MX2011002147A - Metodo para disminuir el agua de hidrolisis o pre-tratamiento de polisacaridos en una materia prima lignocelulosica. - Google Patents

Metodo para disminuir el agua de hidrolisis o pre-tratamiento de polisacaridos en una materia prima lignocelulosica.

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Abstract

Se proporciona un método para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos o pre-tratar una materia prima lignocelulósica, en la cual una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica es alimentada en una zona de desagüe presurizada en donde la materia prima es parcialmente desaguada y luego es comprimida en un obturador. El obturador es introducido en una zona de reacción que opera a una presión (Pr) igual o mayor que aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) y bajo condiciones de temperatura y pH adecuadas para hidrolizar los polisacáridos o pre-tratar la materia prima. El obturador proporciona un sello de presión entre la salida de la zona de desagüe y la zona de reacción. La presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada del dispositivo de desagüe está relacionada con Pr como sigue: 0 = ?P < el menor de [(Pr - 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2 (220 psia) ], y donde ?P es la diferencia absoluta en presión entre Pr y Pdwi en Kg/cm2 (psia).

Description

MÉTODO PARA DISMINUIR EL AGUA DE HIDRÓLISIS O PRE-TRATAMIENTO DE POLISACARIDOS EN UNA MATERIA PRIMA LIGNOCELULOSICA CAMPO DE LA INVENCION Esta invención concierne a un método mejorado para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos y/o hacer a los polisacáridos más accesibles o susceptibles a conversión enzimática a monosacáridos. El método incluye el pre-tratamiento de materias primas lignocelulósicas para hacerlas más tratables para hidrólisis enzimática.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Hay interés creciente en producir etanol combustible a partir de materias primas lignocelulósicas, como, por ejemplo, paja de trigo, hojas y troncos de maiz, panicum virgatum (mijo perenne, pasto varilla o pasto aguja).
Uno de los procesos primarios para producir etanol a partir de materias primas lignocelulósicas es llevar a cabo un pre-tratamiento, seguido por hidrólisis enzimática de la celulosa a glucosa. El pre-tratamiento a menudo es llevado a cabo por exposición de la materia prima a ácido sulfúrico diluido y vapor a presión alta por un corto periodo de tiempo. Un proceso para hacer esto es explosión de vapor (generalmente descrita en las Patentes U.S. Nos. 4,461,648 y 5,916,780. El pre-tratamiento por explosión de vapor mejora grandemente la hidrólisis enzimática subsecuente de la celulosa .
El pre-tratamiento por explosión de vapor puede llevarse a cabo en una manera discontinua o continua. Se prefiere la operación continua porque la productividad del reactor de pre-tratamiento es mayor que la de un reactor discontinuo debido al tiempo requerido para llenar y vaciar reactores discontinuos. Además, hay un limite al tamaño al cual un reactor por explosión de vapor discontinuo puede pre-tratar uniformemente el material. Esta limitación en el tamaño da como resultado un requerimiento de un gran número de reactores por explosión de vapor discontinuos en una planta de etanol de tamaño comercial.
Por otro lado, un pre-tratamiento por explosión de vapor que opera continuamente logra una alta produc ividad con una buena hidrólisis enzimática de la celulosa.
No obstante, la materia prima lignocelulósica debe ser conducida continuamente en y a través del reactor de pre-tratamiento .
Esto puede lograrse preparando una pasta en suspensión que consiste de la materia prima lignocelulósica triturada finamente en agua. La adición de agua facilita el transporte y el manejo mecánico de la materia prima lignocelulosica al principio de las operaciones de la unidad de y en el reactor de pre-tratamiento . Típicamente, la masa de agua presente es usualmente al menos 5 a 25 veces la masa de sólidos de la materia prima presente, para que la pasta en suspensión fluya uniformemente.
En un método convencional del arte previo, la pasta en suspensión de materia prima lignocelulosica es comprimida encima de la presión en el reactor de pre-tratamiento usando una serie de bombas diseñadas especialmente y dicha pasta en suspensión de materia prima lignocelulosica es calentada a la temperatura de reacción antes de su introducción en el reactor de pre-tratamiento. Este aumento de calor es logrado por medio de la inyección de vapor a alta presión a temperatura elevada. La cantidad de vapor y ácido necesarios para este aumento de calor es una función directa de la masa total de pasta en suspensión, incluyendo la adición de agua para transporte de la pasta en suspensión. Por consiguiente, la presencia de una gran cantidad de agua requiere una gran cantidad de vapor para el calentamiento, asi como también una gran cantidad de ácido. En el reactor de pre-tratamiento, la pasta en suspensión es mantenida a una temperatura elevada por período de tiempo pre-determinado . Después de que la reacción de pre-tratamiento es completa, la pasta en suspensión de la materia prima lignocelulósica pre-tratada es enfriada descargándola a través de una serie de reactores de evaporación instantánea en donde una cantidad significativa del vapor original añadido puede ser recuperado potencialmente como vapor de evaporación instantánea a presión sustancialmente más baja y puede ser reusado para pre-calentar la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica gue entra. El vapor que no pudiera ser recuperado permanece como condensado en la pasta en suspensión y es una fuente adicional de dilución de la pasta en suspensión.
Durante el procesamiento posterior de la materia prima lignocelulósica que sigue al pre-tratamiento, sustancialmente toda el agua añadida es removida a un costo significativo primeramente, por evaporación o procesos de destilación. Por consiguiente, la adición de agua para transporte de la materia prima contribuye al gran consumo de vapor, una gran cantidad de consumo de ácido asi como también grandes sistemas de evaporación o de destilación que añaden capital significativo y costos de operación del proceso de producción de etanol.
La Patente U.S. No. 4,842,877 describe un proceso en el cual un sustrato de biomasa es primero pre-hidrolizado con un medio de reacción que contiene álcali fuerte y luego tratado adicionalmente con un agente secuestrante para remover iones metálicos , evitando asi la formación de precipitados indeseables en el equipo de proceso. El producto de la biomasa de la etapa secuestrante es subsecuentemente alimentado a un reactor extrusor presurizado en el cual es añadido peróxido de hidrógeno, junto con oxigeno. El oxigeno sirve para activar el peróxido de hidrógeno mientras que el efecto de la fricción y la presión en el extrusor acelera la reacción de la biomasa con el peróxido de hidrógeno. El equipo extrusor es preferiblemente un equipo para cocción-extrusión continua Wenger TX-138, X-175, X-185 o X-200.
La Patente U.S. No. 4,427,453 describe un equipo en la forma de un gusano alimentador que consiste de un alojamiento cónico resistente a la presión que tiene una abertura de carga radial en el extremo de su diámetro mayor y una manga de salida, axial, conformada cilindricamente en su extremo menor. El material es inyectado en la abertura de carga y es movido por medio de un gusano cónico rotatorio bajo fuerte compresión, y por consiguiente, alta presión al extremo menor donde es forzado a través de la manga de salida como un obturador comprimido. El alojamiento cónico está provisto con perforaciones de modo que el liquido es sacado a presión del material durante la compresión.
La Patente U.S. No. 6,251,643 describe un compresor de husillo que tiene cámaras para la realización de etapas de compresión y tratar suspensiones acuosas de material. Las cámaras están dispuestas axialmente en linea con una flecha integral común que tiene husillos para conducir el material. Durante la operación del compresor de husillo, se forma un obturador de material compactado a la salida de cada husillo. Este obturador separa por sellado una cámara de la siguiente cámara .
La Patente U.S. No. 7,347,140 describe un compresor de husillo para separación de liquido a partir de mezclas sólido liquido, el compresor de husillo tiene un alojamiento con perforaciones para sacar liquido. El alojamiento incluye una flecha de husillo con un espacio circular a través del cual es comprimido el liquido. Un dispositivo de contra presión crea un respaldo de la mezcla sólido liquido para incrementar asi la presión en el espacio circular para extraer más liquido de la mezcla sólido/liquido.
WO 96/25553 describe un sistema de remoción de agua lignocelulósico que opera a presión atmosférica para comprimir el material lignocelulósico en un inserto, el cual está en la forma de un obturador compacto, cuyo propósito es separar el medio atmosférico del compresor del medio de alta presión en un hidrolizador .
Un reporte final titulado "Second Stage Countercurrent Reactor" preparado para la National Renewable Energie Laboratory, Golden Colorado, fechado el 19 de Octubre de 2000 y publicado por el Harris Group describe un reactor horizontal de primera etapa que opera a 10.5 kg/cm2 (150 psig) y 185°C y un segundo reactor vertical (también mencionado como "digestor") que opera a 25.9 kg/cm2 (370 psig) y 225°C. Un alimentador de husillo obturador atmosférico comprime las pequeñas partículas de madera pre-vaporizadas para formar un obturador hermético que entra en la primera etapa, y un Montaje de Tubería en Pantalón presurizado que proporciona un sello de presión para el digestor horizontal de la primera etapa. En la hidrólisis de la segunda etapa, un alimentador de husillo de obturador presurizado comprime las pequeñas partículas de madera parcialmente cocidas, comprimidas desde el reactor de la primera etapa para formar un obturador hermético contra la presión del reactor. Un Montaje de Tubería en Pantalón presurizado proporciona un sello de presión para el reactor a contra corriente de la segunda etapa. Una transportadora desmenuzadora a compresión rompe el obturador y alimenta continuamente al digestor vertical de la segunda etapa donde las pequeñas partículas de madera parcialmente cocidas de la desmenuzadora son hidrolizadas con ácido.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un proceso de pre-tratamiento o hidrólisis continua, económico, el cual opera con bajos niveles de agua. Al operar de esta manera, la invención proporciona ventajas de costo de operación y de capital significativas al producir productos de fermentación, como etanol, a partir de materias primas lignocelulósicas con respecto a los procesos actuales que usan una gran cantidad de agua.
De manera ventajosa, la remoción de una cantidad significativa de agua de una materia prima lignocelulósica antes de su aumento de temperatura por vapor en un reactor de hidrólisis reduce el uso de vapor y también la cantidad de agua que necesita ser removida por evaporación o destilación en el procesamiento adicional, disminuyendo asi los costos de operación y de capital. Un aspecto ventajoso adicional de la invención es que puede dar como resultado una reducción en la cantidad de ácido o de álcali que es necesario durante la hidrólisis o pre-tratamiento de la materia prima.
Por consiguiente, un aspecto amplio de la presente invención proporciona un método para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos , que comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción interconectadas , cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (PdWi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ? P < el menor de [ (Pr- 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2 (220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialraente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica dentro de la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión de la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión de la zona de entrada a la zona de reacción; g) mantener condiciones de temperatura y pH adecuadas en la zona de reacción para hidrolizar los polisacáridos en la materia prima lignocelulósica para producir los monosacáridos ; y h) recuperar los monosacáridos producidos en la etapa g) .
Otro aspecto amplio de la presente invención proporciona un método para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos, que comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, formación de obturador y de reacción interconectadas, cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 21 kg/cm2 (300 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 <?? < 15.4 kg/cm2 (220 psia) , y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica en la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción; g) mantener condiciones de temperatura y pH adecuadas en la zona de reacción para hidrolizar los polisacáridos en la materia prima lignocelulósica para producir los monosacáridos ; y h) recuperar los monosacáridos producidos en la etapa g) .
De conformidad con aún otro amplio aspecto de la invención, se proporciona un método para producir una materia prima lignocelulósica pre-tratada que comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción interconectadas , cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ? P < el menor de [(Pr - 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica en la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión de la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión de la zona de entrada a la zona de reacción; g) pre-tratar la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción para producir la materia prima pre-tratada .
De conformidad con una modalidad de la invención la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 33:1 para entrar a la zona de remoción de agua, preferiblemente aproximadamente 7:1 a aproximadamente 24:1. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca puede ser determinada en la zona de entrada de la zona de remoción de agua .
De conformidad con otra modalidad de la invención, la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1, preferiblemente de aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1.
De conformidad con aún otra modalidad de la invención, la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia), aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia), o aproximadamente 9.8 kg/cm2 (140 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia) o aproximadamente 21 kg/cm2 (300 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia).
En una modalidad adicional de la invención, la presión del liquido acuoso retirado de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia), o aproximadamente 0.07 kg/cm2 (1 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia), inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua.
De conformidad con una modalidad adicional de la invención, la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua es calentada antes de su entrada en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas .
De conformidad con aún una modalidad adicional de la invención, la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede ser al menos parcialmente calentada por inyección de vapor directo antes de su entrada en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas .
De conformidad con aún otra modalidad de la invención, la materia prima lignocelulósica se hace reaccionar en la zona de reacción bajo condiciones ácidas. El pH en la zona de reacción cuando la materia prima lignocelulósica se hace reaccionar bajo condiciones ácidas puede estar entre 0 y aproximadamente 3, o entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 3, o entre aproximadamente 0.5 y aproximadamente 3. El ácido puede ser añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas.
En aún una modalidad adicional de la invención, cuando la materia prima lignocelulósica se hace reaccionar en la zona de reacción bajo condiciones ácidas, la materia prima lignocelulósica es retenida en la zona de reacción por un tiempo adecuado de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, o aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos, o aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos, y a una temperatura adecuada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C para hidrolizar la materia prima lignocelulósica .
Cuando la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar bajo condiciones ácidas, el ácido añadido a la materia prima lignocelulósica puede ser seleccionado del grupo que consiste de ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorhídrico, ácido fosfórico o cualquier combinación de éstos. Preferiblemente, el ácido es ácido sulfúrico.
De conformidad con otra modalidad de la invención, la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar en la zona de reacción bajo condiciones alcalinas. De conformidad con dicha modalidad, el álcali puede ser seleccionado del grupo que consiste de amoníaco, hidróxido de amonio, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, o cualquier combinación de éstos. El álcali puede ser añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas. El pH en la zona de reacción puede estar entre aproximadamente 9.5 y aproximadamente 14.
De conformidad con una modalidad de la invención, la temperatura en la zona de reacción durante la reacción bajo condiciones alcalinas puede ser de entre 135°C y aproximadamente 260°C. De conformidad con aún otra modalidad de la invención, la temperatura en la zona de reacción durante la reacción bajo condiciones alcalinas puede ser de entre aproximadamente 120 °C y aproximadamente 220 °C y la materia prima lignocelulósica puede hacerse reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos o por aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
De conformidad con una modalidad adicional de la invención, cuando la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar bajo condiciones alcalinas, el álcali es amoniaco, hidróxido de amonio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de aproximadamente 20 °C y aproximadamente 150°C, o entre aproximadamente 20°C y aproximadamente 100°C, y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
De conformidad con una modalidad adicional de la invención, cuando la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar bajo condiciones alcalinas, el álcali es amoniaco, hidróxido de amonio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 100°C y aproximadamente 150°C, y la materia prima lignocelulosica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulosica.
De conformidad con aún una modalidad adicional de la invención, cuando la materia prima lignocelulosica es hecha reaccionar bajo condiciones alcalinas, el álcali es hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 100°C y aproximadamente 140°C y la materia prima lignocelulosica es hecha reaccionar por aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulosica.
De conformidad con una modalidad adicional de la invención, la materia prima lignocelulosa que ha reaccionado es enfriada a una temperatura igual a o menor que 100°C después es descargada de la zona de reacción. Esto puede involucrar también una etapa de reducir la presión de la materia prima lignocelulosica que ha reaccionado a presión atmosférica .
Aún otro amplio aspecto de la presente invención proporciona un sistema para el pre-tratamiento o hidrólisis de una materia prima lignocelulosica que incluye dispositivos de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción, en donde la presión (Pr) en el dispositivo de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia), que comprende: una bomba o bombas para bombear una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica hacia el dispositivo de remoción de agua a una presión de entre 4.9 kg/cm2 (70 psia) y aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia) y en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada del dispositivo de remoción de agua esta relacionada a Pr como sigue: 0 < ? P < el menor de [ (Pr- 1.4 kg/cm2 (20 psia)) y 15.4 kg/cm (220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) ; medios, en el dispositivo de remoción de agua, para remover liquido acuoso a partir de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica para formar una materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua; medios para retirar liquido acuoso desde el dispositivo de remoción de agua; medios para empujar la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde el dispositivo de remoción de agua en el dispositivo de formación de obturador para formar un obturador de la materia prima lignocelulósica ; y medios para descargar el obturador de materia prima lignocelulósica desde el dispositivo de de formación de obturador y alimentar la materia prima lignocelulósica en el dispositivo de reacción, el cual está a una presión gue es sustancialmente igual que la presión del obturador e materia prima lignocelulósica que es descargado del dispositivo de formación de obturador.
De conformidad con una modalidad de la invención, cuando el sistema está en operación, la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica es bombeada en el dispositivo para la remoción del agua a una presión entre aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) y 56 kg/cm2 (800 psia.) De conformidad con una modalidad de la invención, el sistema incluye medios para la fragmentación del obturador de material lignocelullósico antes de alimentar la materia lignocelulósica en el dispositivo de reacción.
En una modalidad adicional, el dispositivo de remoción de agua y el dispositivo de formación de obturador son integrados en un dispositivo combinado de formación de obturador y remoción de agua.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS En las figuras que se anexan, La Figura 1, es un diagrama de flujo de un método de conformidad con una modalidad de la presente invención; La Figura 2, es un diagrama esquemático del equipo estilizado de acuerdo a una modalidad de la presente invención para llevar a cabo el método de la presente invención; y La Figura 3, es un diagrama esquemático del equipo estilizado de acuerdo a una modalidad de la presente invención para llevar a cabo el método de la presente invención .
Las descripciones siguientes son de modalidades preferidas a manera de ejemplo solamente, y sin limitación a la combinación de características necesarias para llevar a cabo la invención en efecto.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN La materia prima de la cual se elimina agua es un material lignocelulósico .
Por el término "materia prima lignocelulósica" , se quiere decir cualquier tipo de biomasa vegetal tal como, pero no limitado a, biomasa vegetal no leñosa, matas cultivadas, como, pero no limitadas a, hierbas, por ejemplo, pero no limitadas a, gramíneas de 4 átomos de carbono como, pero no limitadas a, pasto varilla, espartino (Spartina pectinata) , ballico, caña china, alpiste arundináceo, o una combinación de éstos, residuos del procesamiento de azúcar, por ejemplo pero sin limitarse a, bagazo, pulpa de remolacha, o una combinación de éstos, residuos agrícolas, por ejemplo, pero sin limitarse a, hojas y troncos de soya, hojas y troncos de maíz, paja de arroz, cáscara de arroz, paja de cebada, mazorcas de maíz, paja de trigo, paja de cañóla, paja de avena, cáscaras de avena, fibra de maíz, o una combinación de éstas, biomasa forestal por ejemplo, pero sin limitarse a fibra de pulpa de madera reciclada, aserrín, madera dura, por ejemplo madera de álamo, madera suave, o una combinación de éstos .
Además, la materia prima lignocelulósica puede comprender material de desecho celulósico o materiales de desecho forestal tal como, pero sin limitarse a, papel periódico, cartón y los similares.
La materia prima lignocelulósica comprende una especie de fibra o, alternativamente, la materia prima lignocelulósica puede comprender una mezcla de fibras que se originan de diferentes materias primas lignocelulósicas .
Las materias primas lignocelulósicas comprenden celulosa en una cantidad de más de aproximadamente 20 %, más preferiblemente de más de aproximadamente 30 %, más preferiblemente de más de aproximadamente 40 % (en peso) . Por ejemplo, el material lignocelulósico puede comprender desde aproximadamente 20 % a aproximadamente 50 % (en peso) de celulosa, o cualquier cantidad entre éstas. La materia prima lignocelulósica también comprende lignina en una cantidad de más de aproximadamente 10 %, más típicamente en una cantidad de más de aproximadamente 15 % (en peso) . La materia prima lignocelulósica puede comprender también pequeñas cantidades de sacarosa, fructosa y almidón.
Ejemplos de materias primas lignocelulósicas preferidas incluyen: (1) desechos agrícolas como hojas y troncos de maíz, paja de trigo, paja de cebada, paja de cañóla, paja de avena, paja de arroz, y hojas y troncos de soya; y (2) hierbas como pasto varilla, caña china, espartillo, y alpiste arundináceo.
Antes de separar el agua de los sólidos, típicamente, la materia prima lignocelulósica es sometida a reducción de tamaño por medio de métodos que incluyen, pero no se limitan a, molienda, trituración, agitación, desmenuzado, compresión/expansión, u otros tipos de acción mecánica. La reducción de tamaño por medio de acción mecánica puede efectuarse por medio de cualquier tipo de equipo adaptado para el propósito, por ejemplo, pero sin limitarse a dispositivos para reducción de tamaño seleccionados del grupo que consiste de molinos de martillos, trituradores tubulares, calandras, refinadoras e hidropulpeadoras . La materia prima puede ser reducida a partículas que tengan una longitud de aproximadamente 0.159875 cms (1/16 de pulgada) a aproximadamente 12.7 cms (5 pulgadas) o cualquier cantidad entre éstas; por ejemplo, la longitud de las partículas puede ser de aproximadamente 0.159875 cms (1/16 de pulgada), aproximadamente 0.3175 cms (1/8 de pulgada), aproximadamente 0.47625 cms (3/16 de pulgada), aproximadamente 0.635 cms (1/4 de pulgada), aproximadamente 0.79375 cms (5/16 de pulgada), aproximadamente 0.9525 cms (3/8 de pulgadas), aproximadamente 1.1112 cms (7/16 de pulgada), aproximadamente 1.27 cms (1/2 pulgada), aproximadamente 1.4287 cm (9/16 de pulgada), aproximadamente 1.5875 cm (5/8 de pulgada), aproximadamente 1.7416 cm (11/16 de pulgada), aproximadamente 1.905 cm (3/4 de pulgada), aproximadamente 2.063 cm (13/16 de pulgada), aproximadamente 2.2225 cm (7/8 de pulgada), aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada), aproximadamente 5.08 cm (2 pulgadas), aproximadamente 7.62 cm (3 pulgadas), aproximadamente 10.16 cm (4 pulgadas) o aproximadamente 12.7 cm (5 pulgadas), o cualquier cantidad entre éstas. La longitud de las partículas reducidas también puede ser tal que al menos aproximadamente 90 % en peso de las partículas tengan una longitud de menos de aproximadamente 12.7 cm (5 pulgadas) o aún más cortas; por ejemplo, al menos aproximadamente 90 % en peso de las partículas puede tener una longitud de menos de aproximadamente 10.16 cm (4 pulgadas) aproximadamente 7.62 cm. (3 pulgadas), aproximadamente 6.08 cm (2 pulgadas), aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada) o aproximadamente 1.26 cm (1/2 pulgada). Puede llevarse a cabo el lavado para remover arena, arenisca y otras partículas extrañas que pueden ocasionar daño al equipo de post-tratamiento .
Antes de entrar a la zona de remoción del agua, la proporción de agua a materia prima lignocelulósica es ajustada para formar una pasta en suspensión. La pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica seca puede tener una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 33:1 o aproximadamente 7:1 a aproximadamente 24:1, antes de entrar a la zona de remoción del agua y todas las proporciones entre éstas. Por ejemplo, la proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca puede ser de aproximadamente 5:1, aproximadamente 6:1, aproximadamente 7:1, aproximadamente 8:1, aproximadamente 9:1, aproximadamente 10:1, aproximadamente 11:1, aproximadamente 12:1, aproximadamente 13:1, aproximadamente 14:1, aproximadamente 15:1, aproximadamente 16:1, aproximadamente 17:1, aproximadamente 18:1, aproximadamente 19:1, aproximadamente 20:1, aproximadamente 21:1, aproximadamente 22:1, aproximadamente 23:1, aproximadamente 24:1, aproximadamente 25:1, aproximadamente 26:1, aproximadamente 27:1, aproximadamente 28:1, aproximadamente 29:1, aproximadamente 30:1, aproximadamente 31:1, aproximadamente 32:1, o aproximadamente 33:1. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca puede ser determinada en la zona de entrada de la zona de remoción del agua. La proporción en peso deseada de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la pasta en suspensión es determinada por medio de factores tales como la capacidad de bombeo, requerimientos de tuberías, y otras consideraciones prácticas. La proporción en peso de agua a sólidos secos en una pasta en suspensión acuosa, tal como la pasta en suspensión acuosa de materia prima lignocelulósica, o un material húmedo, tal como una materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua o un obturador de materia prima lignocelulósica, puede ser determinada por medio de métodos conocidos por el experto en el arte. Un método es secar una muestra de peso conocido de la pasta en suspensión o material húmedo a una temperatura y por un período de tiempo que sea suficiente para remover el agua de la muestra de pasta en suspensión o material húmedo, pero que no de cómo resultado la degradación térmica de los sólidos, por ejemplo, sólidos de materia prima. Después de la remoción de dicha agua, o secado, los sólidos secos son pesados y el peso del agua en la muestra de pasta en suspensión o material húmedo es la diferencia entre el peso de la muestra de pasta en suspensión o sólidos húmedos y el peso de los sólidos secos. La cantidad de sólidos secos en una pasta en suspensión acuosa puede mencionarse como la consistencia de la pasta en suspensión. La consistencia puede ser expresada como el peso de sólidos secos en un peso de pasta en suspensión, por ejemplo, gramos por kilogramo, o como un por ciento sobre un peso base, por ejemplo, % (en peso) .
Por el término "operativamente asociado" en las reivindicaciones y especificación de la presente, se quiere decir que una zona o equipo hacia la entrada conduce a una zona o equipo hacia la salida ya sea directa o indirectamente a través de una zona o equipo intermedios.
La zona de remoción del agua incluye uno o más dispositivos para remover agua bajo presión a partir de la pasta en suspensión acuosa. Los dispositivos para la remoción del agua adecuados para uso en la invención incluyen prensas de husillo presurizadas , que se describirán con más detalle posteriormente, y filtros presurizados . El agua extraída de la materia prima lignocelulósica por medio de la etapa de remoción del agua puede ser usada en los procesos, para suspender la pasta de la materia prima que entra.
La pasta en suspensión de la materia prima puede ser alimentada al dispositivo de remoción del agua presurizado vía una o más bombas de alta presión, como las disponibles de Sulzer Corp. o Andritz AG, o por medio de otros dispositivos de alimentación adecuados. La bomba u otro dispositivo de alimentación incrementa la presión de la pasta en suspensión de materia prima en la zona de entrada de la zona de remoción del agua a por ejemplo, aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia) , o aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia), o más preferiblemente aproximadamente 9.8 kg/cm2 (140 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia) . Por ejemplo, la presión en psia de la materia prima en la zona de entrada de la zona de remoción de agua puede ser de aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia), 6.3 kg/cm2 (90 psia), 7.7 kg/cm2 (110 psia), 9.8 kg/cm2 (140 psia), 12.25 kg/cm2 (175 psia), 15.4 kg/cm2 (220 psia), 20.3 kg/cm2 (290 psia), 21 kg/cm2 (300 psia), 21.7 kg/cm2 (310 psia), 28 kg/cm2 (400 psia), 32.2 kg/cm2 (460 psia), 32.9 kg/cm2 (470 psia), 33.6 kg/cm2 (480 psia), 38.5 kg/cm2 (550 psia), 46.2 kg/cm2 (660 psia), 47.8 kg/cm2 (680 psia), 49 kg/cm2 (700 psia), 52.5 kg/cm2 (750 psia) , 56 kg/cm2 (800 psia) , 61.6 kg/cm2 (880 psia), 62.3 kg/cm2 (890 psia) o 63 kg/cm2 (900 psia).
La zona de remoción de agua incluye opcionalmente una zona de pre-drenaje a fin de drenar hacia afuera el agua de la pasta en suspensión de materia prima a presión atmosférica o más alta. Esta pasta en suspensión de materia prima separada del agua es entonces enviada a uno o más dispositivos para separar el agua de los sólidos de la pasta en suspensión bajo presión.
El agua sacada a presión a partir de la remoción de agua a presión, la cual está sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica , es retirada a una presión gue es de aproximadamente aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia), o aproximadamente 0.07 kg/cm2 (1 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia), inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa en la zona de entrada de la zona de remoción de agua presurizada. Por ejemplo, la presión del agua retirada de la zona de remoción de agua puede ser de aproximadamente 0.3, aproximadamente 0.5, aproximadamente 0.8, aproximadamente 1, aproximadamente 1.15, aproximadamente 2, aproximadamente 3, aproximadamente 4, aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7, aproximadamente 10, aproximadamente 15, aproximadamente 20, aproximadamente 25, aproximadamente 30, aproximadamente 35, aproximadamente 40, aproximadamente 45, aproximadamente 50 inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. El agua sacada a presión es retirada directamente en una o más zonas de colección del agua retirada. El agua retirada puede contener otros líquidos que pueden estar presentes en la pasta en suspensión acuosa de materia prima lignocelulósica alimentada en la zona de remoción de agua presurizada y sacados por prensado con el agua. La(s) zona(s) de colección puede ser inundada con el agua retirada, o una o más de las zonas de colección pueden ser parcialmente llenas con el agua retirada en cuyo caso habrá una superficie de agua retirada en dichas zonas de colección. La presión del agua retirada puede ser determinada midiendo con un sensor de presión la presión en la zona de colección del agua retirada, o en la zona de colección más cercana a la zona de entrada de la zona de remoción de agua si hay más de una zona de colección, a una elevación que sea inferior a cualquier área superficial retirada que pueda existir en dicha zona de colección, y ajusfando dicha medición de presión para tomar en cuenta cualquier carga de elevación diferencial del agua retirada que puede resultar del sensor de presión que está localizado a una elevación que es diferente de la elevación a la cual es medida la presión de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. Por consiguiente, si un sensor de presión está localizado en la zona de colección abajo del nivel de la superficie del agua retirada y a una elevación que sea la misma que la elevación a la cual es medida la presión de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua, entonces no es necesario ningún ajuste de la medición de presión del agua retirada para representar la carga de elevación diferencial. Si el sensor de presión está localizado a una elevación en la zona de colección que esté abajo de la elevación a la cual es medida la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua, la medición de presión es ajustada añadiendo la carga de elevación correspondiente a la altura del agua retirada entre la elevación del sensor de presión y la elevación a la cual es medida la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. De manera similar, si el sensor de presión está localizado a una elevación en la zona de colección que está encima de la elevación a la cual es medida la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua, la medición de presión es ajustada por deducción de la carga de elevación correspondiente a la altura del agua retirada encima de la elevación a la cual es medida la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua y la elevación del sensor de presión. Los cálculos de carga de elevación de fluido son conocidos por los expertos en el arte y toman en cuenta la densidad del fluido.
El liquido acuoso retirado preferiblemente contiene menos de aproximadamente 15 gramos de sólidos de materia prima lignocelulósica seca por kilogramo de liquido acuoso retirado; esto es el liquido acuoso retirado puede contener menos de aproximadamente 15, aproximadamente 10, aproximadamente 8, aproximadamente 6, aproximadamente 4, aproximadamente 3, aproximadamente 2, o aproximadamente 1 gramo de sólidos de materia prima lignocelulósica seca por kilogramo de liquido acuoso retirado. La cantidad de sólidos de materia prima lignocelulósica en el liquido acuoso retirado puede ser determinada por el método para determinar la proporción en peso de agua a sólidos secos en una pasta en suspensión acuosa que se describió anteriormente en la presente .
La materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede tener una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1, o aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1, y todas las proporciones entre éstas, por ejemplo aproximadamente 0.1:1, aproximadamente 1:1, aproximadamente 1.5:1, aproximadamente 2:1, aproximadamente 2.5:1, aproximadamente 3:1, aproximadamente 3.5:1, aproximadamente 4:1, aproximadamente 4.5:1 o aproximadamente 5:1. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede ser determinada por el método descrito anteriormente en la presente. Alternativamente, dicha proporción puede ser determinada por medio de cálculos de balance de masa que son conocidos por los expertos en el arte. Dichos cálculos consideran varios factores como el gasto másico y la consistencia o concentración de los materiales alimentados en la zona de remoción de agua, incluyendo pero sin limitarse al gasto másico y la consistencia de la pasta en suspensión acuosa de materia prima lignocelulósica, y el gasto másico y consistencia o concentración de los materiales retirados de la zona de remoción de agua, incluyendo pero sin limitarse al gasto másico y consistencia del agua retirada.
La materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua de la zona de salida de la zona de remoción de agua es movida a la zona de entrada de una zona de formación de obturador. En dicha zona, la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua forma un obturador que funciona como un sello de presión entre la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción .
La materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua alimentada en la zona de formación de obturador está a una presión elevada que es similar a la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de materia prima lignocelulósica en la entrada a la zona de remoción de agua presurizada. La presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada de dicha zona de remoción de agua presurizada está relacionada a la presión (Pr) en una zona de reacción posterior como sigue : 0 < ? P < el menor de [ (Pr- 1.4 kg/cm2 (20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ? P es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia).
Dicha diferencia de presión da como resultado la formación de un obturador de materia prima lignocelulósica, el cual es capaz de ser fácilmente penetrado por vapor. La ?? puede ser cualquier diferencia de presión absoluta desde 0 hasta 220 psia y todas las diferencias de presión entre éstas, por ejemplo en kg/cm2 (psia), aproximadamente 1.4 (20), aproximadamente 2.1 (30), aproximadamente 3.5 50), aproximadamente 5.25 (75), aproximadamente 7.0 (100), aproximadamente 10.5 (150), aproximadamente 12.6(180), aproximadamente 14.0 (200), aproximadamente 14.7 (210), aproximadamente 15.4 (220).
El obturador de materia prima lignocelulósica puede tener una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1, o aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1, o aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1, o aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 3.5:1, y todas las proporciones entre éstas, por ejemplo, aproximadamente 0.5:1, aproximadamente 1:1, aproximadamente 1.5:1, aproximadamente 2:1, aproximadamente 2.5:1, aproximadamente 3:1, aproximadamente 3.5:1, aproximadamente 4:1, aproximadamente 4.5:1 o aproximadamente 5:1. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en el obturador de materia prima lignocelulósica puede ser determinada por el método descrito anteriormente en la presente. Alternativamente, dicha proporción puede ser determinada por medio de cálculos de balance de masa.
El obturador de materia prima lignocelulósica es entonces descargado desde la zona de formación de obturador y alimentado a una zona de reacción posterior. Opcionalmente , uno o más dispositivos para desintegrar o desmenuzar el obturador y/o calentar el obturador o el obturador desintegrado o desmenuzado están posicionadas entre la descarga de la zona de formación de obturador y la zona de reacción. La presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. En una modalidad de la invención, la diferencia en presión entre la zona de salida de la zona de formación de obturador y la zona de entrada a la zona de reacción es de menos de aproximadamente 25 % de la presión en la zona de entrada a la zona de reacción, y puede ser de menos de aproximadamente 20 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 10 % o aproximadamente 5 % de la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. En otra modalidad de la invención, la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. La presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador puede ser determinada midiendo con un sensor de presión la presión en la zona en la cual el obturador es descargado primero, en donde el volumen abierto de esta última zona es tal que, en operación, la densidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en ella, expresado como kilogramos de sólidos secos por metro cúbico de volumen de zona abierta, es menor que la densidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la zona de salida de la zona de formación de obturador, expresada como kilogramos de sólidos secos por metro cúbico de volumen de obturador. Sin ser limitante, la zona anteriormente mencionada, en la cual el obturador es descargado, puede estar contenida en una tubería, recipiente o cámara conformada cilindricamente, o una parte de ésta, que tenga un área de sección transversal enlazada por su circunferencia interna que es mayor que el área de sección transversal de la superficie del obturador en la zona de salida de la zona de formación de obturador, dicha área de sección transversal de la superficie del obturador que sea el área definida por la intersección del obturador en la zona de salida y un plano de sección transversal que sea perpendicular a la dirección de flujo del obturador en la zona de salida de la zona de formación de obturador. Otros ejemplos no limitantes de dispositivos o cámaras que pueden contener una zona en la cual el obturador es descargado y que puede tener el volumen requerido son un desintegrador, desmenuzador, transportador, alimentador rotatorio o calentador de obturador. El obturador puede ser descargado directamente en la zona de entrada de la zona de reacción.
Como se discutirá posteriormente, pueden usarse varios tipos de reactores para contener la zona de reacción, incluyendo dos o más reactores, dispuestos en serie o en paralelo. La presión en la zona de entrada a la zona de reacción puede ser medida con un sensor de presión localizado en un puerto de entrada de materia prima en un reactor. Si dos o más reactores están dispuestos en serie, la zona de entrada a la zona de reacción significa la zona de entrada al primer reactor.
En la zona de reacción, de conformidad con una modalidad de la invención, al menos una porción de polisacáridos contenidos en la materia prima lignocelulósica es hidrolizada para producir uno o más monosacáridos . Preferiblemente, al menos una porción del xilano contenido en la materia prima lignocelulósica es hidrolizada para producir al menos xilosa en un pre-tratamiento .
El término "polisacárido" es usado en la presente en el sentido convencional e incluye pero no se limita a celulosa y xilano. El término "monosacárido" es usado en la presente en el sentido convencional, e incluye aquellos azúcares liberados al hidrolizar una materia prima lignocelulósica, por ejemplo, hexosa, galactosa y fructosa así como también las triosas, gliceraldehido y dihidroxiacetona; las tetrosas, eritrosa, treosa y eritrulosa; las pentosas, arabinosa, lixosa, ribosa, desoxiribosa , xilosa, ribulosa y xilulosa; y las hexosas, alosa, altrosa, galactosa, glucosa, gulosa, mañosa, talosa, fructosa, psicosa y tagatosa.
Si el término "oligosacárido" es usado en la presente, es usado en el sentido convencional como un polímero de sacárido gue contiene tres a diez azúcares componentes, incluyendo fructo-oligosacáridos , galacto-oligosacáridos y mano-oligosacáridos , así como también rafinosa, melibiosa y maltotriosa.
La presión en la zona de reacción está entre aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) y aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) y todas las presiones entre éstas; por ejemplo la presión en kg/cm2 (psia) puede ser de aproximadamente 6.3 (90) , aproximadamente 7. 0 (100) , aproximadamente 8.4 (120) , aproximadamente 10. , 5 (150) , aproximadamente 14 (200) , aproximadamente 16. 8 (240) , aproximadamente 17.5 (250) , aproximadamente 18 .9 (270) , aproximadamente 19.6 (280) , aproximadamente 20 .3 (290) , aproximadamente 21 (300) , aproximadamente 24. 5 (350) , aproximadamente 28 (400) , aproximadamente 31. 5 (450) , aproximadamente 35 (500) , aproximadamente 38. 5 (550) , aproximadamente 40.6 (580), aproximadamente 41.3 (590), aproximadamente 42 (600), o aproximadamente 47.8 (680). La presión en la zona de reacción puede ser medida con uno o más sensores de presión. Si el uno o más reactores que contengan la zona de reacción están configurados de tal manera que haya diferentes niveles de presión en la zona de reacción, la presión en la localización en la zona de reacción donde la materia prima entra a la zona de reacción, vía la zona de entrada a la zona de reacción, es considerada en la presente que es la presión de la zona de reacción.
Preferiblemente, la materia prima lignocelulósica es tratada en la zona de reacción bajo condiciones ácidas o alcalinas. El pH de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción dependerá de si la zona de reacción es operada bajo condiciones ácidas o alcalinas. Para condiciones ácidas, un pH adecuado es desde aproximadamente 0 a 3 o aproximadamente 0.2 a aproximadamente 3 o aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3 y todos los valores de pH entre éstos; por ejemplo, el pH puede ser de aproximadamente 0.2, aproximadamente 0.3, aproximadamente 0.4, aproximadamente 0.5, aproximadamente 1, aproximadamente 1.5, aproximadamente 2, aproximadamente 2.5 o aproximadamente 3. Para condiciones alcalinas, un pH adecuado es desde aproximadamente 9.5, a aproximadamente 14 y todos los valores de pH entre éstos; por ejemplo, el pH puede ser de aproximadamente 9.5, aproximadamente 10, aproximadamente 10.5, aproximadamente 11, aproximadamente 11.5, aproximadamente 12.5, aproximadamente 13, aproximadamente 13.5 o aproximadamente 14.
Los ácidos añadidos para ajustar a condiciones ácidas en la zona de reacción pueden ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorhídrico, ácido fosfórico o cualquier combinación de éstos. La adición de ácido sulfuroso incluye la adición de dióxido de azufre, dióxido de azufre más agua o ácido sulfuroso. Pueden usarse también ácidos orgánicos, solos o en combinación con un ácido mineral.
Las bases añadidas para ajustar las condiciones alcalinas en la zona de reacción pueden ser amoníaco, hidróxido de amonio, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio o cualquier combinación de éstos.
El ácido, álcali u otro producto químico pueden ser añadidos antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción, en la zona de formación de obturador, en la zona de reacción misma o una combinación de éstas. Por ejemplo, el ácido o álcali puede ser añadido antes de la entrada de una prensa de husillo presurizada, o en la entrada a una prensa de husillo presurizada, en una zona de remoción del agua de una prensa de husillo presurizada, en un alimentador de husillo de obturador presurizado y/o en la zona de reacción posterior. Si uno o más dispositivos son posicionados entre la descarga de la zona de formación de obturador y la zona de reacción a fin de desintegrar o desmenuzar el obturador y/o calentar el obturador o el obturador desintegrado o desmenuzado, parte o todo el ácido o álcali puede ser añadido a dichos dispositivos .
De conformidad con una modalidad de la invención, el reactor que contiene la zona de reacción es un reactor vertical, incluyendo tanto reactores verticales de flujo ascendente como descendente. En otra modalidad de la invención, el reactor es un reactor horizontal (Figura 3) o inclinado. El reactor puede estar equipado con un mecanismo interno, tal como un husillo (Figura 3), transportador o mecanismo similar, para transportar la materia prima lignocelulósica a la zona de reacción. La materia prima que ha reaccionado puede ser descargada en un dispositivo de descarga tal como un husillo sin cabeza (figura 3), un descargador con orificio en flecha, un descargador rotatorio, un descargador de tipo pistón, y los similares. Pueden usarse dos o más reactores dispuestos en serie o en paralelo. Si dos o más reactores están dispuestos en serie, la zona de entrada a la zona de reacción significa la zona de entrada del primer reactor .
Una temperatura y tiempo de reacción adecuados en la zona de reacción dependerán de numerosas variables, que incluyen el pH en la zona de reacción y el grado, si hay alguno, al cual se desea la hidrólisis de los polisacáridos .
La materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede ser calentada antes de su entrada en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas.
En una modalidad de la invención, la materia prima es sometida a un pre-tratamiento . El término "pre-tratamiento" o "pre-tratar" significa un proceso en el cual la materia prima lignocelulósica se hace reaccionar bajo condiciones que disruptan la estructura de la fibra y ésta incrementa la susceptibilidad o accesibilidad de la celulosa en las fibras celulósicas para etapas subsecuentes de conversión enzimática, pero da como resultado la conversión modesta de la celulosa a glucosa misma. Una porción del xilano en la materia prima lignocelulósica puede ser hidrolizada a xilosa y otros productos en un proceso de pre-tratamiento, aunque procesos de pre-tratamiento que no hidrolizan xilano están también abarcados por la invención. En modalidades de la invención, la cantidad de xilano hidrolizado a xilosa es de más de aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80 aproximadamente 90 por ciento.
Por el término "materia prima pre-tratada" , se quiere decir una materia prima que ha sido sometida a pre-tratamiento de modo que la celulosa contenida en las fibras de celulosa tenga una susceptibilidad o accesibilidad creciente a etapas de conversión enzimática subsecuentes. La materia prima pre-tratada contiene una mayor parte o toda la celulosa que estaba presente en la materia prima antes de pre-tratamiento .
El pre-tratamiento de la materia prima lignocelulósica puede tener lugar bajo condiciones ácidas o alcalinas. En un proceso de pre-tratamiento ácido, el tiempo en la zona de reacción es desde aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos o aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos o aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos y todos los tiempos entre éstos, por ejemplo, en segundos, aproximadamente 10, aproximadamente 20, aproximadamente 30, aproximadamente 40, aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80, aproximadamente 90, aproximadamente 100, aproximadamente 110, aproximadamente 120, aproximadamente 130, aproximadamente 140, aproximadamente 150, aproximadamente 160, aproximadamente 170, aproximadamente 180, aproximadamente 200, aproximadamente 250, aproximadamente 300, aproximadamente 400, aproximadamente 500, aproximadamente 550, aproximadamente 600, aproximadamente 650, aproximadamente 700, aproximadamente 800, aproximadamente 850, aproximadamente 900, aproximadamente 950, aproximadamente 1000, aproximadamente 1050, aproximadamente 1100, aproximadamente 1150, o aproximadamente 1200 y a una temperatura adecuada de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 260°C y todas las temperaturas entre éstas, por ejemplo, en grados Celsius, aproximadamente 180, aproximadamente 200, aproximadamente 210, aproximadamente 215, aproximadamente 220, aproximadamente 225, aproximadamente 230, aproximadamente 235, aproximadamente 240, aproximadamente 245, aproximadamente 250, o aproximadamente 260. El pH para el pre-tratamiento puede estar entre aproximadamente 0.5 y aproximadamente 3, o entre aproximadamente 1.0 y aproximadamente 2.0. Por ejemplo, el pH puede ser de aproximadamente 0.5, aproximadamente 0.8, aproximadamente 1, aproximadamente 1.3, aproximadamente 1.5, aproximadamente 1.8, aproximadamente 2.0, aproximadamente 2.3, aproximadamente 2.5, aproximadamente 2.8 o aproximadamente 3.
En un proceso de pre-tratamiento alcalino, el tiempo en el reactor es desde aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos o aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos y todos los tiempos entre éstos, y a una temperatura adecuada de aproximadamente 20 °C a aproximadamente 220°C o aproximadamente 120°C a aproximadamente 220°C y todas las temperaturas entre éstas.
La expansión de fibras con amoniaco (AFEX) , el cual es un método de pre-tratamiento alcalino, puede producir poco o ninguno de los monosacáridos , Por consiguiente, si se emplea un tratamiento por AFEX en la zona de reacción, el hidrolizado producido a partir de la zona de reacción puede no producir alguno de los monosacáridos.
De conformidad con el proceso por AFEX, la biomasa celulósica es puesta en contacto con amoniaco o con hidróxido de amonio, el cual es típicamente concentrado, en un reactor a presión. El contacto es mantenido por un tiempo suficiente para facilitar al amoníaco o al hidróxido de amonio esponjar (es decir, descristalizar) las fibras de celulosa. La presión es reducida entonces rápidamente, lo cual permite al amoníaco evaporarse instantáneamente o hervir y desplegar la estructura de la fibra de celulosa. El amoníaco evaporado instantáneamente puede entonces ser recuperado de conformidad con procesos conocidos. El proceso por AFEX puede ser corrido a aproximadamente 20 °C a aproximadamente 150 °C o a aproximadamente 20 °C a aproximadamente 100 °C y a todas las temperaturas entre éstas. La duración de este pre-tratamiento puede ser de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos, o cualquier tiempo entre éstos.
El pre-tratamiento con amoniaco diluido utiliza más soluciones diluidas de amoniaco o de hidróxido de amonio que AFEX. Un proceso de pre-tratamiento tal puede o puede no producir alguno de los monosacáridos . El pre-tratamiento con amoniaco diluido puede ser conducido a una temperatura de aproximadamente 100 a aproximadamente 150°C o a cualquier temperatura entre éstas. La duración de dicho pre-tratamiento puede ser de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos, o cualquier tiempo entre éstos.
Cuando se usan en el pre-tratamiento hidróxido de sodio o hidróxido de potasio, la temperatura puede ser de aproximadamente 100°C a aproximadamente 140°C, o cualquier temperatura entre éstas, la duración del pre-tratamiento puede ser de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos, o cualquier tiempo entre éstos, y el pH puede ser de aproximadamente pH de 11 a aproximadamente 13, o cualquier valor de pH entre éstos.
Alternativamente, un proceso de hidrólisis ácido o alcalino puede ser operado bajo condiciones suficientemente severas para hidrolizar celulosa a glucosa y otros productos. Por ejemplo, la cantidad de celulosa que es hidrolizada a glucosa y otros productos puede ser de al menos aproximadamente 40 %, aproximadamente 50 , aproximadamente 60 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 90 %, aproximadamente 95 % o aproximadamente hasta 100 %.
La hidrólisis ácida que es suficientemente severa para hidrolizar xilano y celulosa puede ser conducida por aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, o cualquier tiempo entre éstos. La temperatura puede ser entre aproximadamente 180°C y aproximadamente 260°C, o cualquier temperatura entre éstas. El pH puede ser de entre 0 y aproximadamente 1 o cualquier pH entre éstos.
La hidrólisis alcalina que es suficientemente severa para hidrolizar xilano y celulosa puede ser conducida a aproximadamente 125 °C a aproximadamente 260 °C, o aproximadamente 135°C a aproximadamente 260 °C, o aproximadamente 125°C a aproximadamente 180°C, o cualquier temperatura entre éstas, por aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 120 minutos, o cualquier temperatura entre éstas y a pH de aproximadamente 13 a aproximadamente 14, o cualquier pH entre éstos .
La materia prima pre-tratada o hidrolizada que sale de la zona de reacción puede ser descomprimida y enfriada, por ejemplo, a entre aproximadamente 30 °C y aproximadamente 100°C. En una modalidad de la invención, la presión es reducida a aproximadamente atmosférica. El enfriamiento y la descompresión pueden ser efectuados por uno o más reactores de evaporación instantánea.
Si la materia prima pre-tratada o hidrolizada que sale de la zona de reacción contiene celulosa puede ser sometida a hidrólisis de celulosa con enzimas celulasa. Por el término "enzimas celulasa", "celulasa", o "enzimas", se quiere decir enzimas que catalizan la hidrólisis de celulosa a productos como glucosa, celobiosa y otros celo-oligosacáridos . Celulasa es un término genérico que denota una mezcla multi-enzimática que comprende exo-celobiohidrolasas (CBH, celloBioHydrolases), endoglucanasas (EG, EndoGlucanases ) y ß-glucosidasas ( G, ß-Glucosidases ) que pueden ser producidas por numerosos vegetales y microorganismos. El proceso de la presente invención puede ser llevado a cabo con cualquier tipo de enzimas celulasas, independientemente de su origen.
Generalmente, una temperatura en el intervalo de aproximadamente 45°C a aproximadamente 55°C, o cualquier temperatura entre éstas, es adecuada para la mayoría de las enzimas celulasas, aunque la temperatura puede ser más alta para enzimas celulasas termofílicas . La dosificación de enzimas celulasas es seleccionad apara lograr un nivel suficientemente alto de conversión de celulosa. Por ejemplo, una dosificación de celulasa adecuada puede ser de aproximadamente 5.0 a aproximadamente 100.0 Unidades de Papel Filtro (FPU o UI) por gramo de celulosa, o cualquier cantidad entre éstas. La FPU es una medición estándar familiar para los expertos en el arte y es definida y medida de conformidad con Ghose (1987, Puré and Appl . Chem. 59: 257-268). El nivel de dosificación de ß-glucosidasa puede ser de aproximadamente 5 a aproximadamente 400 unidades de ß-glucosidasa por gramo de celulosa, o cualquier cantidad entre éstas, o desde aproximadamente 35 a aproximadamente 100 unidades de ß-glucosidasa por gramo de celulosa, o cualquier cantidad entre éstas. La unidad de ß-glucosidasa es también medida de acuerdo con el método de Ghose (supra) .
La hidrólisis enzimática de la celulosa continúa por aproximadamente 24 horas a aproximadamente 250 horas, o cualquier cantidad de tiempo entre éstas, dependiendo del grado de conversión deseado. En una modalidad de la invención, la cantidad de celulosa hidrolizada a glucosa es de al menos aproximadamente 40 %, aproximadamente 50 %, aproximadamente 60 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 80 , aproximadamente 90 %, aproximadamente 95 %, o aproximadamente 100 %. La pasta en suspensión asi producida es una solución acuosa que comprende glucosa, lignina y otros sólidos suspendidos sin convertir. Otros azúcares que pueden ser producidos en la zona de reacción pueden también estar presentes en la solución acuosa. Los azúcares son fácilmente separados de los sólidos suspendidos y pueden ser procesados adicionalmente según se requiera, por ejemplo, pero no limitándose a, fermentación para producir productos de fermentación, incluyendo pero no limitándose a etanol o butanol por medio de levaduras o bacterium. Si se produce etanol, la fermentación puede llevarse a cabo con una levadura, incluyendo, pero no limitándose a Saccharomyces cerevisiae.
Los azúcares que son sometidos a la fermentación anteriormente mencionada pueden incluir no solamente la glucosa liberada durante la hidrólisis de celulosa, sino también los azúcares que se originan de un pre-tratamiento llevado a cabo en la zona de reacción, es decir, xilosa, glucosa, arabinosa, mañosa, galactosa o una combinación de éstos. Estos azúcares pueden ser fermentados junto con la glucosa producida por hidrólisis de celulosa o pueden ser alimentados a una fermentación separada. En una modalidad de la invención, dichos azúcares son convertidos a etanol, junto con la glucosa de la hidrólisis de celulosa, por medio de una cepa de levadura de Saccharomyces cerevisiae que tiene la capacidad de convertir tanto la glucosa como la xilosa a etanol. La cepa de Saccharomyces cerevisiae puede ser modificada genéticamente de modo que sea capaz de producir este valioso sub-producto (véase por ejemplo, la Patente U.S. No. 5, 789,210, la cual es incorporada a la presente como referencia) , aunque se ha reportado que algunas cepas de levaduras Saccharomyces cerevisiae son naturalmente capaces de convertir xilosa a etanol.
Alternativamente antes de la hidrólisis enzimática, los azúcares que se originan de pre-tratamiento son separados de los componentes de la materia prima sin hidrolizar en la pasta en suspensión de materia prima pre-tratada por lavado de la pasta en suspensión con una solución acuosa para producir una corriente de lavado que comprende los azúcares y una corriente de sólidos que comprende los componentes sin hidrolizar. Expedientes adicionales para llevar a cabo la separación incluyen, pero no se limitan a, filtración, centrifugación, u otros procesos conocidos para remover sólidos fibrosos o sólidos suspendidos. La corriente de azúcar acuosa puede entonces ser concentrada, por ejemplo, por evaporación, con membranas, o los similares. Cualquiera de los sólidos en trazas es removido por micro-filtración.
En una modalidad, la corriente de azúcar acuosa separada de los sólidos fibrosos es fermentada para producir un alcohol de azúcar por medio de una levadura o bacterium. El alcohol de azúcar puede ser seleccionado de xilitol, arbitol, eritritol, manitol y galactitol. Preferiblemente, el alcohol de azúcar es xilitol. Alternativamente, el azúcar es convertido a un alcohol, tal como etanol o butanol, por fermentación con un hongo o bacterium recombinante o como se encuentra de manera natural.
Descripción detallada de la Figura 1 Como se ve en la Figura 1, una pasta en suspensión acuosa de materia prima lignocelulósica que tenga una consistencia de 3 % a aproximadamente 5 % (en peso) es conducida vía la tubería 102 a una zona de pre-drenaje 104. Aquí, el agua es drenada a presión atmosférica o mayor a través de la linea de drenaje 106 para dar como resultado una primera pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua que tiene una consistencia de aproximadamente 5 % a aproximadamente 7 % (en peso) . La primera pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua sale de la zona de pre-drenaje 104 y es alimentada a la bomba de alta presión 108 a través de la linea 110. La bomba de alta presión 108 crea una zona de alta presión de modo que la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede ser bombeada via la linea 111 en la zona de entrada de la zona de remoción de agua presurizada 112 a alta presión, por ejemplo, a una presión de entre aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) y aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia) , o entre aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) y aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia).
La zona de remoción de agua presurizada 112 opera bajo la alta presión para sacar por prensado agua adicional a partir de la primera pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua para proporcionar una segunda materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua en la cual el agua remanente es de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 5, o más preferiblemente, aproximadamente 1.5 a aproximadamente 4, veces el peso de los sólidos de materia prima lignocelulósica seca. El agua exprimida, la cual está sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica, es retirada y colectada a una presión que es aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia) inferior que la presión de la pasta en suspensión acuosa de la primera materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua a la zona de entrada de la zona de remoción de agua presurizada 112 y es drenada controlablemente a través de la linea de drenaje 114. El agua retirada contiene menos de aproximadamente 15 gramos de sólidos de materia prima lignocelulósica seca por kilogramo de agua retirada. La cantidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca contenida en el agua retirada es determinada colectando una muestra del agua sacada de, por ejemplo, la linea de drenaje 114, y usando el método descrito anteriormente en la presente para determinar la proporción en peso de agua a sólidos secos en la muestra. Esta segunda materia prima lingocelulósica con remoción parcial del agua es urgida en la zona de formación de obturador 116. Como se indicó anteriormente, la zona de remoción de agua es a presión elevada. La presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lingocelulósica a la entrada de la zona de remoción de agua 112 está relacionada con la presión (Pr) en una zona de reacción posterior como sigue: 0 < ? P < el menor de [(Pr- 1.4 kg/cm2(20 psia) ) y 15.4 kg/cm2 (220 psia)], y donde ? P es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) .
En la zona de formación de obturador 116, la segunda materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua es conformada en un obturador gue actúa como un sello de presión entre la zona de remoción del agua presurizada y una zona de reacción anterior. El obturador es descargado desde la zona de formación de obturador 116 y es conducido a una zona de reacción 120 a través de una linea de salida calibrada apropiadamente 122. La zona de reacción está a una presión elevada que es igual a o mayor que aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) y puede ser tan alta como 47.8 kg/cm2 (680 psia). La presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. La diferencia entre la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador y la presión en la zona de entrada a la la zona del reactor puede ser de menos de aproximadamente 25 % de la presión en la zona de entrada a la zona del reactor. Por ejemplo, la diferencia entre la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador y la presión en la zona de entrada a la zona del reactor puede ser de aproximadamente 25 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 10 % o aproximadamente 5 % menos que la presión en la zona de entrada a la zona del reactor. La presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador puede ser la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. En la zona de reacción 120, se hace reaccionar la materia prima lignocelulósica bajo condiciones que disrupten la estructura fibrosa y se hidrolice más de 50 % del xilano contenido en la materia prima lignocelulósica a xilosa u otros productos. Por ejemplo, la cantidad del xilano que es hidrolizado a xilosa u otros productos puede ser de más de aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80, o aproximadamente 90 por ciento. Un tipo de reactor adecuado para dicho propósito es un reactor de pre-tratamiento que opera bajo condiciones ácidas en donde la materia prima lignocelulósica se hace reaccionar por un corto tiempo, por ejemplo, aproximadamente 10 a aproximadamente 180 segundos, a un pH adecuado, por ejemplo, un pH ácido de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3 y a una temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C.
Alternativamente, puede usarse un reactor de pre-tratamiento que opera bajo condiciones alcalinas. La zona de reacción puede ser operada alternativamente bajo condiciones tales que la mayoría del xilano y celulosa contenidos en la materia prima lignocelulósica son hidrolizados a xilosa u otros productos y glucosa respectivamente.
La materia prima lignocelulósica que ha reaccionado es conducida a través de la línea 124 a las zonas de descompresión y enfriamiento 126. En las zonas de descompresión y enfriamiento 126, la presión es reducida a aproximadamente atmosférica y la temperatura es reducida, por ejemplo a entre aproximadamente 30 °C y aproximadamente 100 °C. Si el producto que ha reaccionado frío contiene celulosa puede entonces ser conducido a una zona de hidrólisis enzimática (no mostrada) a través de la línea 128.
Descripción detallada de la Figura 2 Primero, la materia prima lignocelulósica es limpiada y sometida a reducción de tamaño (no mostrado) para proporcionar un tamaño adecuado, por ejemplo, aproximadamente 1.905 cm (3/4 de pulgada) a aproximadamente 2.54 cm. (1 pulgada) de tamaño, o aún hasta 12.7 cm (5 pulgadas) de tamaño, para propósitos de manejo mecánico. El lavado (no mostrado) se lleva a cabo para remover arena, arenisca u otras partículas extrañas que puedan causar daño al equipo posterior. La materia prima lignocelulósica es mezclada con agua para formar una pasta en suspensión que tenga una consistencia de hasta aproximadamente 20 % (en peso) , por ejemplo, aproximadamente 3 % a aproximadamente 5 % (en peso) . La concentración deseada de la materia prima en la pasta en suspensión es determinada por medio de factores como la posibilidad de bombeo, requerimientos de tuberías, etc. La materia lignocelulósica lavada y convertida en pasta en suspensión, que tenga una consistencia de, por ejemplo, aproximadamente 3 % a 5 % (en peso) es almacenada en depósitos (no mostrados) que tengan instalaciones de almacenamiento similares a una tolva de almacenamiento en silos. Estos depósitos son localizados estratégicamente alrededor de la planta de modo que puede usarse una tubería individual para transportar la materia prima a la planta así como también para transportar el agua removida desde los dispositivos de remoción de agua localizados en la parte de atrás de la planta al depósito en un solo circuito. La materia prima lignocelulosica es transportada al área de pre-tratamiento usando bombas de manejo de fibras convencionales.
Como se ve en la Figura 2, una pasta en suspensión de materia prima lignocelulosica es bombeada en el primer pre-drenador 202 a través de la linea 204.
El primer pre-drenador 202 es una envolvente sólida generalmente cilindrica 206 en la cual está un tamiz concéntrico 208 y, concéntrico con éste, está un husillo suspendido 210 montado sobre la flecha 211. El husillo suspendido 210, cuando está rotando, mueve la materia prima lignocelulosica hacia adelante, y también sirve como un frotador que mueve la materia prima lignocelulosica drenada lejos del tamiz 208 previniendo asi que el tamiz se bloquee. El pre-drenador 202 también incluye un sistema de drenaje de agua más bajo 212 para agua drenada de manera directa a través la primera linea de drenaje de agua 214, y esta agua drenada puede ser retornada al área de depósito de almacenamiento para uso en la formación de pasta en suspensión de la materia prima lignocelulosica.
Esta primera materia prima lignocelulosica con remoción parcial del agua se le ha retirado por dren suficiente agua de modo que la pasta en suspensión de materia prima restante pueda ser bombeada usando bombas de manejo de pulpa convencionales. Estas bombas son usadas extensamente en la industria de la pulpa y del papel y pueden manejar pastas en suspensión que contengan, por ejemplo, aproximadamente 7 % a aproximadamente 8 % (en peso) de materia prima y pueden ser proporcionadas por Sulzer Corp., Andritz AG y otros. La primera materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua, por ejemplo, aproximadamente 7 % a aproximadamente 8 % (en peso) de materia prima es alimentada a través de la linea de alimentación 216 a una cámara de equilibrio 218 donde es almacenada hasta que se necesita. Una bomba 220 saca la primera materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua, almacenada de la cámara de equilibrio 218 y la bombea vía la linea 224 en la zona de entrada de una prensa de remoción de agua presurizada 222 a una alta presión de, por ejemplo, aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia), o aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia), o más preferiblemente aproximadamente 9.8 kg/cm2 (140 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia) . La linea 224 es conectada a un puerto de entrada de materia prima (no mostrado) sobre la prensa de remoción de agua presurizada 222, y la presión de la materia prima en la zona de entrada de la zona de remoción de agua puede ser medida con un sensor de presión localizado en el puerto de entrada de la materia prima .
La prensa de remoción de agua presurizada 222 consiste de una envolvente sólida generalmente cilindrica 226, en la cual está un tamiz concéntrico 228 asi como también un husillo suspendido concéntrico 230 para sacar el agua por prensado de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica . La envolvente 226 es diseñada para resistir la presión de la pasta lignocelulósica en suspensión en la prensa de remoción de agua, la cual puede ser desde aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia), desde kg/cm2 4.9 (70 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia), o más preferiblemente de aproximadamente 9.8 kg/cm2 (140 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psi) . El agua y cualquier otro liquido que ha sido sacado por prensado a partir de la primera pasta de materia prima lignocelulósica en suspensión con remoción parcial del agua son retirados en la cámara de colección de agua retirada 232, desde donde es retirada controlablemente por medios (no mostrados) a través de la segunda linea de drenaje de agua 236. El nivel de superficie del agua retirada en la cámara de colección 232 está encima de la elevación del punto más alto del tamiz concéntrico 228 y encima de la elevación del sensor de presión que es usado para medir la presión de la materia prima en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. La presión del agua retirada en la cámara 232 es de aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia) menos que la presión de la primera materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua en la entrada a la prensa de remoción de agua presurizada. La presión del agua retirada en la cámara de colección 222 es medida con un sensor de presión localizado abajo del nivel de la superficie del agua retirada en la cámara y a una elevación que es la misma que la elevación del sensor de presión que es usado para medir la presión de la materia prima en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. El agua retirada, la cual está sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica, es retirada a través de la linea 236 y puede ser retornada al área del depósito de almacenamiento para uso en la formación de la pasta en suspensión de la materia prima lignocelulósica. El agua retirada contiene menos de aproximadamente 15 gramos de sólidos de materia prima seca por kilogramo de agua retirada. La cantidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca contenida en el agua retirada es determinada colectando una muestra del agua retirada, desde, por ejemplo, la linea de drenaje 236, y empleando el método descrito anteriormente en la presente para determinar la proporción en peso de agua a sólidos secos en la muestra. Una segunda materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua es descargada de la prensa de remoción de agua presurizada 222 en la linea presurizada 240. Esta segunda materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua contiene agua en el intervalo de, por ejemplo, aproximadamente 0.5 a aproximadamente 5 veces el peso de los sólidos de materia prima lignocelulósica seca. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la segunda materia prima lignocelulosa con el agua parcialmente removida puede ser determinada colectando una muestra de la materia prima a partir de, por ejemplo, la linea 240, y determinando la proporción en peso en la muestra por medio del método descrito anteriormente en la presente. Opcionalmente, la segunda materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente removida es descargada de la prensa 222 en la forma de un obturador que es formado en la zona de formación de obturador opcional 231. Opcionalmente, puede haber un dispositivo de retención (no mostrado) localizado al final de la salida de la zona de formación de obturador.
La segunda materia prima con remoción parcial del agua que es descargada en la linea 240 está a una presión elevada (Pdwo) · Pdwo es similar a la presión (Pdwi) de la primera materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente removida en la entrada de la zona de remoción de agua presurizada en la prensa de remoción de agua presurizada 222. Pdwo puede ser igual a, menor que o mayor que PdWi dependiendo del diseño de la prensa de husillo presurizada. La segunda materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua es alimentada a un alimentador de husillo obturador presurizado 238 a través de la linea 240 presurizada y calibrada apropiadamente después de que el ácido es añadido a ésta para alcanzar un pH de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3.0, a través de la linea de reposición de ácido 242. Opcionalmente, parte o todo el ácido puede ser añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada de la prensa de husillo presurizada 222, en la entrada a la prensa de husillo presurizada 222, la zona de remoción de agua de la prensa de husillo presurizada 222, en el alimentador de husillo obturador presurizado 238 y/o en una zona de reacción de pre-tratamiento posterior. El alimentador de husillo obturador presurizado 238 consiste de una columna de entrada hueca, vertical, recta, generalmente cilindrica 244, la cual está operativamente conectada a una cámara de eliminación por prensado generalmente trunco-cónica, horizontal 246, en la cual está montada concéntrica y rotatoriamente una prensa de husillo trunco cónica para eliminar por prensado agua adicional y otros líquidos de la materia prima lignocelulósica. La materia prima lignocelulósica contiene ahora agua en el intervalo de, por ejemplo, aproximadamente 0.5 a menos de aproximadamente 5 veces el peso de los sólidos de la materia prima seca. Preferiblemente, el contenido de agua de la materia prima lignocelulósica es de aproximadamente 1 a aproximadamente 4, o más preferiblemente aproximadamente 1.5 a aproximadamente 3.5 veces el peso de los sólidos de la materia prima seca. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca es determinada por medio de cálculos de balance de masa que toman en cuenta el gasto másico y la consistencia de la segunda materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente eliminada y el gasto másico y la composición del ácido que es alimentado en el alimentador de husillo obturador 238, y el gasto másico y la composición del agua y de otros líquidos que son eliminados por prensado desde el alimentador de husillo obturador 238. Un sistema de colección de agua colecta el agua que ha sido eliminada por prensado de la materia prima lignocelulósica en las cámaras de colección 250 y 2251, desde donde es retirada controlablemente por medios (no mostrados) a través de las líneas de drenaje de agua 252 y 248, respectivamente.
Se forma un obturador de materia prima lignocelulósica en una zona de formación de obturado del alimentador de husillo obturador 238. Como se indicó anteriormente, la materia prima lignocelulósica alimentada en el alimentador de husillo obturador está a una presión elevada que es similar a la presión (Pdwi) de la primera materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua a la entrada de la zona de remoción de agua presurizada de la prensa de eliminación de agua presurizada 222. La presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada de dicha zona de remoción de agua presurizada está relacionada con la presión (Pr) en una zona de reacción posterior como sigue: 0 < ? P < el menor de [ (Pr- 1.4 kg/cm2(20 psia) ) y 15.4 kg/cm2], y donde ? P es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) Dicha diferencia de presión da lugar a la formación de un obturador de materia prima lignocelulósica que es capaz de ser fácilmente penetrado por vapor.
De conformidad con esta modalidad, Pdwi es la presión de la primera materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente removida en la zona de entrada de la prensa de remoción de agua presurizada 222. Como se indicó anteriormente, la presión puede ser medida por medio de un sensor de presión localizado en el puerto de entrada de la materia prima de la prensa.
El obturador de materia prima lignocelulósica es descargado en un recipiente de entrada 258 de un reactor de pre-tratamiento 254 por medio de un sistema de válvula de descarga a presión 256. Puede también un raspador/desintegrador de obturador (no mostrado) dispuesto entre la descarga de la zona de formación de obturador y el reactor de pre-tratamiento o en la entrada del reactor. El recipiente de entrada 258 es un recipiente vertical, recto generalmente cilindrico. El recipiente de entrada tiene un área de sección transversal limitada por su circunferencia interna que es mayor que el área de sección transversal de la superficie de obturador en su salida del alimentador de husillo obturador 238. Dicha área de sección transversal de la superficie del obturador es el área definida por la intersección del obturador en dicha salida y un plano de sección transversal que es perpendicular a la dirección del flujo del obturador en dicha salida. De conformidad con esta modalidad, la dirección del flujo del obturador a la salida del alimentador de husillo obturador 238 es paralela al eje longitudinal de la prensa de husillo trunco cónica que está montada concéntricamente en la cámara de eliminación de agua por prensado 246. El volumen abierto del recipiente de entrada 258 es tal que la densidad de los sólidos de materia prima lignocelulósica seca en el recipiente, expresado como kilogramos de sólidos secos por metro cúbico de volumen de recipiente abierto, es menor que la densidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la zona de salida de la zona de formación de obturador, expresada como kilogramos de sólidos secos por metro cúbico de volumen de obturador. En esta modalidad, la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador puede ser determinada midiendo la presión en el recipiente de entrada 258. La presión en el recipiente de entrada 258 puede ser determinada midiendo con un sensor de presión la presión total de gases (incluyendo vapores) en el recipiente. El fondo del recipiente de entrada 258 está conectado a un puerto de entrada en el reactor de pre-tratamiento 254 y la presión en el puerto de entrada es la misma que la presión en el recipiente 258. Por consiguiente, en esta modalidad, la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción. El reactor de pre-tratamiento 254 comprende una cámara de reacción horizontal generalmente cilindrica 262, en la cual es admitido vapor a alta presión a través de las lineas de vapor 264. Estas proporcionan el ambiente necesario para la reacción de pre-tratamiento, es decir, una presión alta de aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 pisa), una temperatura alta de aproximadamente 180 °C a aproximadamente 260 °C y un pH de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3. La materia prima lignocelulósica es tratada en el reactor por un tiempo de aproximadamente 10 a aproximadamente 180 segundos. De manera alternativa, el reactor de pre-tratamiento puede ser un reactor vertical.
La materia prima lignocelulósica pre-tratada es descargada desde el reactor de pre-tratamiento a través de la salida 270 en un recipiente de obturación a presión 266. El recipiente de obturación a presión 266 consiste de un recipiente de entrada, vertical, recto generalmente cilindrico 272, el cual está operativamente conectado a una cámara de descarga generalmente trunco cónica horizontal 274, en la cual está montado concéntrica y rotatoriamente un husillo trunco cónico 275, el cual alimenta la materia prima lignocelulósica a una serie de reactores de evaporación instantánea 276 a través de un sistema de válvulas de descarga a presión (no mostrado) .
La serie de reactores de evaporación instantánea 276 comprende un primer reactor de evaporación instantánea 278 y un segundo reactor de evaporación instantánea 280 interconectados por un tubo acodado 282. El vapor del evaporador instantáneo es venteado desde el primer reactor de evaporación instantánea 278 vía el venteo 284. El vapor del evaporador instantáneo es venteado desde el segundo reactor de evaporación instantánea 280 vía el venteo 285. La serie de reactores de evaporación instantánea reducen la temperatura en etapas a aproximadamente 100°C. Este producto de la reacción lignocelulósica pre-tratado, enfriado, es admitido en una cámara de descarga horizontal generalmente cilindrica 294, la cual está equipada con un transportador de husillo montado rotatoriamente 296 a través del conducto de conexión 288 proporcionado con un dispositivo de alimentación con burbuja de presión 290. La cámara de descarga horizontal generalmente cilindrica 294, está operativamente conectada a reactores de evaporación instantánea al vacio 286 para reducir la presión a atmosférica por medio de gases de venteo a través de las lineas de venteo 292. El transportador de husillo 296 descarga el producto lignocelulósico pre-tratado para hidrólisis de celulosa a través de la linea 298.
Descripción detallada de la Figura 3 Como se ve en la Figura 3, una pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica que tenga una consistencia de hasta aproximadamente 20 % en peso de materia prima, por ejemplo aproximadamente 3 % a aproximadamente 5 % (en peso) , en la linea de pasta en suspensión 302 es bombeada por medio de la bomba 304 a través de la linea de alimentación 306 en la prensa de husillo para remoción de agua presurizada indicada por el número de referencia general 308. La prensa de husillo para remoción de agua presurizada 308 comprende una envolvente sólida generalmente cilindrica 305 que tiene un puerto de entrada radial 312 y un puerto de salida radial 314. La linea de alimentación 306 alimenta materia prima lignocelulósica en la prensa de husillo 308 a través del puerto de entrada 312 a una presión de, por ejemplo, aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia). La presión puede ser determinada midiendo la presión con un sensor de presión localizado en el puerto de entrada 312. Un tamiz 316 está dispuesto concéntricamente en la envolvente 305 para proporcionar un espacio exterior anular 318 entre el tamiz y la circunferencia interior de la envolvente 305. Un husillo 320 está montado concéntrica y rotatoriamente en el tamiz 316, siendo las pestañas 322 de dicho husillo de diámetro exterior generalmente constante y fijadas a una flecha de husillo trunco cónica con un diámetro que incrementa desde el extremo de entrada 324 al extremo de salida 326 de la prensa de husillo para remoción de agua presurizada 308. El agua y cualquier otro liquido que haya sido extraído por prensado de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica son retirados en el espacio anular 318 que sirve domo una cámara de colección para el agua retirada. El nivel de la superficie del agua retirada en el espacio anular 318 es inferior a la elevación del sensor de presión que es usado para medir la presión de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica a la entrada de la prensa de husillo 308. La presión del agua retirada en el espacio anular es de aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia) menos que la presión de la pasta en suspensión de la materia prima a la entrada de la prensa de husillo 308. La presión del agua retirada en el espacio anular 318 es determinada midiendo la presión con un sensor de presión localizado abajo del nivel de la superficie del agua retirada en el espacio anular, y ajustando dicha medición de presión por adición de la carga de elevación correspondiente a la altura del agua retirada entre la elevación del sensor de presión y la elevación a la cual la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica es medida con el sensor de presión localizado en el puerto de entrada 312. La densidad del agua retirada en el espacio anular 318 es tomada en cuenta al calcular dicha carga de elevación. El espacio anular 318 es conectado a través del puerto de salida 314 a una turbina 332 que saca el agua retirada, la cual está a una presión de materia prima lignocelulósica en el extremo de entrada 324, a través de la primera linea de dren 330. El agua retirada contiene menos de aproximadamente 15 gramos de sólidos de materia prima seca por kilogramo de agua retirada. La cantidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca contenidos en el agua retirada es determinada colectando una muestra del agua retirada desde, por ejemplo, la linea de dren 330, y empleando el método descrito anteriormente en la presente para determinar la proporción en peso de agua a sólidos secos en la muestra. El agua retirada, o prensado, puede entonces ser enviada a un sistema de retención de pasta en suspensión de retorno de prensado (no mostrado) vía la linea 334. La materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua sale de la zona de remoción de agua de la prensa de husillo en el extremo de salida 326. La proporción del peso de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con emoción parcial de agua está preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1, y más preferiblemente dicha proporción está en el intervalo de aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1. La proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua puede ser determinada colectando una muestra de la materia prima desde, por ejemplo, el extremo de salida 326 de la prensa de husillo, y determinando la proporción en peso en la muestra por medio del método descrito anteriormente en la presente. Alternativamente, la proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente removida puede ser determinada por medio de cálculos de balance de masa que toman en cuenta el gasto másico y la consistencia de la pasta en suspensión de materia prima lignocelulósica y el gasto másico y composición de cualquier otro material que sea alimentado en la prensa de husillo para remoción de agua 308, y el gasto másico y composición del agua y de cualquier otro liquido que sea extraído por prensado desde la prensa de husillo para remoción de agua 308.
El extremo de salida 326 de la prensa de husillo presurizada 308 está conectado operativamente a una zona de formación de obturador 336. En la zona de formación de obturador 336 se forma un obturador de la materia prima lignocelulósica con el agua parcialmente removida y es descargado a la salida de obturador 337. Puede también estar un dispositivo de retención (no mostrado) en la salida de obturador 337. La presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la entrada del dispositivo de remoción de agua está relacionada con la presión (Pr) en una zona de reacción posterior, como sigue: 0 < ? P < el menor de [(Pr- 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) .
De conformidad con esta modalidad, Pdwi es la presión en el puerto de entrada 312 de la prensa de husillo para remoción de agua presurizada 308.
La diferencia de presión (??) da lugar a la formación de un obturador de materia prima lignocelulosica que es capaz de ser penetrado fácilmente por vapor. El puerto de entrada 338 está conectado operativamente a una fuente de vapor vía la linea de entrada de vapor 342. La presión del vapor es igual a o mayor que la presión (pr) en la zona del reactor. El obturador de materia prima con remoción parcial de agua, el cual contiene agua en el intervalo de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 5 veces el peso de los sólidos de materia prima seca, es alimentado en un reactor de pre-tratamiento 352 via una cámara de alimentación 343 y un desintegrador de grumos 344· en el puerto de entrada 350 del reactor de pre-tratamiento 352. Como se discutió anteriormente en la presente, puede añadirse un ácido a la materia prima lignocelulosica a la entrada de la zona de formación de obturador. Si no es añadido el ácido en la zona de formación de obturador, la proporción en peso del agua a sólidos de materia prima lignocelulosica seca en el obturador de materia prima lignocelulosica con remoción parcial de agua en la zona de formación de obturador será la misma que la proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua. Si se añade el ácido acuoso en la zona de formación de obturador, la proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en el obturador de materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua en la zona de formación de obturador puede ser determinada por cálculo, tomando en cuenta la proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y la cantidad de agua que es añadida con el ácido. El vapor que es alimentado en el sistema vía el puerto de entrada 338 calienta la materia prima lignocelulósica y eleva la temperatura en el reactor de pre-tratamiento 352 al nivel deseado.
Un eje de mando para el husillo rotatorio 320 es activado por activación de frecuencia variable VFD y parte del eje va a través de la cámara de alimentación. El volumen abierto de la cámara de alimentación 343, esto es, el volumen interior total de la cámara menos el volumen del eje de mando que está en la cámara, es tal que la densidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la cámara, expresado como kilogramos de sólidos secos por metro cúbico de volumen de cámara abierta, es menor que la densidad de sólidos de materia prima lignocelulósica seca en la zona de salida de la zona de formación de obturador, expresada como kilogramos de sólidos ecos por metro cúbico de volumen de obturador. En esta modalidad, la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador puede ser determinada midiendo la presión en la cámara de entrada 343. La presión en la cámara de alimentación 343 puede ser determinada midiendo con un sensor de presión la presión total de los gases (incluyendo vapores) en la cámara. La presión en la entrada al desintegrador de grumos 344 es la misma que la presión en la salida del desintegrador de grumos. La salida del desintegrador de grumos está conectada directamente al puerto de entrada 350 en el reactor de pre-tratamiento 254. Por consiguiente, en esta modalidad, la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción.
El reactor de pre-tratamiento 353 comprende un reactor orientado horizontalmente, generalmente cilindrico en el cual está montado concéntricamente un transportador de husillo cilindrico 354 que tiene pestañas uniformes 356. El reactor de pre-tratamiento 352 opera a una presión de aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia), un pH de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 3.0 y una temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C. La materia prima lignocelulósica es tratada en el reactor por un tiempo de aproximadamente 10 a aproximadamente 180 segundos. El pH deseado en el reactor 352 puede ser obtenido por adición de ácido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada de la prensa de husillo presurizada, en la entrada a la prensa de husillo presurizada, en la zona de remoción de agua de la prensa de husillo presurizada, en la entrada a la zona de formación de obturador, entre la salida de la zona de formación de obturador y el puerto de entrada al reactor de pre-tratamiento, en el reactor de pre-tratamiento o cualquier combinación de los anteriores. Preferiblemente el ácido es añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada a la prensa de husillo presurizada o en la entrada a la prensa de husillo presurizada a fin de facilitar la mezcla uniforme de ácido y materia prima lignocelulósica antes de elevar la temperatura de la materia prima lignocelulósica a la temperatura de la reacción de pre-tratamiento.
El transportador de husillo 354 descarga la materia prima de lignocelulosa que ya reaccionó a través del conducto de salida radial 358 en un descargador de husillo obturador indicado por el número de referencia general 368. El descargador de husillo obturador 368 comprende una sección cilindrica de entrada 363 que se empalma con una sección de salida trunco cónica 364. En dicho descargador de husillo obturador está un transportador de husillo trunco cónico 366 cuyas cejas disminuyen en diámetro desde la sección de entrada 362 a la sección de salida 364. El transportador de husillo conduce la materia prima lignocelulósica que ha reaccionado a través de un tubo de salida cilindrico 370 que alimenta en un reactor de evaporación instantánea indicado por número de referencia general 382.
El reactor de evaporación instantánea 382 comprende una sección superior cilindrica 372 cubierta por un domo 376 y que termina en un venteo de salida 378, el cual conduce a través de la linea de venteo 380 a los evaporadores (no mostrados). El reactor de evaporación instantánea 382 comprende una sección inferior trunco cónica que termina en una sección de entrada 384 dispuesta horizontalmente . La materia prima lignocelulósica pre-tratada es admitida en la sección de entrada 384 del reactor de evaporación instantánea 382 via el tubo de salida cilindrico 370 y el sistema de válvulas de descarga 386. El reactor de evaporación instantánea 382 opera a una presión inferior a la presión en el reactor de pre-tratamiento 352. Cuando la materia prima lignocelulósica pre-tratada es admitida en el reactor de evaporación instantánea, el vapor es expandido de manera instantánea y la materia prima lingnocelulósica pre-tratada es enfriada. Aunque solamente un reactor de evaporación instantánea es mostrado en la Figura 3, dos o más reactores de evaporación instantánea, dispuestos en serie y que operan a presiones más bajas sucesivamente, pueden usarse para generar vapor instantáneo a diferentes presiones y para enfriar la materia prima lignocelulósica pre-tratada. El producto lignocelulósico pre-tratado enfriado y despresurizado es descargado a través de un conducto de descarga 394 vía el descargador rotatorio 390 en el conductor de husillo reversible indicado por medio del número de referencia general 392.
El transportador de husillo reversible 392 comprende una envolvente horizontal cilindrica en la cual es montado un husillo reversible 396. El transportador de husillo reversible 392 también incluye dos puertos de salida radial 301 y 303. La salida 301 conduce a la linea 305 conduce a la linea 305. A través de la cual la materia prima lignocelulósica pre-tratada fuera de especificaciones puede ser removida y potencialmente re-procesada. La salida 303 conduce a hidrólisis enzimática hasta la linea del producto 307. El transportador de husillo reversible 392 también incluye un puerto de venteo el cual ventea el vapor, vapor de agua y/o los gases a través de la linea 311.

Claims (44)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención, se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES
1.- Un método para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos , caracterizado porque comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción interconectadas , cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ? P < el menor de [ (Pr - 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica dentro de la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión de la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción; g) mantener condiciones de temperatura y pH adecuadas en la zona de reacción para hidrolizar los polisacáridos en la materia prima lignocelulósica para producir los monosacáridos ; y h) recuperar los monosacáridos producidos en la etapa g) .
2.- Un método para hidrolizar polisacáridos en una materia prima lignocelulósica para producir monosacáridos, caracterizado porque comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, formación de obturador y de reacción interconectadas , cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalraente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 21 kg/cm2 (300 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ?? < 15.4 kg/cm2 (220 psia), y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y PdWi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el líquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua. d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica dentro de la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción; g) mantener condiciones de temperatura y pH en la zona de reacción adecuados para hidrolizar los polisacáridos en la materia prima lignocelulósica para producir los monosacáridos ; y h) recuperar los monosacáridos producidos en la etapa g) .
3.- Un método para producir una materia prima lignocelulósica pre-tratada caracterizado porque comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción interconectadas, cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de aqua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ? P < el menor de [ (Pr- 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua; d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica dentro de la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción; y g) pre-tratar la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción para producir la materia prima pre-tratada .
4. - El método de conformidad con las reivindicaciones 1, 2 o 3, caracterizado porque la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 33:1 antes de entrar a la zona de remoción de agua.
5. - El método de conformidad con la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado porque la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 7:1 a aproximadamente 24:1 antes de entrar a la zona de remoción de agua.
6. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1.
7. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1.
8. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el obturador de materia prima lignocelulósica en la zona de salida de la zona de remoción de agua tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica seca de aproximadamente 0.5:1 a aproximadamente 5:1.
9.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el obturador de materia prima lignocelulósica en la zona de salida de la zona de remoción de agua tiene una proporción en peso de agua a sólidos de materia prima lignocelulósica de aproximadamente 1.5:1 a aproximadamente 4:1
10.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la entrada de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia) .
11. - El método de conformidad con. cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la entrada de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) a 56 kg/cm2 (800 psia) .
12. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 21 kg/cm2 (300 psia) a aproximadamente 56 kg/cm2 (800 psia).
13. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la presión del liquido acuoso retirado de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 0.021 kg/cm2 (0.3 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia) más baja que la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua.
14. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la presión del liquido acuoso retirado de la zona de remoción de agua es de aproximadamente 0.07 kg/cm2 (1 psia) a aproximadamente 3.5 kg/cm2 (50 psia) más baja que la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua.
15. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua es calentada antes de su entrada a la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas.
16. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua es calentada al menos parcialmente por inyección de vapor directo antes de su entrada a la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas.
17. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar en la zona de reacción bajo condiciones ácidas.
18. - El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el pH en la zona dé reacción está entre 0 y aproximadamente 3.0.
19. - El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el pH en la zona de reacción está entre aproximadamente 0.2 y aproximadamente 3.0.
20. - El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el pH en la zona de reacción está entre aproximadamente 0.5 y aproximadamente 3.0.
21. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado porque el ácido es añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica a la zona de reacción.
22. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado porque el ácido es añadido a la zona de reacción.
23. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica es retenida en la zona de reacción por un tiempo adecuado de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos a una temperatura adecuada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C para hidrolizar la materia prima lignocelulósica.
24. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica es retenida en la zona de reacción por un tiempo adecuado de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos a una temperatura adecuada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
25. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica es retenida en la zona de reacción por un tiempo adecuado de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos a una temperatura adecuada de aproximadamente 180°C a aproximadamente 260°C para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
26. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 25, caracterizado porque el ácido que es añadido a la materia prima lignocelulósica es seleccionado del grupo que consiste de ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorhídrico, ácido fosfórico o cualquier combinación de éstos .
27.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 25, caracterizado porque el ácido que es añadido a la materia prima lignocelulósica es ácido sulfúrico .
28. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar en la zona de reacción bajo condiciones alcalinas.
29. - El método de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque un álcali seleccionado del grupo que consiste de amoníaco, hidróxido de amonio, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio o cualquier combinación de éstos es añadido a la materia prima lignocelulósica antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción, en la zona de reacción o una combinación de éstas.
30. - El método de conformidad con la reivindicación 28 o la reivindicación 29, caracterizado porque el pH en la zona de reacción está entre aproximadamente 9.5 y aproximadamente 14.
31. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 135°C y aproximadamente 260°C.
32. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 120°C y aproximadamente 220°C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica .
33. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 120°C y aproximadamente 220°C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica .
34. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque el álcali es amoniaco, hidróxido de amonio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 20 °C y aproximadamente 100 °C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica .
35. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque el álcali es amoniaco, hidróxido de amonio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 20 °C y aproximadamente 150 °C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
36. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque el álcali es amoniaco, hidróxido de amonio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 100°C y aproximadamente 150°C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica.
37. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque el álcali es hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, o una combinación de éstos, la temperatura en la zona de reacción es de entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 140 °C y la materia prima lignocelulósica es hecha reaccionar por aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos para pre-tratar la materia prima lignocelulósica .
38. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 37, caracterizado porque la materia prima lignocelulósica que ha reaccionado es enfriada a una temperatura igual a o menor que 100°C después de que la materia prima lignocelulósica que ha reaccionado es descargada de la zona de reacción.
39. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado porque incluye la etapa de reducir la presión de la materia prima lignocelulósica que ha reaccionado, a presión atmosférica.
40. - Un sistema para el pre-tratamiento o hidrólisis de una materia prima lignocelulósica que incluye dispositivos de remoción de agua, formación de obturador y reactor interconectados en donde la presión (Pr) en el dispositivo de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) , caracterizado porque comprende: una bomba o bombas para bombear una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en el dispositivo de remoción de agua a una presión de entre .9 kg/cm2 (70 psia) y aproximadamente 63 kg/cm2 (900 psia) y en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la entrada del dispositivo de remoción de agua está relacionada a Pr como sigue: 0 < ? P < el menor de [(Pr - 1.4 kg/cm2(20 psia)) y 15.4 kg/cm2(220 psia)], y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y PdWi en kg/cm2 (psia); medios dentro del dispositivo de remoción de agua, para remover liquido acuoso a partir de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica para formar una materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua; medios para retirar liquido acuoso desde el dispositivo de remoción de agua; medios para empujar la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde el dispositivo de remoción de agua hacia el dispositivo de formación de obturador para formar un obturador de la materia prima lignocelulósica; y medios para descargar el obturador de materia prima lignocelulósica desde el dispositivo de formación de obturador y alimentar la materia prima lignocelulósica en el dispositivo de reacción, el cual está a una presión que es sustancialmente igual que la presión del obturador de materia prima lignocelulósica que es descargado del dispositivo de formación de obturador.
41. - El sistema de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque, cuando el sistema está en operación, la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica es bombeada hacia el dispositivo de remoción de agua a una presión de entre aproximadamente 4.9 kg/cm2 (70 psia) y aproximadamente 56.2 kg/cm2 (800 psia) .
42. - El sistema de conformidad con la reivindicación 40 o 41, caracterizado porque incluye medios para desintegrar el obturador de material lignocelulósico antes de alimentar la materia prima lignocelulósica en el dispositivo de reacción.
43. - El sistema de conformidad con las reivindicaciones 40 a 42, caracterizado porque el dispositivo de remoción de agua y el dispositivo de formación de obturador están integrados en un dispositivo de remoción de agua y de formación de obturador combinado.
44. - Un método para producir una materia prima lignocelulósica pre-tratada caracterizado porque comprende: a) proporcionar zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción interconectadas , cada una de las zonas de remoción de agua, de formación de obturador y de reacción que estén provistas con una zona de entrada y una zona de salida, la zona de salida de la zona de remoción de agua que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada de la zona de formación de obturador y la zona de salida de la zona de formación de obturador que esté operacionalmente asociada con la zona de entrada a la zona de reacción, en donde la presión (Pr) en la zona de reacción es desde aproximadamente 6.3 kg/cm2 (90 psia) a aproximadamente 47.8 kg/cm2 (680 psia) ; b) alimentar una pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica a la zona de remoción de agua para producir una materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua y un liquido acuoso, en donde la presión (Pdwi) de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua está relacionada a Pr, como sigue: 0 < ?? < el menor de [(Pr - 1.4 kg/cm2 (20 psia)) y 15.4 kg/cm2 (220 psia) ] , y donde ?? es la diferencia absoluta en la presión entre Pr y Pdwi en kg/cm2 (psia) ; c) retirar, de la zona de remoción de agua, una porción del liquido acuoso para producir un liquido acuoso retirado, el liquido acuoso retirado que esté sustancialmente libre de materia prima lignocelulósica sólida, y a una presión que sea inferior a la presión de la pasta en suspensión acuosa de la materia prima lignocelulósica en la zona de entrada de la zona de remoción de agua; d) mover la materia prima lignocelulósica con remoción parcial del agua desde la zona de salida de la zona de remoción de agua a la zona de entrada de la zona de formación de obturador; e) formar un obturador de materia prima lignocelulósica dentro de la zona de formación de obturador para proporcionar un sello de presión entre la zona de salida de la zona de remoción de agua y la zona de entrada de la zona de reacción; f) alimentar el obturador de materia prima lignocelulósica desde la zona de salida de la zona de formación de obturador a la zona de entrada de la zona de reacción, en donde la presión en la zona de salida de la zona de formación de obturador es sustancialmente la misma que la presión en la zona de entrada a la zona de reacción; y g) añadir ácido a la materia prima lignocelulósica con remoción parcial de agua antes de la entrada del obturador de la materia prima lignocelulósica en la zona de reacción o a la zona de reacción; y h) mantener una temperatura de entre aproximadamente 180 °C y aproximadamente 260 °C, un pH de entre aproximadamente 0.5 y aproximadamente 3 por entre aproximadamente 10 segundos ?03 y aproximadamente 600 segundos para pre-tratar la materia prima lignocelulosica hidrolizando asi la hemicelulosa contenida en la materia prima a xilosa.
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