ES2899680T3

ES2899680T3 - Procedimiento de tratamiento de biomasa lignocelulósica

Info

Publication number: ES2899680T3
Application number: ES18811275T
Authority: ES
Inventors: Caroline Aymard; Pierre-Antoine Bouillon; Galinie Meriem Bouras
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Agro Industrie Recherches et Developpements ARD; Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Agro Industrie Recherches et Developpements ARD; Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-03-14
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: AU2018389969A1; HUE057386T2; EP3728410B1; BR112020012343A2; EP3728410A1; PL3728410T3; DK3728410T3; PT3728410T; SI3728410T1; JP7411567B2; US20200339761A1; CN111712531A; HRP20211941T1; MX2020005618A; LT3728410T; FR3075201A1; WO2019120996A1; CA3084522A1; CN111712531B; JP2021508355A

Abstract

Procedimiento de tratamiento de una biomasa lignocelulósica que comprende un contenido de materia seca de como máximo un 90% en peso, comprendiendo dicho procedimiento la utilización de al menos un reactor de tratamiento de dicha biomasa (9,14), en el que se alimenta con biomasa el o al menos uno de dichos reactores mediante un medio de alimentación (6,11) que crea un aumento de presión entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa de dicho medio de alimentación, en el que se lava dicho medio de alimentación haciendo circular un fluido de lavado entre una entrada de lavado (7,12) y una salida de lavado (8,13), caracterizado por que se reintroduce una parte al menos del fluido de lavado que sale de la salida de fluido del o de al menos uno de los medios de alimentación (6,11) en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de tratamiento de biomasa lignocelulósica

Campo de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de tratamiento de biomasa lignocelulósica para producir jugos azucarados denominados de segunda generación (2G). Estos jugos azucarados se pueden utilizar para producir otros productos por vía bioquímica (por ejemplo: alcoholes, como el etanol, el butanol u otras moléculas, por ejemplo, disolventes tales como la acetona, etc.). Este procedimiento comprende generalmente tres etapas, que son la preparación de licor, la impregnación de la biomasa y el pretratamiento de la biomasa impregnada, por ejemplo, por cocción, eventualmente acoplada con explosión con vapor.

Técnica anterior

La biomasa lignocelulósica representa uno de los recursos renovables más abundantes en la tierra. Los sustratos considerados son muy variados, se refieren tanto a sustratos leñosos como diferentes maderas (caducifolias y coníferas), coproductos procedentes de la agricultura (pajas de trigo, mazorcas de maíz, etc.) o de otras industrias agroalimentarias, papeleras, etc.

El procedimiento de transformación bioquímica de los lignocelulósicos en jugos azucarados de 2G comprende especialmente una etapa de pretratamiento y una etapa de hidrólisis enzimática con un cóctel enzimático. Estos procedimientos comprenden también generalmente una etapa de impregnación entre del pretratamiento. Los jugos azucarados resultantes de la hidrólisis se tratan después, por ejemplo, por fermentación, y el procedimiento comprende también etapas de separación y/o una etapa de purificación del producto final.

La biomasa lignocelulósica está compuesta de tres polímeros principales: la celulosa (del 35 al 50%), que es un polisacárido esencialmente constituido de hexosas; la hemicelulosa (del 20 al 30%), que es un polisacárido esencialmente constituido por pentosas; y la lignina (del 15 al 25%), que es un polímero de estructura compleja y de alto peso molecular, compuesto por alcoholes aromáticos unidos por enlaces éter. Estas diferentes moléculas son responsables de las propiedades intrínsecas de la pared vegetal y se organizan en una maraña compleja.

Entre los tres polímeros de base que integran la biomasa lignocelulósica, la celulosa y la hemicelulosa son las que permiten la producción de jugos azucarados de 2G.

Generalmente, durante el pretratamiento la hemicelulosa se descompone mayoritariamente en azúcar y la celulosa se convierte en glucosa por hidrólisis enzimática. Sin embargo, el acceso a la celulosa bruta sigue siendo difícilmente accesible para las enzimas, de ahí la necesidad de un pretratamiento. Este pretratamiento permite modificar las propiedades fisicoquímicas del material lignocelulósico a fin de mejorar la accesibilidad de la celulosa para las enzimas y su reactividad en la hidrólisis enzimática.

Existen numerosas tecnologías de interés para la invención para realizar este pretratamiento, que se agruparán a continuación bajo el término genérico de “cocción” : cocciones ácidas, cocciones alcalinas, explosión con vapor, procedimientos denominados “organosolv pulping” según la expresión inglesa conocida (o tratamiento con órganodisolvente en español). Este último procedimiento se refiere a un pretratamiento en presencia de uno o varios disolventes orgánicos y generalmente agua. El disolvente puede ser un alcohol (etanol), un ácido de tipo ácido acético, ácido fórmico, o también acetona. Los procedimientos pulpeo organosolv (“organosolv pulping”) conducen a una solubilización al menos parcial de la lignina, una solubilización parcial de las hemicelulosas. Hay entonces dos flujos de salida: el sustrato pretratado con celulosa, hemicelulosa y lignina residuales y la fase disolvente que contiene la línea solubilizada y una parte de las hemicelulosas. Existe generalmente una etapa de regeneración del disolvente que permite extraer un flujo de lignina. Algunos tratamientos pulpeo organosolv (“organosolv pulping”) (especialmente con etanol) se combinan con la adición de un ácido fuerte (de tipo H²SO⁴). También se puede considerar colocar la biomasa en contacto con el disolvente a través de un reactor de impregnación antes de la fase de cocción o colocar la biomasa en contacto con el catalizador ácido antes de efectuar una cocción con pulpeo organosolv (“organosolv pulping”).

Se detallan diferentes configuraciones, por ejemplo, en el documento “Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review”, M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858-875, o también en el documento “Bioethanol production from agricultural wastes: an overview”, N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.

Uno de los pretratamientos más eficaces es la explosión con vapor en condición ácida, que permite una hidrólisis casi completa de la hemicelulosa y una mejora importante de la accesibilidad y reactividad de la celulosa frente a las enzimas. Este pretratamiento puede ir precedido de otro(s) tratamiento(s).

Todos estos pretratamientos se aplican sobre biomasas que están inicialmente en forma sólida, el objetivo del pretratamiento es desestructurarlas.

Uno de los pretratamientos más eficaces es la explosión con vapor que permite una hidrólisis casi completa de la hemicelulosa y una mejora importante de la accesibilidad y la reactividad de la celulosa frente las enzimas. Este pretratamiento puede ir precedido de otro(s) tratamiento(s).

Las patentes US-8057639 y US-8512512 proporcionan un procedimiento que comprende una primera etapa de hidrólisis de la hemicelulosa en azúcares C5 en condiciones suaves, protegiéndolos así de su degradación. Esta etapa se realiza en un primer reactor a una presión de 1,5 bares o más por inyección de vapor, a una temperatura de 110°C o más, y eventualmente en presencia de un ácido débil. Después de esta etapa, se realiza un lavado para extraer y recuperar los jugos de azúcares C5 antes de enviar la biomasa restante, enriquecida en celulosa y lignina, hacia una segunda etapa (segundo reactor) en la que tendrá lugar la explosión con vapor. Este segundo reactor funciona a una presión más alta que el primer reactor con una inyección de vapor a alta presión, lo que provoca una expansión brusca de la biomasa (explosión con vapor).

La solicitud de patente WO-2013/141776 describe, en el campo de la fabricación de papel, un procedimiento de impregnación en un reactor (impregnador) vertical que contiene licor básico de impregnación, definiendo así una primera zona en la que se efectúa la impregnación. La materia lignocelulósica se recibe en la parte inferior del impregnador, se transfiere a la parte superior del impregnador mediante dos tornillos de transferencia. Durante su transferencia a la segunda zona del impregnador situada por encima del nivel del líquido, la biomasa se escurre y el líquido vuelve a caer en la primera zona. En esta configuración, el nivel de líquido se controla por aporte de licor básico.

Tan pronto como un tratamiento requiera una etapa en presión (impregnación, pretratamiento de tipo cocción u otra), es necesario utilizar medios de introducción de biomasa sólida compatibles con estas etapas de presión. Este es, por ejemplo, el caso de los tornillos de compresión, del que se describe una realización en la solicitud de patente CA 277322.

La invención tiene entonces como objetivo mejorar el tratamiento de la biomasa lignocelulósica. Especialmente, tiene como objetivo mejorar la introducción de la biomasa en un reactor que realiza una o varias de las etapas de tratamiento de la biomasa.

Más particularmente, tiene como objetivo mejorar las etapas de impregnación y de explosión con vapor de la biomasa tales como las descritas en los documentos anteriormente citados. La invención tiene también como objetivo hacer más eficaz el procedimiento de tratamiento, y especialmente estas dos etapas, en términos de consumo de energía y/o de fluido de tratamiento.

En todo el presente texto, el acrónimo “MS” designa el contenido de materia seca que se mide según la norma ASTM E1756 - 08(2015) “Standard Test Method for Détermination of Total Solids in Biomass”.

Resumen de la invención

La invención tiene, en primer lugar, como objetivo un procedimiento de tratamiento de una biomasa lignocelulósica o de un sustrato lignocelulósico que comprende un contenido de materia seca MS de como máximo el 90% en peso, comprendiendo dicho procedimiento el uso de al menos un reactor de tratamiento de dicha biomasa, en el que se alimenta con biomasa el o al menos uno de dichos reactores mediante un medio de alimentación que crea un aumento de presión entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa de dicho medio de alimentación, y en el que dicho medio de alimentación se lava haciendo circular un fluido de lavado entre una entrada de lavado y una salida de lavado.

Según la invención, se reintroduce una parte al menos del fluido de lavado que sale de la salida de fluido del o de al menos uno de los medios de alimentación en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación.

Según la invención, se entiende por “biomasa lignocelulósica que comprende un contenido de materia seca del X%” : o bien una biomasa que comprende naturalmente un contenido del X% de materia seca (una biomasa denominada nativa), o bien una biomasa que presenta este contenido después de una o varias operaciones previas al procedimiento según la invención.

En efecto, resultó ser muy ventajoso “reciclar” así todo o parte del agua de lavado del medio de alimentación, que puede ser, por ejemplo, un tornillo de alimentación: al menos, cuando la biomasa no contiene catalizador, se realiza un ahorro de consumo de fluido (agua) de lavado. Se puede también realizar un ahorro de energía, cuando este agua de lavado debe calentarse antes de su introducción en el circuito de lavado, ya que se reinyecta entonces en el circuito de lavado un fluido “usado” que ya tiene una temperatura por encima de la temperatura ambiente. Y cuando se trata del lavado de un medio de alimentación con biomasa adicionada de un catalizador (por ejemplo, después de una operación de impregnación con un licor catalítico que utiliza un catalizador ácido, básico u oxidante), resultó que el agua de lavado a la salida del medio de alimentación podía contener un cierto contenido de catalizador (cuando la biomasa se somete a una extracción líquida cuando atraviesa el medio de alimentación), pero que esta presencia de agua de lavado “usada” que contiene además un catalizador en la entrada del circuito de lavado no planteaba ningún problema.

Cabe señalar que la implementación de la invención es simple: la instalación tiene solo que proporcionar uno o varios conductos suplementarios que aseguren la conexión fluídica directa entre la salida de lavado y la entrada de lavado del mismo medio de alimentación, o entre la salida de lavado de un medio de alimentación con la entrada de otro medio.

Se puede mantener también, según la invención, la posibilidad de purgar la parte eventual de agua de lavado en la salida que no se recicla.

La biomasa lignocelulósica tratada según la invención tiene un contenido de materia seca MS comprendido entre el 5% y el 80 en peso. Preferentemente, contiene como máximo un 75%, especialmente como máximo un 70 o un 65% en peso, y especialmente menos del 50% en peso de materia seca.

La biomasa tratada según a invención presenta, por lo tanto, un cierto contenido de humedad antes de la introducción en el medio de alimentación. Esta agua puede estar presente de forma natural, como es el caso, por ejemplo, de una biomasa en forma de astillas de madera. Puede también estar, de forma natural, en cantidad baja o muy baja, como puede ser el caso de la paja de trigo o del maíz. Si el contenido de humedad es demasiado bajo, la biomasa puede humedecerse previamente para alcanzar el contenido de materia seca de como máximo un 90 u un 80% deseable para la implementación de la invención. El medio de alimentación según la invención pone bajo compresión la biomasa, siendo su objetivo generalmente introducir la biomasa en una zona (un reactor) a presión más alta. Esta compresión, de este aumento de presión en el medio de alimentación, puede provocar una extracción, una expulsión de una parte al menos del líquido contenido en la biomasa, que eventualmente llega a mezclarse con el fluido de lavado a la salida del fluido del medio de alimentación. Por lo tanto, se puede realizar una extracción opcional de una parte al menos del líquido contenido en la biomasa durante su paso en el o uno de los medios de alimentación, lo que es una consecuencia de la elección del medio de alimentación con biomasa.

Así, si el contenido de materia seca de la biomasa es alto, más bien en los valores altos del intervalo mencionado anteriormente (por ejemplo, del orden del 70 o del 75% al 90%), no se tendrá, o se tendrá poca, extracción de fluido de esta biomasa fuera del medio de alimentación a través de la salida del fluido de lavado, y la invención permite, sobre todo, reciclar el fluido de lavado inyectado en el medio de alimentación.

Y si el contenido de materia seca es más bajo, más bien en los valores más bajos del intervalo mencionado anteriormente (por ejemplo, por debajo del 70%, del 65% o incluso por debajo del 50%), entonces se obtendrá una cierta extracción de fluido de la biomasa, y la invención permite entonces reducir todavía más el aporte de fluido de lavado, incluso suprimirlo, pudiendo entonces llevarse a cabo el lavado en todo o en parte con el fluido extraído de la biomasa.

Preferentemente, el porcentaje de materia seca MS del sustrato lignocelulósico a la salida del medio de alimentación es entonces mayor o igual al 20% en peso, y preferiblemente mayor o igual al 40% en peso.

Preferentemente, el aumento de presión creado en el o al menos uno de los medios de alimentación es de al menos 0,05 MPa, y está especialmente comprendido entre 0,05 y 4 MPa, por ejemplo, entre 0,1 y 2,5 MPa.

Este o estos medios de alimentación tienen, por ejemplo, forma de tornillo de alimentación, especialmente al menos en parte cónico, que comprenden un carenado provisto de una rejilla que permite la circulación del fluido de lavado. La forma cónica de la parte terminal de este tipo de tornillo comprimirá, por lo tanto, la biomasa, creando una diferencia de presión. Este tipo de medio de alimentación presenta una ventaja importante: el tornillo permite formar un tapón hermético de biomasa que asegura la estanqueidad e impide especialmente las subidas de líquido desde el reactor en el que desemboca.

Un ejemplo de este tipo de tornillo se describe en el documento CA 277322 anteriormente citado.

Por lo tanto, la invención puede aplicarse a cualquier tratamiento de la biomasa en un reactor que utiliza un medio de alimentación de presión de la biomasa, y especialmente cualquier tratamiento a una presión superior a la presión atmosférica o superior a la presión a la que se encuentra la biomasa antes de la introducción en dicho reactor.

Según una realización, el procedimiento de la invención comprende una etapa de impregnación de la biomasa con un licor de impregnación que contiene un catalizador químico. Esta etapa puede ir seguida (directamente o previendo una o más de las etapas intermedias) de una etapa de cocción, realizándose esta etapa de cocción por el/uno de los reactores provistos del medio de alimentación.

Según una realización, el procedimiento de la invención comprende una etapa de impregnación de la biomasa con un licor de impregnación que contiene un catalizador químico pasando a través de la biomasa en un lecho de licor o por aspersión del licor de la biomasa sobre un transportador de tipo cinta, o por el paso de la biomasa en un reactor agitado.

Según otra realización, el procedimiento de la invención comprende una etapa de impregnación de la biomasa con un licor de impregnación que contiene un catalizador químico, mediante introducción en un reactor por dicho o al menos uno de dichos medios de alimentación.

Según una realización, el procedimiento de la invención comprende una etapa de tratamiento de la biomasa por cocción, especialmente en el o uno de los reactores provistos de un medio de alimentación.

Un ejemplo de realización del procedimiento de la invención es el siguiente: se trata de tratar una biomasa lignocelulósica, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

a. Preparación de un licor de impregnación que contiene un catalizador químico destinado a la impregnación de la biomasa, seleccionado entre un catalizador ácido, un catalizador básico y un catalizador oxidante, y preferentemente un catalizador ácido, en una zona de preparación,

b. Introducción de la biomasa molida a través de una entrada de un reactor de impregnación con la ayuda de un primer medio de alimentación, lavándose dicho primer medio de alimentación haciendo circular un primer fluido de lavado entre una entrada y una salida de dicho medio,

c. Introducción del licor en el reactor de impregnación a través de una primera entrada de licor del reactor, d. Transferencia de la biomasa impregnada y escurrida desde una salida del reactor de impregnación hacia una entrada de un reactor de pretratamiento por cocción, llevándose a cado la introducción en dicho reactor de pretratamiento por un segundo medio de alimentación, lavándose dicho segundo medio de alimentación haciendo circular un segundo fluido de lavado entre una entrada y una salida de dicho medio de alimentación, e. Pretratamiento de dicha biomasa en dicho reactor por cocción.

Y el procedimiento comprende también la etapa (o las etapas) siguientes:

f. Reintroducción de una parte al menos del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho primer o de dicho segundo medio de alimentación en la entrada de lavado del primer medio de alimentación y/o del segundo medio de alimentación.

Preferentemente, la impregnación y el pretratamiento por cocción con vapor se llevan a cabo de forma continua. Pero la invención se aplica también a un procedimiento en el que estas dos etapas son discontinuas, por “lotes”. Preferentemente, la cocción va seguida de una explosión con vapor, pero esta etapa de explosión sigue siendo opcional.

Preferentemente, la impregnación en esta realización puede llevarse a cabo en un reactor cuya entrada de biomasa está situada en una primera zona de impregnación de dicho reactor de impregnación que comprende dos zonas superpuestas, dicha primera zona de impregnación y una segunda zona denominada de escurrido que está por encima de la zona de impregnación y que está equipada de una salida de biomasa impregnada y escurrida. Más preferentemente, en esta configuración de reactor, la introducción del licor en dicho reactor se lleva a cabo a través de una primera entrada de licor del reactor que está situada en dicha primera zona de impregnación del reactor. La invención propone, por lo tanto, en este ejemplo, reciclar, reutilizar todo o parte de los fluidos de lavado de los dos tornillos de alimentación. Lo que es particularmente ventajoso, es que se ha encontrado que se pueden recuclar efectivamente uno y/o el otro de los fluidos de lavado, o los dos, sin que la calidad de la impregnación, o la de la cocción, se vea afectada de ninguna manera.

Y este reciclado puede llevarse a cabo de diferentes maneras, de manera muy flexible, y esto para cada uno de los fluidos de lavado:

Así, el fluido de lavado del medio de alimentación del reactor de impregnación es generalmente a base de agua, y en la salida del medio de alimentación se recupera, por lo tanto, principalmente el agua denominada “usada”. Reciclar esta agua usada reintroduciéndola en la entrada de uno u otro de los medios de alimentación de los tornillos permite una reducción significativa del consumo en agua del procedimiento. Cuando, además, se calienta esta agua, se observa también una ganancia de energía, ya que el agua de lavado necesita entonces generalmente un calentamiento menor. Por lo tanto, una circulación de fluido de lavado en circuito cerrado es muy ventajosa.

En lo que se refiere al fluido de lavado del medio de alimentación del reactor de pretratamiento por cocción, la situación es un poco diferente, ya que el fluido de lavado, generalmente también agua, tendrá tendencia a cargarse de catalizador lavando el medio de alimentación que transporta la biomasa ya impregnada con el licor catalítico: en este tornillo se produce una expulsión de una parte del líquido de la biomasa impregnada que contiene el catalizador, y este líquido llega a mezclarse, en la salida del tornillo, con el agua de lavado de este último. A la salida de este medio de alimentación, se habla entonces habitualmente de “prensado”. Este prensado puede también reciclarse para volver a la entrada de lavado del medio de alimentación del reactor de pretratamiento, o bien para ir a la entrada de lavado del primer medio de alimentación. Y, incluso cuando el licor de impregnación es muy ácido, y, por lo tanto, el prensado lo es también, en menor medida, esto no plantea ningún problema en cuanto a las herramientas, estando diseñado el medio de alimentación de biomasa del reactor de impregnación generalmente para soportar sin deterioro el contacto con el licor catalítico (para evitar eventuales subidas de licor en el medio de alimentación de biomasa).

En los dos casos, sigue siendo posible que una parte del agua usada y/o del prensado vaya también a la purga. Y estos dos casos son alternativos o acumulativos.

Según una realización preferida, el procedimiento de la invención comprende también la reintroducción de una parte del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido del primer o del segundo medio de alimentación en la zona de preparación del licor de impregnación para la preparación a.) de dicho licor.

Se puede ajustar y hacer variar según sea necesario durante el procedimiento, según las necesidades, la proporción del fluido de lavado en la salida que se reintroducirá en el medio de alimentación con respecto a la proporción que se utiliza para preparar el licor catalítico, o también con respecto a la proporción que va a la purga.

En el caso en el que sea una parte del prensado la que se reintroduzca en la zona de preparación del licor, la ventaja es doble, ya que se reduce el consumo en agua para la preparación del licor, pero también el consumo de catalizador, ya que el prensado contiene catalizador. La etapa de preparación de licor se lleva a cabo generalmente con medios de regulación variados frente a ciertos parámetros fisicoquímicos, como la temperatura, el contenido de catalizador en el licor (por la regulación del pH, por ejemplo, cuando se trata de catálisis ácida o básica), este aporte de catalizador adicional puede, por lo tanto, tenerse en cuenta por estos medios de regulación para mantener las características deseadas para el licor.

El lavado de los primer y/o segundo medios de alimentación puede llevarse a cabo de manera continua o discontinua, por lo tanto, con lavado permanentemente o según intervalos de tiempo dados, por ejemplo. El caudal de circulación de lavado puede también variar, especialmente en función del caudal de masa de biomasa introducida en uno y el otro de los reactores.

La reintroducción de una parte del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho primer o de dicho segundo medio de alimentación en la entrada de lavado del primer medio de alimentación y/o del segundo medio de alimentación puede también llevarse a cabo de manera continua o discontinua.

Según una realización, una parte del primer fluido de lavado a la salida del lavado del primer medio de alimentación se reintroduce en la entrada de lavado del primer o del segundo medio de alimentación, y otra parte de dicho fluido de lavado se reintroduce en la zona de preparación del licor para su preparación.

Simétricamente, según una segunda realización compatible con la anterior, una parte del segundo fluido de lavado en la salida de lavado del segundo medio de alimentación se reintroduce en la entrada de lavado del primer o del segundo medio de alimentación, y otra parte de dicho fluido de lavado se reintroduce en la zona de preparación del licor para su preparación.

Según una realización, el lavado del medio de alimentación se efectúa en presencia de biomasa adicionada de un catalizador, especialmente un catalizador ácido, básico u oxidante, el fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho medio de alimentación contiene un cierto contenido de dicho catalizador cuando la biomasa experimenta una extracción líquida atravesando dicho medio de alimentación, y dicho fluido de lavado que contiene este catalizador se reintroduce al menos en parte en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación, especialmente transportando la biomasa desprovista de catalizador. El término “catalizador” se toma aquí en el sentido amplio como cualquier agente reactivo susceptible de interactuar con la biomasa, especialmente para una modificación de una de sus propiedades fisicoquímicas o reológicas. Con la invención, se ha descubierto, por lo tanto, que se podía reciclar un agua de lavado, incluso adicionada de dicho catalizador, para reintroducirla o bien en el mismo medio de alimentación, o bien en otro, que, por sí mismo, transporta solo la biomasa: el hecho de que el agua de lavado reintroducida no sea agua pura, sino adicionada de catalizador, demostró no tener impacto negativo sobre el procedimiento en su conjunto, lo que era inesperado.

La invención tiene también por objeto la instalación que implementa el procedimiento anteriormente descrito, especialmente una instalación que comprende al menos un reactor de tratamiento de una biomasa lignocelulósica que presenta un contenido de materia seca de como máximo un 90% en peso, con una alimentación de biomasa del o de al menos uno de dichos reactores mediante un medio de alimentación que crea un aumento de presión entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa de dicho medio de alimentación. El lavado de dicho medio de alimentación se realiza haciendo circular un fluido de lavado entre una entrada de lavado y una salida de lavado, y un medio de reintroducción de una parte al menos del fluido de lavado que sale de la salida de fluido del o de al menos uno de los medios de alimentación en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación.

La invención tiene también por objeto una realización de una instalación de tratamiento de una biomasa lignocelulósica, que comprende:

- una zona de preparación de un licor de impregnación que contiene un catalizador químico para la impregnación de la biomasa, seleccionado entre un catalizador ácido, básico u oxidante, y preferentemente un catalizador ácido, y provista de una salida de licor

- un reactor de impregnación, que comprende especialmente una primera zona de impregnación provista de una entrada de biomasa y una segunda zona superpuesta a la primera, denominada zona de escurrido, estando provisto dicho reactor de una entrada y de una salida de biomasa

- un primer medio de alimentación de biomasa molida del reactor de impregnación a través de la entrada de biomasa del reactor de impregnación, especialmente situado en la primera zona de impregnación

- un medio de alimentación de licor de impregnación al reactor que conecta una salida de licor de la zona de preparación del licor con una primera entrada de licor en el reactor de impregnación, especialmente en su primera zona de impregnación

- un reactor de pretratamiento de la biomasa impregnada por explosión con vapor, cuya entrada de biomasa está conectada a la salida de biomasa del reactor de impregnación

- un segundo medio de alimentación de biomasa impregnada al reactor de pretratamiento a través de la entrada de biomasa de dicho reactor de pretratamiento

- una circulación de fluido de lavado entre una entrada y una salida del primer medio de alimentación de biomasa molida al reactor de impregnación

- una circulación de fluido de lavado entre una entrada y una salida del segundo medio de alimentación de biomasa impregnada al reactor de pretratamiento

comprendiendo la instalación también

- un medio de reintroducción de una parte al menos del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho primer o de dicho segundo medio de alimentación en la entrada de lavado del primer medio de alimentación y/o del segundo medio de alimentación.

Ventajosamente, la instalación comprende también un medio de reintroducción de una parte del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido del primer o del segundo medio de alimentación en la zona de preparación del licor de impregnación.

Ventajosamente, puede prever un medio de reintroducción de una parte del primer fluido de lavado en la salida de lavado del primer medio de alimentación en la entrada de lavado del primer o del segundo medio de alimentación, y un medio de reintroducción de otra parte de dicho fluido en la zona de preparación del licor.

La instalación según la invención puede también prever un medio de reintroducción de una parte del segundo fluido de lavado en la salida de lavado del segundo medio de alimentación en la entrada de lavado del primer o del segundo medio de alimentación, y un medio de reintroducción de otra parte de dicho fluido en la zona de preparación del licor. Estos medios de reintroducción son ventajosamente unos conductos o un conjunto de conductos que permiten la conexión hidráulica deseada, cuya realización es conocida de por sí.

La invención tiene también por objeto la utilización del procedimiento o de la instalación descritos anteriormente para el tratamiento de cualquier biomasa lignocelulósica, de tipo madera, paja, residuos agrícolas, y cualquier cultivo energético específico, que pueden ser plantas anuales o plurianuales como el miscanto, para producir azúcares, biocarburantes o moléculas de origen biológico.

Descripción detallada

La invención se detallará a continuación con la ayuda de ejemplos no limitativos del procedimiento según la invención, ilustrados mediante las figuras siguientes:

- Figura 1: representación sinóptica, de tipo esquema de bloques, del principio general del procedimiento de tratamiento de biomasa según la invención,

- Figura 2: representación sinóptica, de tipo esquema de bloques, de una primera realización del procedimiento de tratamiento de biomasa según la invención,

- Figura 3: representación sinóptica, de tipo esquema de bloques, de una segunda realización del procedimiento de tratamiento de biomasa según la invención,

- Figura 4: representación sinóptica, de tipo esquema de bloques, de una tercera realización del procedimiento de tratamiento de biomasa según la invención,

La Figura 1 es, por lo tanto, la representación del principio de la invención, la Figura 2 se concentra en dos etapas de tratamiento de la biomasa: impregnación catalítica y después cocción. Las Figuras 3 y 4 describen el procedimiento de tratamiento completo de la biomasa hasta su hidrólisis enzimática, después de la impregnación y la cocción. La invención se enfoca más particularmente en las dos primeras etapas, a saber, la impregnación de la biomasa molida y el tratamiento por cocción de la biomasa una vez impregnada.

Descripción de las figuras a partir de las referencias siguientes

Las mismas referencias corresponden a los mismos componentes/fluidos/productos en el conjunto de las figuras: 1: Entrada de agua en el tanque de preparación del licor

2: Entrada de ácido en el tanque de preparación del licor

3: Herramienta (tanque) de preparación del licor

4 Licor ácido hacia la herramienta (reactor) de impregnación

5: Biomasa molida

6: Tornillo o plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de impregnación

7: Agua de lavado del plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de impregnación 8: Salida del líquido de lavado del plug screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de impregnación

9, 9’: Herramienta (reactor) de impregnación

9a: Zona de impregnación del tanque de impregnación 9

9b: Zona de escurrido del tanque de impregnación 9

10: Biomasa impregnada y escurrida

11: Tornillo o plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de pretratamiento

12: Agua de lavado del plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de pretratamiento 13: Prensado del plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de pretratamiento 13.a: Prensado hacia purga

13.b: Reciclado del prensado para el lavado del plug-screw feeder (alimentador de tornillo de tapón) de la herramienta de pretratamiento

13.c: Reciclado del prensado en el tanque de preparación de licor ácido 3

13.d: Reciclado del prensado para el lavado del plug-screw feeder (alimentador del tornillo de tapón) de la herramienta de impregnación

14: Herramienta de cocción (reactor de explosión) de pretratamiento

15: Inyección de vapor para el pretratamiento

16: Biomasa pretratada y vapor

17: Herramienta (ciclón) de separación de vapor y biomasa pretratada

18: Vapor hacia condensación

19: Biomasa pretratada

20: Hidrólisis enzimática

21: Mosto de hidrólisis enzimática que contiene azúcares

22: Fermentación alcohólica (etanólica)

23: Vino de fermentación que contiene etanol (alcohol)

24: Destilación

25: Alcohol concentrado

26: Vinazas brutas

La Figura 1 representa, de manera muy esquemática, el principio de la invención en su realización más simple (procedimiento cuyos detalles y diferentes etapas se describirán después con la ayuda de las Figuras 2 a 4): la biomasa 5,10 (impregnada o no con un licor catalítico) se introduce en un reactor 9,14 para un tratamiento, mediante un medio de alimentación bajo presión 6,11 que es un tornillo, denominado también en inglés “Plug Screw Feeder” (Alimentador de tornillo de tapón), cuya porción terminal es cónica, que presenta un carenado con una rejilla de escurrido, una entrada de agua de lavado 7,12 y una salida de agua de lavado 8,13. Un tapón hermético de biomasa se crea en la porción aguas abajo del tornillo, que crea una compresión sobre la biomasa que se traduce en una diferencia de presión entre la entrada de la biomasa y la salida de la biomasa del tornillo de al menos 0,05 MPa, por ejemplo de aproximadamente 0,5 MPa. La compresión que se aplica sobre la biomasa puede conducir a la expulsión de una parte del líquido contenido en la biomasa, especialmente cuando la MS de la biomasa es menor que el 80% antes de su entrada en el medio de alimentación bajo presión 6,11. El líquido así extraído se mezcla con el agua de lavado y se extrae con el agua de lavado usada 8,13.

Según la invención, una parte al menos del agua de lavado en la salida del tornillo 8,13 se reinyecta en la entrada de agua de lavado 7,12 del tornillo. Cabe señalar que sigue siendo posible que una parte de agua de lavado en la salida se purgue simplemente, y que una parte de agua de lavado en la entrada provenga de una entrada de agua como en la técnica anterior, para completar la cantidad de agua reciclada en la entrada del tornillo, puntual o sistemáticamente.

En esta representación, el reciclado del agua de lavado se aplica al mismo tornillo, pero, como se detallará con las otras figuras, la invención se refiere también al reciclado total o parcial del agua de lavado en la salida de un tornillo hacia la entrada de otro tornillo de alimentación, cuando el procedimiento prevé varios tornillos de alimentación para varios reactores.

El contenido de materia seca de la biomasa en la entrada del tornillo de alimentación es aquí del 50%. Puede ser que una parte del líquido de la biomasa se extraiga durante su transporte en el tornillo, llegando esta agua extraída a mezclarse con el agua de lavado usada en la salida de lavado del tornillo. Cuando menor sea el contenido de materia seca de la biomasa, más extracción de fluido de la biomasa en el tornillo de alimentación habrá, llegando este fluido a completar, incluso eventualmente sustituir en su totalidad, el fluido de lavado en la entrada del tornillo.

La Figura 2 representa una etapa de impregnación de la biomasa con un licor ácido, después una etapa de cocción que forma parte de un tratamiento de biomasa:

El procedimiento se desarrolla de la siguiente manera: el agua y el ácido se introducen respectivamente a través de los conductos 1 y 2 en el tanque de preparación del licor ácido 3. El licor ácido del conducto 4 se inyecta después en un dispositivo de impregnación 9’ para mezclarlo con la biomasa molida. El dispositivo de impregnación es aquí un transportador, del tipo cinta transportadora accionada en translación por rotación de rodillos que soportan la cinta, cinta sobre la que se deposita la biomasa según un espesor dado. La biomasa se somete durante su transporte a la aspersión de licor ácido extraído del tanque 3, mediante unas boquillas dispuestas por encima de la cinta. El exceso de licor se puede recuperar debajo de la cinta en una zona de recogida, para reciclarse eventualmente en todo o en parte.

La biomasa impregnada 10, eventualmente previamente escurrida, se introduce en la unidad de tratamiento 14 por medio de otro tornillo de alimentación de tipo “Plug Screw Feeder” 11 que comprime la biomasa para formar un tapón de biomasa. Este tapón hermético de biomasa asegura la estanqueidad e impide las fugas de vapor, cuando la reacción de cocción en este reactor 14 de la biomasa se continúa por una explosión con vapor. Durante esta compresión en el tornillo 11, tiene lugar una separación sólido/líquido y el licor ácido usado se evacúa a través de la rejilla de carenado del tornillo. Este tornillo se lava con agua del conducto 12, que se mezcla así con licor ácido usado, la mezcla de agua de lavado y el licor de ácido usado (denominado prensado) se evacúa en el conducto 13. El prensado puede además contener un sólido procedente del lavado del tornillo 11.

Opcionalmente, se realiza una etapa de separación sólido/líquido sobre este flujo 13, por ejemplo, con un dispositivo que utiliza una rejilla de forma curva.

El flujo 13 puede dirigirse después hacia:

- una purga a través del conducto 13a

- al reciclaje a través del conducto 13b para sustituir todo o parte del agua de lavado 12 del tornillo 11

- al reciclaje en el tanque de preparación de licor ácido 3 a través del conducto 13c;

Se ofrecen entonces diferentes posibilidades:

- según una realización, todo el flujo 13 se envía al conducto 13b para sustituir todo o parte del agua de lavado 12, - según otra realización, solo una parte del flujo 13 se envía al conducto 13b para sustituir todo o parte del agua de lavado 12, y el resto se envía a través del conducto 13c para contribuir a la fabricación de licor (por ejemplo, en una proporción de volumen entre los dos que varía entre 20/80 y 80/20).

La biomasa se trata en la herramienta 14 por cocción y explosión con vapor de la manera descrita en las figuras siguientes.

La Figura 3 presenta una variante con respecto a la Figura 2 en la manera de realizar la impregnación de la biomasa, y representa también las etapas posteriores a la cocción/explosión con vapor de la biomasa.

Sólo se describirán aquí las diferencias con el procedimiento según la Figura 2, realizándose, por otro lado, los dos procedimientos de manera idéntica.

El agua y el ácido se introducen respectivamente a través de los conductos 1 y 2 en el tanque de preparación del licor ácido 3. El licor ácido del conducto 4 se inyecta después en un dispositivo de impregnación 9 para mezclarlo con la biomasa molida. Se trata aquí de un reactor, aquí dispuesto sustancialmente en vertical.

La biomasa previamente molida se introduce en el procedimiento a través del conducto 5 en un tornillo de alimentación 6, similar al tornillo 11 ya descrito a la figura anterior, con también un circuito de lavado con agua. Este tornillo permite formar un tapón hermético de biomasa que asegura la estanqueidad e impide las fugas de licor ácido. Este tornillo se lava con agua que entra a través del conducto 7 y sale por el conducto 8. A la salida del tornillo, se produce la expansión del tapón en la zona inferior del reactor de impregnación 9. La biomasa se impregna con licor ácido en la zona de impregnación 9a antes de escurrirse en la zona de escurrido 9b. Se transporta al reactor 9 mediante uno o dos tornillos de transporte.

El flujo 13 puede dirigirse después, como anteriormente, hacia:

- una purga a través del conducto 13a

- pero se ofrece también otra posibilidad, ya que aquí el flujo 13 puede también reciclarse a través el conducto 13d para sustituir todo o parte del agua de lavado 7 del tornillo 6

Se continúa con la descripción más detallada del reactor 14 común a las Figuras 2 a 4 y a las etapas siguientes al tratamiento en este reactor 14:

El vapor necesario para el calentamiento del reactor 14 se introduce a través del conducto 15. En la salida del reactor, la mezcla biomasa/vapor se expande y se lleva a través de la línea 16 hacia la herramienta de separación 17. La herramienta de separación 17 puede ser de tipo ciclón, permite separar el vapor 18 de la biomasa pretratada 19. La biomasa pretratada se transforma después en la herramienta de transformación 20 en un mosto 21 que contiene azúcares utilizando un cóctel enzimático. Los azúcares se convierten en alcohol (por ejemplo: etanol, acetona, butanol) por fermentación en la etapa 22 de fermentación. El vino de fermentación 23 se envía a una etapa de separación y purificación 24. La etapa 24, realizada, por ejemplo, por destilación, permite separar un flujo 25 que contiene alcohol concentrado de las vinazas brutas (agua usada, lignina residual) 26.

No se entrará aquí en el detalle de las condiciones operativas de las etapas de explosión con vapor, de conversión en mosto y de fermentación, consideradas como conocidas por el experto en la técnica.

La Figura 4 presenta una variante con respecto a la Figura 3.

Las referencias suplementarias con respecto a la Figura 3 son:

8: Salida de líquido de lavado usado del tornillo 6 de la herramienta de impregnación

8.a: Líquido de lavado usado hacia purga

8.b: Líquido de lavado reciclado para el lavado del tornillo de la herramienta de impregnación

8.c: Líquido de lavado reciclado en el tanque de preparación del licor ácido 3

8.d: Líquido de lavado reciclado para el lavado del tornillo 11 de la herramienta de pretratamiento 14

Solo se describirán aquí las diferencias con el procedimiento según la Figura 3, realizándose, por otro lado, los dos procedimientos de manera idéntica:

Aquí, el agua de lavado 8 del tornillo de alimentación 6 se recicla también según diferentes posibilidades alternativas o acumulativas. El líquido de lavado 8 del tornillo de transferencia 6 puede ser:

- purgado del sistema a través del conducto 8a

- reciclado a través del conducto 8b para sustituir el agua de lavado 7 del tornillo de alimentación 6 del reactor de impregnación 9

- reciclado a través del conducto 8c en el tanque de licor ácido 3

- reciclado a través del conducto 8d para sustituir el agua de lavado 12 del tornillo 11 de alimentación de la herramienta/reactor de explosión 14.

Según otra realización de la invención, todo el flujo 8 se envía al conducto 8b o al conducto 8d para sustituir todo o parte del agua de lavado 12 o 7. Según otro modo, se envía una parte al conducto 8b u 8d, y el resto se envía a través del conducto 8c para contribuir a la preparación del licor de impregnación. La relación entre las dos partes, por volumen, puede estar comprendida entre 80/20 y 20/80.

En todos los casos, tanto en lo que se refiere, por lo tanto, al reciclado del agua usada del tornillo 6 como del prensado del tornillo 11, también se puede extraer una parte para ir a la purga (conductos 13a, 8a).

Naturalmente, está también dentro del ámbito de la invención combinar el reciclado del agua usada de lavado del tornillo 6 con el del prensado del tornillo 11, o reciclar solo uno u otro.

A continuación, se dan algunas precisiones o variantes operativas para las dos primeras etapas de tratamiento de la biomasa descritas anteriormente:

La etapa de impregnación se lleva a cabo a una temperatura que va de 10 a 95°C, y el tiempo de estancia de la biomasa en dicha etapa de impregnación está comprendido entre 20 segundos y 12 horas. De manera preferida, el tiempo de estancia de la biomasa está comprendido entre 30 segundos y 60 minutos.

La etapa de impregnación se puede llevar a cabo por lotes o de forma continua. De manera preferida, esta etapa se lleva a cabo de forma continua. La etapa de impregnación se realiza, de manera preferida, a presión atmosférica. Preferentemente, la etapa de impregnación se efectúa en una sola etapa.

La etapa de impregnación realiza un contacto entre la biomasa y el licor ácido. Se puede llevar a cabo, por ejemplo, por inmersión o por aspersión.

La etapa de impregnación se realiza en equipos conocidos por el experto en la materia, por ejemplo, en un reactor agitado, por cruce horizontal o vertical de la biomasa en un lecho de licor, por aspersión sobre una cinta que transporta la biomasa (como se ve en la Figura 2) o en un tornillo de transporte.

El reactor de impregnación o impregnador está generalmente provisto de una o varias herramientas que transfieren el sustrato lignocelulósico desde su entrada hacia la abertura de salida. Estas herramientas pueden ser, por ejemplo, tornillos o cintas. El impregnador está equipado, por otro lado, con uno o varios conductos para llevar el licor ácido, así como, si es necesario, con uno o varios conductos para extraer el licor ácido. Dichos conductos de entrada y de salida del licor ácido se instalan generalmente para funcionar en reciclaje en co-corriente o contracorriente.

Etapa de pretratamiento (Cocción):

El sustrato lignocelulósico se somete a esta etapa de pretratamiento, que tiene especialmente como objetivo modificar las propiedades físicas y fisicoquímicas de la fracción celulósica, tales como su grado de polimerización y su estado de cristalinidad.

El pretratamiento incluye una zona de cocción. Esta cocción se efectúa a una temperatura comprendida entre 100°C y 250°C, y más preferiblemente entre 130°C y 230°C, a una presión comprendida entre 0,1 y 4 MPa. El tiempo de estancia en la zona de cocción está comprendido entre 10 segundos y 4 horas, y más preferiblemente entre 3 minutos y 1 hora.

La cocción puede tener lugar por lotes o de forma continua. Se puede realizar en cualquier equipo conocido por el experto en la materia, por ejemplo, un reactor agitado, un reactor tubular horizontal provisto de un tornillo de transporte, un reactor por lotes no agitado, etc. La energía térmica necesaria para la cocción se puede aportar por medio de un intercambio térmico con un fluido portador de calor (indirecto), por calentamiento eléctrico, o bien por inyección directa de un fluido caliente, por ejemplo, agua presurizada o vapor.

La salida del sólido al final de la cocción puede hacerse por descompresión rápida, por descompresión lenta, después de una bajada de temperatura inducida por un intercambio térmico directo o indirecto, etc.

En una realización (preferida), la zona de cocción se calienta con vapor por inyección directa y va seguida de una descompresión brusca del medio, este procedimiento se conoce con el nombre de explosión con vapor (“SteamEx” o “Steam Explosion” según la terminología anglosajona). Es un procedimiento en el que el sustrato lignocelulósico se lleva rápidamente a alta temperatura mediante inyección de vapor a presión. La parada del tratamiento se efectúa por descompresión brusca.

Las condiciones operativas del procedimiento de explosión con vapor son las siguientes:

• el vapor se inyecta directamente en el reactor;

• la temperatura del reactor está generalmente comprendida entre 150 y 250°C, preferentemente comprendida entre 160°C y 220°C,

• la presión está comprendida entre 0,5 y 2,5 MPa, más preferiblemente comprendida entre 0,8 y 2,0 MPa,

• el tiempo de estancia antes de la fase de expansión varía de 10 segundos a 25 minutos, y preferentemente entre 3 minutos y 15 minutos.

La explosión con vapor se puede realizar por lotes o de forma continua, y la etapa de despresurización que permite desestructurar la biomasa puede desarrollarse en una o varias etapas.

Se describirán ahora unos ejemplos de realización de este o estos reciclajes, que utilizan el procedimiento según la Figura 4:

Ejemplo 1 comparativo

Este es un ejemplo con solo el reciclaje de las aguas de lavado usadas como adición de agua del tanque de preparación del licor. La biomasa a tratar es madera que presenta las características siguientes:

Carga: Madera de álamo, caudal 7,47 toneladas/hora, contenido de Materia Seca (MS): 50%, composición media (baja MS):

El acrónimo “MS” designa el contenido de materia seca que se mide según la norma ASTM E1756 - 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.

La madera se utiliza en forma de virutas de dimensión característica de 50 mm. La temperatura de las virutas en la entrada de la unidad es la temperatura ambiente. Las virutas 5 se transportan hacia el reactor de impregnación 9 mediante el tornillo cónico 6. Este tornillo se lava mediante agua de lavado 7,8 a un caudal de 1 tonelada/h. Durante la compresión realizada por el tornillo 6, se extrae un líquido de las virutas de álamo a razón de 0,679 tonelada/h, el caudal total de agua de lavado usada del tornillo 6 del reactor de impregnación 9 es así de 1,679 tonelada/h.

En el reactor de impregnación 9 se introducen:

- las virutas de madera prensadas, a través el tornillo cónico 6

- 2,9 toneladas/hora de un licor ácido 4 preparado con agua 1 y ácido sulfúrico 2 en una concentración másica del 1,57% en peso (pds), a una temperatura de 90°C

Las virutas impregnadas se sacan del reactor de impregnación 9 y se transfieren a un reactor de explosión con vapor 14. La entrada al reactor de pretratamiento se lleva a cabo por transferencia a través de otro tornillo cónico 11. Este tornillo se lava con agua de lavado a un caudal de 0,6 toneladas/h. Durante la compresión realizada por el tornillo 11, se extrae líquido de las virutas de álamo impregnadas a razón de 2,95 toneladas/h, el caudal total de agua de lavado usada del tornillo 6 del reactor de impregnación 9 es así de 3,55 toneladas/h. Este flujo contiene un 0,5% pds de H²SO⁴.

El pretratamiento por explosión con vapor se efectúa a 200°C en una configuración continua que emplea un tiempo de estancia corto. El medio se expande bruscamente a una presión de 1,3 atm.

El tanque 3 de preparación de licor ácido situado aguas arriba de la impregnación proporciona un caudal de 2,9 toneladas/h de licor ácido. Este licor se prepara con agua y ácido sulfúrico al 96%, los caudales respectivos son de 2,8526 toneladas/h de agua y de 0,0474 toneladas/h de ácido concentrado al 96% pds. El consumo total de agua en esta configuración es de 4,5526 toneladas/h y el consumo total de ácido de 0,0474 toneladas/h de ácido sulfúrico concentrado al 96% pds.

Las aguas de lavado usadas de los tornillos 6 y 11 se envían a la purga a través de los conductos 8a y 13a.

Ejemplo 2 comparativo

Se repite el ejemplo comparativo 1, con la diferencia de que aquí una parte 13c del flujo procedente del lavado del tornillo 11 del reactor de explosión 14 se envía al tanque de preparación 3 de licor ácido: este caudal es igual a la adición de líquido necesario teniendo en cuenta la adición de ácido que conviene hacer para obtener la acidez deseada. Así, el caudal de líquido reciclado es de 2,8675 toneladas/h y el caudal de ácido de adición es de 0,0325 toneladas/h de ácido sulfúrico al 96% pds. En esta segunda configuración, el consumo total de agua es de 1,6 toneladas/h (para el lavado del tornillo 11, y el consumo de ácido es de 0,0325 toneladas/h de ácido sulfúrico al 96% pds. Se debe tratar un flujo de 2,362 toneladas/h de aguas usadas

Ejemplo 3 según la invención

En este ejemplo, se presenta un procedimiento de impregnación según la invención y de pretratamiento de madera tratando la misma carga que los ejemplos comparativos 1 y 2 anteriores. La madera se utiliza en forma de virutas de dimensión característica de 50 mm. La temperatura de las virutas a la entrada de la unidad es la temperatura ambiente.

Las virutas se transportan al reactor de impregnación 9 por el tornillo cónico 6. Este tornillo se lava con un líquido de lavado 7,8 13d a un caudal de 1,0 tonelada/h, este líquido proviene de la mezcla de agua 7 y del líquido de lavado 13d del tornillo 11 del reactor de pretratamiento 14. Durante la compresión llevada a cabo por el tornillo 6, se extrae líquido de las virutas de álamo a razón de 0,679 toneladas/h, el caudal total de agua de lavado usada del tornillo 6 del reactor de impregnación 9 es así de 1,679 toneladas/h.

En el reactor de impregnación 9, se introducen:

- las virutas de madera comprimidas mediante el tornillo 6 cónico

- 2,9 toneladas/hora de un licor ácido 4 preparado con agua 1 y ácido sulfúrico 2 en una concentración másica del 1,57% pds, a una temperatura de 90°C

Las virutas impregnadas se sacan del reactor de impregnación 9 y se transfieren a un reactor de explosión con vapor 14. La entrada en el reactor de pretratamiento 14 se lleva a cabo por transferencia a través de un segundo tornillo cónico 11. Este tornillo 11 se lava con agua de lavado 12,13 a un caudal de 0,6 toneladas/h. Durante la compresión llevada a cabo por el tornillo 11, se extrae líquido de las virutas de álamo impregnadas a razón de 2,95 toneladas/h, el caudal total de agua de lavado usada del tornillo 11 del reactor 14 es así de 3,55 toneladas/h. Este flujo contiene un 0,5% pds de H²SO⁴. El pretratamiento por explosión con vapor se efectúa a 200°C en una configuración continua que usa un tiempo de estancia corto. El medio se expande bruscamente a una presión de 1,3 atm.

El tanque 3 de preparación de licor ácido situado aguas arriba de la impregnación proporciona un caudal de 2,9 toneladas/h de licor ácido. Preferentemente, está equipado de sensores de medición de pH y de caudal para el agua, el ácido, el licor usado y el licor preparado.

Una parte del flujo procedente del lavado del tornillo 11 del reactor de explosión 14 se envía hacia el tanque 3 de preparación de licor ácido: este caudal es igual a la adición de líquido necesario, teniendo en cuenta la adición de ácido que conviene realizar para obtener la acidez deseada. Así, como en los ejemplos anteriores, el caudal de líquido reciclado es de 2,8675 toneladas/h, y el caudal de ácido de adición es de 0,0325 toneladas/h de ácido sulfúrico al 96% pds. La parte 13d del flujo de líquido de lavado usado 13 del tornillo 11 del reactor de pretratamiento 14 que no se envía para la adición de líquido del tanque 3 de licor se envía para lavar el tornillo 6 del reactor de impregnación 9, a un caudal de 0,683 toneladas/h, además de 0,317 toneladas/h de agua. Por lo tanto, el consumo de agua total es de 0,917 toneladas/h. Se debe tratar un flujo de 1,679 toneladas/h de aguas usadas.

Así, el procedimiento según la invención permite, con respecto a la configuración del ejemplo 2 comparativo:

- una reducción del consumo másico de agua de más del 42%

- una reducción del 29% de la masa de aguas usadas a tratar

Ejemplo 4 según la invención

En este ejemplo, se presenta un procedimiento de impregnación según la invención y de pretratamiento de madera que trata la misma carga que el ejemplo comparativo 1.

La madera se utiliza en forma de virutas de dimensión característica de 50 mm. La temperatura de las virutas en la entrada de la unidad es la temperatura ambiente.

Las virutas se transportan al reactor de impregnación 9 a través del tornillo cónico 6. Este tornillo se lava con agua de lavado 7 a un caudal de 1,0 tonelada/h. Durante la compresión llevada a cabo por el tornillo, se extrae líquido de las virutas de álamo a razón de 0,679 toneladas/h, el caudal total de agua de lavado usada del tornillo 6 del reactor de impregnación 9 es así de 1,679 toneladas/h.

En el reactor de impregnación 9 se introducen:

- las virutas de madera comprimidas, a través del tornillo 2 cónico

Las virutas impregnadas se sacan del reactor de impregnación 9 y se transfieren a un reactor de explosión con vapor 14. La entrada en el reactor de pretratamiento 14 se lleva a cabo por transferencia a través de un segundo tornillo cónico 11. Durante la compresión llevada a cabo por el tornillo, se extrae un líquido 13 de las virutas de álamo impregnados a razón de 2,95 toneladas/h. Una parte 13b de este flujo, 1,5 toneladas/h, se utiliza para lavar el tornillo cónico 11, según la invención. El caudal total de agua de lavado usada del tornillo 6 del reactor de impregnación 9 es así de 4,45 toneladas/h, de los que 1,5 toneladas/h se reciclan para el lavado 13b. Este flujo contiene un 0,602% pds de H²SO⁴. Este flujo está más concentrado en ácido que el flujo extraído del ejemplo 1, ya que el licor ácido usado extraído durante la compresión no se ha diluido con el agua de lavado del tornillo. El pretratamiento por explosión con vapor se efectúa a 200°C en una configuración continua que emplea un tiempo de estancia corto. El medio se expande bruscamente a una presión de 1,3 atm.

El tanque 3 de preparación de licor ácido situado aguas arriba de la impregnación proporciona un caudal de 2,9 toneladas/h de licor ácido.

El flujo 13 procedente del lavado del tornillo 11 del reactor de pretratamiento 14 que no se utiliza para el lavado 13b del tornillo se envía 13c al tanque 3 de preparación de licor ácido a un caudal de 2,87 toneladas/h, el resto 13a (0,08 toneladas/h) se purga. El caudal de ácido de adición es de 0,0294 toneladas/h de ácido sulfúrico al 96% pds.

En el procedimiento según este ejemplo, el consumo total de agua es de 1,0 tonelada/h (para el lavado del tornillo 6 de impregnación) y el consumo de ácido es de 0,0294 toneladas/h de ácido sulfúrico al 96% pds. Se debe tratar un flujo de 1,759 toneladas/h de aguas usadas.

Así, el procedimiento según este ejemplo conforme a la invención permite, con respecto a la configuración del ejemplo 2 comparativo:

- una reducción del consumo másico de agua del 37%

- una reducción del 9,4% del consumo másico de ácido sulfúrico concentrado

- una reducción del 25% de la masa de aguas usadas a tratar

En conclusión, estos ejemplos demuestran que la invención permite ganancias energéticas de materias primas muy significativas, con una gran flexibilidad de implementación. Además, la modificación inducida en la instalación sigue siendo modesta y fácil de realizar, con la adición de conductos provistos, llegado el caso, de medios de variación de caudal, de medición de pH o de temperaturas, permaneciendo estos conductos adicionales en su diseño totalmente al alcance del experto en la técnica. La invención sigue siendo beneficiosa incluso si las diferentes operaciones de tratamiento de la biomasa (por ejemplo, la operación de impregnación y de cocción y/o de explosión con vapor) no son de forma continua, se preferirá en este caso el reciclaje de las aguas de lavado a nivel del mismo tornillo de alimentación (circuito 8b para el lavado del tornillo 6, circuito 13b para el lavado del tornillo 11.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de tratamiento de una biomasa lignocelulósica que comprende un contenido de materia seca de como máximo un 90% en peso, comprendiendo dicho procedimiento la utilización de al menos un reactor de tratamiento de dicha biomasa (9,14), en el que se alimenta con biomasa el o al menos uno de dichos reactores mediante un medio de alimentación (6,11) que crea un aumento de presión entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa de dicho medio de alimentación, en el que se lava dicho medio de alimentación haciendo circular un fluido de lavado entre una entrada de lavado (7,12) y una salida de lavado (8,13), caracterizado por que se reintroduce una parte al menos del fluido de lavado que sale de la salida de fluido del o de al menos uno de los medios de alimentación (6,11) en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación.

2. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado por que se extrae el líquido de la biomasa durante su paso en el o uno de los medios de alimentación (6,11).

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones, caracterizado por que el aumento de presión creado en el o al menos uno de los medios de alimentación (6,11) es de al menos 0,05 MPa, especialmente entre 0,05 y 4 MPa.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una etapa de impregnación de la biomasa por un licor de impregnación que contiene un catalizador químico, que se produce mediante introducción de la biomasa en el/uno de los reactores (9,1) provistos del medio de alimentación (6,11).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que comprende una etapa de impregnación de la biomasa a través de un licor de impregnación que contiene un catalizador químico por cruce de la biomasa en un lecho de licor o por aspersión por el licor de la biomasa sobre un transportador de tipo cinta (9’) o por el paso de la biomasa en un reactor agitado.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que comprende una etapa de impregnación de la biomasa por un licor de impregnación que contiene un catalizador químico, por introducción en un reactor (9) mediante dicho o al menos uno de dichos medios de alimentación (6).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una etapa de tratamiento de la biomasa por cocción, especialmente en el o uno de los reactores (14) provisto de un medio de alimentación (11).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

a. Preparación de un licor de impregnación (4) que contiene un catalizador químico (2) destinado a la impregnación de la biomasa (5), seleccionado entre un catalizador ácido, un catalizador básico y un catalizador oxidante, y preferentemente un catalizador ácido, en una zona de preparación (3),

b. Introducción de la biomasa molida (5) a través de una entrada de un reactor de impregnación (9) con la ayuda de un primer medio de alimentación (6), lavándose dicho primer medio de alimentación haciendo circular un primer fluido de lavado (7,8) entre una entrada y una salida de dicho medio (6),

c. Introducción del licor en el reactor de impregnación (9) a través de una primera entrada de licor (4) del reactor, d. Transferencia de la biomasa impregnada y escurrida (10) desde una salida del reactor de impregnación hacia una entrada de un reactor (14) de pretratamiento por cocción, llevándose a cabo la introducción en dicho reactor de pretratamiento por un segundo medio de alimentación (11), lavándose dicho segundo medio de alimentación haciendo circular un segundo fluido de lavado (12,13) entre una entrada y una salida de dicho medio de alimentación,

e. Pretratamiento de dicha biomasa (10) en dicho reactor explosión con vapor (14).

f. Reintroducción de una parte al menos del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho primer o de dicho segundo medio de alimentación (6,11) en la entrada de lavado del primer medio de alimentación (6) y/o del segundo medio de alimentación (11).

9. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado por que comprende también:

g. Reintroducción de una parte del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido del primer o del segundo medio de alimentación (6,11) en la zona de alimentación (3) del licor de impregnación para la preparación a.) de dicho licor.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el y/o al menos uno de los medios de alimentación es un tornillo de alimentación (6,11), especialmente al menos en parte cónica, que comprende un carenado provisto de una rejilla que permite la circulación del fluido de lavado y, eventualmente, la extracción de fluido de la biomasa.

11. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, caracterizado por que una parte del primer fluido de lavado (8) en la salida de lavado del primer medio de alimentación (6) se reintroduce en la entrada de lavado (8b,8d) del primer o del segundo medio de alimentación, y por que otra parte de dicho fluido de lavado se reintroduce (8c) en la zona de preparación (3) del licor para su preparación.

12. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, caracterizado por que una parte del segundo fluido de lavado (13) en la salida de lavado del segundo medio de alimentación (11) se reintroduce (13b,13d) en la entrada de lavado del primer o del segundo medio de alimentación (6,11) y por que otra parte (13c) de dicho fluido de lavado se reintroduce en la zona de preparación (3) del licor para su preparación.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el lavado del medio de alimentación (11) se efectúa en presencia de biomasa adicionada de un catalizador, especialmente un catalizador ácido, básico u oxidante, por que el fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho medio de alimentación (6,11) contiene un cierto contenido de dicho catalizador cuando la biomasa sufre una extracción líquida al pasar por dicho medio de alimentación, y por que dicho fluido de lavado que contiene este catalizador se reintroduce al menos en parte en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación, transportando especialmente la biomasa desprovista de catalizador.

14. Instalación que implementa el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que comprende al menos un reactor de tratamiento de una biomasa lignocelulósica que presenta un contenido de materia seca de como máximo un 90% en peso con una alimentación de biomasa del o de al menos uno de dichos reactores mediante un medio de alimentación que crea un aumento de presión entre la entrada de biomasa y la salida de biomasa de dicho medio de alimentación, con lavado de dicho medio de alimentación haciendo circular un fluido de lavado entre una entrada de lavado y una salida de lavado, y un medio de reintroducción de una parte al menos del fluido de lavado (8,13) que sale de la salida de fluido del o de al menos uno de los medios de alimentación (6,11) en la entrada de lavado del mismo medio de alimentación o de otro de dichos medios de alimentación.

15. Instalación de tratamiento de una biomasa lignocelulósica, que comprende:

- una zona de preparación (3) de un licor de impregnación (4) que contiene un catalizador químico para la impregnación de la biomasa (5), seleccionado entre un catalizador ácido, básico u oxidante, y preferentemente un catalizador ácido, y provista de una salida de licor

- un reactor de impregnación (9), estando provisto dicho reactor de una entrada y de una salida de biomasa - un primer medio de alimentación de biomasa molida (6) del reactor de impregnación (9) a través de la entrada de biomasa del reactor de impregnación,

- un medio de alimentación de licor de impregnación (4a) del reactor (5) que conecta una salida de licor de la zona de preparación (3) del licor (4) con una primera entrada de licor en el reactor de impregnación,

- un reactor de pretratamiento (14) de la biomasa impregnada (10) por cocción, cuya entrada de biomasa está conectada a la salida de biomasa del reactor de impregnación (9)

- un segundo medio de alimentación (11) de biomasa impregnada (10) del reactor de pretratamiento a través de la entrada de biomasa de dicho reactor de pretratamiento (14)

- una circulación de fluido de lavado (7,8) entre una entrada y una salida del primer medio de alimentación (6) de biomasa molida (5) del reactor de impregnación (9)

- una circulación de fluido de lavado (12,13) entre una entrada y una salida del segundo medio de alimentación (11) de biomasa impregnada (10) del reactor de pretratamiento (14)

caracterizada por que la instalación comprende también

- un medio de reintroducción de una parte al menos del primer y/o del segundo fluido de lavado que sale de la salida de fluido de dicho primer o de dicho segundo medio de alimentación (6,11) en la entrada de lavado del primer medio de alimentación y/o del segundo medio de alimentación.

16. Uso del procedimiento o de la instalación según una de las reivindicaciones anteriores, para el tratamiento de biomasas lignocelulósicas (5), de tipo madera, paja, residuos agrícolas, y cualquier cultivo energético específico, especialmente plantas anuales o plurianuales tales como el miscanto, para producir azúcares, biocarburantes o moléculas de origen biológico.