MX2012004423A - Produccion de residuos comestibles a partir de la produccion de etanol. - Google Patents

Produccion de residuos comestibles a partir de la produccion de etanol.

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Abstract

Se producen residuos comestibles de producción de etanol, por ejemplo, granos de destilería y solubles, que tienen bajo contenido de, o substancialmente están libres de residuos antibióticos. Los antibióticos o bacterias presentes en residuos comestibles que resultan de la producción de etanol son inactivados al irradiar los residuos comestibles.

Description

PRODUCCION DE RESI DUOS COM ESTI BLES A PARTI R DE LA PRODUCCION DE ETAN OL Solicitudes relacionadas Esta solicitud reclama la prioridad a la solicitud estadounidense provisional serial no. 61 /251 ,610, presentada el 14 de octubre de 2009.
Campo técnico Esta invención se refiere a producir residuos comestibles a partir de la producción de etanol, por ejemplo, granos de destiladores y residuos a partir de la producción de etanol celulósico.
Antecedentes La fabricación de plantas existen para la producción de etanol a partir de granos, por ejemplo, maíz y de azúcares. La fabricación de etanol es discutida en muchas fuentes, por ejemplo, en The Alcohol Textbook (El libro de texto del alcohol), 4a ed. , ed. , K.A. Jacques, et al. , Nottingham University Press, 2003. Los granos de destilería (también referidos a granos de destilería y solubles (DGS) o granos de destilería secos (DDGS)) son un sub-producto de la producción de etanol. Los granos de destiladores son un sub-producto valioso, ya que son una fuente principal de alimentación de ganado de bajo costo. Sin embargo, recientemente han surgido preocupaciones debido a la presencia de antibióticos en los granos de destilería. Los antibióticos en los granos de destilería generalmente están presentes como un resultado del uso de antibióticos en el proceso de fabricación de etanol. Los antibióticos, tales como penicilina y virginiamicina son usados para controlar bacterias que compiten con la levadura durante la fermentación, convirtiendo azúcar en ácido láctico en lugar de etanol. Si restricciones sobre la venta o uso de granos de destilería son impuestas debido a preocupaciones sobre el contenido de antibióticos, esto dañará adicionalmente los márgenes de beneficio de los productores de etanol, así como privará a los ganaderos de una buena fuente de alimentación de ganado.
La solicitud de patente estadounidense no. 200601 27999, "Process for producing ethanol from corn dry m i l l i ng" (Proceso para la producción de etanol a partir de molienda de maíz en seco), y la solicitud de patente estadounidense no. 20030077771 , "Process for producing ethanol" (Proceso para producir etanol", son incorporadas cada una por referencia en su totalidad. Además, la patente estadounidense no. 7,351 ,559 "Process for producing ethanol" (Proceso para producir etanol), patente estadounidense no. 7,074,603, "Process for producing ethanol from corn dry milling" (Proceso para producir etanol a partir de molienda de maíz en seco) y la patente estadounidense no. 6,509, 180, "Process for producing ethanol" (Proceso para producir etanol) son incorporados cada uno por referencia en la presente en su totalidad.
Breve descri pción En general, esta invención se refiere a residuos comestibles a partir de la producción de etanol, y a métodos para producir residuos comestibles que son bajos en contenido de antibiótico o, en modalidades preferidas, substancialmente libres de antibióticos. Por "bajo en contenido de antibióticos" o "substancialmente libre de antibióticos", queremos decir que el residuo comestible contiene poco o ningún antibiótico activo, por ejemplo, menos de 100 ppm ; el residuo comestible puede contener antibióticos inactivados, como será descrito en la presente.
El residuo comestible puede ser, por ejemplo, granos de destilería secos (DDG) , en el caso de producción de etanol de maíz, o una mezcla de lignina, azúcares sin fermentar (por ejemplo, xilosa, arabinosa), minerales (por ejemplo, arcilla, sílice, silicatos), y en algunos casos celulosa sin digerir.
En algunas ¡mplementaciones, el residuo comestible contiene menos de 50 ppm en peso de antibiótico activo, por ejemplo, menos de 25 ppm , menos de 10 ppm, o incluso menos de 1 ppm .
En un aspecto, la invención caracteriza un método que comprende irradiar residuos comestibles que han sido producidos como un subproducto de un proceso de fabricación de etanol .
Algunas ¡mplementaciones incluyen una o más de las siguientes características. Los residuos comestibles comprenden granos de destilería y solubles, por ejemplo, a partir de un proceso de etanol de maíz. De manera alternativa, los residuos comestibles pueden comprender lignina, xilosa y minerales, y en algunos casos celulosa no digerida, por ejemplo, cuando el proceso de fabricación de etanol utiliza una alimentación celulósica y/o una alimentación lignocelulósica.
En algunos casos, los residuos comestibles contienen un antibiótico, y la irradiación es realizada bajo condiciones que son seleccionadas para inactivar o destruir el antibiótico, por ejemplo, al cambiar la estructura molecular del antibiótico. En tales casos, después de la irradiación los residuos comestibles pueden contener menos de 100 ppm , tal como menos de 50, 25, 10 o 1 ppm , en peso de antibiótico activo, o puede ser substancialmente libre de antibiótico activo. En algunas implementaciones, antes de la irradiación los residuos comestibles contienen desde aproximadamente 500 ppm hasta aproxi m ada me nte 1 0,000 ppm en peso de a ntibióti co activo .
En otros casos, el proceso de fabricación de etanol puede ser conducido sin la adición de antibióticos. En tales casos, antes de la irradiación los residuos comestibles pueden contener bacterias y la irradiación es realizada bajo condiciones que destruyen bacterias.
En algunas implementaciones, la irradiación es entregada a una dosis de más de aproximadamente 0.5 Mrad y/o menos de aproximadamente 5 Mrad, por ejemplo, a una dosis de aproximadamente 1 hasta aproximadamente 3 Mrad.
Si los residuos comestibles son granos de destilería y solubles, los granos de destilería y solubles pueden ser secados, produciendo granos de destilería secos y solubles (DDGS). El secado puede ser realizado antes de, durante o después de la irradiación.
Todas las publicaciones, solicitudes de patente, patentes y otras referencias mencionadas en la presente o unidas a la presente son incorporadas por referencia en su totalidad por todo lo que contienen.
Descripción de los dibujos La FIG. 1 es un diagrama esquemático que ilustra un proceso para hacer etanol y granos de destilería.
Descripción detallada Haciendo referencia a la FIG. 1 , una planta para fabricar etanol puede incluir, por ejemplo, una o más unidades de operación (1 0) para recibir y tratar físicamente una alimentación, la cual en una planta típica de eta no l basada en g rano (por ejem plo , m a íz o g ra no) g ene ra l mente incluye equipo receptor de grano y molino de martillo. Si la alimentación a ser usada es un material celulósico o lignoceluosico no de granos, las unidades de operación 10 pueden ser configuradas para reducir el tamaño de la alimentación en una manera que expone fibras internas de la alimentación, por ejemplo, como se describe en la patente estadounidense no. 7,470,463, cuya descripción es incorporada en la presente por referencia.
En algunos casos, por ejemplo, si la alimentación incluye un material que es difícil de tratar por fermentación, por ejemplo, residuos de cosecha u otras alimentaciones lignocelulósicas, la planta puede incluir una unidad de operación opcional configurada para tratar la alimentación para reducir su recalcitrancia. En algunas implementaciones, la recalcitrancia es reducida por al menos 5%, o al menos 1 0, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 o 95%. . En algunos casos, la recalcitrancia es eliminada substancialmente de manera completa. Los procesos de tratamiento utilizados por la unidad de operación reductora de recalcitrancia pueden incluir uno o más de irradiación, sonicación, oxidación, pirólisis y explosión de vapor. Los métodos de tratamiento pueden ser usados en combinaciones de dos, tres, cuatro o incluso todas estas tecnologías (en cualquier orden). Las unidades de operación que pretratan alimentaciones para reducir recalcitrancia son descritas en WO 2008/031 86, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.
La alimentación puede ser procesada entonces en una serie de dispositivos de cocción ( 12), como es bien sabido, sometida a licuefacción ( 14), y enfriada ( 16) a una temperatura adecuada para contacto con microorganismos, tales como levaduras. La corriente enfriada fluye entonces a un sistema de bioprocesamiento ( 18) , donde es bio-procesada, por ejemplo, fermentada, para producir una mezcla de etanol crudo la cual fluye hacia un tanque de mantenimiento (20).
El sistema de bio-procesamiento puede utilizar en algunos casos antibióticos para prevenir la generación excesiva de ácido láctico por bacterias en la mezcla. Por ejemplo, el antibiótico puede ser adicionado en una concentración desde aproximadamente 500 ppm hasta aproximadamente 10,000 ppm en peso de la alimentación.
De manera alternativa, el uso de antibióticos puede ser evitado, por ejemplo, al limpiar la alimentación y equipo de procesamiento, corriendo el proceso a bajos niveles de pH , y manteniendo alto rendimiento durante remojo, maceración y fermentación . Los aditivos no-antibióticos también pueden ser usados, por ejemplo, el extracto de tolva vendido por BetaTec Hop Products bajo el nombre comercial lsoStabM R. Si se usan estas alternativas, es deseable esterilizar los residuos comestibles del proceso, para asegurar su seguridad.
Agua u otro solvente, y otros componentes no de etanol, son extraídos de la mezcla de etanol crudo usando una columna de extracción (22), y el etanol es destilado entonces usando una unidad de destilación (24), por ejemplo, un rectificador. Finalmente, el etanol puede ser secado usando un tamiz molecular (26), desnaturalizado si es necesario y sacado a un método de embarque deseado.
Otra corriente viene del fondo de la col u m n a de extracción (22) y es pasada a través de una centrífuga (28). Una fracción líquida, o "vinaza delgada (contracorriente)" es regresada entonces al proceso, generalmente antes de los dispositivos de cocción (1 2) . Los sólidos ("torta húmeda") son sometidos a procesamiento adicional, incluyendo secado, en una unidad de operación de evaporador/secador (30) , resultando en la producción de un residuo comestible, por ejemplo, granos de destilería y solubles secos (DDGS) si la alimentación fue maíz.
El residuo comestible es irradiado entonces, usando una unidad de irradiación (32). La irradiación sirve tanto para inactivar cualquier antibiótico presente en el resido comestible a partir del proceso de fermentación, por ejemplo, al cambiar la estructura molecular del antibiótico, y al esterilizar el residuo comestible, matando cualquier bacteria indeseable u otro microorganismo presente en el residuo comestible.
La irradiación puede ser realizada usando cualquier dispositivo adecuado. Si el residuo comestible está en la forma de una sección delgada, por ejemplo, pellas pequeñas, la irradiación de haz de electrones puede ser preferida para proporcionar alto rendimiento. Si se requiere penetración más profunda, por ejemplo, si el residuo comestible está en la forma de una torta gruesa, puede usarse la radiación gamma.
La radiación puede ser entregada en cualquier dosis que sea suficiente para inactivar el antibiótico y/o destruir bacterias y microorganismos indeseables, sin afectar perjudicialmente la disponibilidad de nutrientes del residuo comestible. Por ejemplo, la dosis puede ser desde aproximadamente 05 Mrad hasta aproximadamente 5 Mrad, por ejemplo, aproximadamente 1 Mrad hasta aproximadamente 3 Mrad.
El secado del residuo comestible puede ser realizado antes (como se muestra), durante o después de la irradiación, o puede omitirse si se desea.
En general, todo el equipo de procesamiento usado en el proceso descrito antes es utilizado normalmente en plantas elaboradoras de etanol existentes, con la excepción de unidad de operación reductora de recaicitrancia opcional y el dispositivo usado para irradiar el residuo comestible.
En algunos casos, la alimentación puede ser un material celulósico o lignocelulósico que ha sido tratado físicamente y opcionalmente pre-tratado en una ubicación remota y entonces embarcado a la planta, por ejemplo, por tren, camión, barco (por ejemplo, barcaza o supertanque), o aire. En tales casos, el material puede ser embarcado en un estado densificado para eficiencia de volumen. Por ejemplo, la alimentación puede ser tratada físicamente, por ejemplo, usando las técnicas de reducción de tamaño descritas más adelante, o a una densidad a granel de menos de aproximadamente 0.35 g/cm3, y entonces densificada para tener una densidad a granel de al menos aproximadamente 0.5 g/cm3. En algunas implementaciones, el material densificado puede tener una densidad a granel de al menos 0.6, 0.7, 0.8 o 0.85 g/cm3. Los materiales fibrosos pueden ser densificados usando cualquier proceso adecuado, por ejemplo, como se describe en WO 2008/0731 86.
La alimentación puede ser en algunos casos de naturaleza fibrosa. Las fuentes de fibra incluyen fuentes de fibra celulósica, incluyendo papel y productos de papel (por ejemplo, papel poli-recubierto y papel Kraft), y fuentes de fibra lingocelulósica, incluyendo madera y materiales relacionados con manera, por ejemplo, tablero de partículas. Otras fuentes de fibra adecuadas incluyen fuentes de fibras naturales, por ejemplo, pastos, cáscaras de arroz, bagazo, algodón, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, paja, mazorcas de maíz, cáscaras de arroz, fibra de coco; fuentes de fibra altas en contenido de a-celulosa, por ejemplo, algodón. Fuentes de fibra pueden ser obtenidas de materiales textiles de recortes vírgenes, por ejemplo, remanentes, desecho postconsumidor, por ejemplo, harapos. Cuando los productos de papel son usados como fuentes de fibra, pueden ser materiales vírgenes, por ejemplo, materiales vírgenes de recorte, o pueden ser desecho postconsumidor. Además de materias primas vírgenes, post-consumidor, industriales (por ejemplo, despojos) y desperdicio de procesamiento (por ejemplo, efluente de procesamiento de papel) también pueden usarse como fuentes de fibra. Además, la fuente de fibra puede ser obtenida o derivada de desechos humanos (por ejemplo, aguas residuales), animales o vegetales. Las fuentes de fibra adicionales han sido descritas en las patentes estadounidenses nos. 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5, 952, 1 05.
Los azúcares liberados durante el bioprocesamiento pueden convertirse en una variedad de productos, tales como alcoholes o ácidos orgánicos. El producto obtenido depende del microorganismo utilizado y las condiciones bajo las cuales ocurre el bio-procesamiento. Estos pasos pueden ser realizados utilizando el equipo existente de la instalación de fabricación de etanol basada en granos, con poca o ninguna modificación. Una corriente de xilosa (C5) puede ser producida durante el bio-procesamiento, si está presente hemi-celulosa en la alimentación, y así en algunos casos se hace provisión para remover esta corriente después de la columna de extracción.
El microorganismo utilizado en bioprocesamiento puede ser un microorganismo natural o un microorganismo diseñado. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, por ejemplo, una bacteria celulolítica, un hongo, por ejemplo, una levadura, una planta o un protista, por ejemplo, un alga, un protozoario o un protista como hongo, por ejemplo, un moho de limo. Cuando los organismos son compatibles, pueden utilizarse mezclas de organismos. El microorganismo puede ser un aerobio o un anaerobio. El microorganismo puede ser un microorganismo homofermentador (produce un solo o substancialmente un solo producto final). El microorganismo puede ser un microorganismo homoacetogénico, un microorganismo homoláctico, una bacteria de ácido propiónico, una bacteria de ácido butírico, una bacteria de ácido succínico o una bacteria de ácido 3-hidroxipropiónico. El microorganismo puede ser de un género seleccionado del grupo Clostridium, Lactobacíllus, Moorella, Thermoanaerobacter, Proprionibacterium, Propionispera, Anaerobiospirillum y Bacteríodes. En casos específicos, el microorganismo puede ser Clostridum formicoaceticum, Clostridum butyricum, Moorella thermoacetica, Thermoanaerobacter kivui, Lactobacíllus delbrukii, Propionibacterium acidipropionici, Propionispera arboris, Anaerobiospirillum succincproducens, Bacteriodes amylophilus o Bacteriodes ruminicola. Por ejemplo, el microorganismo puede ser un microorganismo recombinante diseñado para producir un producto deseado, tal como es usada una Escherichia coli recombinante transformada con uno o más genes capaces de codificar proteínas que dirigen la producción del producto deseado (ver, por ejemplo, la patente estadounidense no. 6,852,517, emitida el 8 de febrero de 2005).
Las bacterias que pueden fermentar biomasa a etanol y otros productos incluyen, por ejemplo, Zymomonas mobilis y Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, supra). Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155- 1160) aislaron una bacteria celulolítica, mesofílica, anaeróbica, a partir de suelo de bosque, Clostridium phytofermentans sp. Nov., la cual convierte celulosa a etanol.
El bio-procesamiento, por ejemplo, fermentación, de biomasa a etanol y otros productos puede ser realizado usando ciertos tipos de microorganismos termofílicos o genéticamente diseñados, tal como Thermoanaerobacter, incluyendo T. mathranii y especie de levadura tal como Pichia species. Un ejemplo de una cepa de T. mathranii es A3M4 descrito en Sonne-Hansen et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541) o Ahring et al. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 114-119).
Para ayudar en la ruptura de los materiales que incluyen la celulosa (tratada por cualquier método descrito en la presente o incluso sin tratar), una o más enzimas, por ejemplo, una enzima celulolítica puede ser utilizada. En algunas modalidades, los materiales que incluyen la celulosa son tratados primero con la enzima, por ejemplo, al combinar el material y la enzima en una solución acuosa. Este material puede ser combinado entonces con cualquier microorganismo descrito en la presente. En otras modalidades, los materiales que incluyen la celulosa, una o más enzimas y el microorganismo se combinan concurrentemente, por ejemplo, al combinar en una solución acuosa.
Los grupos de ácido carboxílico en estos productos generalmente menores al pH de la solución de fermentación, tendiendo a inhibir la fermentación con algunos microorganismos, tal como Pichia stipitis. De acuerdo con esto, es en algunos casos deseable adicionar una base y/o un amortiguador, antes o durante la fermentación, para elevar el pH de la solución. Por ejemplo, hidróxido de sodio o cal pueden adicionarse al medio de fermentación para elevar el pH del medio para variar aquél que es óptimo para el microorganismo utilizado.
La fermentación es conducida generalmente en un medio acuoso de crecimiento, el cual puede contener una fuente de nitrógeno u otra fuente de nutrientes, por ejemplo, urea, junto con vitaminas y minerales y metales en trazas. Generalmente es preferible que el medio de crecimiento sea estéril, o al menos tenga una carga microbiana baja, por ejemplo, cuenta bacteriana. La esterilización del medio de crecimiento puede lograrse en cualquier manera deseada. Sin embargo, en implementaciones preferidas, la esterilización es lograda al irradiar el medio de crecimiento o los componentes individuales del medio de crecimiento antes del mezclado. La dosificación de radiación es generalmente tan baja como sea posible mientras que todavía se obtengan resultados adecuados, con el fin de minimizar el consumo de energ ía y costo resultante. Por ejemplo, en muchos casos, el medio de crecimiento por sí mismo o componentes del medio de crecimiento puede ser tratado con una dosis de radiación de menos de 5 Mrad, tal como menos de 4, 3, 2 o 1 Mrad. En casos específicos, el medio de crecimiento es tratado con una dosis de entre aproximadamente 1 y 3 Mrad.
Otras modalidades Una variedad de modalidades ha sido descrita. No obstante, se entenderá que varias modificaciones pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la descripción.
Por ejemplo, aunque la producción de granos de destilería secos y solubles (DDGS) es discutida antes, en algunos casos el producto final puede ser en su lugar granos de destilería en húmedo y solubles (WDGS). Aunque WDGS, con su alto contenido de humedad, generalmente es costoso para transportar y someter a deterioro, en algunos casos puede usarse, por ejemplo, donde la alimentación de ganado va a ser usada cerca de la instalación de fabricación de etanol. Tales aplicaciones son descritas, por ejemplo, en la patente estadounidense no. 6,355,456, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.
Ya sea procesos de molienda en húmedo o molienda en seco pueden ser usados en los métodos descritos en la presente.
De acuerdo con esto, otras modalidades están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1 . Un método que comprende: irradiar residuos comestibles que han sido producidos como un sub-producto de un proceso de fabricación de etanol .
2. El método de la reivindicación 1 , en donde los residuos comestibles comprenden granos de destilería y solubles.
3. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el proceso de fabricación de etanol es un proceso de etanol de maíz.
4. El método de la reivindicación 1 , en donde los residuos comestibles comprenden lignina, xilosa y minerales.
5. El método de la reivindicación 4, en donde el residuo comestible comprende además celulosa no digerida.
6. El método de la reivindicación 1 , 4 o 5, en donde el proceso de fabricación de etanol utiliza una alimentación celulósica y/o una alimentación lignocelulósica.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los residuos comestibles contienen un antibiótico, y la irradiación es realizada bajo condiciones seleccionadas para inactivar o destruir el antibiótico.
8. El método de la reivindicación 7, en donde después de la irradiación, los residuos comestibles contienen menos de 1 00 ppm , tal como menos de 50, 25, 1 0 o 1 ppm , en peso de antibiótico activo.
9. El método de la reivindicación 8, en donde los residuos comestibles están substancialmente libres de antibiótico activo.
10. El método de la reivindicación 7, en donde antes de la irradiación, los residuos comestibles contenían desde aproximadamente 500 ppm hasta aproximadamente 10,000 ppm en peso de antibiótico activo.
1 1 . El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, en donde antes de la irradiación, los residuos comestibles contienen bacterias, y la irradiación es realizada bajo condiciones que destruyen las bacterias.
12. El método de la reivindicación 1 1 , en donde el proceso de fabricación de etanol fue conducido sin adición de antibióticos.
1 3. E l método de la reivi nd icación 2, en d onde l os g ra nos de destilería y solubles han sido secados, produciendo granos de destilería secos y solubles (DDGS).
14. El método de la reivindicación 1 3, en donde el secado es realizado antes de la irradiación.
1 5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la irradiación es entregada a una dosis de más de aproximadamente 0.5 Mrad.
16. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la irradiación es entregada a una dosis de menos de aproximadamente 5Mrad. 1 7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la irradiación es entregada a una dosis desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 3 Mrad.
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