MX2013003102A - Biomasa pretratada que tiene accesibilidad enzimatica potenciada. - Google Patents

Abstract

La presente invención es para una composición de biomasa de azúcares de 5 y carbonos, lignina y celulosa que se ha explotado con vapor y la composición tiene una accesibilidad enzimática muy alta a las 24 horas para hidrólisis.

Description

BIOMASA PRETRATADA QUE TIENE ACCESIBILIDAD ENZIMÁTICA POTENCIADA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención es para el uso de biomasa para hidrolizar en la producción de energía.

Estado de la técnica Se conoce el uso de biomasa en los procesos de etanol de segunda generación. Un proceso típico será pretratar la biomasa con al menos una explosión de vapor, hidrolizar la celulosa en presencia de enzimas y después fermentar el producto resultante a etanol. Una posible preparación de equipamiento de pretratamiento con etapas de proceso conceptuales se describe en el documento WO 2009/108773. Aunque el documento WO 2009/108773 proporciona equipamiento, no proporciona detalles operativos para llevar a cabo o tratar la biomasa.

El centro de la investigación en el pasado ha sido desarrollar o seleccionar mejores enzimas para hidrolizar la celulosa de modo que la etapa de hidrólisis pueda ir más rápida. Sin embargo, se ha realizado muy poco trabajo o investigación sobre el tratamiento de la biomasa de tal manera que sea más accesible a las enzimas. Como se sabe, cuanto más accesible sea el material antes de la hidrólisis, más rápida será la reacción de hidrólisis y menor el uso de enzimas. Existe por lo tanto la necesidad de una materia prima de biomasa que tenga accesibilidad enzimática mayor que las formas previas de las materias primas de biomasa.

Descripción Se describe en la presente memoria descriptiva una composición de biomasa que comprende un sólido, un liquido, una cantidad de azúcares C5 basada en la cantidad de arabinano y xilano y los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el liquido y sólido de la composición, una cantidad de azúcares C6 basada en el contenido de glucano que incluye los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de glucano en el líquido y sólido de la composición y furfural en que la composición se caracteriza adicionalmente por tener una accesibilidad enzimática de 24 horas de al menos 30%.

Se describe además que la relación de la cantidad de azúcares C5 y la cantidad de azúcares C6 es mayor de 0,50 y la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de azúcares C5 y azúcares C6 sumados es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0060.

Se describe además que la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de azúcares C5 y azúcares C6 sumados es mayor de 0 y menor de o igual a 0, 0050 o más preferentemente es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0040; o aún más preferentemente mayor de 0 y menor de o igual a 0,0030 o más preferentemente mayor de 0 y menor de o igual a 0,0016.

Se describe además que la cantidad de los sólidos en la composición están en el intervalo del 11 al 99% en peso de la composición; o más preferentemente en el intervalo del 14 al 99% en peso de la composición; o aún más preferentemente en el intervalo del "16 al 99% en peso de la composición, con los intervalos más preferidos del 19 al 99% en peso de la composición, 21 al 99% en peso de la composición, 24 al 99% en peso de la composición, 26 al 99% en peso de la composición, 29 al 99% en peso de la composición, 31 al 99% en peso de la composición, 36 al 99% en peso de la composición y 41 a 199% en peso de la composición.

Descripción detallada de la invención La biomasa vegetal es una materia prima preferida para procesos de fermentación. Se proporcionan posteriormente las materias primas preferidas para realizar la corriente altamente accesible a enzimas.

Aparte del almidón, los tres constituyentes principales de la biomasa vegetal son celulosa, hemicelulosa y lignina, que se denominan habitualmente por el término genérico lignocelulosa . Las biomasas que contienen polisacáridos como un término genérico incluyen biomasas tanto de almidón' como lignocelulósicas . Por lo tanto, algunos tipos de materias primas pueden ser biomasa vegetal, biomasa que contiene polisacáridos y biomasa lignocelulósica .

Si la biomasa es una biomasa que contiene polisacáridos y es lignocelulósica, se usa con frecuencia un pretratamiento para asegurar que la estructura del contenido lignocelulósico se hace más accesible a las enzimas, y al mismo tiempo las concentraciones de productos secundarios inhibidores perjudiciales tales como ácido acético, furfural e hidroximetil furfural permanecen sustancialmente bajas.

Las biomasas que contienen polisacáridos de acuerdo con la presente invención incluyen cualquier material que contenga azúcares- poliméricos, por ejemplo, en forma de almidón asi como almidón refinado, celulosa y hemicelulosa .

Los tipos relevantes de biomasas para hidrólisis y mezcla de acuerdo con la presente invención pueden incluir biomasas derivadas de cultivos agrícolas tales como, por ejemplo: almidón, por ejemplo granos que contienen almidón y almidón refinado; hojas y troncos de maíz, bagazo, paja, por ejemplo de arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo; madera blanda, por e emplo Pinus sylvestris, Pinus radíate; madera dura, por ejemplo Salix spp. Eucalyptus spp.; tubérculos, por ejemplo remolacha, patata, cereales de, por ejemplo, arroz, trigo, centeno, avena, cebada, colza, sorgo y maíz; papel residual, fracciones de fibras del procesamiento de biogás, estiércol, restos del procesamiento de aceite de palma, restos sólidos municipales o similares con un contenido de materia seca similar.

La materia prima de biomasa lignocelulósica es preferentemente de la familia habitualmente llamada hierbas. El nombre apropiado es la familia conocida como Poaceae o Gramineae en la clase Liliopsida (las monocotiledóneas ) de las plantas con flor. Las plantas de esta familia se llaman habitualmente hierbas, o, para distinguirlas de otras gramíneas, hierbas verdaderas. También se incluye el bambú. Hay aproximadamente 600 géneros y en torno a 9.000-10.000 o más especies de hierbas (Kew Index of World Grass Species).

Poaceae incluye los granos alimentarios y cultivos de cereales básicos cultivados por todo el mundo, hierbas de césped y forra e, y bambú. Las Poaceae generalmente tienen tallos huecos llamados cañas, que están taponados (sólidos) a intervalos llamados nudos, los puntos a lo largo de la caña en los que surgen hojas. Las hojas de hierba son habitualmente alternas, dísticas (en un plano) o en pocas ocasiones espirales, y de venas paralelas. Cada ho a se diferencia en una vaina inferior que abraza al tallo durante una distancia y un limbo con márgenes habitualmente enteros.

Los limbos de las hojas de muchas hierbas se endurecen con fitolitos de sílice, lo que ayuda a desalentar a animales que pastan. En algunas hierbas (tales como hierbas espada) esto hace los bordes de los limbos de la hierba suficientemente afilados para cortar la piel humana. En el punto de unión entre la vaina y el limbo hay un apéndice membranoso o franja de pelos, llamada la lígula, que evita que el agua o los insectos penetren en la vaina.

Los limbos de hierba crecen en la base del limbo y no a partir de puntas' de tallos elongadas. Este punto de crecimiento bajo evolucionó en respuesta a animales que pastan y permite el pastoreo o la siega regular de las hierbas sin dañar gravemente a la planta.

Las flores de Poaceae se disponen característicamente en espiguillas, teniendo cada espiguilla una o más florecillas (las espiguillas se agrupan adicionalmente en panículas o espigas). Una espiguilla consiste en dos (o en ocasiones menos) brácteas en la base, llamadas glumas, seguidas de una o más florecillas. Una florecilla consiste en la flor rodeada de dos brácteas llamadas la lema (la externa) y la palea (la interna). Las flores son habitualmente hermafroditas (el maíz, monoico, es una excepción) y la polinización es casi siempre anemófila. El periantio se reduce a dos escamas, llamadas lodículos, que se expanden y contraen para expandir la lema y la palea; se interpreta generalmente que estos son sépalos modificados.

El fruto de las Poaceae es una cariopsis en la que la envoltura de la semilla está fusionada con la pared del fruto y, por lo tanto, no puede separarse de él (como en un grano de maiz ) .

Hay tres clasificaciones generales de hábitos de crecimiento presentes, en hierbas; tipo racimo (también llamado cespitoso), estolonifero y rizomatoso.

El éxito de las hierbas se debe en parte a su morfología y procesos de crecimiento, y en parte a su diversidad fisiológica. La mayoría de' las hierbas se dividen en dos grupos fisiológicos, que usan las rutas fotosintéticas C3 y C4 para la fijación del carbono. Las hierbas C4 tienen una ruta fotosintética ligada a la anatomía de hojas de Kranz especializada que las adapta particularmente a climas cálidos y una atmósfera ba a en dióxido de carbono.

Las hierbas C3 se denominan "hierbas de temporada fría" mientras que las plantas C4 se consideran "hierbas de temporada cálida". Las hierbas pueden ser anuales o perennes. Los ejemplos de temporada fría anuales son trigo, centeno, poa anual (espiguilla, Poa annua y avena). Son ejemplos de temporada fría perennes pasto ovillo (dáctilo, Dactylis glomerata), festuca (Festuca spp) , poa de los prados y ballico inglés (Lolium perenne) . Son ejemplos de temporada cálida anuales el maíz, hierba de Sudán y mijo perla,. Son ejemplos de temporada cálida perennes Andropogon gerardii, Sorghastrum nutans, pasto bermuda y pasto varilla.

Una clasificación de la familia de las hierbas reconoce doce subfamilias: Estas son 1) Anomochlooideae, un linaje pequeño de hierbas de hoja ancha que incluye dos géneros (Anomochloa, Streptochaeta ) , 2) Pharoideae, un linaje pequeño de hierbas que incluye tres géneros, incluyendo Pharus y Leptaspis, 3) Puelioideae, un linaje pequeño que incluye el género africano Puelia, 4) Pooideae que incluye trigo, cebada, avena, bromo (Bromus) y hierbas cinta ( Calamagrostis ) ; 5) Bambusoideae, que incluye bambú, 6) Ehrhartoideae, que incluye arroz y arroz silvestre; 7) Arundinoideae, que incluye la caña común y el carrizo; 8) Centothecoideae, una subfamilia pequeña de 11 géneros que en ocasiones se incluye en Panicoideae; 9) Chloridoideae, que incluye las Eragrostis (Eragrostis, aproximadamente 350 especies, incluyendo tef), Sporobolus (Sporobolus, aproximadamente 160 especies), mijo de dedo (Eleusine coracana (L. ) Gaertn), y las hierbas Muhlenbergia (Muhlenbergia , aproximadamente 175 especies); 10) Panicoideae que incluye almorejo, maíz, sorgo, caña de azúcar, la mayoría de los mijos, mijo fonio y hierbas Schizachyrium, 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, incluyendo hierba de las pampas; con Poa, que es un género de aproximadamente 500 especies de hierbas, nativo de las regiones templadas de ambos hemisferios.

Las hierbas agrícolas cultivadas ¦ por sus semillas comestibles se llaman cereales. Tres cereales comunes son el arroz, el trigo y el maíz. De todos los cultivos, el 70% son hierbas. La caña de azúcar es la principal fuente de producción de azúcar. Las hierbas se usan para construcción. El andamiaje hecho de bambú es capaz de resistir vientos de fuerza tifónica que romperían andamiajes de acero. Los bambúes más grandes y Arundo donax tienen cañas robustas que pueden usarse de forma similar a la madera, y las raíces de las hierbas estabilizan el tepe de casas de tepe. Se usa Arundo para hacer lengüetas para instrumentos de viento de madera, y se usa bambú para innumerables herramientas.

Por lo tanto se selecciona una biomasa lignocelulósica preferida del grupo que consiste en las hierbas. Dicho de forma alternativa, la biomasa lignocelulósica preferida se selecciona del grupo que consiste en las plantas que pertenecen a la familia Poaceae o Gramineae.

Si las biomasas que contienen polisacáridos son lignocelulósicas , el material puede cortarse en trozos en los que el 20% (p/p) de la biomasa preferentemente varía entre 26 y 70 mm, antes del pretratamiento . El material pretratado tiene preferentemente un contenido de materia seca por encima del 20% antes de entrar en el proceso. Además de liberar los carbohidratos de la biomasa, el proceso de pretratamiento esteriliza y disuelve parcialmente la biomasa y al mismo tiempo retira por lavado el cloruro potásico de la fracción de lignina.

La biomasa contendrá algunos compuestos que son hidrolizables en una especie soluble en agua que puede obtenerse de la hidrólisis de la biomasa. Por ejemplo, la celulosa puede hidrolizarse en glucosa, celobiosa y polímeros de glucosa - superiores e incluye dímeros y oligómeros. La celulosa se hidroliza en glucosa por las celulasas carbohidroliticas . El entendimiento prevalente del sistema celulolitico divide las celulasas en tres clases; ß??-1,4-ß-D-glucanasas o celobiohidrolasas (CBH) ( EC 3.2.1.91), que escinden unidades de celobiosa de los extremos de las cadenas de celulosa; endo-1, -p-D-glucanasas (EG) (EC 3.2.1.4), que hidrolizan enlaces internos ß-1,4- glucosidicos de forma aleatoria en la cadena de celulosa; 1 , 4 -ß-D-glucosidasa (EC 3,2. 1,21), que hidroliza celobiosa a glucosa y también escinde unidades de glucosa de celooligosacáridos . Por lo tanto, si la biomasa contiene celulosa, entonces la glucosa es una especie hidrolizada soluble en agua que puede obtenerse de la hidrólisis de la biomasa.

Por análisis similar, los productos de hidrólisis de hemicelulosa son especies solubles en agua que pueden obtenerse de la hidrólisis de la biomasa, asumiendo, por supuesto, que la biomasa contiene hemicelulosa. La hemicelulosa incluye xilano, glucuronoxilano, arabinoxilano, glucomanano y xiloglucano. Se liberan los diferentes azúcares en hemicelulosa por las hemicelulasas . El sistema hemicelulítico es más complejo que el sistema celulolitico debido a la naturaleza heteróloga de la hemicelulosa. Los sistemas pueden implicar entre otros, endo-l , -ß-D-xilanasas ( EC 3.2.1.8), que hidrolizan enlaces internos en la cadena de xilano; 1 , 4-p-D-xilosidasas (EC 3.2.1.37), que atacan a xilooligosacáridos del extremo no reductor y liberan xilosa; endo-l, 4-p-D-mananasas (EC 3.2.1.78), que escinden enlaces internos; 1 , 4 -ß-D-manosidasas (EC 3.2.1.25 ), que escinden mannooligosacáridos a mañosa. Los grupos laterales se retiran por varias enzimas, tales como cc-D-galactosidasas ( EC 3.2.1.22), a-L-arabinofuranosidasas (EC 3.2.1.55), -D-glucuronidasas- ( EC 3.2.1.139), cinamoil esterasas (EC 3.1.1-.), acetil xilán esterasas (EC 3.1.1.6) y feruloil esterasas (EC 3.1.1.73) .

La composición de la biomasa pretratada accesible comprenderá un líquido y un sólido y puede caracterizarse basándose en sus cantidades de C5, C6, furfural y accesibilidad enzimática.

Los C5 totales en la composición es la suma de arabinano y xilano en la composición que incluye los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el líquido y sólido de la composición.

Los C6 totales en la composición es el contenido de glucano que incluye los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de glucosa en el líquido y sólido.

Como se conoce en la bibliografía, una biomasa explotada con vapor típica tendrá una relación de furfural y [C5 + C6] x 10000 de al menos 50, con una relación de C5 y C6 mayor de 0,55. Como se muestra en las corrientes experimentales, el proceso descrito en el presente documento es capaz de producir un producto explotado por vapor con un contenido de furfural mayor de 0, que siempre está presente, pero que tiene una relación de furfural y (C5+C6) x 10000 de menos de 60. Por lo tanto se contempla una composición que tenga una relación de C5 y C6 en el intervalo de 0,45 a 0,54, y una relación de furfural y [C5 + C6] x 10000 entre 0 y 60, o más preferentemente 0 y 50, o más preferentemente 0 y 3:0.

Puede caracterizarse que las composiciones de la explosión de vapor tienen siempre furfural y tienen una relación de C5 y C6 menor de 0,45 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 40, o más preferentemente, una relación de C5 y C6 menor de 0,45 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 15, o más preferentemente la relación de C5 y C6 menor de 0,45 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos 10; o más preferentemente una relación de C5 y C6 menor de 0,40 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 40, o aún más preferentemente una relación de C5 y C6 menor de 0,40 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 9, la relación de C5 y C6 menor de 0,35 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 10, o aún más preferentemente, la relación de C5 y C6 menor de 0,30 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 7.

La composición de la parte liquida de la corriente es única y puede describirse que siempre tiene furfural y que tiene una relación de C5 y C6 mayor que 4,0 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 80, o más preferentemente una relación de C5 y C6 mayor de 4,0 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 60, o aún más preferentemente una relación de C5 y C6 mayor de 4,0 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 30, o el intervalo más amplio de una relación de C5 y C6 mayor de 3,0 y una relación de furfural y (C5 + C6) x 10000 de menos de 160.

La composición se caracteriza además por su accesibilidad enzimática. Después del pretratamiento, del cual la explosión de vapor es habitualmente la última etapa, la composición de biomasa se envía a una etapa de hidrólisis para reducir la viscosidad despolimerizando la celulosa. Esto se realiza típicamente en presencia de enzimas. Cuanto más rápida sea la reacción, más accesibles serán los materiales celulósicos a las enzimas, de ahí el término accesibilidad enzimática .

En el proceso de hidrólisis, la accesibilidad enzimática es la medida de lo rápido que una enzima convencional puede hidrolizar los componentes celulósicos. La accesibilidad enzimática se expresa como un porcentaje de la cantidad total de celulosa que se convierte en una cantidad de tiempo establecida.

En composiciones de biomasa típicas la accesibilidad enzimática es del 90% a aproximadamente 72 horas. Esto significa que se tardó aproximadamente 72 horas en hidrolizar el 90% del material celulósico disponible total. Una mayor accesibilidad enzimática significa que se convierten más materiales de celulosa en una cantidad de tiempo más corta. La accesibilidad enzimática también puede expresarse como un porcentaje en una unidad de tiempo. Por ejemplo, una accesibilidad enzimática del 50% a las 24 horas significa que se ha convertido el 50% de la celulosa disponible a las 24 horas. Esto también puede expresarse como 50% de accesibilidad enzimática a las 24 horas o una accesibilidad enzimática de 24 horas del 50%.

La frases accesibilidad enzimática de al menos 30% a las 24 horas, al menos 30% de accesibilidad enzimática a las 24 horas, una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos 30% significan todas que se ha convertido del 30% al 100% de la celulosa a las 24 horas.

Se desconoce por qué la composición inventada tiene una accesibilidad enzimática tan alta, pero se cree que la longitud de la explosión de vapor en relación con el diámetro de la válvula crea los números de accesibilidad mayores.

Como se demuestra en la sección experimental, la accesibilidad enzimática de este material es tal que a las 24 horas se ha hidrolizado al menos el 30% de la celulosa. Una composición preferida tendrá una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 50%, teniendo una composición más preferida una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 61%, teniendo otra composición preferida una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 71%, teniendo otra composición preferida una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 75%, tendiendo otra composición preferida una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 81%, tendiendo otra composición preferida una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos el 91%, teniendo la composición más preferida una accesibilidad' enzimática a las 24 horas de al menos el 90%. Todas las mediciones de accesibilidad enzimática a las 24 horas se realizan usando la cantidad de enzima equivalente a 30 UPF/q de qlucanos.

Las composiciones se realizaron de la siquiente manera usando equipamiento disponible en qeneral de Andritz Inc., Glen Falls, NY, Estados Unidos.

Como se detalla en la sección experimental, la materia prima del material de biomasa celulósica usado fue la identificada en la tabla experimental. A no ser que se indique de otro modo, la materia prima se introdujo continuamente a un primer reactor presurizado. La materia prima de biomasa celulósica se trató añadiendo vapor a una tasa de la cantidad indicada de vapor a una presión y temperatura como se indica para disolver e hidrolizar la hemicelulosa, que es principalmente C5. El vapor liquido comprendía hemicelulosa disuelta, C5 y C6 amorfos y se extrajeron productos secundarios de hidrólisis como un líquido del reactor presurizado.

Los ejemplos de productos secundarios de azúcares C5 que se retiraron como un licor de la materia prima en el reactor incluyen: aldehidos (HMF, furfural y formaldehído ) , fenólicos monoméricos (vainillina y coni ferilaldehído ) y ácidos (tales como ácido acético y ácido fórmico). Después de la retirada de. la hemicelulosa disuelta del primer reactor, la materia prima restante se descargó del primer reactor a un sellante o extracción. La materia prima permaneció presurizada y se transfirió del primer reactor mediante un husillo de expulsión a un tornillo de purga en un Impressafiner® Andritz (MSD) . El Impressafiner aumentó la presión aplicada a la materia prima a un nivel por encima de la presión en el primer reactor y a un nivel adecuado para la explosión de vapor y también retiró más liquido a medida que aumentaba la presión .

El reactor de explosión de vapor se realizó como se indica para infundir agua en la materia prima. Después de mantener la materia prima en el tiempo indicado, la materia prima se descargó del reactor de explosión de vapor a través de un reductor de 10 mm seguido de paso a través de una válvula de escape de 25 mm de diámetro a una línea de escape de 15 mm que tiene una longitud de 5 m antes de exponerse a la atmósfera en un frasco de recogida grande. La válvula de escape se abrió a los porcentajes indicados.

La descarga se realizó como sigue: la presión de la materia prima en la descarga del reactor de explosión de vapor fue como se indica y se redujo drásticamente a presión atmosférica pasando la materia prima a través de una válvula de escape unida al reactor de explosión de vapor. La caída de presión a través de la válvula de escape fue la caída de presión indicada. La conversión a vapor del agua en las células de la materia prima creó una explosión de trituración de las células en la materia prima de biomasa celulósica.

La presión de la materia prima en la descarga del reactor de explosión de vapor fue como se ha indicado y la presión se redujo a presión atmosférica.

Experimentos El objetivo de estos experimentos fue producir, por un tratamiento físico-químico ("pretratamiento" ) , un material que pudiera después convertirse a bioetanol por hidrólisis enzimática y fermentación. El material (en lo sucesivo llamado "pretratado" ) tiene que cumplir diversos requisitos. Por lo tanto, desde el punto de vista químico, tiene que contener la mayor cantidad posible de azúcares C5 y C6 fermentables, calculada en el material de partida (materia prima). Desde el punto de vista físico, la biomasa tiene que desestructurarse en el pretratamiento destruyendo la intrincada red de hemicelulosa y lignina que obstaculiza el acceso de las enzimas a la celulosa para despolimeri zar .

La eficacia del pretratamiento se evalúa basándose en ambos de estos aspectos. Con respecto al efecto químico, los datos enumerados posteriormente muestran los parámetros típicos para el producto obtenido, concretamente la cantidad de azúcares C5 y C6 en él y la cantidad de furfural, formado en él como el principal producto de degradación.

Por el contrario, el efecto físico se evalúa solamente de forma indirecta, concretamente determinando la "accesibilidad enzimática", es decir, lo accesibles que son los glucanos presentes en el sólido pretratado a enzimas en condiciones convencionales.

Para comparación, los datos enumerados posteriormente también incluyen los parámetros correspondientes determinados en algunos experimentos realizados de forma externa.

Aparatos usados El pretratamiento se lleva a cabo en dos tipos de aparatos diferentes, uno que actúa de forma discontinua y el otro de forma continua.

El aparato usado para el método discontinuo es un reactor aislado con una capacidad de 10 dm3, que está conectado con un frasco de expansión de 600 dm3 por una tubería que podría cerrarse con la ayuda de una válvula esférica. El reactor tiene una entrada para la biomasa en la parte superior y con dos entradas de vapor, también localizadas en la parte superior. El vapor introducido en el reactor se regula a partir de un panel de control, por medio de un accionador neumático. La presión del vapor se regula por una válvula manual pero se mantuvo baja. El reactor también está equipado con una apertura equipada con una válvula de mariposa. Esta última está regulada con la ayuda de una llave operada manualmente. Finalmente, el reactor también tiene una entrada para aire comprimido, que también se regula manualmente. Por otro lado, el frasco de expansión mencionado anteriormente está conectado con el exterior por un tubo de ventilación y está equipado con un tabique localizado en su superficie interna para dirigir la biomasa que viene del reactor maximizando el tiempo de contacto con la chaqueta de enfriamiento en el exterior. La biomasa tratada se descarga a través del orificio de salida en la parte inferior, que puede cerrarse con una válvula de puerta deslizante. El equipamiento también incluye una prensa manual, que puede generar una presión , de 30 MPa y que se usa para retirar la fase liquida del sólido después del pretratamiento .

El aparato usado para el método continuo es esencialmente el mismo que se describe en la Solicitud de Patente Internacional WO 2009/108773. La versión actual comprende una sección para la introducción de la biomasa a través de una cámara de presión, flanqueada por dos válvulas esféricas. La biomasa se introduce desde esta cámara en un reactor vertical (Reactor 1), que se mantiene a la presión requerida introduciendo en él vapor. Después del tratamiento, la biomasa se descarga con la ayuda de un tornillo transportador localizado en el fondo del reactor. Este primer tornillo transportador está conectado con un segundo tornillo transportador inclinado, que se usa para eliminar el liquido que viene de la condensación del vapor que puede haberse debido al lavado del material con agua. Corriente abajo de esta sección, la biomasa se pasa a un tornillo transportador llamado "MSD Impressafiner" adquirido de Andritz AG, que se opera a una tasa de compresión alta. Este dispositivo se usa para formar un tapón de material, necesario para separar la región corriente arriba de la corriente abajo, que puede estar a una presión diferente. Además, también puede efectuarse aqui una retirada adicional del liquido. La sección que queda corriente abajo del MSD Impressafiner comprende dos transportadores de tornillo, el primero de los cuales se llama Reactor 2. La válvula de descarga automática equipada al final de estos transportadores de tornillo está conectada con una tubería, llamado la "línea de despresurización", que crea una descompresión instantánea. La biomasa se pasa finalmente a un ciclón, en que se retiran los componentes volátiles y el exceso de vapor.

Los líquidos que se han retirado se recogen en dos tanques separados, opcionalmente mantenidos a presión para posible reciclaje.

La hidrólisis enzimática en sí misma se ha llevado a cabo en fermentadores a escala de laboratorio Infors de 3, 6 litros. Estos reactores se equipan con una chaqueta, y la temperatura en ellos se regula basándose en la indicación de un sensor equipado dentro de ellos. El pH se determina con la ayuda de una sonda, que acciona dos bombas peristálticas para la adición de un ácido y una base, respectivamente. Los biorreactores se equipan con agitadores de eje rotatorio conectados a dos turbinas Pelton.

Materiales usados Los experimentos se llevan a cabo con dos tipos de biomasa -de materia prima, una de Arundo donax, y la otra de fibra de sorgo, cuyas composiciones son como sigue.

Tabla 1 - Composición de los materiales de partida La composición de la biomasa se ha determinado por los siguientes métodos analíticos convencionales.

Determinación de carbohidratos estructurales y lignina en la biomasa Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP) , publicado el 25-4-2008 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42618, revisado en abril de 2008 [NREL = Laboratorio de Energía Renovable Nacional] Determinación de los extractivos en la biomasa Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP) , presentado el 17-7-2005 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42619 de enero de 2008 Preparación de las muestras para la determinación de la composición Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP), publicado el 28-9-2005 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42620 de enero de 2008 Determinación de los sólidos totales en la biomasa y los sólidos disueltos totales en las muestras liquidas obtenidas Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP) , publicado el 31-3-2008 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42621 , revisado en marzo de 2008 Determinación del contenido de ceniza de la biomasa Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP), publicado el 17-7-2005 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42622 de enero de 2008 Determinación de azúcares, productos secundarios y productos de degradación en la fase líquida obtenida Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP), publicado el 8-12-2006 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42623 de enero de 2008 Determinación de los sólidos insolubles en la biomasa pretratada Procedimiento Analítico de Laboratorio (LAP), publicado el 21-3-2008 Véase Informe Técnico NREL/TP-510-42627 de marzo de 2008.

El cóctel de enzimas usado para determinar la accesibilidad de la biomasa a las enzimas durante la hidrólisis enzimática tiene la siguiente composición en todos os experimentos .

El complejo de celulasa es una preparación enzimática que cataliza la descomposición de celulosa en glucosa, celobiosa y oligómeros de glucosa con un peso molecular mayor.

Las soluciones de xilanasa y hemicelulasa catalizan principalmente la despolimerización de hemicelulosa en sus constituyentes en forma de azúcares sencillos u oligoméricos , pero también tienen algunas otras actividades catalíticas en un menor grado.

El "complejo enzimático" es una solución enzimática que actúa en diversos carbohidratos y mejora la actividad de la solución global preparada con él.

El cóctel enzimático tiene las siguientes características de actividad.

Las diversas unidades de actividad enzimática se definen como sigue.

La unidad de papel de filtro' (UPF) se determina y se define como se describe en el Procedimiento Analítico de Laboratorio de NREL (véase Informe Técnico N° NREL/TP-510-42628 de enero de 2008) . En este método, que implica el uso de un patrón industrial, la actividad celulasa se determina en unidades de papel de filtro (UPF) por mililitro de la solución enzimática original (no diluida) . Para obtener resultados cuantitativos, las preparaciones enzimáticas deben compararse basándose en una conversión que es tanto significativa como idéntica. Para una enzima dada, 1 UPF es la cantidad de enzima que se necesita para liberar 2,0 mg de azúcares reductores (medidos como glucosa) de 50 mg de papel de filtro hatman N° 1 (conversión: 4%) en 60 minutos a 50 °C. Se ha definido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) como la intersección para calcular el valor de UPF.

La actividad xilanasa se determina en términos de UXF en relación con una enzima patrón con una actividad conocida. El resultado obtenido por una determinación espectro fotométrica llevada a cabo en el líquido sobrenadante como s,e describe posteriormente se compara con la curva patrón obtenida de la muestra de referencia.

Para esta determinación, las muestras de xilanasa se incuban con un sustrato que consiste en arabino xilanos extraídos de trigo teñido con Remazol. El sustrato no convertido se precipita con etanol . La intensidad del color azul que los productos de degradación en el sustrato no precipitado transmiten al líquido sobrenadante es proporcional a la actividad xilanasa, pero el perfil del color puede variar de una enzima a la siguiente. w Actividad dé la muestra [UXF lg )= ' J C F D en que • C es la actividad enzimática leída de la curva patrón en UXF/ml • F es el volumen de la muestra en mi • D es la dilución posterior de la muestra (por ejemplo, segunda o tercera dilución) y • P es el peso de la muestra en g.

Una unidad de FBG es la cantidad de enzima que libera una cantidad de glucosa (o carbohidratos reductores) con una capacidad reductora equivalente a 1 mol de glucosa por minuto en un procedimiento convencional llevado a cabo por el método de Somogyi-Nelson descrito posteriormente.

Condiciones de reacción convencionales: • La muestra debería diluirse a una actividad de 0,02-10 FBG/ml • Sustrato: 0,5% de beta-glucanos • Temperatura: 30 °C pH: 5,0 • Tiempo de reacción: 30 minutos La beta glucanasa fúngica reacciona con beta-glucanos, formando glucosa o reduciendo carbohidratos.

El pH se ha mantenido a un valor de aproximadamente 5 con la ayuda de un sistema de ajuste automático usando una solución acuosa de H2S04 1 M y una solución acuosa de NaOH 1 M para fines de corrección.

Procedimiento del método de ensayo Se preparan en primer lugar una cierta cantidad de biomasa seca y después se trata con agua a temperatura ambiente para ajustar su contenido de humedad al nivel requerido. En las condiciones usadas, el agua se absorbe por la biomasa en lugar de estar presente en la forma libre.

Proceso discontinuo (llevado a cabo en el Aparato 1) En este caso, el pretratamiento consiste en dos etapas sucesivas. En la primera, el reactor se carga con una cierta cantidad de biomasa mientras que la válvula de entrada de vapor se mantiene cerrada. Esta cantidad es de aproximadamente 1,5 kg, calculada basándose en materia seca.

El vapor se pasa después al reactor hasta que se alcanza la temperatura y presión requeridas para asegurar la saturación. Cuando se ha alcanzado el punto establecido, el sistema se mantiene en condiciones fijas durante un tiempo predeterminado t. Después se libera lentamente la presión y se recupera la biomasa. Las fases sólida y liquida formadas se separan por compresión de la biomasa en una prensa operada a una presión de 30 MPa. La fase sólida se usa en la segunda etapa del proceso, para un nuevo ciclo de actuación en el mismo reactor. Esta etapa se lleva a cabo como anteriormente, excepto que en este caso la presión no se libera lentamente a través del orificio, sino instantáneamente abriendo completamente la "válvula de explosión de vapor". El material por lo tanto se expande en el tanque y los componentes volátiles y el exceso de agua se expulsan. El material obtenido en este pretratamiento se pasa después a un biorreactor de escala de laboratorio para- hidrólisis enzimática, que se lleva a cabo en las siguientes condiciones : T = 45 °C Velocidad de agitador = 300 rpm pH = 5 Contenido de materia seca = 7,5% p T = 24 horas.

La cantidad de glucosa liberada en el material se determina por- el método descrito anteriormente, y el valor obtenido se usa para calcular el rendimiento con la ayuda de la siguiente ecuación: CgteB^ ft-^s) (Ec. 1) en que Yglucosa, 24 horas es el rendimiento de glucosa después de 24 horas, calculado en la cantidad solubilizable total; Cglucosa, 24 horas es la concentración de glucosa en la fase liquida después de 24 horas; WIS es la cantidad de sólidos no solubilizados después de 24 horas, calculada en % en peso sobre el peso total; pliquido es la densidad de la fase líquida; pglucanos, 0 horas es el peso de los glucanos en el momento t = 0, calculado sobre el peso total; y 1,111 es un factor que incorpora la diferencia entre el peso molecular de la glucosa (180 g/mol) y el de los glucanos (162 g/mol) .

Proceso continuo (llevado a cabo en el Aparato 2) En este caso, el material se pasa en primer lugar a la cámara de presión de una manera semicontinua , usando la velocidad de alimentación requerida. Cuando se ha alcanzado la presión requerida, la biomasa se introduce en el reactor 1. El tiempo de residencia allí depende de la acumulación previa, y . el vapor se pasa opcionalmente para compensar cualquier pérdida de calor. Después el material se pasa en primer lugar al tornillo transportador de descarga y después al tornillo transportador inclinado, cuando se retira la primera parte del exceso de liquido. El material se pasa después al MSD Impressafiner, en que se retira más liquido de él comprimiéndolo.. A partir de aquí la biomasa se transfiere al Reactor 2 a través del tapón de material mencionado anteriormente. La temperatura y presión requeridas pueden obtenerse en este reactor introduciendo vapor en él según sea necesario. El material se transfiere después a la linea de despresuri zación por el último tornillo t ansportador. La descompresión que tiene lugar aquí reduce la presión al valor predominante en el ciclón. Esta linea de despresuri zación tiene una longitud de aproximadamente 6 metros y un diámetro interno de aproximadamente 25 mm (1 pulgada).

La válvula que controla esta operación puede abrirse de diferentes maneras: notablemente se puede dejar abierta hasta un cierto grado todo el tiempo, o puede mantenerse cerrada durante un cierto periodo de tiempo y después abrirse en un cierto grado durante el siguiente periodo.

El material obtenido se somete después a la misma hidrólisis enzimática y análisis que en el caso del método discontinuo .

Condiciones y resultados experimentales El proceso continuo se lleva a cabo 8 veces, y el proceso discontinuo dos veces, usando el procedimiento apropiado descrito anteriormente en ambos casos. Para comparación, la tabla siguiente también incluye los datos correspondientes a otros dos experimentos, que se realizaron en una planta que comprendía solamente un reactor de explosión de vapor, concretamente en una planta ENEA localizada en Trisaia.

Los datos enumerados en las siguientes tablas dan las condiciones experimentales y los resultados obtenidos tanto para la composición de la biomasa como para su accesibilidad a las enzimas usadas.

,La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos en todos los experimentos. Los experimentos 1-8 se llevaron a cabo por el proceso continuo en el Aparato 2, y los experimentos 9 y 10 se llevaron a cabo por el proceso discontinuo usando el Aparato 1. Los experimentos 11 y 12 se llevaron a cabo en la planta ENEA, que comprende solamente un reactor con un tornillo transportador y con una explosión final.

La Tabla 3 muestra la composición del material obtenido al final del pretratamiento con respecto a la cantidad de azúcares C6 y C5, calculada como materia seca, y furfural junto con la relación entre estos componentes. o s o O o ( 5 10 Tabla 2 - Condiciones experimentales y accesibilidad enzimática conseguida Tabla 3 - Composición de la biomasa después dé la explosión inducida por vapor

Claims (17)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES

1. - Composición de biomasa que comprende un sólido, un liquido, una cantidad de C5 basada en la cantidad de arabinano y xilano y los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de arabinosa y xilosa en el líquido y sólido de la composición, una cantidad de C6 basada en la cantidad de glucano que incluye los monómeros, dimeros, oligómeros y polímeros de glucano en el líquido y sólido de la composición y furfural caracterizada por que la composición se caracteriza adicionalmente con una accesibilidad enzimática a las 24 horas de al menos 30%.

2. - Composición según la reivindicación 1, caracterizada por que la relación de la cantidad de C5 y la cantidad de C6 es mayor de 0,50 y la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de C5 y C6 sumadas es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0060.

3. - Composición según la reivindicación 1, caracterizada por que la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de C5 y C6 sumadas es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0050.

4. - Composición de la reivindicación 1, caracterizada por que la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de C5 y C6 sumadas es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0040.

5. - Composición de la reivindicación 1, caracterizada por que la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de C5 y C6 sumadas es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0030.

6. - Composición de la reivindicación 1, caracterizada por que la relación de la cantidad del furfural y la cantidad de C5 y C6 sumadas es mayor de 0 y menor de o igual a 0,0016.

7. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 11 a 99% en peso de la composición .

8. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 14 a 99% en peso de la composición .

9. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 16 a 99% en peso de la composición .

10. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 19 a 99% en peso de la composición .

11.- Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 21 a 99% en peso de la composición .

12.- Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 24 a 99% en peso de la composición .

13. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 26 a 99% en peso de la composición .

14. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 29 a 99% en peso de la composición .

15. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 31 a 99% en peso de la composición.

16. - Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 36 a 99% en peso de la composición .

17.- Composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que la cantidad de los sólidos en la composición está en el intervalo de 41 a 99% en peso de la composición .