MX2012014353A - Metodo para la fabricacion de piensos a partir de biomasa lignocelulosica. - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona un método de fabricación de piensos a partir de biomasa lignocelulósica. Material de biomasa que tiene un contenido de humedad de menos del 30% se introduce en un recipiente de presión. Se aplica un vacío al recipiente de presión durante al menos uno y preferiblemente dos minutos. Después se introduce vapor para calentar el material de biomasa hasta un intervalo de temperaturas de entre aproximadamente 180°C y 235°C donde se mantiene durante 1 a 12 minutos antes de reducir la presión en el recipiente. En modalidades particularmente preferidas, el contenido de humedad es inferior al 15%, el intervalo de temperaturas es de 190°C a 215°C y el tiempo de residencia es de 2 a 8 minutos.

Description

METODO PARA LA FABRICACION DE PIENSOS A PARTIR DE BIOMASA LIGNOCELULOSICA Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a un método eficiente en costos y energía para la conversión de materiales lignocelulósicos no comestibles en sustancias que pueden ser usadas para la fabricación de piensos para animales y reemplazo de cultivos de alimentos, tales como cereales y soya.

Antecedentes de la invención Los altos precios del petróleo y el creciente uso de cereales en la producción de etanol para combustible, han hecho subir el precio de los cereales y de los componentes proteicos en la alimentación animal y también han aumentado los precios mundiales de los alimentos. Existe, por tanto, un interés mundial en la sustitución de estos productos con otros recursos renovables, como la madera, los pastos de baja calidad y los desechos orgánicos, que no han sido tradicionalmente usados como alimentos.

Un problema con este enfoque es que las biomasas lignocelulósicas como la madera y bagazo tienen baja digestibilidad para los animales, y hay pocos procedimientos establecidos para el procesamiento de esos recursos para aumentar la capacidad de asimilación. Hay, sin embargo, un consenso bastante generalizado de que una técnica exitosa EF , : 237825 requiere que la lignina sea separada de los haces de fibras de celulosa y que éstos, si es posible, sean fragmentados para formar fibrillas individuales. Dos de estos métodos implican el uso de hidrólisis ácida, ya sea por la cocción de la biomasa en agua a la que se ha añadido ácido o por pre-impregnación de la biomasa con un ácido, típicamente ácido sulfúrico, y después sometiendo el conjunto a vapor de presión media, siguiendo los preceptos del llamado proceso de explosión de vapor. En ambos casos, el resultado es una biomasa parcialmente hidrolizada que consiste en azúcares derivados de hemicelulosa y una celulosa más asimilable.

Sin embargo, este procedimiento no está exento de dificultades, siendo las principales la producción concomitante de sustancias tales como furfural, que puede resultar tóxico para los microorganismos en el intestino animal y el logro de un grado suficientemente alto de digestibilidad. También existe la cuestión del costo y la complejidad de la planta necesaria para fabricar el producto de esta manera, complicada aún más por el hecho de que en la mayoría de los casos, la técnica anterior recomienda el uso de catalizadores ácidos.

El método de la presente invención permite que los recursos leñosos y otra biomasa sean convertidos en sustancias de alta digestibilidad para rumiantes y, por lo tanto, sean útiles para la fabricación de piensos y pelotillas de pienso totalmente formulados.

Breve descripción de la invención En consecuencia, la presente invención proporciona un método de fabricación de piensos a partir de biomasa lignocelulósica que incluye las etapas de: (a) introducir material de la biomasa que tenga un contenido de humedad de menos del 30% a un recipiente de presión; (b) aplicar un vacío al recipiente de presión durante al menos un minuto; (c) introducir vapor en el recipiente de presión para calentar el material hasta un intervalo de temperaturas de entre aproximadamente 180°C y 235°C; (d) mantener la temperatura del material dentro del intervalo de temperaturas durante 1 a 12 minutos; y (e) reducir la presión en el recipiente de presión. Un catalizador opcionalmente puede ser introducido en el recipiente de presión inmediatamente antes de o junto con el vapor. En modalidades particularmente preferidas, el intervalo de temperaturas es de 190°C a 215°C y el tiempo de residencia es de 2 a 8 minutos .

Descripción detallada de la invención De acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención, una biomasa lignocelulósica se convierte en un alimento para animales con alta digestibilidad. La biomasa lignocelulósica puede ser cualquier recurso lignocelulósico adecuado, preferiblemente madera dura o un residuo de la cosecha anual, como bagazo. La biomasa debe ser fragmentada o reducida de otra manera en tamaño de manera que su dimensión más pequeña sea de menos de aproximadamente 25 mm, preferiblemente de aproximadamente 5-10 mm. Para obtener los mejores resultados, la biomasa debe tener una densidad aparente de al menos 200 kg/m3 , preferiblemente entre 450 y 500 kg/m3. Esto se puede lograr mediante la compresión de material de densidad aparente más baja en un molino de gránulos o dispositivo similar.

Si es necesario, la biomasa se seca hasta un contenido de humedad de menos del 30%, y muy preferiblemente de 15% o menos. Tal secado puede lograrse por cualquier medio adecuado, como, por ejemplo, en un secador de tambor. Una vez seca, la biomasa se introduce, preferiblemente mientras está todavía caliente, en un recipiente de presión caliente equipado de tal manera que pueda extraerse un vacío, preferiblemente desde la parte superior, y el vapor y las otras sustancias químicas deseadas se puedan introducir en la base, Una vez que la biomasa está dentro, el recipiente de presión se cierra y luego un vacío de no más de 66661 Pa (500 torr) y preferiblemente menos de 39996.7 Pa (300 torr) se aplica durante un período de al menos uno y preferiblemente dos minutos. Luego, se introduce vapor en el recipiente de presión para elevar la temperatura de la biomasa a entre 185°C y 225°C y se mantiene en ese intervalo durante 2 a 12 minutos. En modalidades particularmente preferidas, el intervalo de temperaturas es de 190°C a 215°C y el tiempo de residencia es de 2 a 8 minutos.

El vapor se transfiere entonces a un depósito de vapor, y se usa aire comprimido para soplar la biomasa tratada con vapor desde el recipiente de presión. Alternativamente, la biomasa tratada y el vapor pueden ser soplados juntos al ventilar simplemente el recipiente de presión.

Los materiales procesados con vapor descritos aqui se pueden usar directamente como forraje para rumiantes, preferiblemente después de que su pH haya sido ajustado a 7-8 mediante la adición de una sustancia alcalina tal como piedra caliza en polvo, o por amasado con hidróxido de calcio o carbonato de calcio finamente dividido. Sin embargo no contienen suficientes minerales de nitrógeno en proteínas o esenciales para funcionar como un pienso completo, y estos necesitan ser añadidos si el producto es para servir a este propósito.

En otra modalidad, 1-8% en peso de la biomasa de un catalizador cuya función es aumentar la separación de la lignina de las fibras de celulosa, tal como dióxido de azufre, peróxido de hidrógeno o un aceite vegetal puede ser introducido inmediatamente antes de o junto con el vapor. El uso de un catalizador permitirá que la presión de tratamiento y tiempo de residencia sean reducidos.

La presión de vapor se puede liberar repentinamente, que es la llamada técnica de "explosión de vapor". Sin embargo, ningún cambio químico es evidente, como se mide por el contenido de componentes solubles en agua y álcali en el vapor de biomasa tratado de la manera descrita en la presente cuando la presión se libera más lentamente, es decir, sin "explosión". Esto está en completo contraste con la enseñanza convencional y es valioso en tanto que permite que más de la energía de vapor se recupere.

Cuando los materiales ligeros tales como pasto o residuos de cultivos anuales se usan como materia prima, es adecuado comprimir éstos libremente, por ejemplo, a gránulos que tengan una densidad aparente de 450-500 kg/m3 con el fin de minimizar la necesidad de vapor por tonelada de biomasa.

Una ventaja específica para el método de esta tecnología es que la lignina se separa de la celulosa y cuando se usa dióxido de azufre como catalizador, se hace soluble en agua a un pH superior a 3 y, posteriormente, puede funcionar como un aglutinante soluble en agua.

Esto es especialmente útil si la biomasa se usa posteriormente como gránulos de pienso después de la adición de otros componentes tales como urea, proteínas, aceites, minerales, etc., para hacer un alimento para animales totalmente compuesto. Aglutinantes tales como estos han demostrado ejercer un efecto positivo sobre la estabilidad de las proteínas en el rumen.

Otra ventaja específica de este método es que el procesamiento en el intervalo preferido de 190-215°C conduce a una hidrólisis parcial de las fibras de celulosa, reduciendo su grado promedio de polimerización y haciéndolas más accesibles para la hidrólisis bacteriana en el rumen y, por lo tanto, aumentando la digestibilidad del pienso. El uso de temperaturas más altas puede arriesgar un aumento en el contenido de furfural .

Una ventaja particular del presente método es que trata biomasa lignocelulósica con vapor de presión media, de tal manera que los componentes de lignina y hemicelulosa, junto con cualesquiera productos extraíbles (resinas, etc.), se hidrolizan de manera que se disuelvan unos en otros, formando una masa fundida que puede representar hasta un 50% o más de la biomasa. Esto permite una separación más completa del polímero de lignina a partir de los haces de fibra de celulosa, mientras que acelera su hidrólisis posterior que mejora la conversión microbiana de la biomasa en el rumen o por organismos celulolíticos .

El uso de vacío tanto seca la biomasa completamente para proporcionar las condiciones adecuadas para la hidrólisis (o quizás solvólisis) como elimina el aire intersticial, de manera que todas las partes de la biomasa se traten de igual manera cuando el vapor sea introducido, garantizando así que la hidrólisis proceda de manera similar a lo largo de la biomasa.

La evacuación del reactor antes de la introducción de vapor conduce a biomasa después de tratamiento con vapor que tiene una composición química diferente en términos de su solubilidad en agua y álcali y en su contenido de materia volátil orgánica tal como furfurales; esto es muy inesperado según la sabiduría convencional y sólo puede ser resultado de la acción de secado al vacío que ha alterado la cinética del proceso de hidrólisis.

Otra ventaja de la evacuación del reactor es que el aire intersticial se elimina de las partículas de pienso garantizando un calentamiento más rápido y homogéneo del conjunto, que puede ser un problema con los métodos convencionales de explosión a vapor. Esto permite que se usen partículas de pienso más grandes, tales como astillas de madera e incluso granulos compactados, por ejemplo, de pasto, mientras que al mismo tiempo elimina la necesidad de energía y molinos de martillo de capital intensivo u otro equipo de reducción de tamaño.

El uso de material compactado tiene la ventaja adicional de reducir la cantidad de vapor requerida por unidad de producción, debido a que el volumen vacío en el reactor es menor debido a la mayor densidad aparente del material compactado. Esto sólo es posible cuando el pre-tratamiento con vacío se emplea para eliminar el aire intersticial y permitir que el vapor penetre la totalidad de la biomasa de manera uniforme. Estos beneficios pueden reducir el vapor requerido por unidad de peso de la materia seca de biomasa por tanto como 25%.

Cuando se usan con biomasa lignocelulósica, los bajos niveles de humedad en el reactor empleados por el método descrito aquí tienen el efecto de convertir la hemicelulosa, lignina, y componentes resinosos de la biomasa en una solución mixta, sacándolos de asociación con las fibras de celulosa y al mismo tiempo aumentando su disponibilidad para el ataque microbiano en el intestino animal. Además, las condiciones específicas empleadas aquí.

Los hidratos de carbono solubles en el material tratado con vapor también permiten que los compuestos de nitrógeno de bajo costo tales como urea, se conviertan rápidamente por los microbios para ser asimilables a la proteína. Sin estas fuentes de carbono fácilmente disponibles, la urea se convertiría en amoniaco y el animal sufriría de envenenamiento por amoniaco.

Además, el grado de deslignificación alcanzado por el método de esta invención produce una celulosa cuya susceptibilidad microbiana se acerca a aquella que de otro modo sólo se consigue mediante blanqueo.

Ejemplo 1 La Tabla 1 abajo muestra que las digestibilidades típicas para el contenido de holocelulosa de maderas duras procesadas por este método son de 70-80% en comparación con el 30-40% en el estado natural; para pastos tales como césped de pradera, que no se considera un forraje para ganado adecuado, esto aumenta a tanto como 85%. 1 Astillas, dimensión más pequeña 10 mm 2 Granulos, 20x8 mm densidad aparente de 500 kg/m3 3 18.7 kg/cm2 manométricos de vapor saturado, 5 minutos de tiempo de residencia 4 80% de vacío durante 1 minuto, 18.7 kg/cm2 manométricos, 4 minutos de tiempo de residencia 5 80% de vacío durante 1 minuto, 18.7 kg/cm2 manométricos, 3 minutos de tiempo de residencia 6 6 x número kappa después de lavado alcalino; 7 De holocelulosa componente en la materia prima Ejemplo 2 Una ventaja particular del método de la presente invención es que los componentes alxfáticos solubles en agua, principalmente ácidos orgánicos e hidratos de carbono formados por hidrólisis funcionan como fuentes de carbono fácilmente disponibles para la conversión microbiana en el intestino de animales de compuestos de nitrógeno de bajo costo, tales como urea en compuestos proteicos que pueden ser asimiladas por el animal. Esto permite que la harina de proteína cara a menudo usada en piensos para animales, por ejemplo, harina de soya, sea reemplazada por completo. Del mismo modo, la alta digestibilidad de la biomasa tratada con vapor le permite sustituir completamente los caros componentes ricos en energía tales como el maíz, a menudo alimentado a los rumiantes .

Esto se ilustra en la Tabla 2 a continuación, en la que se comparan diversos piensos con las mismas propiedades que el pienso para rumiantes recomendado: 1 Añadido para mantener el contenido de fibra 2 Tratado con vapor según el H método en la sección G. 3 De los materiales vegetales superiores Añadido para asegurar suficiente contenido de azúcar soluble para la conversión microbiana de toda la urea en proteína 5 Ejemplo de mezcla de piensos hecha in situ con urea El pienso a base de césped de pradera tratado con vapor no sólo sustituye el maíz y harina de soya, sino también materiales ricos en proteínas como el forraje ensilado de alfalfa. A diferencia del césped de pradera, la alfalfa es susceptible a una serie de enfermedades, sólo puede ser cultivada en zonas bien regadas y es un cultivo relativamente caro. Además, el césped de pradera cultivado para el tratamiento por el método descrito aquí no requiere el uso de herbicidas porque el proceso también convertirá las especies de malezas en forrajes de alto valor.

Las composiciones de piensos para animales elaboradas a partir de biomasa procesada de acuerdo con una modalidad de la presente invención contendrán un compuesto rico en nitrógeno soluble en agua, preferiblemente urea, en la relación de 1 parte en peso de nitrógeno así contenido a entre 18 y 25 partes en peso de los componentes solubles en agua de la biomas .

A partir de la presente descripción, es evidente que la presente invención está bien adaptada para llevar a cabo los objetivos y alcanzar las ventajas mencionadas aquí, así como aquellas inherentes a la invención. Aunque las modalidades actualmente preferidas de la invención se han descrito para los propósitos de esta descripción, se entenderá que numerosos cambios pueden realizarse que serán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica y que se logran dentro del espíritu de la invención descrita y reivindicada en la presente.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la presente invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (7)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un proceso para fabricar piensos a partir de un material de biomasa lignocelulósica, caracterizado porque comprende las etapas de : (a) introducir material de biomasa con un contenido de humedad de menos del 30% a un recipiente de presión; (b) aplicar un vacío al recipiente de presión durante al meno.s un minuto ; (c) introducir vapor en el recipiente de presión para calentar el material hasta un intervalo de temperaturas de entre aproximadamente 190°C y 225°C; (d) mantener la temperatura del material dentro del intervalo de temperaturas durante 1 a 12 minutos; y (e) reducir la presión en el recipiente de presión.

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de humedad del material de biomasa introducido en el recipiente de presión es menor que 15%.

3. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el intervalo de temperaturas es de 190°C a 215°C.

4. El proceso de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la temperatura del material se mantiene dentro del intervalo de temperaturas de dos a ocho minutos.

5. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además la etapa de introducir de uno a ocho por ciento en peso de la biomasa de un catalizador antes de o con la introducción de vapor en el recipiente de presión.

6. El proceso de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el catalizador se selecciona del grupo que consiste en dióxido de azufre, peróxido de hidrógeno y aceite vegetal.

7. Una composición de alimento para animales elaborada a partir de biomasa procesada de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque contiene un compuesto rico en nitrógeno soluble en agua, preferiblemente urea, en la relación de 1 parte en peso de nitrógeno así contenida hasta entre 18 y 25 partes en peso de los componentes alif ticos soluble en agua de la biomasa.