma parcialmente hidrolizada de la misma, después de al menos una primera etapa de hidrólisis enzimática.

En algunas realizaciones, Se pueden emplear catalizadores no ácidos y no enzimáticos para co-hidrolizar oligómeros de glucosa y oligómeros de hemicelulosa. Por ejemplo, catalizadores básicos, catalizadores sólidos, líquidos iónicos u otros materiales eficaces pueden emplearse.

El proceso de acuerdo con algunas realizaciones incluye además:

introducir la mezcla en un primer reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir un hidrolizado líquido que comprende azúcares de los sólidos refinados ricos en celulosa y opcionalmente de la hemicelulosa, y una fase sólida residual rica en celulosa;

separar opcionalmente al menos algo del hidrolizado líquido de la fase sólida residual rica en celulosa; transportar la fase sólida residual rica en celulosa a través de un refinador mecánico adicional y/o reciclar la fase sólida residual rica en celulosa a través del refinador mecánico, para generar sólidos residuales ricos en celulosa refinados; e

introducir los sólidos residuales ricos en celulosa refinados en un segundo reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis efectivas, para producir azúcares adicionales.

En algunas realizaciones, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo del reactor de hidrólisis para eliminar hebras de fibra celulósica. Las hebras de fibra celulósica pueden reciclarse, al menos en parte, de vuelta al reactor de hidrólisis.

Las enzimas celulasa pueden introducirse directamente en el refinador mecánico, de forma que se produce el refinado e hidrólisis simultáneos. Como alternativa o adicionalmente, las enzimas celulasa pueden introducirse en la fase sólida rica en celulosa antes del paso (c), de modo que durante el paso (c), se produce el refinado e hidrólisis simultáneos. En estas realizaciones, el refinador mecánico se opera preferentemente a una temperatura máxima de 75 °C, 70 °C, 65 °C, 60 °C, 55 °C, 50 °C o menos para mantener condiciones de hidrólisis efectivas.

El proceso puede incluir la conversión de hemicelulosa en el producto de fermentación, de diversas formas. Por ejemplo, el paso (d) puede incluir la hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables. el paso (e) puede incluir hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables dentro del fermentador. Los azúcares monoméricos, derivados de la hemicelulosa, pueden co-fermentarse junto con glucosa o puede fermentarse en un segundo fermentador operado en serie o en paralelo con el fermentador principal.

El proceso puede comprender además la eliminación de uno o más inhibidores de la fermentación, tal como por decapado con vapor. En algunas realizaciones, el ácido acético (un inhibidor de la fermentación) se elimina y opcionalmente se recicla al digestor.

El proceso incluye normalmente concentrar el producto de fermentación por destilación. La destilación genera una corriente de colas de destilación y, en algunas realizaciones, la corriente de colas de destilación se evapora en un evaporador de colas de destilación que es un evaporador mecánico por compresión de vapor o está integrado en un tren de evaporadores de múltiples efectos.

El producto de fermentación puede seleccionarse del grupo que consiste en etanol, isopropanol, acetona, n-butanol, isobutanol, 1,4-butanodiol, ácido succínico, ácido láctico y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el producto de fermentación es etanol (y CO2 necesariamente coproducido en fermentación).

El rendimiento de sólidos (también conocido como rendimiento de pulpa o rendimiento de fibra) es la fracción de sólidos que quedan (no disueltos) después de la digestión y refinación, pero antes de la hidrólisis enzimática, en relación con la materia prima de biomasa de partida. El rendimiento sólido del proceso puede variar, tal como de aproximadamente el 60 % a aproximadamente el 90 %, normalmente de aproximadamente un 70 % a aproximadamente un 80 %. El rendimiento de sólidos no incluye sólidos disueltos (por ejemplo, azúcares de hemicelulosa en solución). En diversas realizaciones, el rendimiento de sólidos es de aproximadamente el 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 % u 80 %.

El rendimiento de azúcar (también conocido como rendimiento de carbohidratos) es la fracción de monómeros y oligómeros de azúcar después de la hidrólisis enzimática, pero antes de la fermentación del hidrolizado, en relación con el material sólido que entra en hidrólisis por digestión y cualquier refinado. El rendimiento de azúcar del proceso puede variar, tal como de aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 80 % (o más), preferentemente al menos el 50 %. En diversas realizaciones, el rendimiento de azúcar es de aproximadamente el 50 %, 52 %, 54 %, 56 %, 58 %, 60 %, 62 %, 64 %, 66 %, 68 %, 70 % o más.

La fracción de hemicelulosa de partida que se extrae en solución puede ser de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 95 %, tal como aproximadamente el 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 % o 90 %.

El rendimiento del producto de fermentación (por ejemplo, rendimiento de etanol) es el rendimiento del producto final producido en la fermentación, en relación con el rendimiento teórico si todos los azúcares se fermentan en el producto. El rendimiento teórico de la fermentación representa los coproductos necesarios, tales como el dióxido de carbono en el caso de etanol. En el caso del etanol, el rendimiento de etanol del proceso puede variar, tal como de aproximadamente el 65 % a aproximadamente el 95 %, normalmente al menos el 80 %. En diversas realizaciones, el rendimiento de etanol es de aproximadamente el 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %, 89 %, 90 % o más. También se puede calcular un rendimiento de etanol sobre la base de la materia prima de partida. En diversas realizaciones, el rendimiento de etanol es de aproximadamente 170,34 l/T (45 gal/T) (T son toneladas secas de materia prima lignocelulósica de partida) a aproximadamente 321,76 l/T (85 gal/T), normalmente de aproximadamente de 227,13 l/T (60 gal/T) o más.

Otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida rica en celulosa;

(c) separar al menos una parte de la fase líquida de la fase sólida rica en celulosa;

(d) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa para reducir el tamaño medio de partícula, proporcionando así sólidos refinados ricos en celulosa;

(e) hidrolizar enzimáticamente los sólidos refinados ricos en celulosa en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables;

(f) hidrolizar la hemicelulosa en la fase líquida, por separado del paso (e), para generar azúcares de hemicelulosa fermentables; y

(g) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables y, opcionalmente, al menos algunos de los azúcares de hemicelulosa fermentables, en un fermentador para producir un producto de fermentación.

Todavía otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa para reducir el tamaño medio de partícula, proporcionando así sólidos refinados ricos en celulosa mezclados con la fase líquida;

(d) separar al menos una parte de la fase líquida de los sólidos refinados ricos en celulosa;

(e) hidrolizar enzimáticamente los sólidos ricos en celulosa refinados en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables;

(f) hidrolizar la hemicelulosa en la fase líquida, por separado del paso (e), para generar azúcares de hemicelulosa fermentables; y

(g) fermentar al menos algunos de los azúcares fermentables y, opcionalmente, al menos algunos de los azúcares de hemicelulosa fermentables, en un fermentador para producir un producto de fermentación.

Todavía otro proceso para producir azúcares fermentables a partir de biomasa lignocelulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde la materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer la materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro del digestor, para solubilizar al menos una porción de la hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida de celulosa;

(c) refinar mecánicamente la fase sólida rica en celulosa, junto con la fase líquida, para reducir el tamaño medio de partícula de la fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y la fase líquida;

(d) hidrolizar enzimáticamente la mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, generar azúcares fermentables a partir de la mezcla; y

(e) recuperar o tratar adicionalmente los azúcares fermentables.

Aquí se describe un proceso para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de este modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos de celulosa;

(d) separar un vapor de la corriente refinada;

(e) introducir la corriente refinada en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir azúcares a partir de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa; y (f) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares como azúcares fermentabas.

Otro proceso para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de este modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos de celulosa;

(d) separar un vapor de la corriente refinada;

(e) introducir la corriente refinada en una unidad de hidrólisis de ácido en condiciones de hidrólisis eficaces para producir azúcares a partir de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa; (f) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares como azúcares fermentables.

También se desvela en el presente documento un proceso para producir etanol a partir de biomasa celulósica, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar la corriente digerida a través de un refinador de línea de soplado, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) separar un vapor de la corriente refinada;

(e) introducir la corriente refinada en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir azúcares a partir de los sólidos ricos en celulosa y de los oligómeros de hemicelulosa;

(f) fermentar los azúcares para producir etanol en solución diluida; y

(g) concentrar la solución diluida para producir un producto de etanol.

Otro proceso desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) reducir la presión de la corriente digerida;

(d) introducir la corriente digerida en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir una fase líquida que comprende azúcares de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa, y una fase sólida que comprende los sólidos ricos en celulosa;

(e) separar la fase líquida y la fase sólida del paso (d);

(f) transportar la fase sólida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(g) reciclar la corriente refinada a la unidad de hidrólisis enzimática, para producir azúcares adicionales a partir de los sólidos ricos en celulosa contenidos en la fase sólida del paso (d); y

(h) recuperar o procesar adicionalmente al menos algunos de los azúcares y al menos algunos de los azúcares adicionales como azúcares fermentables.

Todavía otro proceso para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) reducir la presión de la corriente digerida;

(d) introducir la corriente digerida en una primera unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir una fase líquida que comprende azúcares de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa, y una fase sólida que comprende los sólidos ricos en celulosa;

(e) separar la fase líquida y la fase sólida del paso (d);

(f) transportar la fase sólida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(g) reciclar la corriente refinada a una segunda unidad de hidrólisis enzimática, para producir azúcares adicionales a partir de los sólidos ricos en celulosa contenidos en la fase sólida del paso (d); y

(h) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares y/o azúcares adicionales como azúcares fermentabas.

Todavía otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) explotar opcionalmente la corriente digerida, generando de ese modo una corriente explosiva con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c)) la corriente explosiva en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado que contiene azúcar;

(e) evaporar el hidrolizado utilizando un evaporador de múltiples efectos o un evaporador mecánico por compresión de vapor, para producir un hidrolizado concentrado;

(f) fermentar el hidrolizado concentrado para producir un producto de fermentación diluido; y

(g) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

Un proceso adicional para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar opcionalmente la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c)) la corriente refinada en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado que contiene azúcar;

(e) evaporar opcionalmente el hidrolizado utilizando un evaporador de múltiples efectos o un evaporador mecánico por compresión de vapor, para producir un hidrolizado concentrado;

(f) fermentar el hidrolizado para producir un producto de fermentación diluido; y

(g) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

Otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) explotar opcionalmente la corriente digerida, generando de ese modo una corriente explosiva con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c)) la corriente explosiva en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado que contiene azúcar;

(e) evaporar el hidrolizado utilizando un evaporador de múltiples efectos o un evaporador mecánico por compresión de vapor, para producir un hidrolizado concentrado;

(f) fermentar el hidrolizado concentrado para producir un producto de fermentación diluido; y

(g) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

Todavía otro proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar opcionalmente al menos una porción de la corriente digerida a través de un primer refinador mecánico en una línea de soplado;

(d) transportar opcionalmente al menos una porción de la corriente digerida a través de un segundo refinador mecánico después de la reducción de presión de la corriente digerida;

(e) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c) y/o el paso (d)) un derivado tratado mecánicamente de la misma, a una unidad de licuefacción enzimática en condiciones de licuefacción efectivas para producir una primera corriente intermedia;

(f) transportar opcionalmente al menos una porción de la primera corriente intermedia a través de un tercer refinador mecánico;

(g) introducir la primera corriente intermedia y/o (si se realiza el paso (f)) un derivado tratado mecánicamente de la misma, a una primera unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis efectivas para producir una segunda corriente intermedia;

(h) transportar opcionalmente al menos una porción de la segunda corriente intermedia a través de un cuarto refinador mecánico;

(i) introducir la segunda corriente intermedia y/o (si se realiza el paso (h)) un derivado tratado mecánicamente de la misma, a una segunda unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado concentrado;

(j) fermentar el hidrolizado concentrado para producir un producto de fermentación diluido; y

(k) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

El proceso puede incluir ningún refinador, o solo el primer refinador mecánico, o solo el segundo refinador mecánico, o solo el tercer refinador mecánico, o solo el cuarto refinador mecánico, o cualquier combinación de los mismos (por ejemplo, dos de tales refinadores, o tres de tales refinadores, o los cuatro de tales refinadores).

Un proceso adicional desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar opcionalmente la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c)) la corriente refinada en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado que contiene azúcar;

(e) evaporar el hidrolizado utilizando un evaporador de múltiples efectos o un evaporador mecánico por compresión de vapor, para producir un hidrolizado concentrado;

(f) fermentar el hidrolizado concentrado para producir un producto de fermentación diluido; y

(g) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

Otro proceso desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir enzimas en el refinador mecánico y mantener condiciones de hidrólisis eficaces para producir azúcares a partir de los sólidos ricos en celulosa y, opcionalmente, de los oligómeros de hemicelulosa, simultáneamente con el paso (c);

(e) evaporar el agua del hidrolizado de el paso (d); y

(f) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares como azúcares fermentables.

Aún otro proceso desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de este modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos de celulosa;

(d) introducir la corriente refinada en una unidad de hidrólisis de ácido en condiciones de hidrólisis eficaces para producir azúcares a partir de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa;

(e) separar un vapor de la corriente refinada antes, durante o después del paso (d); y

(f) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares como azúcares fermentables.

En algunas realizaciones, la solución de reacción comprende o consiste esencialmente en vapor en forma saturada, sobrecalentada o sobresaturada. En estas u otras realizaciones, la solución de reacción comprende o consiste esencialmente en agua caliente líquida presurizada.

En determinadas realizaciones, se emplea una combinación de vapor y agua caliente líquida. Por ejemplo, se puede emplear una etapa de pre-vaporización antes del digestor, y luego se puede introducir agua caliente líquida en el digestor junto con biomasa pre-vaporizada. Dependiendo de la temperatura y la presión, el vapor puede condensarse parcial o completamente, o el agua caliente líquida puede entrar parcial o completamente en la fase de vapor, en el espacio del cabezal del digestor y/o en el espacio abierto entre las fibras de celulosa, por ejemplo.

La solución de reacción incluye opcionalmente un catalizador ácido, para ayudar en la extracción de hemicelulosas del material de partida y posiblemente para catalizar algo de hidrólisis. En algunas realizaciones, el ácido es un ácido que contiene azufre (por ejemplo, dióxido de azufre). En algunas realizaciones, el ácido es ácido acético, que se puede recuperar de la corriente digerida (es decir, de operaciones posteriores). Pueden estar presentes aditivos en la solución de reacción, tales como catalizadores ácidos o básicos, u otros compuestos presentes en corrientes recicladas.

Son posibles muchos tipos de digestores. El digestor puede ser horizontal, vertical o inclinado. El digestor puede tener o no algún agitador o medio de agitación interno. El digestor puede fijarse en su lugar o permitir su giro (por ejemplo, sobre sus dimensiones axiales o radiales). El digestor puede funcionar en modo de flujo ascendente o descendente, con respecto a los sólidos o mezcla sólido-líquido. Cuando hay exceso de líquido, el digestor puede funcionar en paralelo o en contracorriente (flujo sólido frente a flujo líquido). El digestor puede operarse de forma continua, semicontinua, en lotes, o alguna combinación o híbrido de los mismos. El patrón de flujo en el digestor puede ser patrón de flujo de pistón, bien mezclado, o cualquier otro patrón de flujo. El digestor puede calentarse interna o externamente, tal como por vapor, aceite caliente, etc. Por lo general, los principios de la ingeniería de reactores químicos pueden aplicarse al diseño y operación de los digestores.

En ciertas realizaciones preferidas de la invención, el digestor es un digestor vertical. En algunas realizaciones, el digestor no es o no incluye un digestor horizontal (por ejemplo, tipo Pandia). Aunque la técnica anterior tiende a alejar de un digestor vertical para procesar fibras anuales (residuos agrícolas), Se ha descubierto que un pretratamiento de un solo paso en un digestor vertical funciona sorprendentemente bien para la extracción con vapor o agua caliente de residuos agrícolas antes de la hidrólisis enzimática.

Como se pretende en el presente documento, un "digestor vertical" puede incluir equipos auxiliares no verticales, incluido el equipo de alimentación y descarga. Por ejemplo, una entrada horizontal o inclinada (por ejemplo, alimentador de tornillo de pistón) o salida horizontal o inclinada (por ejemplo, descargador de tornillo-pistón), un preimpregnador horizontal o inclinado, se puede incluir en el proceso una línea de soplado horizontal o inclinada, etc. cuando se utiliza un digestor vertical. También, un digestor vertical puede ser sustancialmente vertical pero puede contener secciones o zonas que no son estrictamente verticales, y puede contener corrientes laterales (entrada o salida), corrientes de reciclaje internas, y así sucesivamente., que pueden interpretarse como no verticales. En algunas realizaciones, un digestor vertical tiene un diámetro variable a lo largo de su longitud (altura).

El digestor es un digestor de una sola etapa. Aquí, "una sola etapa" significa que la biomasa se extrae con una solución de extracción (por ejemplo, agua caliente líquida con un ácido opcional como ácido acético) a temperatura y presión de reacción, para solubilizar hemicelulosas y lignina, sin separación intermedia antes de entrar en un refinador mecánico, línea de soplado o válvula de soplado. Las hemicelulosas no se separan y los sólidos ricos en celulosa no se procesan por separado antes de la hidrólisis enzimática. Siguiendo el digestor y el refinador de línea de soplado opcional, y después de que se libera la presión para alcanzar la presión atmosférica, en algunas realizaciones, las hemicelulosas pueden lavarse de los sólidos y procesarse por separado para hidrolizar las hemicelulosas a monómeros y/o para fermentar por separado azúcares de hemicelulosa a etanol. En algunas realizaciones, no hay separación intermedia: todo el contenido extraído/digerido, tanto la fase sólida como la líquida, se envía a la hidrólisis enzimática para producir glucosa y otros azúcares monoméricos como la xilosa.

Algunas realizaciones específicas de la invención emplean un digestor vertical de una sola etapa configurado para pretratar continuamente la biomasa entrante con agua caliente líquida, seguido del refinado en línea de soplado de todo el material pretratado, y luego seguido de la hidrólisis enzimática de todo el material refinado.

El refinador mecánico puede seleccionarse del grupo que consiste en un refinador de soplado en caliente, un refinador de stock caliente, un refinador de línea de soplado, un refinador de disco, un refinador cónico, un refinador cilíndrico, un desfibrador en línea, un homogeneizador y combinaciones de los mismos (teniendo en cuenta que estos términos de la industria no son mutuamente excluyentes entre sí). En determinadas realizaciones, el refinador mecánico es un refinador de línea de soplado. Pueden emplearse otros refinadores mecánicos y ayudas químicas para el refinado (por ejemplo, ácidos grasos) pueden introducirse, tal como para ajustar la viscosidad, densidad, lubricidad, etc.

El tratamiento mecánico (refinado) puede emplear una o más técnicas conocidas tales como, pero de ninguna forma limitado a, molienda, trituración, embutido, sonicación, o cualquier otro medio para reducir el tamaño de partícula de celulosa. Tales refinadores son bien conocidos en la industria e incluyen, sin limitación, batidores de valle, refinadores de un solo disco, refinadores de doble disco, refinadores cónicos, incluyendo refinadores cilíndricos tanto de ángulo grande como estrecho, homogenizadores, microfluidizadores y otros aparatos de molienda o trituración similares. Véase, por ejemplo, Smook, Manual para Tecnólogos de Pulpa & Papel, Tappi Press, 1992.

Un refinador presurizado puede operar a la misma presión que el digestor o a una presión diferente. En algunas realizaciones, tanto el digestor como el refinador operan en un rango de presión correspondiente a las temperaturas de equilibrio de saturación del vapor de aproximadamente 170 °C a aproximadamente 210 °C, tal como de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 200 °C. En algunas realizaciones, un refinador presurizado es alimentado por un tornillo entre el digestor y el refinador.

En principio, la presión en el refinador podría ser más alta que la presión del digestor, debido a la entrada de energía mecánica. Por ejemplo, se podría utilizar un alimentador de tornillo de alta presión para aumentar la presión de refinado, si se desea. También, se reconocerá que las presiones localizadas (fuerza dividida entre el área) pueden ser más altas que la presión de vapor, debido a la presencia de fuerza mecánica superficial (por ejemplo, placas) impactando el material sólido o suspensión.

Un tanque de soplado puede estar situado aguas abajo del refinador mecánico, para que el refinador mecánico opere bajo presión. La presión del refinador mecánico puede ser la misma que la presión del digestor o puede ser diferente. En algunas realizaciones, el refinador mecánico se opera a una presión de refinado seleccionada entre aproximadamente 2,07 bar (30 psig), (observando que "bar" en el presente documento se refiere a la presión manométrica) a aproximadamente 20,7 bar (300 psig), tal como de aproximadamente 3,45 bar (50 psig) a aproximadamente 10,3 bar (150 psig).

Un tanque de soplado puede estar situado aguas arriba del refinador mecánico, de forma que el refinador mecánico opere a presión reducida o presión atmosférica. En algunas realizaciones, el refinador mecánico se opera a una presión de refinado de menos de aproximadamente 3,45 bar (50 psig), menos de aproximadamente 2,07 bar (30 psig), o a presión atmosférica o aproximadamente.

Obsérvese que "tanque de soplado" debe interpretarse ampliamente para incluir no solo un tanque sino cualquier otro aparato o equipo capaz de permitir una reducción de presión en la corriente del proceso. Por lo tanto, un tanque de soplado puede ser un tanque, recipiente, sección de tubería, válvula, dispositivo de separación u otra unidad.

En algunas realizaciones, siguiendo un digestor para eliminar la hemicelulosa, se realiza un soplado intermedio a, por ejemplo, aproximadamente 2,76 bar (40 psig). El material se envía a un refinador de línea de soplado, y luego a un golpe final a presión atmosférica, por ejemplo. En algunas realizaciones, se utiliza un descargador de soplado en frío para alimentar un refinador presurizado. En algunas realizaciones, se utiliza un transportador de transferencia para alimentar un refinador presurizado.

El refinado puede realizarse en una amplia gama de concentraciones de sólidos (consistencia), incluyendo de aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 50 % de consistencia, tal como aproximadamente el 4 %, 6 %, 8 %, 10 %, 15 %, 20 %, 30 %, 35 % o 40 % de consistencia.

Un refinador presurizado puede operar a la misma presión que el digestor o a una presión diferente. En algunas realizaciones, tanto el digestor como el refinador operan en un rango de presión correspondiente a las temperaturas de equilibrio de saturación del vapor de aproximadamente 170 °C a aproximadamente 210 °C, tal como de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 200 °C. En algunas realizaciones, un refinador presurizado es alimentado por un tornillo entre el digestor y el refinador.

En ciertas realizaciones de la invención, un primer tanque de soplado está situado aguas arriba del refinador mecánico y un segundo tanque de soplado está situado aguas abajo del refinador mecánico. En este escenario, la presión se reduce algo entre el digestor y el refinador, que opera por encima de la presión atmosférica. Siguiendo el refinamiento, la presión se libera en el segundo tanque de soplado. En algunas realizaciones, el refinador mecánico se opera a una presión de refinado seleccionada de aproximadamente 0,69 bar (10 psig) a aproximadamente 10,34 bar (150 psig), tales como aproximadamente 1,38 bar (20 psig) a aproximadamente 6,90 bar (100 psig), o aproximadamente 2,07 bar (30 psig) a aproximadamente 3,45 bar (50 psig).

En algunas realizaciones, el vapor se separa de un tanque de soplado y el calor se recupera de al menos una parte del vapor. Al menos una parte del vapor puede comprimirse y devolverse al digestor. Es posible que parte del vapor se purgue del proceso.

En algunas realizaciones, el calor se recupera de al menos parte del vapor, utilizando los principios de la integración de calor. Al menos una parte del vapor puede comprimirse y devolverse al digestor. Es posible que parte del vapor se purgue del proceso.

En determinadas realizaciones, la reducción de presión que ocurre a través de una válvula de soplado causa, o ayuda, la expansión de la fibra o la explosión de la fibra. La expansión o explosión de la fibra es un tipo de acción física que puede ocurrir, reduciendo el tamaño de partícula o el área superficial de la fase de celulosa y mejorando la digestibilidad enzimática de la celulosa pretratada. Ciertas realizaciones emplean una válvula de soplado (o múltiples válvulas de soplado) para reemplazar un refinador mecánico o para aumentar el refinamiento que resulta de un refinador mecánico, dispuesto antes o después de dicha válvula de soplado. Algunas realizaciones combinan un refinador mecánico y valor de soplado en un solo aparato que refina simultáneamente los sólidos ricos en celulosa mientras sopla el material a una presión reducida.

En algunas realizaciones, las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática pueden incluir no solo celulasas sino también hemicelulasas. En determinadas realizaciones, las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática incluyen endoglucanasas y exoglucanasas.

La hidrólisis enzimática se puede realizar a una concentración de sólidos de aproximadamente el 5 % en peso a aproximadamente el 25 % en peso, tal como aproximadamente el 10 % en peso, 12 % en peso, 15 % en peso, 18 % en peso, 20 % en peso o 22 % en peso.

La unidad de hidrólisis enzimática puede incluir una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde la una sola etapa incluye uno o más tanques o recipientes. Como alternativa, la unidad de hidrólisis enzimática puede incluir dos etapas configuradas para la licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes.

Las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática pueden incluir celulasas y hemicelulasas. En algunas realizaciones, las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática incluyen endoglucanasas y exoglucanasas.

Algunas realizaciones emplean dos o más unidades de hidrólisis enzimática. La primera unidad de hidrólisis enzimática puede incluir una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde la una sola etapa incluye uno o más tanques o recipientes. Como alternativa, la primera unidad de hidrólisis enzimática puede incluir dos etapas configuradas para la licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes.

La segunda unidad de hidrólisis enzimática puede incluir una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde la una sola etapa incluye uno o más tanques o recipientes. Como alternativa, la segunda unidad de hidrólisis enzimática puede incluir dos etapas configuradas para la licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes. En determinadas realizaciones, el proceso comprende además reciclar al menos parte del material tratado en la segunda unidad de hidrólisis enzimática, para la separación sólido/líquido, por ejemplo.

Las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática pueden incluir celulasas y hemicelulasas. En algunas realizaciones, las enzimas introducidas o presentes en la unidad de hidrólisis enzimática incluyen endoglucanasas y exoglucanasas.

El reactor de hidrólisis se puede configurar en una o más etapas o recipientes. En algunas realizaciones, un reactor de hidrólisis es un sistema de dos, tres o más recipientes físicos que están configurados para llevar a cabo la licuefacción o hidrólisis de oligómeros de azúcar. Por ejemplo, en determinadas realizaciones, un tanque de licuefacción es seguido por un tanque de hidrólisis, que después es seguido por otro tanque para una hidrólisis prolongada. Pueden añadirse enzimas a uno cualquiera o más de estos recipientes y puede emplearse el reciclado de enzimas.

En otras realizaciones, se utiliza un solo reactor de hidrólisis física, reactor que contiene una pluralidad de zonas, tal como una zona de licuefacción, una primera zona de hidrólisis y una segunda zona de hidrólisis. Las zonas pueden ser estacionarias o móviles, y el reactor puede ser un reactor de flujo pistón continuo, un reactor agitado continuo, un reactor discontinuo, un reactor semidiscontinuo, o cualquier combinación de estos, incluyendo patrones de flujo arbitrarios de fases sólidas y líquidas.

Se puede incluir un refinador mecánico antes de la licuefacción, entre el tanque de licuefacción y el tanque de hidrólisis, y/o entre el tanque de hidrólisis y el tanque de hidrólisis extendido. Como alternativa o adicionalmente, un refinador mecánico puede incluirse en otra parte del proceso. Las enzimas pueden introducirse directamente en cualquiera de los refinadores, si se desea.

En algunas realizaciones, las enzimas se introducen directamente en el refinador mecánico. En estas u otras realizaciones, las enzimas se introducen en la corriente digerida, aguas arriba del refinador mecánico. Las enzimas pueden incluir celulasas (por ejemplo, endoglucanasas y exoglucanasas) y hemicelulasas.

Las condiciones efectivas de hidrólisis pueden incluir una temperatura máxima de 75 °C o menos, preferentemente de 65 °C o menos, dentro del refinador mecánico. En algunas realizaciones, las condiciones efectivas de hidrólisis incluyen una temperatura de hidrólisis de aproximadamente 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C o 70 °C dentro del refinador mecánico. Estas son las temperaturas medias dentro de la zona de refinado. Los puntos calientes locales pueden estar presentes dentro del refinador, tal como en regiones de alto cizallamiento, contacto de alta fricción entre sólidos ricos en celulosa y placas metálicas.

En algunas realizaciones, un reactor de hidrólisis o un refinador está configurado para provocar al menos algo de licuefacción como resultado de la acción enzimática sobre los sólidos ricos en celulosa. "Licuefacción" significa hidrólisis parcial de celulosa para formar oligómeros de glucosa (es decir, glucano) que se disuelven en solución, pero no la hidrólisis total de celulosa a monómeros de glucosa (sacarificación). Se pueden hidrolizar varias fracciones de celulosa durante la licuefacción. En algunas realizaciones, la fracción de celulosa hidrolizada puede ser de aproximadamente un 5 % a aproximadamente un 90 %, tales como aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 75 % (por ejemplo, aproximadamente el 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 % o 70%). En determinadas realizaciones, no hay un tanque o reactor de licuefacción separado; la licuefacción e hidrólisis ocurren en el mismo recipiente (por ejemplo, refinador o reactor de hidrólisis).

Una "mezcla de enzimas centrada en la licuefacción" significa una mezcla de enzimas que incluye al menos una enzima capaz de hidrolizar la celulosa para formar oligómeros solubles. En algunas realizaciones, una mezcla de enzimas centrada en la licuefacción incluye endoglucanasas y exoglucanasas. Las endoglucanasas son celulasas que atacan las regiones de baja cristalinidad en las fibras de celulosa por endoacción, creando extremos de cadena libres. Las exoglucanasas o celobiohidrolasas son celulasas que hidrolizan los enlaces 1,4-glicocidilo en la celobiosa.

Se pueden utilizar varias enzimas celulasa en la mezcla de enzimas centrada en la licuefacción, tal como una o más enzimas recitadas en Verardi et al., "Hidrólisis de Biomasa Lignocelulósica: Estado Actual de Procesos y Tecnologías y Perspectivas Futuras", Bioetanol, Prof. Marco Aurelio Pinheiro Lima (Ed.), ISBN: 978-953-51-0008-9, InTech (2012).

Algunas realizaciones emplean enzimas termotolerantes obtenidas a partir de microorganismos termófilos. Los microorganismos termófilos se pueden agrupar en termófilos (crecimiento hasta 60 °C), termófilos extremos (65-80 °C) e hipertermófilos (85-110 °C). La estabilidad única de las enzimas producidas por estos microorganismos a temperaturas elevadas, el pH extremo y la alta presión (hasta 1000 bar) los hacen valiosos para procesos en condiciones difíciles. También, las enzimas termófilas tienen una mayor resistencia a muchas condiciones desnaturalizantes, tales como el uso de detergentes, que pueden ser un medio eficaz para evitar la adsorción irreversible de celulasas sobre los sustratos. Así mismo, la utilización de altas temperaturas de operación, que provocan una disminución de la viscosidad y un aumento de los coeficientes de difusión de los sustratos, tienen una influencia significativa en la solubilización de la celulosa. La mayoría de las celulasas termófilas no muestran inhibición a un alto nivel de productos de reacción (por ejemplo, celobiosa y glucosa). Como consecuencia, se esperan mayores velocidades de reacción y mayores rendimientos del proceso. La alta temperatura del proceso reduce también la contaminación. véase Tabla 6, "Celulasas Termoestables" en Verardi et al., antes citado, para enzimas termotolerantes de ejemplo que pueden usarse en la mezcla de enzimas centrada en la licuefacción, o en otras realizaciones de la presente.

En algunas realizaciones, se selecciona una enzima de modo que a alta temperatura, la enzima es capaz de catalizar la licuefacción (hidrólisis parcial) pero no la sacarificación (hidrólisis total). Cuando la temperatura se reduce, la misma enzima puede catalizar la sacarificación para producir glucosa.

El proceso de hidrólisis emplea enzimas celulasa y normalmente contendrá celulasas y hemicelulasas. Las celulasas pueden incluir aquí p-glucosidasas que convierten celooligosacáridos y celobiosa disacárido en glucosa. Hay una serie de enzimas que pueden atacar las hemicelulosas, tales como glucoronido, acetilesterasa, xilanasa, p-xilosidasa, galactomanasa y glucomannasa. Los catalizadores ácidos de ejemplo incluyen ácido sulfúrico, dióxido de azufre, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y ácido nítrico.

En ciertas realizaciones de la invención, se configura un filtro autolimpiante aguas abajo de un tanque de hidrólisis para eliminar las hebras de fibra de celulosa antes de enviar el hidrolizado a un fermentador u otra unidad (por ejemplo, otro recipiente de hidrólisis para la hidrólisis prolongada de material soluble). El filtro autolimpiante rechaza continuamente los sólidos (incluidos los hilos de fibra de celulosa) que pueden reciclarse al primer recipiente de hidrólisis. Por ejemplo, las hebras de fibra de celulosa se pueden reciclar a un enfriador de biomasa que alimenta un tanque de reducción de viscosidad al comienzo de la hidrólisis.

Muchas corrientes de fluido contienen material particulado y, a menudo, es deseable separar este material particulado de la corriente de fluido. Si no está separado, el material particulado puede degradar la calidad, eficacia, reducir rendimiento del producto o causar daños graves a los componentes dentro del sistema. Se han diseñado muchos tipos de filtros con el fin de eliminar el material particulado de las corrientes de fluidos. Dichos filtros han incluido típicamente un elemento de filtro diseñado para filtrar el material particulado. Sin embargo, el material en partículas a menudo queda atrapado en el elemento de filtro. Como la cantidad de material particulado, a menudo denominado torta de filtración, se acumula en el elemento filtrante, aumenta la caída de presión que se produce a través del elemento filtrante. Una caída de presión a través del elemento filtrante de magnitud suficiente puede reducir significativamente el flujo de fluido, momento en el que el elemento filtrante debe limpiarse periódicamente o reemplazarse por un filtro nuevo. A menudo, esto se hace manualmente quitando el elemento del filtro y limpiando el filtro antes de volver a instalarlo en el sistema. Para minimizar las operaciones manuales, Los filtros se han diseñado para lograr una autolimpieza continua.

Como se pretende en el presente documento, un "filtro autolimpiante" debe interpretarse en sentido amplio para referirse a dispositivos de filtración autolimpiantes, decantadores autolimpiantes, pantallas autolimpiantes, centrífugas autolimpiantes, ciclones autolimpiantes, tambores rotativos autolimpiantes, extrusoras autolimpiantes u otros dispositivos de separación autolimpiantes.

Algunos filtros autolimpiantes utilizan pulsos de retroceso para desalojar materiales o cuchillas para raspar las partículas apelmazadas. Algunos filtros autolimpiantes se limpian con líquidos pulverizados, tales como agua o aire para eliminar las partículas. Algunos filtros autolimpiantes utilizan altas presiones o fuerzas para desalojar las partículas apelmazadas del filtro. Algunos filtros autolimpiantes emplean un movimiento (por ejemplo, giratorio) diseño de filtro en el que las partículas se filtran y eliminan continuamente debido a la fuerza centrífuga u otras fuerzas. Muchos filtros autolimpiantes están disponibles comercialmente.

Véase también, por ejemplo, la Patente de EE. UU. n.° 4.552.655, presentada el 12 de noviembre de 1985 y en la Patente de EE. UU. n.° 8.529.661, expedida el 10 de septiembre de 2013.

Como se pretende en el presente documento, las "hebras de fibra de celulosa" generalmente se refieren a partículas relativamente grandes, que contienen celulosa no solubles en forma de fibras individuales o haces de fibras. Las hebras de fibra de celulosa, sin limitación, pueden tener longitudes o longitudes efectivas en el intervalo de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 10 mm, tal como de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 5 mm. Algunos haces de hebras de fibra pueden tener una longitud o tamaño de partícula muy grande, tales como aproximadamente 10 mm o más. Los principios de la invención se pueden aplicar a partículas de celulosa más pequeñas, con una longitud o tamaño de partícula inferior a 0,1 mm, siempre que las partículas puedan ser capturadas por un filtro autolimpiante.

En algunas realizaciones, la composición de algunas hebras de fibra de celulosa puede ser similar a la composición del material de biomasa de partida, tal como cuando las partículas grandes no se pretrataron eficazmente en el digestor.

En algunas realizaciones, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo de una unidad de hidrólisis enzimática para eliminar hebras de fibra celulósica. Preferentemente, el filtro autolimpiante opera de forma continua. Las hebras de fibra celulósica pueden reciclarse de nuevo a una o más de una o más unidades de hidrólisis enzimática, para una mayor hidrólisis de celulosa.

En algunas realizaciones de la invención, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo de la unidad de licuefacción enzimática para eliminar hebras de fibra celulósica. En estas u otras realizaciones, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo de la primera unidad de hidrólisis enzimática para eliminar hebras de fibra celulósica. En estas u otras realizaciones, un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo de la segunda unidad de hidrólisis enzimática para eliminar hebras de fibra celulósica.

Al menos una porción de las hebras de fibra celulósica puede reciclarse de nuevo a la unidad de licuefacción enzimática o al recipiente o intercambiador de calor que se alimenta a la unidad de licuefacción enzimática. Como alternativa o adicionalmente, al menos una porción de las hebras de fibra celulósica se recicla de nuevo a la primera unidad de hidrólisis enzimática o al recipiente o intercambiador de calor que alimenta a la primera unidad de hidrólisis enzimática. Como alternativa o adicionalmente, al menos una porción de las hebras de fibra celulósica se recicla de nuevo al digestor y/o a uno de los refinadores mecánicos.

En términos generales, la hidrólisis enzimática que sigue al proceso hidrotermo-mecánico debe optimizarse para el tipo de biomasa, el coste de capital de los tanques frente al contenido de sólidos, integración energética con el resto de la planta y coste de la enzima frente al rendimiento de azúcar. Para cada implementación comercial, un experto en la materia puede llevar a cabo un diseño de experimentos en cooperación con un proveedor de enzimas o junto con la producción de enzimas in situ. En algunas realizaciones, un proceso desvelado en el presente documento se adapta a un digestor existente, un refinador existente, un reactor de hidrólisis existente y/o un sistema de fermentación existente. Una modernización de este tipo debe adaptarse a las limitaciones del sitio.

El proceso puede incluir además la eliminación de uno o más inhibidores de la fermentación mediante decapado. Este decapado se puede realizar siguiendo el paso (e), es decir, tratar la corriente de celulosa hidrolizada, antes de la fermentación. Como alternativa o adicionalmente, el decapado se puede realizar en una corriente después de la digestión, tal como en la línea de soplado o como parte de un sistema de reciclaje de ácido acético.

El proceso incluye un paso de fermentación de al menos algunos de los azúcares fermentables a un producto de fermentación. Normalmente, el proceso incluirá además la concentración y purificación del producto de fermentación. El producto de fermentación se puede seleccionar entre etanol, n-butanol, 1,4-butanodiol, ácido succínico, ácido láctico, o combinaciones de los mismos, por ejemplo. La lignina se puede quemar para producir energía.

Algunas realizaciones incluyen además la eliminación de una corriente sólida que contiene lignina antes de la fermentación de los azúcares fermentables. En estas u otras realizaciones, el proceso puede incluir además la eliminación de una corriente sólida que contiene lignina después de la fermentación de los azúcares fermentabas. La lignina se puede quemar o utilizar para otros fines.

Algunas variaciones descritas en el presente documento se basan en el diseño de opciones de proceso para aumentar el rendimiento de la producción de etanol (u otro producto de fermentación). Algunas configuraciones de proceso incluyen el envío de pulpa digerida, después de un soplado caliente pero antes de cualquier refinamiento mecánico, a la hidrólisis enzimática continua. La hidrólisis enzimática se puede configurar en un paso (licuefacción y sacarificación en un recipiente) o dos pasos (tanques) en serie. Los diferentes recipientes se pueden diseñar/operar como reactores de tanque con agitación continua. El material (líquido y sólido) de la hidrólisis enzimática puede sufrir una separación sólido/líquido, en donde la fase líquida que contiene los azúcares C5 y C6 se envía a fermentación. La fase sólida puede enviarse a un refinador de pulpa atmosférico en el que se logra una mayor deconstrucción de la fibra no hidrolizada (fase sólida) ajustando la carga de potencia del refinador y los parámetros físicos (por ejemplo, dimensiones de huecos o ranuras). A continuación, la fibra refinada se envía a otra unidad de hidrólisis enzimática o se recicla de nuevo a la unidad de hidrólisis primaria. Estas realizaciones pueden aumentar el rendimiento de la hidrólisis enzimática reciclando más fibra deconstruida y/o aumentar la digestibilidad de la fibra a los microorganismos de fermentación, lo que se traduce en un mayor rendimiento de etanol. Menos sólidos enviados a la fermentación se traducen en un mayor rendimiento de fermentación. Una cerveza de fermentación más limpia que producirá menos suciedad en la columna de cerveza.

Un proceso desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) reducir la presión de la corriente digerida;

(d) introducir la corriente digerida en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir una fase líquida que comprende azúcares de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa, y una fase sólida que comprende los sólidos ricos en celulosa;

(e) separar la fase líquida y la fase sólida del paso (d);

(f) transportar la fase sólida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(g) reciclar la corriente refinada a la unidad de hidrólisis enzimática, para producir azúcares adicionales a partir de los sólidos ricos en celulosa contenidos en la fase sólida del paso (d); y

(h) recuperar o procesar adicionalmente al menos algunos de los azúcares y al menos algunos de los azúcares adicionales como azúcares fermentables.

Otro proceso desvelado en el presente documento para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica comprende:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) reducir la presión de la corriente digerida;

(d) introducir la corriente digerida en una primera unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir una fase líquida que comprende azúcares de los sólidos ricos en celulosa y opcionalmente de los oligómeros de hemicelulosa, y una fase sólida que comprende los sólidos ricos en celulosa;

(e) separar la fase líquida y la fase sólida del paso (d);

(f) transportar la fase sólida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(g) reciclar la corriente refinada a una segunda unidad de hidrólisis enzimática, para producir azúcares adicionales a partir de los sólidos ricos en celulosa contenidos en la fase sólida del paso (d); y

(h) recuperar o procesar posteriormente al menos algunos de los azúcares y/o azúcares adicionales como azúcares fermentables.

Un proceso adicional para producir azúcares fermentables a partir de biomasa celulósica se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una materia prima que comprende biomasa celulósica;

(b) digerir la materia prima con una solución de reacción que incluya vapor y/o agua caliente en un digestor en condiciones de reacción eficaces para producir una corriente digerida que contenga sólidos ricos en celulosa, oligómeros de hemicelulosa y lignina;

(c) transportar opcionalmente la corriente digerida a través de un refinador mecánico, generando de ese modo una corriente refinada con un tamaño medio de partícula reducido de los sólidos ricos en celulosa;

(d) introducir la corriente digerida y/o (si se realiza el paso (c)) la corriente refinada en una unidad de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaces para producir un hidrolizado que contiene azúcar;

(e) evaporar el hidrolizado utilizando un evaporador de múltiples efectos o un evaporador mecánico por compresión de vapor, para producir un hidrolizado concentrado;

(f) fermentar el hidrolizado concentrado para producir un producto de fermentación diluido; y

(g) concentrar el producto de fermentación diluido para producir un producto de fermentación concentrado.

El paso (d) puede realizarse a una concentración de sólidos de aproximadamente el 5 % en peso a aproximadamente el 25 % en peso, tal como aproximadamente el 10 % en peso, 15 % en peso o 20 % en peso.

El paso (g) puede utilizar destilación, que genera una corriente de colas de destilación. La corriente de colas de destilación se puede evaporar en un evaporador de colas de destilación que está integrado con el paso (e) en un tren de evaporadores de múltiples efectos. El evaporador de colas de destilación puede proporcionar combustible de combustión rico en lignina.

Los sólidos en suspensión (lignina u otros sólidos) pueden eliminarse antes del paso (e). Los sólidos en suspensión pueden estar durante o después del paso (e) y antes del evaporador de colas de destilación.

El producto de fermentación concentrado puede seleccionarse de etanol, n-butanol, isobutanol, 1,4-butanodiol, ácido succínico, ácido láctico, o combinaciones de los mismos, por ejemplo. El producto de fermentación concentrado puede ser etanol.

En algunas realizaciones, el proceso incluye lavar los sólidos ricos en celulosa usando una solución de lavado acuosa, para producir un filtrado de lavado; y opcionalmente combinar al menos una parte del filtrado de lavado con el licor de extracto. En algunas de estas realizaciones, el proceso incluye además prensar los sólidos ricos en celulosa para producir los sólidos ricos en celulosa lavados y un filtrado de prensa; y combinar opcionalmente al menos una parte del filtrado de la prensa con el licor de extracto.

El proceso puede incluir lavado a contracorriente, tal como en dos, tres, cuatro o más etapas de lavado. La separación/lavado puede combinarse con la aplicación de enzimas, de diversas formas.

Se pueden utilizar dos catalizadores de hidrólisis en serie. En algunas realizaciones, un primer catalizador de hidrólisis incluye celulasas. En algunas realizaciones, un segundo catalizador de hidrólisis incluye hemicelulasas. En otras realizaciones, el primer catalizador de hidrólisis y el segundo catalizador de hidrólisis son catalizadores ácidos, catalizadores básicos, líquidos iónicos, catalizadores sólidos u otros materiales eficaces. El primer catalizador de hidrólisis puede ser igual a, o diferente de, el segundo catalizador de hidrólisis.

En algunas realizaciones, la glucosa se recupera en una corriente separada de los monómeros de hemicelulosa. En otras realizaciones, los monómeros de glucosa y hemicelulosa se recuperan en la misma corriente. El proceso puede incluir la fermentación de la glucosa y/o los azúcares de hemicelulosa fermentables a un producto de fermentación.

En algunas realizaciones, el proceso comienza cuando la biomasa se recibe o se reduce a un tamaño de partícula deseado. En un primer paso del proceso, la biomasa se alimenta (por ejemplo, desde un recipiente de alimentación) a un recipiente de extracción presurizado que funciona de forma continua o por lotes. La biomasa se puede calentar primero al vapor o lavar con agua para eliminar la suciedad y el aire arrastrado. La biomasa se sumerge en licor acuoso o vapor saturado y se calienta a una temperatura entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 250 °C, por ejemplo 150 °C, 160 °C, 170 °C, 180 °C, 190 °C, 200 °C o 210 °C. Preferentemente, la biomasa se calienta de aproximadamente 180 °C a 210 °C.

La presión en el recipiente presurizado se puede ajustar para mantener el licor acuoso como un líquido, vapor o una combinación de los mismos. Las presiones de ejemplo son de aproximadamente 1 bar a aproximadamente 30 bar, tal como aproximadamente 3 bar, 5 bar, 10 bar o 15 bar.

El tiempo de residencia en fase sólida para el digestor (recipiente de extracción presurizado) puede variar de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas, tal como de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 1 hora. En determinadas realizaciones, el tiempo de residencia del digestor se controla para que sea de aproximadamente 5 a 15 minutos, tal como 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 o 15 minutos. El tiempo de residencia en fase líquida para el digestor puede variar de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas, tal como de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 1 hora. El tiempo de residencia en fase de vapor para el digestor puede variar de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 2 horas, por ejemplo, tal como de aproximadamente 3 minutos a aproximadamente 30 minutos. Los tiempos de residencia en fase sólida, fase líquida y fase de vapor pueden ser todos aproximadamente iguales, o pueden controlarse independientemente de acuerdo con los principios de ingeniería de reactores (por ejemplo, estrategias de reciclaje y recirculación interna).

El licor acuoso puede contener compuestos acidificantes, como (pero no limitado a) ácido sulfúrico, ácido sulfúrico, dióxido de azufre, ácido acético, ácido fórmico o ácido oxálico o combinaciones de los mismos. La concentración de ácido diluido (si existe) puede oscilar entre el 0,01 % en peso y el 10 % en peso según sea necesario para mejorar la solubilidad de minerales particulares, tal como potasio, sodio o sílice. Preferentemente, la concentración de ácido se selecciona de aproximadamente el 0,01 % en peso a el 4 % en peso, tal como el 0,1 % en peso, el 0,5 % en peso o 1 % en peso.

Un segundo paso puede incluir la despresurización de la biomasa extraída en un tanque de soplado u otro tanque o unidad. El vapor se puede utilizar para calentar la biomasa entrante o el licor de cocción, directa o indirectamente. Los ácidos orgánicos volatilizados (por ejemplo, ácido acético), que se generan o se incluyen en el paso de cocción, se pueden reciclar para su cocción.

Un tercer paso incluye refinar mecánicamente la biomasa extraída. Este paso (usando, por ejemplo, un refinador de línea de soplado) antes o después de la despresurización.

Opcionalmente, los sólidos refinados pueden lavarse. El lavado se puede realizar con agua, condensados reciclados, permeado reciclado, o una combinación de los mismos. El lavado suele eliminar la mayor parte del material disuelto, incluyendo hemicelulosas y minerales. La consistencia final de los sólidos ricos en celulosa deshidratados puede aumentarse al 30 % o más, preferentemente al 50 % o más, utilizando un dispositivo de prensado mecánico. El dispositivo de prensado mecánico puede integrarse con el refinador mecánico, para lograr una combinación de refinado y lavado.

Un cuarto paso incluye hidrolizar los chips extraídos con enzimas para convertir parte de la celulosa en glucosa. Las enzimas incluyen enzimas celulasa. Se pueden introducir enzimas en los chips extraídos junto con agua, condensados reciclados, permeado reciclado, aditivos para ajustar el pH, aditivos para mejorar la hidrólisis (como lignosulfonatos) o combinaciones de los mismos.

Algunas o todas las enzimas pueden agregarse a la línea de soplado antes o en el refinador de la línea de soplado, por ejemplo, para ayudar en el contacto de la enzima con las fibras. En algunas realizaciones, al menos una parte de las enzimas se recicla en un proceso discontinuo o continuo.

Cuando se emplea un ácido para la hidrólisis de celulosa, el ácido puede seleccionarse entre ácido sulfúrico, ácido sulfúrico, dióxido de azufre, ácido fórmico, ácido acético, ácido oxálico o combinaciones de los mismos. Se pueden agregar ácidos a las virutas extraídas antes o después del refinado mecánico. En algunas realizaciones, las condiciones ácidas diluidas se utilizan a temperaturas entre aproximadamente 100 °C y 190 °C, por ejemplo, aproximadamente 120 °C, 130 °C, 140 °C, 150 °C, 160 °C o 170 °C, y preferentemente de 120 °C a 150 °C. En algunas realizaciones, al menos una porción del ácido se recicla en un proceso discontinuo o continuo.

El ácido puede seleccionarse entre ácido sulfúrico, ácido sulfuroso o dióxido de azufre. Como alternativa o adicionalmente, el ácido puede incluir ácido fórmico, ácido acético o ácido oxálico del licor de cocción o reciclado de la hidrólisis previa.

Un quinto paso puede incluir el acondicionamiento del hidrolizado para eliminar algunos o la mayoría de los ácidos volátiles y otros inhibidores de la fermentación. La evaporación puede incluir evaporación instantánea o decapado para eliminar el dióxido de azufre, si existe, antes de eliminar los ácidos volátiles. El paso de evaporación se realiza preferentemente por debajo del pH de disociación del ácido acético de 4,8, y más preferentemente un pH seleccionado de aproximadamente 1 a aproximadamente 2,5. En algunas realizaciones, se pueden emplear pasos de evaporación adicionales. Estos pasos de evaporación adicionales pueden realizarse en diferentes condiciones (por ejemplo, temperatura, presión y pH) en relación con el primer paso de evaporación.

En algunas realizaciones, algunos o todos los ácidos orgánicos evaporados pueden reciclarse, como vapor o condensado, en el primer paso (paso de cocción) para ayudar en la eliminación de hemicelulosas o minerales de la biomasa. Este reciclaje de ácidos orgánicos, tales como el ácido acético, puede optimizarse junto con las condiciones del proceso que pueden variar según la cantidad reciclada, para mejorar la eficacia de la cocción.

Un sexto paso puede incluir la recuperación de azúcares fermentables, que se puede almacenar, transportados o procesados. Un sexto paso incluye fermentar los azúcares fermentables a un producto, como se comentará adicionalmente a continuación.

Un séptimo paso puede incluir la preparación de los residuos sólidos (que contienen lignina) para la combustión. Este paso puede incluir refinar, moler, fluidificar, compactar y/o peletizar la biomasa extraída, seca. Los residuos sólidos se pueden alimentar a una caldera en forma de polvo fino, fibra suelta, pellets, briquetas, extruidos, o cualquier otra forma adecuada. Usando el equipo conocido, los residuos sólidos pueden extruirse a través de una cámara presurizada para formar gránulos o briquetas de tamaño uniforme.

En algunas realizaciones, los azúcares fermentables se recuperan de la solución, en forma concentrada. Los azúcares fermentables se fermentan para producir bioquímicos o biocombustibles como (pero no limitado a) etanol, 1-butanol, isobutanol, ácido acético, ácido láctico o cualquier otro producto de fermentación. Se puede producir un producto de fermentación purificado destilando el producto de fermentación, que también generará una corriente de colas de destilación que contiene sólidos residuales. Se puede utilizar una etapa de evaporación de fondos, para producir sólidos residuales.

Después de la fermentación, los sólidos residuales (tales como colas de destilación) pueden recuperarse o quemarse en forma sólida o en suspensión, o reciclarse para combinarse en los gránulos de biomasa. El uso de los sólidos residuales de la fermentación puede requerir una mayor decapado de minerales. Por lo general, los sólidos sobrantes se pueden usar para quemar, después de la concentración de las colas de destilación.

Como alternativa o adicionalmente, el proceso puede incluir la recuperación de los sólidos residuales como un coproducto de fermentación en un sólido, en forma líquida o en suspensión. El coproducto de fermentación se puede utilizar como fertilizante o componente fertilizante, puesto que normalmente será rico en potasio, nitrógeno y/o fósforo.

En determinadas realizaciones, el proceso comprende además combinar, a un pH de aproximadamente 4,8 a 10 o superior, una porción de ácido acético vaporizado con un óxido alcalino, hidróxido alcalino, carbonato alcalino y/o bicarbonato alcalino, en donde el alcalino se selecciona del grupo que consiste en potasio, sodio, magnesio, calcio y combinaciones de los mismos, para convertir la porción del ácido acético vaporizado en un acetato alcalino. Se puede recuperar el acetato alcalino. Si se desea, se puede generar ácido acético purificado a partir del acetato alcalino.

Los inhibidores de la fermentación pueden separarse de un hidrolizado derivado de biomasa, tal como mediante los siguientes pasos:

(a) proporcionar una corriente de hidrolizado líquido derivado de biomasa que comprende un inhibidor de fermentación; (b) introducir la corriente de hidrolizado líquido en una columna de decapado;

(c) introducir una corriente de vapor rica en vapor de agua en la columna de decapado para eliminar al menos una parte del inhibidor de fermentación de la corriente de hidrolizado líquido;

(d) recuperar, de la columna de decapado, una corriente de líquido decapado y una corriente de salida de vapor decapante, en donde la corriente de líquido extraído tiene una concentración de inhibidor de la fermentación más baja que la corriente de hidrolizado líquido;

(e) comprimir la corriente de salida de vapor del separador para generar una corriente de vapor comprimido;

(f) introducir la corriente de vapor comprimido y una corriente líquida rica en agua, a un evaporador;

(g) recuperar, del evaporador, una corriente de líquido evaporado y una corriente de vapor de salida del evaporador; y

(h) reciclar al menos una porción de la corriente de vapor de salida del evaporador a la columna de decapado como corriente de vapor rica en vapor, o una porción de la misma.

El hidrolizado derivado de biomasa puede ser el producto de hidrólisis ácida o enzimática, o puede ser la solución extraída del digestor, por ejemplo. En algunas realizaciones, el inhibidor de la fermentación se selecciona del grupo que consiste en ácido acético, ácido fórmico, formaldehído, acetaldehído, ácido láctico, furfural, 5-hidroximetilfurfural, furánicos, ácidos urónicos, compuestos fenólicos, compuestos que contienen azufre y combinaciones o derivados de los mismos.

En algunas realizaciones, la corriente líquida rica en agua contiene sólidos de biomasa que se concentran en el evaporador. Estos sólidos de biomasa pueden derivarse de la misma materia prima de biomasa que el hidrolizado líquido derivado de biomasa, en un proceso integrado.

Opcionalmente, el inhibidor de fermentación se recicla a una operación unitaria anterior (por ejemplo, digestor o reactor) para generar la corriente de hidrolizado líquido derivado de biomasa, para ayudar con la hidrólisis o el pretratamiento de una materia prima de biomasa o un componente de la misma. Por ejemplo, el ácido acético puede reciclarse para este fin, para ayudar en la eliminación de hemicelulosas de la biomasa y/o en la hidrólisis de oligómeros a azúcares monoméricos.

Otro proceso para separar inhibidores de fermentación de un hidrolizado derivado de biomasa se desvela en el presente documento, comprendiendo el proceso:

(a) proporcionar una corriente de hidrolizado líquido derivado de biomasa que comprende un inhibidor de fermentación; (b) introducir la corriente de hidrolizado líquido en una columna de decapado;

(c) introducir una corriente de vapor rica en vapor de agua en la columna de decapado para eliminar al menos una parte del inhibidor de fermentación de la corriente de hidrolizado líquido;

(d) recuperar, de la columna de decapado, una corriente de líquido decapado y una corriente de salida de vapor decapante, en donde la corriente de líquido extraído tiene una concentración de inhibidor de la fermentación más baja que la corriente de hidrolizado líquido;

(e) introducir la corriente de salida de vapor del separador y una corriente de líquido rica en agua, a un evaporador; (f) recuperar, del evaporador, una corriente de líquido evaporado y una corriente de vapor de salida del evaporador; (g) comprimir la corriente de vapor de salida del evaporador para generar una corriente de vapor comprimido; y (h) reciclar al menos una porción de la corriente de vapor comprimido a la columna de decapado como corriente de vapor rica en vapor, o una porción de la misma.

En algunas realizaciones, el evaporador es una caldera, la corriente líquida rica en agua comprende agua de alimentación de la caldera y la corriente líquida evaporada comprende condensado de la caldera.

El proceso puede ser continuo, semicontinuo o por lotes. Cuando es continuo o semicontinuo, la columna de decapado se puede operar a contracorriente, simultáneamente, o una combinación de los mismos.

Un proceso adicional para separar y recuperar un inhibidor de fermentación de un hidrolizado derivado de biomasa puede comprender:

(a) proporcionar una corriente de hidrolizado líquido derivado de biomasa que comprende un inhibidor de fermentación; (b) introducir la corriente de hidrolizado líquido en una columna de decapado;

(c) introducir una corriente de vapor rica en vapor de agua en la columna de decapado para eliminar al menos una parte del inhibidor de fermentación de la corriente de hidrolizado líquido;

(d) recuperar, de la columna de decapado, una corriente de líquido decapado y una corriente de salida de vapor decapante, en donde la corriente de líquido extraído tiene una concentración de inhibidor de la fermentación más baja que la corriente de hidrolizado líquido;

(e) introducir la corriente de salida de vapor del separador y una corriente de líquido rica en agua, a una columna de rectificación;

(f) recuperar, de la columna de rectificación, una corriente de líquido rectificada y una corriente de vapor de columna de rectificación, en donde la corriente líquida rectificada tiene una concentración de inhibidor de fermentación más alta que la corriente líquida de hidrolizado; y

(g) reciclar al menos una porción de la corriente de vapor de la columna de rectificación a la columna de decapado como corriente de vapor rica en vapor, o una porción de la misma.

El inhibidor de la fermentación se puede seleccionar del grupo que consiste en ácido acético, ácido fórmico, formaldehído, acetaldehído, ácido láctico, furfural, 5-hidroximetilfurfural, furánicos, ácidos urónicos, compuestos fenólicos, compuestos que contienen azufre y combinaciones o derivados de los mismos. En algunas realizaciones, el inhibidor de la fermentación comprende o consiste esencialmente en ácido acético.

En el caso del ácido acético, la corriente de líquido extraído tiene preferentemente menos de 10 g/l de concentración de ácido acético, tal como menos de 5 g/l de concentración de ácido acético. La corriente de vapor de la columna de rectificación tiene preferentemente menos de 0,5 g/l de concentración de ácido acético, tal como menos de 0,1 g/l de concentración de ácido acético. La corriente líquida rectificada tiene preferentemente al menos 25 g/l de concentración de ácido acético, tal como aproximadamente 40 g/lo más de ácido acético. En algunas realizaciones, la corriente líquida rectificada tiene una concentración de ácido acético al menos 10 veces mayor en comparación con la corriente líquida extraída. En determinadas realizaciones, el proceso comprende además recuperar el ácido acético contenido en la corriente líquida rectificada usando extracción líquido-vapor o extracción líquido-líquido.

En algunas realizaciones, la corriente líquida rica en agua incluye condensado del evaporador. El condensado del evaporador puede derivarse de un evaporador en el que se concentran los sólidos de biomasa, y los sólidos de biomasa pueden derivarse de la misma materia prima de biomasa que el hidrolizado líquido derivado de biomasa, en un proceso integrado.

Opcionalmente, el inhibidor de la fermentación (por ejemplo, ácido acético) se recicla a una operación unitaria previa para generar la corriente de hidrolizado líquido derivado de biomasa, para ayudar con la hidrólisis o el pretratamiento de una materia prima de biomasa o un componente de la misma.

El proceso puede ser continuo, semicontinuo o por lotes. Cuando es continuo o semicontinuo, la columna de decapado se puede operar a contracorriente, simultáneamente, o una combinación de los mismos. La columna de rectificación puede operar de forma continua o por lotes.

En diversas realizaciones, el paso (g) comprende comprimir y/o transportar la corriente de vapor de la columna de rectificación utilizando un dispositivo seleccionado del grupo que consiste en un compresor de vapor centrífugo mecánico, un compresor de vapor axial mecánico, un termocompresor, un eyector, una bomba de difusión, una bomba turbomolecular y combinaciones de las mismas.

Si se desea, se puede incluir una base u otro aditivo en la corriente de líquido rica en agua, o introducirse por separado en la columna de rectificación, para producir sales u otros productos de reacción derivados de inhibidores de fermentación. En algunas realizaciones, la corriente líquida rica en agua incluye uno o más aditivos capaces de reaccionar con el inhibidor de fermentación. En determinadas realizaciones, el inhibidor de la fermentación incluye ácido acético y uno o más aditivos incluyen una base. A continuación, se puede generar una sal de acetato dentro de la columna de rectificación o en una unidad acoplada a la columna de rectificación. Opcionalmente, la sal de acetato puede separarse y recuperarse mediante extracción líquido-vapor o extracción líquido-líquido.

El proceso desvelado en el presente documento proporciona un producto por proceso. Es decir, un producto, tal como etanol, puede producirse por cualquiera de los procesos desvelados.

En el presente documento se divulga un sistema comercial en el que los pasos de un proceso seleccionado se practican en diferentes sitios y potencialmente por diferentes entidades corporativas, actuando en conjunto entre sí de alguna forma, como en una empresa conjunta, una relación de agencia, un productor de peaje, un cliente con uso restringido del producto, etc. Por ejemplo, la biomasa se puede digerir y refinar mediante pasos hidrotermo-mecánicos como se describe en este documento, y los sólidos refinados ricos en celulosa pueden transportarse a otro sitio para la hidrólisis enzimática a azúcares y luego la fermentación a etanol. O la biomasa puede ser digerida y refinada por pasos hidrotermo-mecánicos e hidrolizada por enzimas, y luego el hidrolizado se transporta a otro sitio (como una planta de etanol de primera generación) para ser fermentado a etanol.

Algunas variaciones de la invención se conocen como tecnología GreenPower3+™ o tecnología GP3+™ (marcas comerciales de API Intellectual Property Holdings, LLC), comúnmente asignadas con el cesionario de esta solicitud de patente.

En esta descripción detallada, se ha hecho referencia a múltiples realizaciones de la invención y ejemplos no limitativos relacionados con cómo se puede entender y poner en práctica la invención.

Cuando los métodos y pasos descritos anteriormente indican que ciertos eventos ocurren en cierto orden, los expertos en la materia reconocerán que el orden de ciertos pasos puede modificarse y que tales modificaciones están de acuerdo con las variaciones de la invención. Adicionalmente, algunos de los pasos se pueden realizar simultáneamente en un proceso paralelo cuando sea posible, así como realizado secuencialmente.

Por lo tanto, en la medida en que haya variaciones de la invención, que se encuentran dentro de las reivindicaciones adjuntas, La intención es que esta patente cubra también esas variaciones. La presente invención solo estará limitada por lo que se reivindica.

Ejemplo

El rastrojo de maíz se somete al proceso de acuerdo con algunas realizaciones. La composición del rastrojo de maíz es la siguiente:

42,9 % en peso de glucano

21.2 % en peso de xilano

1.2 % en peso de galactano

2.2 % en peso de arabinano

0,2 % en peso de manano

23,4 % en peso de lignina

3,1 % en peso de ceniza

Las condiciones de cocción (digestor) incluyen una temperatura del digestor de 183 °C y un tiempo de residencia del digestor de 22 minutos. Después de la reacción química en el digestor, se lleva a cabo un refinado mecánico ligero sobre el material digerido, sin separación de sólidos y líquidos. El refinado mecánico emplea un refinador de banco atmosférico (espacio de 0,5 mm, 1 pasada).

A continuación, el material digerido se somete a hidrólisis enzimática. La concentración de la suspensión tiene aproximadamente el 10 % en peso de sólidos totales. Se utiliza un cóctel de enzimas celulasa disponible comercialmente, a una dosis de enzima del 2,25 % en peso sobre biomasa. El pH durante la hidrólisis enzimática está en el rango de 4,8-5,3. La temperatura durante la hidrólisis enzimática es de 54 °C y la hidrólisis se lleva a cabo durante 72 horas para obtener un hidrolizado líquido.

A continuación, el hidrolizado líquido se fermenta utilizando una levadura productora de etanol disponible comercialmente. La brea inicial es de 0,4 g de levadura seca por litro de caldo de fermentación final. Se emplea la fermentación por lotes alimentados, con un tiempo de alimentación de 20 horas. El tiempo total de fermentación es de 36 horas, incluido el tiempo de llenado del lote alimentado. Se utiliza base de amoniaco y el pH se controla a 6,0. No se agregan nutrientes de fermentación durante la fermentación.

El hidrolizado líquido se fermenta a etanol con un rendimiento de fermentación teórico del 82 %, basándose en monómeros totales en el hidrolizado líquido alimentado al fermentador. El rendimiento calculado de etanol en este experimento es de aproximadamente 215,77 litros (57 galones) de etanol por tonelada seca de biomasa inicial (rastrojo de maíz).

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para producir un producto de fermentación a partir de biomasa lignocelulósica, comprendiendo dicho proceso:

(a) introducir una materia prima de biomasa lignocelulósica en un digestor de una sola etapa, en donde dicha materia prima contiene celulosa, hemicelulosa y lignina;

(b) exponer dicha materia prima a una solución de reacción que comprende vapor o agua caliente líquida dentro de dicho digestor, para solubilizar al menos una porción de dicha hemicelulosa en una fase líquida y proporcionar una fase sólida rica en celulosa;

(c) refinar dicha fase sólida rica en celulosa, junto con dicha fase líquida, en un refinador mecánico para reducir el tamaño medio de partícula de dicha fase sólida rica en celulosa, proporcionando así una mezcla que comprende sólidos refinados ricos en celulosa y dicha fase líquida;

(d) hidrolizar enzimáticamente dicha mezcla en un reactor de hidrólisis con enzimas celulasa, para generar azúcares fermentables a partir de dicha mezcla, en donde dicho reactor de hidrólisis incluye una o más etapas de hidrólisis; y (e) fermentar al menos algunos de dichos azúcares fermentables en un fermentador para producir un producto de fermentación.

2. El proceso de la reivindicación 1, en donde:

(i) dicha materia prima de biomasa lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste en maderas duras, maderas blandas, bagazo de caña de azúcar, paja de caña de azúcar, caña energética, rastrojo de maíz, mazorcas de maíz, fibra de maíz y combinaciones de las mismas; o

(ii) dicha materia prima de biomasa lignocelulósica es pretratada, antes del paso (a), utilizando una o más técnicas seleccionadas del grupo que consiste en limpieza, lavado, pre-vaporización, secado, molienda, clasificación del tamaño de partículas y combinaciones de los mismos.

3. El proceso de la reivindicación 1, en donde al menos una porción de dicha solución de reacción se introduce en dicha materia prima en un preimpregnador antes de el paso (b) o en donde dicha solución de reacción comprende además un ácido, opcionalmente en donde dicho ácido es ácido acético.

4. El proceso de la reivindicación 1, en donde dicha solución de reacción consiste en vapor o agua caliente líquida.

5. El proceso de la reivindicación 1, en donde el paso (b) incluye:

(i) un tiempo de residencia del digestor de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas, en donde preferentemente dicho tiempo de residencia del digestor es de aproximadamente 10 minutos o menos; o

(ii) una temperatura del digestor de aproximadamente 150 °C a aproximadamente 220 °C, en donde preferentemente dicha temperatura del digestor es de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 200 °C.

6. El proceso de la reivindicación 1, en donde el paso (b) es:

(i) realizado a una relación en peso de líquido-sólido digestor de aproximadamente 1 a aproximadamente 4, en donde preferentemente dicha relación en peso líquido-sólido del digestor es aproximadamente 2 o menos; o

(ii) realizado a un pH digestor de aproximadamente 3 a aproximadamente 5, en donde preferentemente dicho pH del digestor es de aproximadamente 3,5 a aproximadamente 4,5.

7. El proceso de la reivindicación 1, empleando dicho proceso un tanque de soplado configurado para recibir dicha fase sólida rica en celulosa o dichos sólidos ricos en celulosa refinada a una presión menor que la presión del digestor, en donde opcionalmente dicho tanque de soplado está dispuesto aguas abajo de dicho digestor y aguas arriba o aguas abajo de dicho refinador mecánico o en donde el vapor se separa de dicho tanque de soplado, en donde preferentemente el calor se recupera de al menos parte de dicho vapor o en donde al menos parte de dicho vapor se condensa o comprime y se devuelve a dicho digestor.

8. El proceso de la reivindicación 1, en donde un primer tanque de soplado está dispuesto aguas arriba de dicho refinador mecánico y un segundo tanque de soplado está dispuesto aguas abajo de dicho refinador mecánico.

9. El proceso de la reivindicación 1, en donde:

(i) dicho refinador mecánico se opera a una presión de refinado seleccionada de aproximadamente 1 bar a aproximadamente 20 bar, en donde preferentemente dicha presión de refinado es de aproximadamente 3 bar o menos, en donde opcionalmente dicho refinador mecánico se hace funcionar a presión atmosférica o aproximadamente a la misma; o

(ii) dicho refinador mecánico opera con una carga eléctrica de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 50 kW de potencia de refinado por tonelada de dicha fase sólida rica en celulosa, en donde preferentemente dicho refinador mecánico opera con una carga eléctrica de aproximadamente 5 kW a aproximadamente 20 kW de potencia de refinado por tonelada de dicha fase sólida rica en celulosa; o

(iii) dicho refinador mecánico transfiere hasta aproximadamente 500 kW-h de energía de refinado por tonelada de dicha fase sólida rica en celulosa, en donde preferentemente dicho refinador mecánico transfiere de aproximadamente 50 kW-hr a aproximadamente 200 kW-hr de energía de refinado por tonelada de dicha fase sólida rica en celulosa.

10. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo dicho proceso la utilización de múltiples refinadores mecánicos en diferentes partes de dicho proceso, comprendiendo opcionalmente dicho proceso, entre los pasos (c) y (d), transportar al menos una porción de dicha mezcla a un segundo refinador mecánico operado a una presión de refinado más baja en comparación con la de dicho refinador mecánico en el paso (c), en donde preferentemente dicho refinador mecánico en el paso (c) es un refinador presurizado y dicho segundo refinador mecánico es un refinador atmosférico.

11. El proceso de la reivindicación 1, en donde:

(i) el paso (d) utiliza múltiples reactores de hidrólisis enzimática;

(ii) el paso (d) utiliza hidrólisis enzimática de una sola etapa configurada para la licuefacción y sacarificación de celulosa, en donde dicha hidrólisis enzimática de un solo paso incluye uno o más tanques o recipientes; o

(iii) el paso (d) utiliza hidrólisis enzimática de múltiples etapas configurada para licuefacción de celulosa seguida de sacarificación, en donde cada etapa incluye uno o más tanques o recipientes, comprendiendo opcionalmente además dicho proceso un refinado mecánico adicional de dicha mezcla, o una forma parcialmente hidrolizada de la misma, después de al menos una primera etapa de hidrólisis enzimática o comprendiendo además dicho proceso:

introducir dicha mezcla en un primer reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis eficaz para producir un hidrolizado líquido que comprende azúcares de dichos sólidos refinados ricos en celulosa y opcionalmente de dicha hemicelulosa, y una fase sólida residual rica en celulosa;

separar opcionalmente al menos algo de dicho hidrolizado líquido de dicha fase sólida residual rica en celulosa; transportar dicha fase sólida residual rica en celulosa a través de un refinador mecánico adicional y/o reciclar dicha fase sólida residual rica en celulosa a través de dicho refinador mecánico, para generar sólidos residuales ricos en celulosa refinados; e

introducir dichos sólidos residuales ricos en celulosa refinados en un segundo reactor de hidrólisis enzimática en condiciones de hidrólisis efectivas, para producir azúcares adicionales.

12. El proceso de la reivindicación 1, en donde un filtro autolimpiante está configurado aguas abajo de dicho reactor de hidrólisis para eliminar hebras de fibra, en donde opcionalmente dichas hebras de fibra celulósica se reciclan de nuevo en dicho reactor de hidrólisis.

13. El proceso de la reivindicación 1, en donde las enzimas celulasa se introducen directamente en dicho refinador mecánico o en dicha fase sólida rica en celulosa antes del paso (c), en donde opcionalmente dicho refinador mecánico se opera a una temperatura máxima de 75 °C o menos para mantener las condiciones de hidrólisis efectivas.

14. El proceso de la reivindicación 1, en donde el paso (d) incluye hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables o el paso (e) incluye hidrólisis enzimática de oligómeros de hemicelulosa para generar azúcares monoméricos fermentables dentro de dicho fermentador, en donde opcionalmente al menos una porción de dichos azúcares monómeros fermentables también se fermentan para producir dicho producto de fermentación.

15. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo además dicho proceso:

(i) eliminación de uno o más inhibidores de la fermentación; o

(ii) concentrar dicho producto de fermentación por destilación, en donde opcionalmente dicha destilación genera una corriente de colas de destilación y en donde dicha corriente de colas de destilación se evapora en un evaporador de colas de destilación que es un evaporador mecánico por compresión de vapor o está integrado en un tren de evaporadores de múltiples efectos.

16. El proceso de la reivindicación 1, en donde dicho refinador mecánico se selecciona del grupo que consiste en un refinador de soplado en caliente, un refinador de stock caliente, un refinador de línea de soplado, un refinador de disco, un refinador cónico, un refinador cilíndrico, un desfibrador en línea, una extrusora, un homogeneizador y combinaciones de los mismos.

17. El proceso de la reivindicación 1, en donde dicho producto de fermentación se selecciona del grupo que consiste en etanol, isopropanol, acetona, n-butanol, isobutanol, 1,4-butanodiol, ácido succínico, ácido láctico y combinaciones de los mismos, en donde preferentemente dicho producto de fermentación es etanol.