MX2011012376A - Sistema para tratamiento de biomasa para facilitar la produccion de etanol. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método para tratar biomasa lignocelulósica fermentada que será suministrada a un sistema de destilación para la producción de etanol. El método incluye pretratar la biomasa lignocelulósica a biomasa pre-tratada y separar la biomasa pre-tratada en un componente líquido que comprende azúcares y un componente de sólidos que comprende celulosa y lignina. El método también incluye hidrolizar el componente de sólidos de la biomasa pre-tratada a una biomasa hidrolizada que comprende azúcares y lignina y fermentar el componente de sólidos hidrolizado de la biomasa pre-tratada a un producto de fermentación que comprende etanol y lignina. El método también incluye tratar el producto de fermentación y destilar el producto de fermentación tratado para recuperar el etanol. La biomasa lignocelulósica comprende celulosa, hemi-celulosa y lignina.

Description

SISTEMA PARA TRATAMIENTO DE BIOMASA PARA FACILITAR LA PRODUCCION DE ETANOL REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS La presente solicitud reclama prioridad a e incorpora para referencia la Solicitud Provisional de E.U.A. Serie No. 61/179,349, titulada "DESTILACION DE CERVEZA DE HEXOSA", presentada el 18 de Mayo, 2009.

CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un sistema para el tratamiento de biomasa en la producción de etanol. La presente invención también se refiere a un sistema para el tratamiento de biomasa fermentada antes de que se suministre la biomasa fermentada a un sistema de destilación con el fin de facilitar la producción eficiente de etanol.

ANTECEDENTES Puede producirse etanol a partir de materia prima basada en grano (por ejemplo maíz, sorgo/sorgo, cebada, trigo, soya, etc.), de azúcar (por ejemplo, de caña de azúcar, remolachas, etc.), y de biomasa (por ejemplo, de materias primas lignocelulósicas tales como mijos, mazorcas de maíz y sobrantes, madera u otro material de planta).

La biomasa comprende materia de planta que puede ser adecuada para uso directo como una fuente de combustible/energía o como una materia prima para procesamiento en otro subproducto (por ejemplo, un biocombustible tal como etanol celulósico) producido en una bio-ref inería (tal como una planta de etanol). La biomasa puede comprender, por ejemplo, mazorcas de maíz y sobrantes (por ejemplo, tallos y hojas) disponibles durante o después de la recolección del los granos de maíz, fibra de núcleo de maíz, mijos, residuo de granja o agrícola, astillas u otro desperdicio de madera, y otro material de planta). Con el fin de utilizarse o procesarse, la biomasa se recolectará y cosechará del campo y se transportará a la ubicación en donde se va a utilizar o procesar.

En una planta convencional de etanol que produce etanol a partir de maíz, el etanol se produce a partir de almidón. Los granos de maíz pueden procesarse para separar el material que contiene almidón (por ejemplo, endospermo) de otro material (tal como fibra y germen). El material que contiene almidón se satura con agua y se licúa para facilitar la sacarificación en donde el almidón se convierte en azúcar (por ejemplo, glucosa) y fermentación en donde el azúcar se convierte por un etanolgen (por ejemplo, levaduras) en etanol. El producto de fermentación (por ejemplo, producto de fermentación) es cerveza, la cual comprende un componente líquido que contiene etanol y agua (entre otras cosas) y un componente de sólidos que contiene materia en partículas no fermentada (entre otras cosas). El componente líquido y el componente de sólidos de producto de fermentación se envían a un sistema de destilación. En el sistema de destilación, el producto de fermentación se destila y se deshidrata en, entre otras cosas, etanol y residuo que contiene sólidos húmedos (por ejemplo, el componente de sólidos de la cerveza substancialmente con todo el etanol removido) que puede secarse en granos secos de destilería (DDG) y vendidos como un producto de alimento animal. Otros co-productos, por ejemplo jarabe (y aceite contenido en el jarabe), también pueden recuperarse del residuo. El agua removida del producto de fermentación de destilación puede tratarse para reutilización en la planta.

En una bio-refinería configurada para producir etanol a partir de biomasa tal como materias primas celulósicas, el etanol se produce a partir de material lignocelulósico (por ejemplo, celulosa y/o hemi-celulosa). La biomasa se prepara para que los azúcares en el material celulósico (tales como glucosa de la celulosa y xilosa de la hemi-celulosa) puedan accederse y fermentarse en un producto de fermentación que comprende etanol (entre otras cosas). El producto de fermentación entonces establece el sistema de destilación, en donde el etanol se recupera por destilación y deshidratación. Otros subproductos tales como lignina y ácidos orgánicos también pueden recuperarse como co-productos. La determinación de cómo preparar y tratar más eficientemente la biomasa para producción en etanol dependerá de (entre otras cosas) la forma, tipo y composición de la biomasa.

Será ventajoso proporcionar un sistema para tratar biomasa en la producción de etanol. Además será ventajoso proporcionar un sistema para tratar biomasa antes de que se suministre la biomasa a un sistema de destilación.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un método para tratar biomasa lignocelulosica fermentada para suministrarse a un sistema de destilación para producción de etanol. El método incluye pre-tratar biomasa lignocelulosica en biomasa pre-tratada y separar la biomasa pre-tratada en un componente líquido que comprende azúcares y un componente de sólidos que comprende celulosa y lignina. El método también incluye hidrolizar el componente de sólidos de la biomasa pre-tratada en una biomasa hidrolizada que comprende azúcares y lignina y fermentar el componente de sólidos hidrolizado de la biomasa pre-tratada en un producto de fermentación que comprende etanol y lignina. El método también incluye tratar el producto de fermentación y destilar el producto de fermentación tratado para recuperar el etanol. La biomasa lignocelulósica comprende celulosa, hemi-celulosa y lignina.

La presente invención también se refiere a un sistema para tratar biomasa lignocelulósica fermentada. El sistema comprende un sistema de pre-tratamiento que crea biomasa pre-tratada a partir de de biomasa lignocelulósica y un sistema de separación que separa la biomasa pre-tratada en un componente líquido que comprende azúcares y un componente de sólidos que comprende celulosa y lignina. El sistema también comprende un primer sistema de tratamiento que hidroliza el componente de sólidos de la biomasa pre-tratada en una biomasa hidrolizada que comprende azúcares y lignina y un sistema de fermentación que fermenta el componente de sólidos hidrolizado de la biomasa pre-tratada en un producto de fermentación que comprende etanol y lignina. Además, el sistema comprende un segundo sistema de tratamiento que trata el producto de fermentación y un sistema de destilación que destila el producto de fermentación tratado para recuperar el etanol. De acuerdo con algunas modalidades, el segundo sistema de tratamiento calienta el producto de fermentación.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1A es una vista en perspectiva de una bio-refinería que comprende una instalación de producción de etanol celulósico.

La Figura 1B es una vista en perspectiva de una bio-refinería que comprende una instalación de producción de etanol celulósico y una instalación de producción de etanol basado en maíz.

La Figura 2 es un diagrama esquemático de un sistema para recepción y preparación de biomasa para una instalación de producción de etanol celulósico.

La Figura 3 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema para la producción de etanoi a partir de biomasa.

Las Figuras 4A, 4B y 4C son diagramas de bloques esquemáticos de sistemas para tratamiento y procesamiento de componentes a partir de la producción de etanoi a partir de biomasa.

La Figura 5A es un diagrama de bloques esquemático de un aparato utilizado para preparación, pre-tratamiento y separación de biomasa.

La Figura 5B es una vista en perspectiva de un aparato utilizado para pre-tratar y separar la biomasa.

Las Figuras 6A y 6B son diagramas esquemáticos del flujo de procedimiento para sistemas para la producción de etanoi a partir de biomasa.

Las Figuras 7A y 7B son diagramas de bloques esquemáticos de un sistema de tratamiento de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La Figura 8 es un diagrama de bloques esquemático de un sistema de tratamiento de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La Figura 9A es una vista en perspectiva de una columna de destilación.

La Figura 9B es un diagrama esquemático de una columna de destilación.

La Figura 10 es una vista esquemática de una bandeja de colado.

La Figura 11 es una gráfica que muestra el efecto de bandejas de destilación y tratamiento de tiempo de funcionamiento de destilación.

La Figura 12 es una gráfica que muestra el efecto de tratamiento en el tamaño de partícula del producto de fermentación.

Las Figuras 13A, 13B, y 13C son presentaciones gráficas de condiciones operativas típicas de un sistema de tratamiento.

Los Cuadros 1A y 1B listan la composición de biomasa que comprende material de planta lignocelulosica a partir de la planta de maíz de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

Los Cuadros 2A y 2B listan la composición del componente líquido para biomasa pre-tratada de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

Los Cuadros 3A y 3B listan la composición del componente de sólidos de biomasa pre-tratada de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

Los Cuadros 4A y 4B listan la composición promedio del producto de fermentación.

DESCRIPCION DE LAS MODALIDADES Al hacer referencia a la Figura 1A, se muestra una bio-refinería 100 configurada para producir etanol a partir de biomasa.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, la bio-refinería 100 está configurada para producir etanol a partir de biomasa en la forma de una materia prima lignocelulosica tal como un material de planta de la planta de maíz (por ejemplo mazorcas de maíz y sobrantes de maíz). La materia prima lignocelulósica tal como material lignocelulósico de la planta de maíz comprende celulosa (de la cual azúcares 6C tales como glucosa pueden ponerse a disponibilidad) y/o hemi-celulosa (de la cual azúcares C5 tales como xilosa y arabinosa pueden ponerse a disponibilidad).

Como se muestra en la Figura 1A, la bio-ref inería comprende un área en donde la biomasa se suministra y prepara para suministrarse a la instalación de producción de etanol celulósico. La instalación de producción de etanol celulósico comprende un aparato para preparación 102, pre-tratamiento 104 y tratamiento de la biomasa en biomasa tratada adecuada para fermentación en producto de fermentación en un sistema de fermentación 106. La instalación comprende un sistema de destilación 108 en el cual se destila y se deshidrata el producto de fermentación en etanol. Como se muestra en la Figura 1A, la bio-refinería también puede comprender un sistema de tratamiento de desperdicio 110 (mostrado como comprendiendo un digestor anaeróbico y un generador). De acuerdo con otras modalidades alternativas, el sistema de tratamiento de desperdicio puede comprender otro equipo configurado para tratar, procesar y recuperar componentes a partir del proceso de producción de etanol celulósico, tal como una caldera de combustible sólido/ desperdicio, digestor anaeróbico, digestor aeróbico u otros reactores bioquímicos o químicos.

Como se muestra en la Figura 1B, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, una bio-refinería 112 puede comprender una instalación de producción de etanol celulósico 114 (que produce etanol a partir de material lignocelulósico y componentes de la planta de maíz) co-localizada con una instalación de producción 116 de etanol basado en maíz (que produce etanol a partir de almidón contenido en el componente de endospermo de los granos de maíz). Como se indica en la Figura 1B, al co-localizar las dos instalaciones de producción de etanol, pueden compartirse ciertos sistemas de planta, por ejemplo, sistemas para deshidratación, almacenamiento, desnaturalización y transportación de etanol, sistemas de generación de energía/combustible a energía, sistemas de manejo de planta y control, y otros sistemas. La fibra de maíz (un componente de los granos en maíz), que puede ponerse a disponibilidad cuando se preparan los granos de maíz para molienda (por ejemplo, mediante fraccionamiento) en la producción de etanol basado en maíz, puede suministrarse a la instalación de producción de etanol celulósico como una materia prima. Las fuentes de combustible o energía tal como metano o lignina a partir de la instalación de producción de etanol celulósico pueden utilizarse para suministrar energía a cualquier o más instalaciones co-localizadas. De acuerdo con otras modalidades alternativas, una bio-refinería (por ejemplo, una instalación de producción de etanol celulósico) puede co-localizarse con otros tipos de plantas e instalaciones, por ejemplo una planta de energía eléctrica, una instalación de tratamiento de desperdicio, un molino de madera, una planta de papel o una instalación que procesa productos agrícolas.

Haciendo referencia a la Figura 2, se muestra un sistema 200 para la preparación de biomasa suministrada a la bio-refinería. El sistema de preparación de biomasa puede comprender un aparato para recepción/descarga de la biomasa, limpieza (por ejemplo, remoción de materia extraña), molienda (por ejemplo, molino, reducción o densificación), y transportación para procesamiento a la planta. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, la biomasa en la forma de mazorcas de maíz y sobrantes puede suministrarse a la bio-refinería y almacenarse 202 (por ejemplo, en pacas, pilas o depósitos, etc.) y manejarse para uso en la instalación. De acuerdo con una modalidad preferida, la biomasa puede comprender al menos de 20 a 30% de mazorca de maíz (en peso) con sobrantes de maíz y otra materia. De acuerdo con otras modalidades ilustrativas el sistema de preparación 204 de la bio-refinería puede configurarse para preparar cualquiera de una amplia variedad de tipos de biomasa (por ejemplo, material de plantas) para tratamiento y procesamiento en etanol y otros sub-productos en la planta.

Haciendo referencia a la Figura 3, se muestra un diagrama esquemático de la instalación de producción de etanol celulósico 300. De acuerdo con una modalidad preferida, la biomasa que comprende el material de planta de la planta de maíz se prepara y limpia en un sistema de preparación. Después de la preparación, la biomasa se mezcla con agua en una lechada y se pre-trata en un sistema de pre-tratamiento 302. En el sistema de pre-tratamiento 302, la biomasa se divide (por ejemplo, por hidrólisis) para facilitar la separación 304 en un componente líquido (por ejemplo, una corriente que comprende los azúcares C5) y un componente de sólidos (por ejemplo, una corriente que comprende celulosa de la cua'l los azúcares C6 pueden ponerse a disponibilidad). El componente líquido que contiene azúcar C5 (corriente C5) y el componente de sólidos que contiene azúcar C6 (corriente C6) pueden tratarse en un sistema de tratamiento 306 (como puede ser adecuado) y fermentarse en un sistema de fermentación 308. El producto de fermentación del sistema de fermentación 308 se suministra a un sistema de destilación 310 en donde se recupera el etanol.

Como se muestra en las Figuras 3 y 4A, los componentes removidos de tratamiento de la corriente C5 pueden tratarse o procesarse para la recuperación de sub-productos, tales como ácidos orgánicos, furfural, y lignina. Los componentes removidos durante el tratamiento y la producción de etanol de la biomasa para cualquiera o ambas corrientes C5 y la corriente C6 (o en destilación) pueden tratarse o procesarse en bio-productos o en combustible (tal como lignina para una caldera de combustible sólido o metano producido por tratamiento de materia residual/removida tal como ácidos y lignina en un digestor anaeróbico) o recuperarse para uso o reutilización.

De acuerdo con una modalidad preferida, la biomasa comprende material de planta a partir de la planta, tal como mazorcas de maíz, cáscaras y hojas y tallos (por ejemplo, al menos la mitad superior o una porción de ¾ del tallo); la composición del material de planta (por ejemplo celulosa, hemi-celulosa y lignina) será aproximadamente como se indica en los Cuadros 1A y 1B (por ejemplo, después de al menos la preparación inicial de la biomasa, que incluye remoción de cualquier material extraño). De acuerdo con la modalidad preferida, el material de planta comprende mazorcas de maíz, cáscaras/hojas y tallos; por ejemplo, el material de planta puede comprender (en peso) hasta 100% de mazorcas, hasta 100% de cáscaras/hojas, aproximadamente 50% de mazorcas y aproximadamente 50% de cáscaras/hojas, aproximadamente 30% de mazorcas y aproximadamente 50% de cáscaras/hojas y aproximadamente 20% de tallos, o cualquiera de una gran variedad de otras combinaciones de mazorcas, cáscaras/hojas y tallos de la planta de maíz. Ver Cuadro 1A. De acuerdo con una modalidad alternativa, el material de planta lignocelulosica puede comprender fibra de los granos de maíz (por ejemplo, en alguna combinación con otro material de planta). El Cuadro 1B comprende rangos típicos y esperados que se cree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material celulósico de la planta de maíz. De acuerdo con modalidades ilustrativas, el material de planta lignocelulosica de la biomasa (de la planta de maíz, tal como mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz, y tallos de maíz) comprenderá (en peso) celulosa de aproximadamente 30 a 55% en peso, hemi-celulosa de aproximadamente 20 a 50% en peso, y lignina aproximadamente de 10 a 25% en peso; de acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el material de planta lignocelulósica de la biomasa (por ejemplo mazorcas, cáscaras/hojas y porciones de tallo de la planta de maíz) comprenderá (en peso) celulosa de aproximadamente 35 a 45% en peso, hemi-celulosa de aproximadamente 24 a 42% en peso, y lignina de aproximadamente 12 a 20% en peso. De acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el pre-tratamiento de la biomasa generará un componente líquido que comprende (en peso) xilosa a no menos de 1.0% y un componente de sólidos que comprende (en peso) celulosa (de la cual la glucosa puede ponerse a disponibilidad) a no menos de 45%.

Las Figuras 5A y 5B muestran el aparato 500 utilizado para preparación, pre-tratamiento y separación de biomasa lignocelulósica de acuerdo con una . modalidad ilustrativa. Como se muestra, la biomasa se prepara en un molino 502 (por ejemplo, molino u otro aparato adecuado o triturador). El pre-tratamiento 504 de la biomasa preparada se realiza en un recipiente de reacción (o un grupo de recipientes de reacción) suministrado con biomasa preparada y ácido/agua en una concentración predeterminada (o pH) y otras condiciones operativas. Como se muestra en la Figura 5B, la biomasa pre-tratada puede separarse en una centrífuga 506 en un componente líquido (corriente C5 que comprende principalmente líquidos con algunos sólidos) y un componente de sólidos (corriente C6 que comprende líquidos y sólidos tales como lignina y celulosa de los cuales la glucosa puede ponerse a disponibilidad por tratamiento adicional).

De acuerdo con una modalidad preferida, en el sistema de pre-tratamiento se aplicará un ácido a la biomasa preparada para facilitar la división de la biomasa para separación en el componente líquido (corriente C5 de la cual pueden recuperarse azúcares C5 fermentables) y el componente de sólidos (corriente C6 de la cual pueden accederse a los azúcares C6 fermentables). De acuerdo con una modalidad preferida, el ácido puede aplicarse a la biomasa en un recipiente de reacción bajo condiciones operativas determinadas (por ejemplo concentración de ácido, pH, temperatura, tiempo, presión, carga de sólidos, velocidad de flujo, suministro de agua o vapor de procedimiento, etc.) y la biomasa puede agitarse/mezclarse en el recipiente de reacción para facilitar la división de la biomasa. De acuerdo con modalidades ilustrativas, un ácido tal como ácido sulfúrico, ácido hidroclórico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido acético, etc. (o una formulación/mezcla de ácidos) puede aplicarse a la biomasa. De acuerdo con una modalidad particularmente preferida, se aplicará ácido sulfúrico a la biomasa en pre-tratamiento.

El componente líquido (corriente C5) comprende agua, azúcares disueltos (tal como xilosa, arabinosa y glucosa) para ponerse a disponibilidad para fermentación en etanol, ácidos y otros componentes solubles recuperados de la hemi-celulosa. (El Cuadro 2B proporciona rangos típicos y esperados que se cree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material lignocelulósico de la planta de maíz). De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el componente líquido puede comprender de aproximadamente 5 a 7% de sólidos (por ejemplo sólidos suspendidos/residuales tales como hemi-celulosa parcialmente hidrolizada, celulosa y lignina). De acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el componente líquido comprenderá al menos 2 a 4% de xilosa (en peso); de acuerdo con otras modalidades ilustrativas, el componente líquido comprenderá no menos de 1 a 2% de xilosa (en peso). Los Cuadros 2A y 2B listan la composición del componente líquido de biomasa pre-tratada (a partir de biomasa preparada como se indica en los Cuadros 1A y 1B) de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

El componente de sólidos (corriente C6) comprende agua, ácidos y sólidos tales como celulosa de la cual azúcar, tal como glucosa, puede ponerse a disponibilidad para fermentación en etanol, y lignina. (El Cuadro 3B proporciona rangos típicos y esperados que se cree que son representativos de la composición de biomasa que comprende material lignocelulósico de la planta de maíz). De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el componente de sólidos puede comprender de aproximadamente 10 a 40% de sólidos (en peso) después de la separación); de acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el componente de sólidos comprenderá de aproximadamente 20 a 30% de sólidos (en peso). De acuerdo con una modalidad preferida, los sólidos en el componente de sólidos comprenden no menos de 30% de celulosa y el componente de sólidos también puede comprender otros azúcares disueltos (por ejemplo, glucosa y xilosa). Los Cuadros 3A y 3B listan la composición del componente de sólidos de biomasa pre-tratada (a partir de biomasa preparada como se indica en los Cuadros 1A y 1B) de acuerdo con modalidades ilustrativas y representativas.

Durante el pre-tratamiento, la severidad de condiciones operativas (tal como pH, temperatura y tiempo) puede causar la formación de componentes que son inhibidores a la fermentación. Por ejemplo, bajo algunas condiciones, la deshidratación de azúcares C5 (tales como xilosa o arabinosa) puede causar la formación del furfural. También se puede formar ácido acético, por ejemplo, cuando se libera acetato durante la separación de hemi-celulosa en el pre-tratamiento. El ácido sulfúrico, que puede agregarse a la biomasa preparada para facilitar el pre-tratamiento, sino se remueve o neutraliza, también puede ser inhibidor a la fermentación. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, al ajustar las condiciones de pre-tratamiento (tales como pH, temperatura y tiempo), se puede reducir o manejar la formación de inhibidores; de acuerdo con otras modalidades ilustrativas, componentes de la biomasa pre-tratada pueden proporcionarse con tratamiento adicional para remover o reducir el nivel de inhibidores (u otro material no deseado).

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, la biomasa puede pre-tratarse al mezclar biomasa preparada con agua y ácido (por ejemplo, ácido sulfúrico) para formar una lechada que comprende de aproximadamente 10 a 30% de sólidos (en peso) de la biomasa y de aproximadamente 0.8 a 1.3% de ácido (en peso). La temperatura de la lechada se mantiene de aproximadamente 130 a 185°C durante aproximadamente 3 a 15 minutos. De acuerdo con una modalidad, el pre-tratamiento se conduce en un recipiente de reacción cerrado a una presión que puede aumentar durante la reacción de la presión ambiente a aproximadamente 30,306.98 a 34,368.38 kg/m2.

Haciendo referencia a las Figuras 6A y 6B, después del pre-tratamiento y separación, la corriente C5 y la corriente C6 se procesan separadamente; como se muestra, la corriente C5 y la corriente C6 pueden procesarse separadamente (en sistemas de tratamiento separados 610, 612) antes de la co-fermentación 614 (fermentación de C5/C6 como se muestra en la Figura 6A) o procesarse de forma separada (en sistemas de tratamiento separados 610, 612) que incluyen fermentación separada (fermentación C5 y fermentación C6 separada 616, 618 como se muestra en la Figura 6B).

El tratamiento de la corriente C5 (componente líquido) de la biomasa puede realizarse en un esfuerzo para remover componentes que son inhibidores a la fermentación eficiente (por ejemplo, furfural, hidroxietilfurfural (HMF), ácido sulfúrico y ácido acético) y lignina residual (u otra materia) que puede no ser fermentable a partir del componente de azúcar C5 para que los azúcares (por ejemplo, xilosa, arabinosa, así como otros azúcares tales como glucosa) estén disponibles para fermentación. Los azúcares C5 en la corriente C5 también pueden concentrarse para mejorar la eficiencia de fermentación (por ejemplo, para mejorar la titulación de etanol para destilación).

El tratamiento de la corriente C6 (componente de sólidos) de la biomasa puede realizarse para poner a disponibilidad los azúcares C6 para fermentación. De acuerdo con una modalidad preferida, se puede realizar hidrólisis (tal como hidrólisis de enzima) para acceder a los azúcares C6 en la celulosa; el tratamiento también puede realizarse en un esfuerzo para remover lignina y otros componentes no fermentables en la corriente C6 (o para remover componentes tales como ácido o ácidos residuales que pueden ser inhibidores a la fermentación eficiente).

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 6A, después de pre-tratamiento y separación, la corriente C5 y la corriente C6 pueden tratarse separadamente y combinarse subsecuentemente después de tratamiento (por ejemplo, como una lechada) para co-fermentación 614 en el sistema de fermentación para producir un producto de fermentación C5/C6 a partir de los azúcares disponibles (por ejemplo, xilosa y glucosa); el producto de fermentación C5/C6 puede (después de tratamiento 620, si hay alguno) ser suministrado al sistema destilación 622 para recuperación del etanol (por ejemplo a través de destilación y deshidratación). De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 6B, la corriente C5 y la corriente C6 cada una puede procesarse separadamente a través de fermentación 616, 618 y destilación 624, 626 (después de tratamiento 628, 630, si hay alguno) para producir etanol. De acuerdo con cualquier modalidad preferida, un organismo de fermentación adecuado (etanolgen) se utilizará en el sistema de fermentación; la selección de un etanolgen puede basarse en varias consideraciones, tales como los tipos predominantes de azúcares presentes en la lechada. La deshidratación y/o desnaturalización del etanol producido a partir de la corriente C5 y la corriente C6 puede realizarse ya sea separadamente o en combinación.

Haciendo referencia a las Figuras 7A, 7B y 8, se muestra un sistema de tratamiento 700, 702, 800 para el producto de fermentación de acuerdo con modalidades ilustrativas. El producto de fermentación se produce en el sistema de fermentación por uso del etanolgen (por ejemplo, células de levadura) para convertir por fermentación en etanol los azúcares (por ejemplo, azúcares C5 y/o azúcares C6) puestos a disponibilidad a partir de la biomasa (por ejemplo, a partir de biomasa tratada). El sistema de fermentación puede operar en una disposición de lote (por ejemplo, lote de alimentación), flujo continuo, u otra disposición. El producto de fermentación (que también puede denominarse como o como comprendiendo cerveza o caldo de fermentación) comprenderá etanol y agua así como materia no fermentada (por ejemplo cualquiera de los azúcares no fermentados) y material no fermentable (por ejemplo lignina residual u otros sólidos), dependiendo de la composición de la biomasa tratada suministrada al sistema de fermentación y el tratamiento aplicado al componente de líquido y al componente de sólidos antes de la fermentación; el producto de fermentación también comprenderá en la forma de materia en partículas (por ejemplo sólidos contenidos) el etanolgen (por ejemplo, células de levadura) que se utilizaron para producir etanol; el producto de fermentación también puede comprender otros componentes producidos por el sistema de fermentación, por ejemplo, tales como glicerol (un producto de fermentación).

La hidrólisis de enzima que utiliza una formulación de enzima de celulosa generalmente no divide la lignina en el componente de sólidos. La lignina comprenderá un constituyente sustancial de los sólidos residuales en el componente de sólidos tratados (por ejemplo, hidrolizado) después de hidrólisis de enzima de la celulosa. La lignina es no fermentable con la formulación de etanolgen convencional utilizada para fermentar glucosa en etanol. Cuando el producto de fermentación, que comprende lignina y otros sólidos residuales, se destila en una columna destilación, los sólidos residuales pueden adherirse a superficies de la columna de destilación y otro equipo, causando interrupciones en la operación del sistema al engañar y conectar el equipo. Cuando el producto de fermentación se produce sin tratamiento o remoción de lignina y otros sólidos residuales, el sistema de destilación únicamente puede ser capaz de operar hasta por 5 horas sin interrupción causada por engaño.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el producto de fermentación puede tratarse al calentar 704 o al cocinar antes de destilación, como se muestra en las Figuras 7A y 7B. El calentamiento del producto de fermentación puede causar aglomeración de la materia en partículas que comprenden los sólidos residuales (que incluyen lignina). Los sólidos residuales tratados tienen una tendencia disminuida a adherirse a superficies, permitiendo que el sistema de destilación opere continuamente sin interrupción por más de 10 días. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el producto de fermentación puede calentarse a un rango de 80 a 90°C. De acuerdo con una modalidad preferida, el producto de fermentación puede calentarse a un rango de 82 a 90°C. De acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el producto de fermentación puede calentarse a un rango de 84 a 87°C. El sistema de tratamiento puede comprender un recipiente, un cambiador de calor o un tubo de cocción u otro medio para lograr la temperatura deseada. De acuerdo con una modalidad, el producto de fermentación se destila para recuperar el etanol.

Como se muestra en la Figura 7A, el sistema de tratamiento puede utilizarse con un procedimiento en donde la corriente C5 y la corriente C6 se co-fermentan 706 (ver también Figura 6A). Como se muestra en la Figura 7B, el sistema de tratamiento puede utilizarse con un procedimiento en donde la corriente C5 y la corriente C6 se fermentan de forma separada 708, 710 (ver también Figura 6B).

Haciendo referencia a la Figura 8, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, el producto de fermentación calentado también puede separarse en una primera separación 802 utilizando una centrífuga para remover al menos una parte de los sólidos residuales tratados. Los sólidos residuales que se han removido por centrifugación pueden lavarse con agua y además separarse en una segunda separación 804 en un componente de sólidos, que comprenderán substancialmente materia de sólidos tales como lignina y etanolgen/células de levadura, y un componente líquido, que comprenderá substancialmente etanol y agua. El componente líquido de la segunda separación 804 puede combinarse con el componente líquido de la primera separación y suministrarse a un sistema de destilación para recuperar etanol mediante destilación y deshidratación. Los sólidos residuales removidos (por ejemplo, componentes removidos) pueden utilizarse o además tratarse para ser usados como combustible (por ejemplo, secarse en un combustible sólido o procesarse en un metano a través de digestión anaeróbica) o como otros bio-productos.

El producto de fermentación tratado se destila para recuperar el etanol. De acuerdo con una modalidad, la destilación puede operar continuamente durante al menos 24 horas. De acuerdo con una modalidad preferida, la destilación puede operar continuamente durante al menos 48 horas.

De acuerdo con una modalidad, el producto de fermentación comprende un componente de sólidos que comprende al menos 40% de lignina. El tamaño de partícula promedio del componente de sólidos del producto de fermentación es típicamente de aproximadamente 8 a 15 µ??. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el tratamiento de fermentación puede aumentar el tamaño de partícula promedio del componente de sólidos por al menos 50%. De acuerdo con una modalidad preferida, el tratamiento puede aumentar el tamaño de partícula promedio del componente de sólidos por hasta 100%.

Haciendo referencia a las Figuras 9A y 9B, se muestra una columna de destilación típica 900. Cualquiera de varias configuraciones de columna de destilación conocida en la técnica puede utilizarse. En una modalidad ilustrativa, las dimensiones de la columna de destilación son de aproximadamente 15.24 cm de diámetro y aproximadamente 4.42 m de longitud. Múltiples bandejas de destilación 1000 (o bandejas de colador), como se muestra en la Figura 10, se apilan en el interior de la columna. Una bandeja de colador típica comprende múltiples orificios pequeños 1002 (por ejemplo, orificios de colado) que permiten que la corriente se mueva hacia arriba y pocos orificios más grandes 1004 (por ejemplo, tubos de bajada) que permiten que el producto de fermentación sea movido hacia abajo dentro de la columna de destilación. Los orificios más grandes pueden emplear un tubo que sobresale aproximadamente 1.27 a 2.54 cm sobre la bandeja y aproximadamente 10.16 a 20.32 cm bajo la bandeja. El producto de fermentación se suministra a la columna de destilación a través de una apertura cerca de la parte superior de la columna. El vapor presurizado se suministra a través de y se abre en el fondo de la columna, calentando el producto de fermentación y causando que el etanol se evapore. El etanol vaporizado se escapa de la columna de destilación a través de una apertura en la parte superior de la columna. El residual restante (substancialmente con todo el etanol removido) deja la columna a través de una apertura en el fondo de la columna.

Las Figuras 13A, 13B, y 13C muestran condiciones operativas para parámetros en cuestión para el tratamiento del hidrolizado del componente de sólidos de biomasa pre-tratada para remover lignina de acuerdo con una modalidad ilustrativa del sistema; se muestran condiciones operativas en la forma de rangos anidados que comprenden un rango operativo aceptable (el rango exterior/amplio mostrado), un rango operativo preferido (el rango medio mostrado), y un rango operativo particularmente preferido (el rango interior/estrecho mostrado) para cada condición o parámetro en cuestión.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, como se muestra en la Figura 13A, la temperatura durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 80 a 90°C. De acuerdo con una modalidad preferida, la temperatura durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente de 82 a 90°C, y de acuerdo con una modalidad particularmente preferida, la temperatura durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 84 a 87°C.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, como se muestra en la Figura 13B, el pH durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 4.0 a 7.2. De acuerdo con una modalidad preferida, el pH durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 4.4 a 6.8, y de acuerdo con una modalidad particularmente preferida, el pH durante el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 4.6 a 5.0.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, como se muestra en la Figura 13C, el tratamiento de biomasa fermentada puede ser de aproximadamente 10 segundos a 240 minutos. De acuerdo con una modalidad preferida, el tratamiento de biomasa fermentada puede ser aproximadamente 20 segundos a 10 minutos, y de acuerdo con una modalidad preferida, el tratamiento de biomasa fermentada puede ser aproximadamente 30 segundos a 2 minutos.

Los Cuadros 4A y 4B muestra la composición promedio del producto de fermentación. Como se muestra en el Cuadro 4A, el componente de sólidos del producto de fermentación puede comprender en promedio aproximadamente a 56% de lignina (en peso), aproximadamente 15% de celulosa, aproximadamente 4% de hemi-celulosa, aproximadamente 14% de ceniza (por ejemplo, componentes inorgánicos) y aproximadamente 11% de otros componentes. Como se muestra en el Cuadro 4B, el componente líquido del producto de fermentación comprende en promedio aproximadamente 6% de etanol, aproximadamente 0.6% de glicerol y aproximadamente 1.6% de azúcares (por ejemplo, azúcares C6 y C5). El contenido de sólidos del producto de fermentación puede ser de aproximadamente 8 a 10% en peso, dependiendo de las condiciones de fermentación. El pH del producto de fermentación durante el tratamiento y destilación puede estar en el rango de aproximadamente pH 4.6 a 5.0.

EJEMPLO 1 El sistema de destilación como se muestra en las Figuras 9A y 9B se utilizó en el Ejemplo 1 para evaluar el efecto de diferentes diseños de bandeja de destilación y tratamiento de producto de fermentación en tiempo de operación de destilación. La Figura 11 muestra el tiempo de funcionamiento del sistema de destilación que se logró con producto de fermentación no tratado y producto de fermentación tratado. Cuando se utilizaron bandejas de colador de orificio de 0.31 cm en la columna de destilación, la columna no pudo abrirse, y se logró un tiempo de funcionamiento de 0 horas. Cuando se utilizaron bandejas deflectoras en la columna de destilación, la columna pudo operar durante aproximadamente 4 horas. Cuando se utilizaron bandejas de colador de orificio de 1.27 cm, la columna pudo operar durante aproximadamente 5 horas. Cuando el producto de fermentación se trató al calentar a 88°C y se utilizaron bandejas de colador de orificio de 1.27 cm de acuerdo con una modalidad preferida, se lograron la capacidad de operación mejorada y el tiempo de funcionamiento continuo aumentado de al menos 285 horas sin engañar y/o conectarse a la columna destilación. Como se muestra en la Figura 11, los orificios de colador más grandes (1.27 cm) mejoraron la capacidad de operación de la columna de destilación cuando según comparado con los orificios de 0.31 cm, pero no lo suficiente para permitir la operación continúa sola.

EJEMPLO 2 Se condujo un experimento de laboratorio para mostrar el efecto de calentar el producto de fermentación cuando se mide por tamaño de partícula. El producto de fermentación que comprende aproximadamente 9% de sólidos residuales se preparó mediante molienda, pre-tratamiento, hidrólisis y al fermentar biomasa (mazorcas de maíz). Se calentaron 200 mi del producto de fermentación a 85°C y se dejaron enfriar a temperatura ambiente (aproximadamente a 21°C). La aglomeración de partículas se midió al medir el tamaño de partícula antes y después del tratamiento al utilizar un analizador de tamaño de partícula de dispersión láser (disponible de Horiba, Kyoto, Japón). La distribución de tamaño de partícula del producto de fermentación no tratado mostró picos a 0.30 µ?t?, 11.6 pm (el pico más grande) y 175 pm. La distribución de tamaño de partícula del producto de fermentación tratado no mostró picos alrededor del tamaño de partícula más pequeño (menor que 1 pm), y los otros picos estuvieron a 22.8 pm (el pico más grande) y 229 pm. Se observó que el tamaño de partícula promedio aumentó de aproximadamente 12.8 pm antes del tratamiento a aproximadamente 24.5 pm después de tratamiento. Los resultados se muestran en la Figura 12.

Las modalidades como se mostraron y describieron en la solicitud (incluyendo las Figuras y los Ejemplos) pretenden ser ilustrativas y explicativas de las presentes invenciones. Las modificaciones y variaciones de las modalidades descritas, por ejemplo, del aparato y los procedimientos empleados (o que se van a emplear) así como de las composiciones y tratamientos utilizados (o que se van a utilizar), son posibles; todas las modificaciones y variaciones pretenden estar dentro del alcance de las presentes invenciones.

La palabra "ilustrativo" se utiliza para significar que sirve como un ejemplo, caso, o ilustración. Cualquier modalidad o diseño descrito como "ilustrativo" no necesariamente se construye como preferido o ventajoso sobre otras modalidades o diseños, ni pretende evitar estructuras ilustrativas equivalentes y técnicas conocidas por aquellos expertos en la técnica. Más bien, el uso de la palabra ilustrativo pretende presentar conceptos en una forma concreta, y el tema descrito no está limitado por tales ejemplos.

El término "o" pretende significar un "o" inclusivo en lugar de un "o" exclusivo. Al grado que los términos "comprende", "tiene", "contiene", y otras palabras similares se utilizan en la descripción detallada o las reivindicaciones, para evitar duda, tales términos pretenden ser inclusivos en una forma similar al término "que comprende" como una palabra de transición abierta sin evitar ningún elemento adicional u otro.

Claims (35)

REIVINDICACIONES

1. - Un método para tratar biomasa lignocelulósica fermentada para suministrarse a un sistema de destilación para la producción de etanol, que comprende: pre-tratar biomasa lignocelulósica en biomasa pre-tratada; separar la biomasa pre-tratada en un componente líquido que comprende azúcares y un componente de sólidos que comprende celulosa y lignina; hidrolizar el componente de sólidos de la biomasa pre-tratada en una biomasa hidrolizada que comprende azúcares y lignina; fermentar el componente de sólidos hidrolizado de la biomasa pre-tratada en un producto de fermentación que comprende etanol y lignina; tratar el producto de fermentación para aglomerar materia en partículas en el producto de fermentación; y destilar el producto de fermentación tratado para recuperar el etanol; en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa, hemi-celulosa y lignina.

2. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde tratar el producto de fermentación comprende calentar el producto de fermentación.

3. - El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde tratar el producto de fermentación además comprende calentar el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 80 a 94°C.

4. - El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde tratar el producto de fermentación además comprende calentar el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 82 a 90°C.

5. - El método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde tratar el producto de fermentación además comprende calentar el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 84 a 87°C.

6. - El método de acuerdo con la reivindicación 2, que además comprende destilar el producto de fermentación tratado.

7. - El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la destilación opera continuamente durante al menos 24 horas.

8.- El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la destilación opera continuamente durante al menos 48 horas.

9. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica comprende al menos uno de mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de planta de maíz.

10. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa de aproximadamente 30 a 55% en peso y hemi-celulosa de aproximadamente a 20 a 50% en peso.

11.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica (a) comprende mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de maíz y (b) comprende celulosa de aproximadamente a 35 a 45% en peso y hemi-celulosa de aproximadamente a 24 a 42% en peso.

12.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica consiste esencialmente de mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de maíz.

13. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa de aproximadamente a 30 a 55% en peso, hemi-celulosa de aproximadamente a 20 a 50% en peso y lignina de aproximadamente a 10 a 25% en peso.

14. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la biomasa lignocelulósica comprende mazorcas de maíz, cáscaras de plantas de maíz, hojas de planta de maíz, tallos de maíz y fibra de granos de maíz.

15. - El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el producto de fermentación comprende un componente de sólidos y en donde el componente de sólidos comprende al menos 25% de lignina.

16.- El método de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el producto de fermentación comprende un componente de sólidos y en donde el tratamiento aumenta un tamaño de partícula del componente de sólidos por al menos 50%.

17.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el producto de fermentación comprende un componente sólido y en donde el componente de sólidos comprende al menos 40% de lignina.

18.- El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el componente líquido se combina con el componente de sólidos hidrolizado antes de la fermentación en el producto de fermentación.

19.- Un sistema para tratar biomasa lignocelulósica fermentada, que comprende: un sistema de pre-tratamiento que crea biomasa pre-tratada a partir de biomasa lignocelulósica; un sistema de separación que separa la biomasa pre-tratada en un componente líquido que comprende azúcares y un componente de sólidos que comprende celulosa y lignina; un primer sistema de tratamiento que hidroliza el componente de sólidos de la biomasa pre-tratada en una biomasa hidrolizada que comprende azúcares y lignina; un sistema de fermentación que fermenta el componente de sólidos hidrolizado de la biomasa pre-tratada en un producto de fermentación que comprende etanol y lignina; un segundo sistema de tratamiento que trata el producto de fermentación y aglomera material en partículas en el producto de fermentación; y un sistema de destilación que destila el producto de fermentación tratado para recuperar el etanol; en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa, hemi-celulosa y lignina y en donde la materia en partículas aglomerada tiene una baja tendencia a adherirse a superficies del sistema de destilación.

20.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el segundo sistema de tratamiento calienta el producto de fermentación.

21.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 20, en donde el segundo sistema de tratamiento calienta el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 80 a 94°C.

22. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 20, en donde el segundo sistema de tratamiento calienta el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 82 a 90°C.

23. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 20, en el donde el segundo sistema de tratamiento calienta el producto de fermentación a una temperatura de aproximadamente 84 a 87°C.

24. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el sistema de destilación opera continuamente durante al menos 24 horas.

25. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el sistema de destilación opera continuamente durante al menos 48 horas.

26.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa lignocelulósica comprende al menos uno de mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de planta de maíz.

27.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa de aproximadamente 30 a 55% en peso y hemi-celulosa de aproximadamente 20 a 50% en peso.

28. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa Mgnocelulósica (a) comprende mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de maíz y (b) comprende celulosa de aproximadamente 35 a 45% en peso y hemi-celulosa de aproximadamente 24 a 42% en peso.

29. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa lignocelulósica consiste esencialmente de mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz y tallos de maíz.

30. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa lignocelulósica comprende celulosa de aproximadamente 30 a 55% en peso, hemi-celulosa de aproximadamente 20 a 50%» en peso y lignina de aproximadamente 10 a 25% en peso.

31. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la biomasa lignocelulósica comprende mazorcas de maíz, cáscaras de planta de maíz, hojas de planta de maíz, tallos de maíz y fibra de granos de maíz.

32.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el producto de fermentación comprende un componente de sólidos y en donde el componente de sólidos comprende al menos 25% de lignina.

33.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el producto de fermentación comprende un componente de sólidos y en donde el segundo sistema de tratamiento aumenta un tamaño de partícula del componente de sólidos por al menos 50%.

34. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el producto de fermentación comprende gn componente de sólidos y en donde el componente de sólidos comprende al menos 40% de lignina.

35. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el sistema de fermentación fermenta el componente líquido combinado con el componente de sólidos hidrolizado.