ES2918154T3 - Método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal - Google Patents
Método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal Download PDFInfo
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Abstract
La presente invención se refiere a un método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal que comprende los pasos de: (a) contactar a un material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción durante más de 2 horas a una temperatura entre 95ºC a 110ºC, obteniendo así una fracción sólida y una fracción líquida, (b) que separa la fracción sólida y la fracción líquida, (c) concentrando la fracción líquida para obtener una fracción líquida concentrada, (d) Mezclar partes iguales por peso de agua con la fracción líquida concentrada para obtener una suspensión que comprende partículas sólidas en suspensión en un medio líquido, (e) separando las partículas y el medio de dicha suspensión, (f) recuperando las partículas de dicha suspensión, obteniendo así una fracción que comprende lignina llamada fracción lignificada, (g) recuperando el medio de dicha suspensión, obteniendo así una fracción que comprende hemicelulosa llamada fracción hemicelulósica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal.
Antecedentes de la invención
La industria de materiales lignocelulósicos se ha convertido en una posible alternativa verde a los recursos fósiles. Este tipo de material es el biopolímero más abundantemente disponible en la naturaleza con una producción de aproximadamente de 1,3 x 1010 toneladas métricas por año.
Lignocelulosa es un término genérico que indica el material compuesto natural que da forma y estructura a las plantas. Es la combinación de tres biopolímeros naturales, que son:
- celulosa, que es un polisacárido estereorregular resultante de la polimerización de D-glucosa a (3-1,4-glucosa; - ligninas, que son polifenoles resultantes de la polimerización de alcoholes alílicos fenólicos; y
- hemicelulosas, que son polisacáridos resultantes de la polimerización de azúcares que tienen cinco átomos de carbono como la xilosa y la arabinosa y/o de seis átomos de carbono como la glucosa y la manosa. La proporción y la distribución de los distintos azúcares dependen de la planta de que se trate. Así, las hemicelulosas de las plantas anuales y de maderas duras tienen, en una proporción muy grande, xilosa como el monómero principal, mientras que el monómero principal de las hemicelulosas de maderas blandas es la manosa.
El material lignocelulósico se puede convertir en diversos derivados como papel, biocombustibles, productos químicos, etc.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal.
La lignocelulosa confiere la estabilidad hidrolítica y la robustez estructural a las paredes celulares de las plantas y es altamente resistente a la degradación. Esta robustez o "calidad recalcitrante" es atribuible al entrecruzamiento entre la celulosa y la hemicelulosa y la lignina a través de enlaces éster y éter. Para producir derivados de lignocelulosa, primero es necesario fraccionar este material en intermedios reactivos como celulosa, hemicelulosa y lignina.
Sin embargo, los métodos de tratamiento del material lignocelulósico a menudo favorecen uno de estos intermedios en detrimento de los otros, lo que da lugar a un rendimiento global de este tratamiento que es ecológica y económicamente insuficiente. En particular, la celulosa, que es el subproducto más común del material lignocelulósico, está a menudo favorecido sobre la hemicelulosa y la lignina y los métodos conocidos de tratamiento del material lignocelulósico producen un bajo rendimiento y/o una mala calidad de lignina o hemicelulosa.
Por ejemplo, algunos tratamientos de material lignocelulósico se llevan a cabo poniendo en contacto este material con una solución alcalina que comprende hidróxido de sodio o hidróxido de calcio. Sin embargo, este método alcalino altera la lignina y la hemicelulosa.
El tratamiento también puede comprender una etapa de extracción ácida, por ejemplo con ácido sulfúrico o ácido fosfórico. Estos ácidos son muy corrosivos para el reactor. Además, esta etapa de extracción con ácido forma subproductos no deseados y da lugar a un proceso de hidrólisis descontrolado.
Una alternativa es el uso de ácido fórmico o una mezcla de ácido fórmico y ácido acético. Este método se describe en la solicitud de patente WO00/68494 de Compagnie Industrielle de la Matiere Végétale (CIMV). Aunque este método permite obtener productos intermedios de mayor calidad, sigue siendo altamente corrosivo para el reactor y la eficacia global del método podría mejorarse aún más.
En vista de lo anterior, aún existe la necesidad de un método para el tratamiento de un material lignocelulósico vegetal con el fin de obtener un alto rendimiento de intermedios tales como hemicelulosa y/o lignina de buena calidad y que se puedan convertir fácilmente en derivados lignocelulósicos finales.
Resumen de la invención
Actualmente, el solicitante ha encontrado que mediante el uso de una proporción dada de ácido acético, ácido fórmico y agua, se incrementó la calidad de la lignina y la hemicelulosa y el rendimiento de la hemicelulosa y la lignina extraídas continúa siendo alto. Así, las ligninas obtenidas son lineales, sin recombinar, de bajo peso molecular. La hemicelulosa también es de muy alta calidad con muy baja concentración de furfural y de alto valor añadido.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención un método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal que comprende las etapas de:
(a) poner en contacto un material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción que comprende:
- ácido acético en una cantidad del 40% al 70% en peso,
- ácido fórmico en una cantidad del 20% al 50% en peso y
- agua en una cantidad del 15% al 25% en peso,
durante más de 2 horas a una temperatura entre 95 °C y 110 °C, obteniendo así una fracción sólida y una fracción líquida,
(b) separar la fracción sólida y la fracción líquida,
(c) concentrar la fracción líquida para obtener una fracción líquida concentrada que comprende materia seca en una proporción de entre el 60% y el 70% en peso,
(d) mezclar partes iguales en peso de agua con la fracción líquida concentrada a una temperatura entre 50 °C y 60 °C para obtener una suspensión que comprende partículas sólidas en suspensión en un medio líquido,
(e) separar las partículas y el medio de dicha suspensión,
(f) recuperar las partículas de dicha suspensión obteniendo así una fracción que comprende lignina denominada fracción lignificada,
(g) recuperar el medio de dicha suspensión obteniendo así una fracción que comprende hemicelulosa denominada fracción hemicelulósica.
El método de la invención está particularmente bien adaptado para la producción a gran escala. La baja concentración de ácido fórmico evita la corrosión del reactor. Además, debido a la relación específica de la solución de extracción, la temperatura de la etapa de extracción es mucho mayor que la temperatura de autoignición. Por lo tanto, se evita el riesgo de explosión.
En cuanto a la concentración de agua, es una característica clave para el rendimiento general del método. De hecho, a una tasa constante de ácido fórmico, el rendimiento de la etapa de extracción varía considerablemente dependiendo de la tasa de agua. Cuando el porcentaje en peso de agua es inferior al porcentaje óptimo, se mantiene una mayor concentración de lignina residual en la fracción sólida. Pero si el porcentaje en peso de agua es superior al porcentaje óptimo, la lignina residual en la fracción sólida también es alta. Por lo tanto, debido a algunas propiedades de la lignina, el método de la invención permite un alto rendimiento de separación de la lignina debido a su intervalo específico de concentración de agua.
Además, la lignocelulosa tratada con el método de la invención no genera subproductos no deseados como el furfural en la fracción líquida.
Descripción detallada de la invención
Método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal
El material lignocelulósico vegetal puede proceder, por ejemplo, de plantas anuales. La expresión "planta anual" se entiende que significa toda planta que tenga una vida vegetativa del orden de un año. La planta anual puede ser, por ejemplo, cereal, algodón, cáñamo, lino, caña de azúcar, sorgo o junco.
El material vegetal lignocelulósico vegetal puede ser la planta entera, parte de estas plantas como por ejemplo tallo, o coproductos de procesos industriales destinados a la producción de alimentos como por ejemplo paja o bagazo. La paja de cereal puede ser paja de trigo, cebada, centeno, avena, triticale o arroz. El bagazo puede ser bagazo de caña de azúcar o bagazo de sorgo azucarero.
El método de la invención es adecuado para tratar todos estos tipos de materiales lignocelulósicos vegetales incluso si estos materiales lignocelulósicos vegetales presentan proporciones y distribuciones muy diferentes de celulosa, hemicelulosa y lignina. En particular, el proceso hace posible un aprovechamiento económico especialmente valioso de la paja y el bagazo, que se consideran productos de segunda categoría sin gran valor.
En una realización, la etapa (a) de poner en contacto el material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción, también denominada de aquí en adelante etapa de extracción, está precedida por una etapa de molienda del material lignocelulósico vegetal para reducirlo a fragmentos, por ejemplo, a fragmentos con una longitud sustancialmente de entre 0,5 y 20 cm. Antes de la etapa de extracción (a), también es posible llevar a cabo una impregnación previa del material lignocelulósico vegetal con una solución que comprende ácido fórmico y ácido acético, preferiblemente la solución de extracción de la invención. La impregnación se puede llevar a cabo a una temperatura entre 65 °C y 80 °C. La impregnación por inmersión se puede llevar a cabo por un tiempo de 10 min a 30 min.
La primera etapa del método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal de la invención es la etapa (a) de poner en contacto un material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción que comprende:
- ácido acético en una cantidad del 40% al 70% en peso,
- ácido fórmico en una cantidad del 20% al 50% en peso y
- agua en una cantidad del 15% al 25% en peso,
durante más de 2 horas a una temperatura entre 95 °C a 110 °C, obteniendo así una fracción sólida y una fracción líquida. En una realización, la solución de extracción comprende:
- ácido acético en una cantidad del 40% al 70% en peso,
- ácido fórmico en una cantidad del 20% al 50% en peso y
- agua en una cantidad del 15% al 25% en peso
con la condición de que la solución de extracción no comprenda ácido acético en una cantidad del 55%, ácido fórmico en una cantidad del 30% y agua en una cantidad del 15%.
Preferiblemente, la solución de extracción comprende ácido acético en una cantidad del 50% al 60% en peso, más preferiblemente del 52,5% al 57,5%.
Preferiblemente, la solución de extracción comprende ácido fórmico en una cantidad del 25% al 35% en peso, más preferiblemente del 27,5% al 32,5%.
Preferiblemente, la solución de extracción comprende agua en una cantidad del 15% al 20% en peso, más preferiblemente del 15% al 17,5%, lo más preferiblemente del 15% al 16%.
En una realización preferida, la solución de extracción comprende:
- ácido acético en una cantidad del 50% al 60% en peso,
- ácido fórmico en una cantidad del 25% al 35% en peso y
- agua en una cantidad del 15% al 20% en peso.
En una realización preferida, la solución de extracción consiste en ácido acético, ácido fórmico y agua. En esta realización, se excluye la presencia de cualquier componente adicional en la solución de extracción.
Normalmente, la etapa de extracción (a) se lleva a cabo a presión atmosférica.
En una realización preferida, la duración de la etapa de extracción (a) es superior a 2,5 horas. De hecho, contrariamente al método de la técnica anterior con ácido acético y ácido fórmico, el método de la invención es más suave y su duración debe ser superior a 2 horas con el fin de producir un rendimiento máximo de productos intermedios de alta calidad. Más preferiblemente, la duración de la etapa de extracción (a) está entre 3 horas y 4 horas, lo más preferiblemente entre 3 horas y 3,5 horas. Este intervalo preferido de duración permite la producción de un rendimiento máximo de productos intermedios sin degradar las ligninas y la hemicelulosa. Este intervalo de duración también permite una mejor selectividad en la hidrólisis de los polisacáridos. Además, una etapa de extracción (a) de 3 a 3,5 horas proporciona lignina y hemicelulosa de alta calidad.
La fracción sólida comprende celulosa mientras que la fracción líquida comprende lignina y hemicelulosa.
Por lo tanto, el método de la invención comprende una etapa (b) de separación de la fracción sólida y la fracción líquida. Esta etapa permite la separación de lignina y hemicelulosa de la celulosa. El método de la invención es particularmente eficaz para proporcionar un alto rendimiento de los intermedios de interés en la fracción líquida, es decir, hemicelulosa y lignina.
Además de la etapa (b), la fracción líquida se concentra para obtener una fracción líquida concentrada que comprende materia seca en una proporción entre el 60% y el 70% en peso, preferiblemente el 65% en peso. En una realización preferida, la etapa (c) de concentración de la fracción líquida se lleva a cabo por evaporación.
Luego en una etapa (d), se mezcla agua en partes iguales en peso de agua con la fracción líquida concentrada a una temperatura entre 50 °C y 60 °C, preferiblemente a 55 °C, de manera que se obtenga una suspensión que comprenda partículas sólidas en suspensión en un medio líquido.
La suspensión obtenida es estable.
En una realización, la fracción líquida concentrada se introduce en el agua. En una realización, la mezcla se lleva a cabo mediante rotación.
Preferiblemente, la etapa (d) de mezclar el agua con la fracción líquida concentrada se lleva a cabo de modo continuo. Se puede alimentar un dispersor continuamente con agua y líquido concentrado donde se mezclan continuamente. El modo continuo permite una alta estabilidad y homogeneidad de la suspensión. En particular, la homogeneidad del tamaño de las partículas sólidas y la estabilidad son mejores que cuando la dispersión se lleva a cabo en un modo discontinuo. Cuando un proceso está en un modo discontinuo, significa que el material a procesar se procesa por lotes sucesivos, es decir, el flujo del material a procesar es secuencial (lote por lote).
Cuando un proceso está en un modo continuo, significa que el material a procesar se procesa continuamente, es decir, el flujo de material a procesar y del producto es continuo.
En la realización de la invención donde la etapa (d) de mezclar agua con la fracción líquida concentrada se lleva a cabo en un modo discontinuo, se mezclan una cantidad definida de agua y de fracción líquida concentrada, por ejemplo, en un reactor agitado.
En la realización de la invención donde la etapa (d) de mezclar el agua con la fracción líquida concentrada se lleva a cabo en un modo continuo, el agua y la fracción líquida concentrada se mezclan continuamente por ejemplo con un dispersor, para producir una suspensión de partículas de lignina. Como se mencionó anteriormente, se deriva del modo continuo que las partículas de lignina producidas tengan una estabilidad y una homogeneidad de tamaño mejoradas.
Se separan las partículas y el medio de dicha suspensión. Esta separación se lleva a cabo preferiblemente por filtración, por ejemplo con ayuda de un filtro prensa. Después, el método de la invención puede comprender una etapa de lavado de las partículas de la suspensión que se han separado del medio de la suspensión con una solución acuosa. Preferiblemente, la concentración de ácido de la solución acuosa es inferior al 2% de ácido en peso. La solución acuosa es preferiblemente agua.
En una realización, la etapa (e) de separar las partículas y el medio de la suspensión comprende las etapas de: (1) filtrar la suspensión para obtener una torta de filtración y un filtrado,
(2) recuperar el filtrado,
(3) mezclar al menos una parte de la torta con una solución acuosa para obtener una dispersión que comprende partículas dispersas en suspensión en una fase continua,
(4) filtrar la dispersión obtenida en la etapa (3) para obtener una torta y un filtrado;
(5) repetir las etapas (2) a (4) al menos una vez,
(6) recuperar la torta.
En una realización preferida, en la etapa (3) se mezcla toda la torta con la solución acuosa.
El(los) filtrado(s) comprende(n) hemicelulosa y la(s) torta(s) comprende(n) lignina. Por lo tanto, el lavado de la torta con una solución acuosa permite recuperar un alto rendimiento de hemicelulosa. La torta recuperada en la etapa (6) comprende una lignina de alta calidad. Además, el lavado de la torta reduce su acidez.
En una realización preferida, la etapa (e) de separar las partículas y el medio de la suspensión comprende las etapas de: (1') filtrar la suspensión para obtener una primera torta y un primer filtrado,
(2') recuperar el primer filtrado,
(3') mezclar al menos una parte, preferiblemente la totalidad, de la primera torta con una primera solución acuosa para obtener una primera dispersión que comprende partículas dispersas en suspensión en una fase continua,
(4') filtrar la primera dispersión obtenida para obtener una segunda torta y un segundo filtrado;
(2") recuperar el segundo filtrado,
(3") mezclar al menos una parte, preferiblemente la totalidad, de la segunda torta con una segunda solución acuosa para obtener una segunda dispersión que comprende partículas dispersas en suspensión en una fase continua, (4") filtrar la segunda dispersión obtenida para obtener una tercera torta y un tercer filtrado;
(2m) recuperar el tercer filtrado,
(3m) mezclar al menos una parte, preferiblemente la totalidad, de la tercera torta con una tercera solución acuosa para obtener una tercera dispersión,
(4m) filtrar la tercera dispersión obtenida para obtener una cuarta torta y un cuarto filtrado;
(6') recuperar la cuarta torta.
La primera solución acuosa puede ser el tercer filtrado. Así, la etapa (3') puede ser la mezcla de al menos una parte, preferiblemente la totalidad, de la primera torta con el tercer filtrado para obtener una primera dispersión que comprende partículas dispersas en suspensión en una fase continua.
La segunda y la tercera soluciones acuosas pueden ser agua.
Una vez separadas del medio (filtrado cuando el medio y las partículas de la suspensión se separan por filtración), las partículas (torta cuando el medio y las partículas de la suspensión se separan por filtración) que comprenden lignina se pueden secar para obtener lignina en forma de polvo; preferiblemente el tamaño de las partículas de este polvo está entre 20 y 50 micras.
La lignina así obtenida tiene un peso molecular inferior a 2.000 g/mol. Además, la lignina así obtenida comprende grupos funcionales disponibles elegidos del grupo formado por hidroxilos alifáticos, hidroxilos fenólicos y ácidos carboxílicos. Por lo tanto, la presente invención también se refiere a lignina producida por el método de la invención que tiene un peso molecular inferior a 2.000 g/mol y/o con grupos funcionales disponibles elegidos del grupo formado por hidroxilos alifáticos, hidroxilos fenólicos y ácidos carboxílicos.
El método de la invención también permite producir hemicelulosa con una alta tasa de pureza. En particular, la hemicelulosa así obtenida tiene una tasa de furfural inferior al 0,1% y/o una tasa de lignina inferior al 3%.
Por consiguiente, la presente invención también se refiere a hemicelulosa producida por el método de la invención que tiene una tasa de furfural inferior al 1 % y/o una tasa de lignina inferior al 3%.
La alta pureza de la hemicelulosa producida por el método de producción de lignina y hemicelulosa de la invención la convierte en un intermedio ideal para la producción de azúcares.
Por lo tanto, la presente invención también se refiere a un método para producir azúcares que comprende las etapas de:
(Y) producir hemicelulosa y lignina de acuerdo con el método de la invención,
(5) hidrolizar la fracción hemicelulósica recuperada en la etapa (g).
La hidrólisis puede ser una hidrólisis enzimática o química. Por ejemplo, la hidrólisis se puede llevar a cabo de 50 °C a 55 °C durante 48 h a 72 h. La hidrólisis puede usar una mezcla de enzimas, por ejemplo, una mezcla que comprende celulasa y xilanasa.
Los azúcares obtenidos por el método de la invención se pueden convertir adicionalmente en varios derivados de azúcar, como el alcohol.
El método de la invención también se puede usar para producir celulosa además de lignina y hemicelulosa. Este método es particularmente interesante por que permite producir los tres intermedios principales: lignina, hemicelulosa y celulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal con un alto rendimiento y alta calidad para cada uno de estos intermedios. La celulosa se puede producir en forma de pulpa de celulosa cruda o de pulpa de celulosa deslignificada.
Por lo tanto, en una realización, el método de la invención comprende la etapa de recuperación de la fracción sólida obtenida en la etapa (b) para obtener pulpa de celulosa, denominada pulpa de celulosa cruda. El rendimiento de celulosa cruda obtenido por el método de la invención es alto. Además, la pulpa de celulosa cruda así obtenida tiene una baja tasa de lignina residual y de hemicelulosa residual y su grado de polimerización es alto.
La presente invención también se refiere a pulpa de celulosa cruda producida por el método definido anteriormente que tiene:
- una tasa de lignina residual del 5% al 6,5% y
- un grado de polimerización de la celulosa de 1.200 a 1.500.
En otra realización, el método comprende una etapa de deslignificación que comprende:
(a) poner en contacto la fracción sólida obtenida en la etapa (b) con una solución de deslignificación ácida que comprende ácido peracético y ácido perfórmico, obteniendo así una fase sólida denominada fase sólida deslignificada y una fase líquida denominada fase líquida lignificada,
(b) separar la fase sólida deslignificada y la fase líquida lignificada.
La presente invención también se refiere a pulpa de celulosa deslignificada producida por el método definido anteriormente que tiene:
- una tasa de lignina residual del 2 % al 2,5% y
- un grado de polimerización de la celulosa de 1.000 a 1.200.
La etapa de deslignificación es particularmente ventajosa porque puede quedar lignina residual en la fracción sólida después de la etapa de extracción (a). Por lo tanto, se prefiere añadir una etapa de deslignificación para eliminar esta lignina residual, en particular cuando la pulpa de celulosa se debe usar para producir azúcares o derivados de azúcares como el etanol.
Los ácidos perfórmico y peracético de la solución de deslignificación son potentes agentes oxidantes. Llevan a cabo la degradación y solubilización de las ligninas residuales presentes en la fracción sólida.
Esta reacción es muy selectiva para las ligninas. Es sin ningún efecto sobre la celulosa. En particular, el grado de polimerización de la celulosa no se ve afectado.
Preferiblemente, la solución de deslignificación comprende agua en una proporción inferior o igual al 15% en peso. De hecho, la mezcla de ácido perfórmico y ácido peracético que contenía poca agua permitió una degradación particularmente eficaz de la celulosa en una sola etapa sin degradación de las fibras de celulosa.
En una realización preferida, el ácido peracético y el ácido perfórmico se obtienen poniendo en contacto una solución que comprende ácido acético y ácido fórmico con peróxido de hidrógeno. Preferiblemente, el peróxido de hidrógeno tiene una concentración comprendida entre el 30% y el 50% en peso.
La invención se ilustrará adicionalmente a través de las siguientes figuras y ejemplos. Sin embargo, estos ejemplos no se deben interpretar de ningún modo como limitantes del alcance de la presente invención.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra la dispersión del tamaño de partícula de una suspensión obtenida en un modo discontinuo. La figura 2 muestra la dispersión del tamaño de partícula de una suspensión obtenida en modo continuo.
Ejemplos
Ejemplo 1 - Efecto del porcentaje de ácido fórmico sobre la eficacia de la extracción para una etapa de extracción de 1 hora
El rendimiento de materia extraída corresponde a la proporción del peso extraído/peso de la biomasa. Estos resultados muestran que cuanto mayor es el porcentaje de ácido fórmico, mayor es el rendimiento de extracción.
Ejemplo 2 - Efecto del porcentaje de ácido fórmico sobre la calidad de los intermedios producidos
Estos resultados muestran que cuanto mayor es el porcentaje de ácido fórmico, mayor es el peso molecular de la lignina producida. El ácido fórmico da lugar a la recombinación de los fragmentos de lignina extraída y, por consiguiente, disminuye su reactividad.
Ejemplo 3 - Efecto de la duración de la etapa de extracción
Con el fin de compensar el efecto deletéreo del ácido fórmico sobre la calidad de la lignina, se ha ensayado una mayor duración de la etapa de extracción.
Con una extracción del 55% de ácido acético, 30% de ácido fórmico y 15% de agua, se obtiene un rendimiento de extracción óptimo (49% lignina hemicelulosa que comprende 25% de lignina y 24% de hemicelulosa) así como una alta calidad de lignina (Mw = 1.950g/mol)
Cuando la solución de extracción comprende un bajo porcentaje de ácido fórmico, un aumento en la duración de la etapa de extracción posibilita un aumento en la tasa de extracción.
Además, no existe un efecto significativo del aumento de la duración de la etapa de extracción sobre los grupos funcionales de la lignina.
OH fenólico (mmol/g)
OH alifático (mmol/g) -COOH (mmol/g)
Unidades H Unidades G Unidades S Unidades 4-O-5' cond.
1h 2,37 0,37 0,60 0,28 0,14 0,38 3h30 2,12 0,37 0,59 0,35 0,15 0,38
Cuando la solución de extracción contiene un alto porcentaje de ácido fórmico y se aumenta la duración de la etapa de extracción, las pentosas de hemicelulosa se degradan a furfural.
Ejemplo 4 - Efectos de la proporción agua/fracción líquida concentrada y del modo discontinuo o continuo sobre la suspensión obtenida en la etapa (d)
Se han ensayado el tamaño de las partículas y la homogeneidad de la suspensión obtenida mezclando la fracción líquida concentrada y el agua (etapa (d)) con mezclas llevadas a cabo en modo discontinuo o continuo y con diversas proporciones agua/fracción líquida concentrada (Ragua/fracción líquida). Se han ensayado las proporciones Ragua/fracción líquida =1 (SM en suspensión 30%), 0,8 (SM en suspensión =33,3%) y 0,6 (SM en suspensión 37,5%).
Para cada experimento en el modo continuo, la velocidad del dispersor fue de 8.000 rpm
El tamaño de las partículas en la suspensión se ha determinado con un Turbiscan™ (retrodifusión de luz).
Con todas las proporciones agua/fracción líquida concentrada ensayadas, el perfil corresponde a una dispersión homogénea. Sin embargo, con Ragua/fracción líquida =1 el tamaño de las partículas es ligeramente más pequeño. El porcentaje de retrodifusión es del 20% mientras que este porcentaje es del 18% para Ragua/fracción líquida =0,8 y para R agua/fracción líquida =0,6.
Se ha realizado un análisis de granulometría láser sobre suspensiones obtenidas en modo discontinuo o continuo (figuras 1 y 2 respectivamente). Los resultados muestran que las partículas son más pequeñas en modo continuo. Además, la suspensión es mucho más homogénea con el modo continuo que con el modo discontinuo.
Ejemplo 5 -Efecto de la concentración de agua en la etapa (a)
Durante la etapa (a) de poner en contacto un material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción, la tasa de lignina residual disminuye cuando la cantidad de agua en la solución de extracción aumenta hasta que la cantidad de agua alcanza el 20% en peso. Por encima del 20% de agua en peso en la solución de extracción, la tasa de lignina residual en la fracción sólida aumenta ligeramente, probablemente debido a la solubilidad de la lignina que disminuye cuando aumenta el porcentaje de agua en un medio. El porcentaje de hemicelulosa en la fracción sólida disminuye cuando aumenta la cantidad de agua: las hemicelulosas se hidrolizan en medio ácido y se extraen de la biomasa.
Esto indica que la eficacia de la etapa (a) aumenta con la cantidad de agua hasta que la cantidad de agua alcanza al menos el 20%.
Para una cantidad dada de ácido fórmico, la cantidad óptima de agua en la solución de extracción es del 20% (±5%) en peso y, en cualquier caso, superior al 10%.
Ejemplo 6 - Efecto de la temperatura en la etapa (d)
La etapa (d) de mezclar el agua con la fracción líquida concentrada se debe realizar a una temperatura entre 50 °C y 60 °C y más preferiblemente de aproximadamente 55°C. De hecho, la fracción líquida concentrada se concentra primero entre un 60% y un 70% en peso de materia seca antes de precipitar la lignina por adición de agua. Sin la etapa de concentrar la fracción líquida, la lignina permanecería soluble en el medio ácido y su precipitación no sería completa.
La fracción líquida concentrada se mantiene a una temperatura entre 70 °C y 80 °C para mantener una viscosidad aceptable (la viscosidad de la fracción líquida concentrada es de aproximadamente 325 poises a 30 °C y 15 poises a 70 °C). Luego, la fracción líquida concentrada se mezcla en caliente para precipitar la lignina:
- si la temperatura de la mezcla dispersada es inferior a 40 °C, la dispersión de la lignina es menos fina y menos homogénea. Los agregados de lignina comprenden una alta tasa de hemicelulosa residual y la separación por filtración es menos eficaz.
- si la temperatura de la mezcla está entre 50 °C y 60 °C, la dispersión es óptima: el tamaño de las partículas de lignina es muy homogéneo y elemental (sin formación de agregados, tamaño entre 2 y 3 gm). Esto da lugar a una separación óptima con una tasa muy baja de hemicelulosa residual en la lignina (<3%).
- si la temperatura es superior a 65 °C, la lignina resultante de la separación se degrada debido a su sensibilidad térmica. También existe un alto riesgo de degradación de las hemicelulosas debido a la termosensibilidad de las hemicelulosas, así como un riesgo de formación de furfural o derivados del mismo.
Claims (9)
1. Un método de producción de lignina y hemicelulosa a partir de un material lignocelulósico vegetal que comprende las etapas de:
(a) poner en contacto un material lignocelulósico vegetal con una solución de extracción que comprende:
- ácido acético en una cantidad del 40% al 70% en peso,
- ácido fórmico en una cantidad del 20% al 50% en peso y
- agua en una cantidad del 15% al 25% en peso,
durante más de 2 horas a una temperatura entre 95 °C a 110 °C, obteniendo así una fracción sólida y una fracción líquida, (b) separar la fracción sólida y la fracción líquida,
(c) concentrar la fracción líquida para obtener una fracción líquida concentrada que comprende materia seca en una proporción de entre el 60% y el 70% en peso,
(d) mezclar partes iguales en peso de agua con la fracción líquida concentrada a una temperatura entre 50 °C y 60 °C para obtener una suspensión que comprende partículas sólidas en suspensión en un medio líquido,
(e) separar las partículas y el medio de dicha suspensión,
(f) recuperar las partículas de dicha suspensión obteniendo así una fracción que comprende lignina denominada fracción lignificada,
(g) recuperar el medio de dicha suspensión obteniendo así una fracción que comprende hemicelulosa denominada fracción hemicelulósica.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que la solución de extracción consiste en ácido acético, ácido fórmico y agua.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2 caracterizado por que la etapa (c) de concentración de la fracción líquida se lleva a cabo por evaporación.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que la etapa (d) de mezclar el agua con la fracción líquida concentrada se lleva a cabo en modo continuo.
5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que la etapa (e) sigue directamente a la etapa (d).
6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por que la etapa (e) de separar las partículas del medio de la suspensión se lleva a cabo por filtración.
7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por que comprende una etapa de lavado de las partículas de la suspensión con una solución acuosa.
8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que la etapa (e) de separar las partículas y el medio de la suspensión comprende las etapas de:
(1) filtrar la suspensión para obtener una torta de filtración y un filtrado,
(2) recuperar el filtrado,
(3) mezclar al menos una parte de la torta con una solución acuosa para obtener una dispersión que comprende partículas dispersas en suspensión en una fase continua,
(4) filtrar la dispersión obtenida en la etapa (3) para obtener una torta y un filtrado;
(5) repetir las etapas (2) a (4) al menos una vez,
(6) recuperar la torta.
9. Un método para producir azúcares que comprende las etapas de:
(Y) producir hemicelulosa y lignina de acuerdo con el método según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,
(5) hidrolisis de la fracción hemicelulósica recuperada en la etapa (g).
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