MX2014007581A - Procesamiento de biomasa. - Google Patents

Abstract

Fructosa, por ejemplo se utiliza una fructosa derivada de un material celulósico o lignocelulósico, por ejemplo, fermentado para producir un producto, por ejemplo, un solvente.

Description

PROCESAMIENTO DE BIOMASA REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud considera el beneficio de la Solicitud Provisional de los E.U. No. 61/579,559, presentada el 22 de diciembre del 2011. La descripción completa de la solicitud anterior se incorpora en el presente documento por referencia.

CAMPO DE LA DESCRIPCIÓN La invención se relaciona a los métodos de convertir la biomasa en productos útiles. En particular, las invenciones se relacionan a la producción de productos, tales como el butanol de azúcares, tales como la fructuosa.

ANTECEDENTES Ya que hay demanda por el aumento de petróleo, también hay el interés en materias primas renovables para la fabricación de biocorabustibles y bioquímicos. El uso de la biomasa lignocelulósica como una materia prima para tales procesos de fabricación se ha estudiado desde la década de 1970. La biomasa lignocelulósica es atractiva porque es abundante, renovable, producida domésticamente, y no compite con los usos de la industria alimentaria.

Muchas materias primas lignocelulósicas potenciales están disponibles hoy en día, incluyendo residuos agrícolas, biomasa forestal, residuos urbanos, oleaginosas/tortas y algas, por nombrar algunas. Actualmente estos materiales se utilizan también como alimento para animales, los materiales de biocomposta se queman en una instalación de congeneración o se depositan en vertederos.

La biomasa lignocelulósico es recalcitrante a la degradación como las paredes celulares de las plantas que tienen una estructura que es rígida y compacta. La estructura comprende fibras de celulosas cristalinas integradas en una matriz hemicelulosas , rodeada por lignina. Esta matriz compacta es difícil para accesar por medio de enzimas y otros procesos químicos, bioquímicos y biológicos. Los materiales de biomasa celulósicos (por ejemplo, el material de biomasa del cual considerablemente todas las linginas se han eliminado) puede ser más accesible a las enzimas y otros procesos de conversión, pero aún así, los materiales celulósicos que ocurren de manera natural seguido tienen bajos rendimientos (relativos a los rendimientos teóricos) cuando se ponen en contacto con las enzimas hidrolizadas . La biomasa lignocelulosica es aún más recalcitrante al ataque de la enzima. Además, cada tipo de biomasa lignocelulósica tienen su propia composición específica de celulosa, hemicelulosa y lignina.

Mientras un número de métodos se han probado para extraer los carbohidratos estructurales de la biomasa lignocelulósica, aún así son muy caros, producen un rendimiento muy bajo, dejan químicos no deseados en el producto resultante, o simplemente degrada los azúcares.

Los monosacáridos de las fuentes de biomasa renovables pueden volverse la base de industrias químicas y de combustibles por medio del reemplazo, la suplementación o la sustitución del petróleo y otras materias primas de fósiles. Sin embargo, las técnicas necesarias para desarrollar lo que hará estos monosacáridos disponible en grandes cantidades y con una pureza aceptable y precios aceptables .

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN En el presente documento se proporcionan los métodos para incrementar la eficiencia de la sacarificación de la biomasa. En particular, la eficiencia se puede lograr evitando la inhibición por retroalimentación negativa de las reacciones enzimáticas.

En un aspecto, la invención presenta un método para producir un producto, el método comprende: la producción de fructosa de la sacarificación de una biomasa y contactando la biomasa sacarizada con un agente de isomerización, y la conversión de la fructosa a un producto con un microorganismo y/o una enzima.

En algunas implementaciones , la biomasa comprende un material celulósico o lignocelulósico . La biomasa celulósica o lignocelulósica se trata para reducir su recalcitrante a la sacarificación, por ejemplo, utilizando un método de tratamiento seleccionado del grupo que consiste de: el bombardeo con electrones, la sonicación, la oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico, trituración por congelamiento y la combinación de los mismos .

El agente de isomerización puede ser, por ejemplo, una isomerasa, por ejemplo, xilosa isomerasa.

En algunas implementaciones, la biomasa celulósica o lignocelulósica se selecciona del grupo que consiste de: papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papeles pigmentados, papeles cargados, papeles recubiertos, papeles llenos, revistas, material impreso, papel de la impresora, papel polirrevestido, cartulina, cartón, cartoncillo, algodón, madera, tableros de partículas, residuos forestales, aserrín, madera de álamo, astillas de madera, hierbas, panicum virgatum, miscanthus, spartina, phalaris arundinacea, residuos de granos, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de cebada, los residuos agrícolas, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soya, fibra de maíz, alfalfa, residuos de heno, pelo de coco, los residuos del proceso del azúcar, bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave, algas, hierba marina, estiércol, aguas residuales, la arracacha, el trigo sarraceno, el plátano, la cebada, la mandioca, el kudzu, oca, sagú, sorgo, papa, camote, taro, ñame, frijoles, habas, lentejas, guisantes, residuos industriales, y mezclas de cualquiera de éstos.

En algunos casos, el microorganismo comprende una cepa de Clostridium spp. Por ejemplo, el microorganismo puede ser C. saccharoperbutylacetonicum, por ejemplo, C. saccharoperbutylacetonicum cepa ATCC 27021 o C. saccharoperbutylacetonicum cepa ATCC 27022.

El producto puede comprender un solvente, por ejemplo, un alcohol tal como isobutanol o n-butanol .

En algunas modalidades descritas en el presente documento, mientras que se prefiere generalmente que los productos tales como butanol se producen a partir de azúcares, tales como fructosa, que se deriva de un material celulósico o lignocelulósico, fructosa a partir de otras fuentes que se pueden utilizar.

Se debe entender que esta invención no se limita a las modalidades descritas en este Compendio, y se pretende cubrir las modificaciones que están dentro del objetivo y alcance de la invención, como se define por las reivindicaciones .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior será evidente a partir de la siguiente descripción más particular de las modalidades de ejmplo de la invención, como se ilustra en los dibujos adjuntos en los que los caracteres de referencia se refieren a las mismas partes en todas las diferentes vistas. Los dibujos no están necesariamente a escala, el énfasis en su lugar se coloca en ilustrar las modalidades de la presente invención.

La Figura 1 es un diagrama que ilustra la hidrólisis enzimática de la celulosa a la glucosa. EL sustrato celulósico (A) se convierte por endocelulasa (i) a celulosa (B) , el cual es convertido por exocelulasa (ii) a celobiosa (C) , el cual se convierte a la glucosa (D) por celobiasa (beta-glucosidasa) (iii).

La Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra la conversión de una materia prima de biomasa a uno o más productos . La materia prima se trata previamente físicamente (por ejemplo, para reducir su tamaño) (200) , opcionalmente tratada para reducir su recalcitrado (210) , sacarificado para formar una solución de azúcar (220) , se transporta la solución (230) a una planta de fabricación (por ejemplo, por tubería, automotor) (o si la sacarificación se lleva a cabo en el camino, la materia prima, enzima y agua se transportan) , la materia prima sacarificada es bioprocesada para producir un producto deseado (por ejemplo, alcohol) (240) , y el producto puede ser procesada adicionalmente, por ejemplo, por destilación, para producir un producto final (250) . El tratamiento para el recalcitrante puede ser modificado mediante la medición del contenido de lignina (201) y el establecimiento o el ajuste de parámetros de proceso (205) . La sacarificación de la materia prima (220) puede ser modificado mediante la mezcla de la materia prima con el medio y la enzima (221) .

La Figura 3 es un diagrama que muestra la fase de preparación del metabolismo de la glucosa y la fructosa.

La Figura 4 es un diagrama que muestra una vía metabólica para la formación de triglicéridos durante el metabolismo de la fructosa.

La Figura 5 es un diagrama que muestra una vía fermentativa para un organismo productor de butanol.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Esta invención se refiere a métodos de procesamiento de materiales de biomasa (por ejemplo, materiales de biomasa o materiales derivados de la biomasa) para obtener azúcares tales como fructosa, que luego pueden ser utilizados para producir un producto. Por ejemplo, azúcares, por ejemplo, fructosa, puede ser fermentada para producir un solvente, tal como un alcohol, por ejemplo butanol, por ejemplo, isobutanol o n-butanol . El ácido butírico también se puede producir. Los inventores han encontrado que en algunos casos una solución de fructosa puede ser fermentada a un alcohol más rápidamente, y con mejores rendimientos, que una solución de glucosa.

Sin estar ligado a ninguna teoría particular, se cree que los productos, tales como solventes (por ejemplo, butanol) , son tóxicos para los organismos productores de solvente, y que el metabolismo con algunos azúcares tales como fructosa producen sustratos de protección (por ejemplo, triglicéridos ) , en un grado mayor o más rápido que el metabolismo de la glucosa. Un efecto sugerido de solventes es que interactúan con las membranas celulares alterando la fluidez de la membrana. Los solventes, tales como butanol también se atribuyen a tener un efecto caotrópico en la membrana. Los agentes caotrópicos interfieren con la estabilización de las interacciones intramoleculares mediadas por fuerzas no covalentes. Debido a estos efectos, los solventes pueden inhibir el transporte activo de nutrientes, la actividad de las enzimas unidas a la membrana, y la absorción de glucosa. Los solventes también pueden suprimir parcial o completamente el gradiente de pH de la membrana, el pH intracelular más bajo y las concentraciones de ATP. En respuesta al aumento de los solventes, las células pueden tratar de ajustar la composición de lípidos para mantener la fluidez (Christopher A. Tomas, J. Bacteriol. 186:2006-2018 (2004)). El metabolismo de la fructosa puede facilitar el aumento de los lípidos tales como triglicéridos .

Sin estar ligado a ninguna teoría particular, se cree además que el beneficio de los azúcares tales como fructosa para la producción de solvente puede estar relacionada con la regulación de la glicolisis. El objetivo de la regulación es controlar el crecimiento y la salud del organismo. Se cree que, desde que ciertos azúcares tales como fructosa no son tan naturalmente abundantes en el mundo como la glucosa lo es, el mecanismo de regulación para la supresión de su glicolisis no es tan bien desarrollada. Esto puede permitir una mayor ingesta y el metabolismo de esos azúcares tales como fructosa por un organismo .

Como se muestra en la Figura 1, por ejemplo, durante la sacarificación de un sustrato celulósico (A) se hidroliza inicialmente por endoglucanasas (i) en lugares aleatorios que producen intermedios oligoméricos (por ejemplo, celulosa) (B) . Estos intermediarios son entonces sustratos para glucanasas exo divididas (ii) tales como celobiohidrolasa para producir celobiosa de las extremidades del polímero de celulosa. La celobiosa es un dimero 1,4-ligado soluble en agua de la glucosa. Finalmente la celobiasa (iii) escinde la celobiosa (C) para producir glucosa (D) . Por lo tanto, las endoglucanasas son particularmente eficaces en atacar las porciones cristalinas de la celulosa y el aumento de la eficacia de las exocelulasas para producir celobiosa, el cual después requiere la especificidad de la celobiosa para producir glucosa. Por lo tanto, es evidente que dependiendo de la naturaleza y la estructura del sustrato celulósico, la cantidad y el tipo de las tres enzimas diferentes pueden necesitar ser modificadas.

Un proceso para la fabricación de un alcohol, por ejemplo, butanol , se muestra en la Figura 2. Un proceso para la fabricación de un alcohol puede incluir, por ejemplo, opcionalmente tratar mecánicamente una materia prima, por ejemplo, para reducir su tamaño (200), antes y/o después de este tratamiento, tratar opcionalmente la materia prima con otro tratamiento físico para reducir aún más su recalcitración (210) , a continuación, la sacarificación de la materia prima, utilizando el complejo de la enzima, para formar una solución de azúcar (220) . Opcionalmente, el método también puede incluir el transporte, por ejemplo, por tubería, automotor, camión o barcaza, la solución (o la materia prima, enzima y agua, si la sacarificación se lleva a cabo en el camino) a una planta de fabricación (230) . En algunos casos la materia prima sacarificada se bioprocesa más (por ejemplo, fermentado) para producir un producto deseado, por ejemplo, el alcohol (240). Este producto resultante puede en algunas implementaciones ser procesado adicionalmente, por ejemplo, por destilación (250), para producir un producto final. Un método para reducir la recalcitración de la materia prima es por medio de un bombardeo de electrones de la materia prima. Si se desea, las etapas de medir el contenido de lignina de la materia prima (201) y el establecimiento o ajuste de los parámetros del proceso basados en esta medición (205) se pueden realizar en diferentes etapas del proceso, como se describe en la Solicitud de Patente de E.U. Pub. 2010/0203495 Al por Medoff y Masterman, publicada el 12 de agosto del 2010, la descripción completa de la cual se incorpora en el presente documento por referencia. La Sacarificación de la materia prima (220) también se puede modificar mediante la mezcla de la materia prima con el medio y la enzima (221) .

Los pasos del método expuestos anteriormente con referencia a la Figura 2 se explicarán ahora con más detalle, seguido de una discusión de los materiales utilizados en el proceso.

FERMENTACIÓN DE FRUCTOSA A PRODUCTOS ÚTILES La solución de fructosa producida por la sacarificación o la sacarificación seguido de la isomerización puede ser fermentada para producir un alcohol, por ejemplo, butanol , o ácido butírico.

La Figura 3 muestra la fase preparatoria de la glicólisis tanto para fructosa y glucosa. La fermentación incluye una reacción de glicólisis de múltiplesfases , la fase de preparación de los cuales produce gliceraldehído 3-fosfato. Como se muestra en la Figura 3 y discutido en detalle más adelante, la producción de gliceraldehído 3 -fosfato de la fructosa implica menos reacciones que la producción de la glucosa, el cual puede contribuir a la mayor eficacia observada con la fermentación de fructosa, en comparación con la fermentación de la glucosa.

En referencia a la vía de la glucosa en la Figura 3, la glucosa se convierte en glucosa 6-fosfato por la acción de la hexoquinasa con ATP. La glucosa 6-fosfato se isomeriza entonces a la fructosa 6 -fosfato por fosfohexoisomerasa y después se transforma adicionalmente en fructosa 1,6- fosfato por la acción de fofofructoquinasa y ATP. En este punto, el azúcar disfosfatado se divide por la fructosa bifosfato aldolasa en fosfato de dihidroxiacetona y gliceraldehído 3-fosfato. La dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a gliceraldehído 3-fosfato por la acción de la triosa fosfato isomerasa.

Con referencia de nuevo a la Figura 3 , hay varios caminos para la glicólisis de la fructosa. Mientras que la hexoquinasa reacciona fuertemente con la glucosa, su afinidad para la fructosa es baja. Por lo tanto, aunque la fructosa pueden ser fosforilados a la glucosa 6-fosfato por la hexoquinasa y ATP, se espera que la contribución a la glicólisis por esta vía es bastante baja. El camino más probable comienza con la fosforilación de la fructosa por la acción de fructoquinasa y ATP, dando fructosa 1-fosfato. La fructosa 1 -fosfato se divide después en fosfato de dihidroxiacetona y D-gliceraldehído por la fructosa 1-fosfato aldolasa. Al igual que en la vía de la glucosa, fosfato de dihidroxiacetona se isomeriza a gliceraldehído 3 -fosfato por la triosa fosfato isomerasa. El D-gliceraldehído se convierte en el gliceraldehído 3 -fosfato por triosquinasa y ATP.

El microorganismo usado en la fermentación se selecciona preferiblemente para producir butanol por ejemplo, isobutanol o n-butanol . Los microorganismos adecuados incluyen los descritos en la sección de Materiales, a continuación. Muchos organismos productores de butanol son anaerobios obligados.

La fructosa puede conducir a la producción de triglicéridos como un subproducto de la glicólisis, como se muestra en la Figura 4. El último paso mostrado en la Figura 4 para la formación de triglicéridos implica una esterificación entre ácidos grasos y glicerol 3-fosfato. Los ácidos grasos se forman a partir de gliceraldehído 3-fosfato, la formación de los cuales se ha descrito anteriormente, con múltiples intermedios que no se muestran en el presente. La formación de glicerol 3-fosfato se muestra en la Figura 4 y puede ocurrir a partir de la acción de glicerol 3-fosfato deshidrogenasa en dihidroxiacetona fosfato. Esto también puede ocurrir a través de la acción de glicerol deshidrogenasa en D-gliceraldehído, formando el glicerol, el cual es a continuación fosforilado con gliceroquinasa y ATP a glicerol 3 -fosfato. Aunque la formación de glicerol 3-fosfato es posible a partir de la glucosa a través de la dihidroxiacetona fosfato intermedio, la vía adicional a través de D-glicerolaldehído, que sólo está disponible a través de la fructosa puede producir más de este producto intermedio. Los triglicéridos producidos por esterificación del glicerol 3 -fosfato pueden ayudar en la producción del butanol por la protección del organismo productor de butanol de los efectos tóxicos del butanol .

La Figura 5 muestra una vía fermentativa para un organismo productor de butanol (Clostridium acetobutylicium) . En una fermentación normal, después de un período de inducción, las células entran en una fase de crecimiento exponencial. En la fase de crecimiento, el butirato y el acetato se producen primero, junto con el ATP necesario para el crecimiento celular. Esta fase también se llama la fase de acidogénesis . Acercándose, y en la fase estacionaria, el cultivo se somete a un cambio metabólico hacia la formación de acetona, butanol y etanol como productos solventes principales. Esta etapa también se conoce como la fase de solventogénica. Durante y después de la fase de solventogénica las células se convertirán en vegetativo, muertas y/o esporuladas . En la Figura 5 las reacciones se representan mediante flechas en negrita y denotan por símbolos de Rl a R19. Las reacciones acidogénicas son R9 y R18 (catalizada por la PTA-AK y PTB-BK, respectivamente) , generando acetato y butirato respectivamente. Los dos ácidos se reasimilan a través de R7 y R17 (los caminos inversos de R9 y R18), o convertidos directamente en acetil-CoA y butiril-CoA a través de R8 y R15 (catalizada por CoAT) . Las reacciones solventogénicas son Rll, R16 y R19 (catalizada por la AAD, AADC y BDH, respectivamente), la generación de etanol, acetato y butanol respectivamente. R14 es una reacción agrupada que consiste en reacciones catalizadas por BHBD, CRO y BCD (http: //www.biomedcentral . com/1752-0509/5/Sl/S12 "An improved kinetic model for the acetone-butanol-ethanol pathways of Clostridium acetobutylicum and model-based perturbation analysis").

El pH óptimo para la fermentación es de aproximadamente pH 4 a 7. Los tiempos de fermentación normales son alrededor de 24 a 168 horas con temperaturas en el intervalo de 20°C a 40°C, sin embargo los microorganismos termófilos prefieren temperaturas más altas. Para organismos anaerobios es preferible llevar a cabo la fermentación en ausencia de oxígeno, por ejemplo, bajo un manto de un gas inerte, tal como N2 , Ar, He, C02 o mezclas de los mismos. Además, la mezcla puede tener una purga constante de un gas inerte que fluye a través del tanque durante parte de o la totalidad de la fermentación.

El mezclador estático estructural u otra agitación pueden ser utilizados durante la fermentación, y en algunos casos la sacarificación y la fermentación se llevan a cabo en el mismo tanque. En algunas modalidades, la fermentación se lleva a cabo sin ninguna mezcla mecánica .

Los nutrientes pueden añadirse durante la sacarificación y/o fermentación, por ejemplo los paquetes de nutrientes basados en la alimentación descritos en la patente USSN 61/365, 493 y E.U. 6.358.717 cuya completa descripción se incorpora en el presente documento por referencia .

Los termentadores móviles se pueden utilizar, como se describe en E.U. número de serie 12/374, 549 y la Solicitud Internacional No. WO 2008/011598. Del mismo modo, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o fermentación puede llevarse a cabo en parte o en su totalidad durante el tránsito.

AGENTES DE FERMENTACION PREFERIDOS El microorganismo (s) que se utiliza en la fermentación pueden ser microorganismos de origen natural y/o microorganismos procesados. 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 protozoo o un hongo parecido a la protista, por ejemplo, un moho mucilaginoso . Cuando los organismos son compatibles, las mezclas de los organismos pueden ser utilizados.

Los microorganismos fermentativos adecuados tienen la capacidad de convertir la fructosa y preferiblemente también otros azúcares, tales como glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos , en un alcohol, por ejemplo, butanol o un derivado de butanol .

Los microorganismos ejemplares incluyen, pero no se limitan a, las siguientes cepas de Clostridium: Tabla 1. Cepas ejemplares de Clostridium XILOSA ISOMERASA Xilosa isomerasa (ES 5.3.1.5) es una enzima que cataliza la reacción química de ida y vuelta entre la D-xilosa y D-xilulosa. También se conoce sistemáticamente como glucosa isomerasa y D-xilosa aldosa-cetosa isomerasa, y pertenece a una familia de isomerasas, específicamente las oxidoreductasas intramoleculares que interconvierten las aldosas y cetosas . Otros nombres en uso común incluyen D- xilosa isomerasa, D -xilosa cetoisomerasa y D -xilosa quetol-isomerasa . La enzima participa en interconversiones de pentosa y glucuronato y en el metabolismo de la fructosa y la mañosa. Se utiliza industrialmente para convertir la glucosa en fructosa en la fabricación de jarabe de maíz de alta fructosa. Se refiere a veces como" isomerasa de glucosa". La "xilosa isomerasa" y la "glucosa isomerasa" se usan indistintamente en el presente documento. In vitro, la glucosa isomerasa cataliza la ínterconversión de glucosa y fructosa. In vivo, cataliza la interconversión de xilosa y xilulosa .

Varios tipos de enzimas se consideran xilosa isomerasas. El primer tipo se produce a partir de Pseudomonas hydrophila. Esta enzima tiene 160 veces menor afinidad a la glucosa que a la xilosa pero no obstante es útil para aumentar la cantidad de fructosa en la presencia de glucosa. Un segundo tipo de enzima se encuentra en Escherichia intermedia. Esta enzima es una fofoglucosa isomerasa (EC 5.3.1.9) y puede isomerizar azúcar no fosforilado sólo en la presencia de arseniato. Una glucosa isomerasa (EC 5.3.16) puede ser aislado de Bacillus megaterium AI y está vinculado a NAD y es específica para la glucosa. Otra glucosa isomerasa que tiene una actividad similar se aisla de Paracolobacterium aerogenoides . Las glucosas isomerasas producida por bacterias del ácido heteroláctica requieren la xilosa como un inductor y son relativamente inestables a alta temperatura. La xilosa isomerasa (EC 5.3.1.5) es el más útil para aplicaciones comerciales, ya que no requiere cofactores caros, tales como NAD + o ATP y es relativamente estable al calor.

Las glucosa isomerasas se producen generalmente intercelularmente pero los informes de la secreción extracelular de glucosa isomerasas se conocen. La enzima utilizada se puede aislar de muchas bacterias, incluyendo pero no limitado a: Actinomyces olivocinereus , Actinomyces phaeochromogenes , Actinoplanes missouriensis , Aerobacter aerogenes , Aerobacter cloacae, Aerobacter levanicum, Arthrobacter spp . , Bacillus stearothermophilus, Bacillus megabacterium, Bacillus coagulans, Bifidobacterium spp., Brevibacterium incertum, Brevibacterium pentosoaminoacidicum, Chainia spp., Corynebacterium spp., Cortobacterium helvolum, Escherichia freundii, Escherichia intermedia, Escherichia coli, Flavobacterium arborescens, Flavobacterium devorans, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus fermenti, Lactobacillus mannitopoeus , Lactobacillus gayonii, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus lycopersici, Lactobacillus pentosus, Leuconostoc mesenteroides , Microbispora rosea, Microellobosporia flavea, Micromonospora coerula, Mycobacterium spp., Nocardia asteroides, Nocardia corallia, Nocardia dassonvillei , Paracolobacterium aerogenoides , Pseudonocardia spp., Pseudomonas hydrophila, Sarcina spp., Staphylococcus bibila, Staphylococcus flavovirens, Staphylococcus echinatus , Streptococcus achromogenes , Streptococcus phaeochromogenes , Streptococcus fracliae, Streptococcus roseochromogenes , Streptococcus olivaceus, Streptococcus californicos , Streptococcus venuceus, Streptococcus virginial, Streptomyces olivochromogenes, Streptococcus venezaelie, Streptococcus wedmorensis, Streptococcus griseolus, Streptococcus glaucescens, Streptococcus bikiniensis, Streptococcus rubiginosus, Streptococcus achinatus, Streptococcus cinnamonensis , Streptococcus fradiae, Streptococcus albus, Streptococcus griseus, Streptococcus hivens, Streptococcus matensis, Streptococcus murinus, Streptococcus nivens, Streptococcus platensis, Streptosporangium album, Streptosporangium oulgare, Thermopolyspora spp., Thermus spp . , Xanthomonas spp. y Zymononas mobilis.

La glucosa isomerasa puede ser utilizada libremente en solución o inmovilizada sobre un soporte para convertir la glucosa en fructosa. Las células enteras o las enzimas libres de células se pueden inmovilizar. La estructura de soporte puede ser cualquier material insoluble. Las estructuras de soporte pueden ser materiales catiónico, aniónico o neutros, por ejemplo dietilaminoetilo de celulosa, óxidos metálicos, cloruros metálicos, carbonatos metálicos y poliestirenos . La inmovilización puede llevarse a cabo por cualquier medio adecuado. Por ejemplo inmovilización puede llevarse a cabo poniendo en contacto el soporte y toda la célula o la enzima en un solvente tal como agua y después eliminar el solvente. El solvente se puede eliminar por cualquier medio adecuado, por ejemplo filtración o evaporación o secado por aspersión. Como otro ejemplo, secado por aspersión de las células enteras o enzima con un apoyo puede ser eficaz.

La glucosa isomerasa también puede estar presente en una célula viva que produce la enzima durante el proceso. Por ejemplo, una glucosa isomerasa que produce la bacteria puede ser co-cultivadas en el proceso con una bacteria que fermenta el etanol. Alternativamente, la bacteria que produce glucosa-isomerasa pueden ser contactadas en primer lugar con el sustrato, seguido por la inoculación con un sustrato que produce etanol.

La glucosa isomerasa también puede estar presente dentro de o secretado de una célula también capaz de una transformación adicional útil de azúcares. Por ejemplo, una especie que fermenta la glucosa puede ser modificada genéticamente para contener y expresar el gen para la producción de glucosa isomerasa.

AISLAMIENTO DE SOLVENTES Después de la fermentación, los fluidos resultantes pueden ser purificados usando cualquier método útil. Por ejemplo, algunos métodos útiles son la destilación, absorción, extracción líquido-líquido, perstracción, osmosis inversa, pre-evaporación y gas de arrastre (véase, por ejemplo, J. Ind. Microbiol . Biotechnol (2009) 36:1127-1138) .

MATERIALES DE BIOMASA Como se usa en el presente documento, el término" materiales de biomasa" incluye lignocelulósica, celulósica, almidón, y los materiales microbianos.

Los materiales lignocelulosicos incluyen, pero no están limitados a, madera, tableros de partículas, los residuos forestales (por ejemplo, aserrín, madera de álamo, astillas de madera) , pastos (por ejemplo, el pasto varilla, miscanthus, hierba espinal, alpiste), residuos de grano, (por ejemplo, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de cebada) , residuos agrícolas (por ejemplo, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soja, fibra de maíz, alfalfa, heno, pelo de coco) , residuos del procesamiento del azúcar (por ejemplo, el bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave) , algas, alga marina, estiércol, aguas residuales, y mezclas de cualquiera de éstos .

En algunos casos, el material lignocelulósico incluye mazorcas de maíz. Las mazorcas de maíz pulverizadas o molidas pueden ser esparcida en una capa de espesor relativamente uniforme para la irradiación y después de la irradiación son fáciles de dispersar en el medio para procesamiento adicional. Para facilitar la cosecha y la recolección, en algunos casos, se utiliza toda la planta de maíz, incluyendo el tallo de maíz, granos de maíz, y en algunos casos incluso el sistema de raíces de la planta.

Venta osamente, no se requieren nutrientes adicionales (distintos de una fuente de nitrógeno, por ejemplo, urea o amoniaco) durante la fermentación de mazorcas de maíz o materiales celulósicos o lignocelulosicos que contienen cantidades significativas de mazorcas de maíz.

Las mazorcas de maíz, antes y después de la trituración, también son más fáciles de transportar y dispersar, y tienen una menor tendencia a formar mezclas explosivas en el aire que otros materiales celulósicos o lignocelulosicos tales como heno y pastos .

Los materiales celulósicos incluyen, por ejemplo, papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papeles pigmentadas, papeles cargados, papeles cubiertos, papeles llenos, revistas, material impreso (por ejemplo, libros, catálogos, manuales, etiquetas, calendarios, tarjetas de felicitación, folletos, prospectos, papel de periódico), papel de impresora, papel polirrevestido , cartulina, cartón, cartoncillo, materiales que tienen un alto contenido de a- celulosa, tal como el algodón y mezclas de cualquiera de éstos. Por ejemplo, los productos de papel como se describe en la Solicitud E.U. No. 13/396, 365 ("Magazine Feedstocks" by Medoff et al., presentada el 14 de febrero de 2012), cuya descripción completa se incorpora en el presente documento por referencia .

Los materiales celulósicos también pueden incluir materiales lignocelulosicos que se han deslignificación.

Los materiales de almidón incluyen almidón en sí, por ejemplo, almidón de maíz, almidón de trigo, almidón de patata o almidón de arroz, un derivado de almidón, o un material que incluye almidón, tal como un producto alimenticio comestible o un cultivo. Por ejemplo, el material que incluye almidón puede ser arracacha, el trigo sarraceno, el plátano, la cebada, la mandioca, el kudzu, oca, sagú, sorgo, patatas regulares de la casa, camote, taro, ñame, o uno o más granos, tales como habas, lentejas o guisantes . Mezclas de cualquiera de dos o más materiales de almidón son también materiales de almidón. Las mezclas de almidón, materiales celulósico y lignocelulosicos también se pueden utilizar. Por ejemplo, una biomasa puede ser una planta entera, una parte de una planta o diferentes partes de una planta, por ejemplo, una planta de trigo, planta de algodón, una planta de maíz, planta de arroz o un árbol. Los materiales de almidón se pueden tratar por cualquiera de los métodos descritos en el presente documento .

Los materiales microbianos incluyen, pero no se limitan a, cualquier microorganismo modificado genéticamente o de origen natural u un organismo que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (por ejemplo, celulosa) , por ejemplo, protistas, por ejemplo, protistas animales (por e emplo,, protozoos tales como flagelados, rizópodos, ciliados y esporozoos) y protistas vegetales (por ejemplo, algas tales como alveolados, clorarachnxophytas, cryptomonas, euglena, glaucófitas, haptófitos, algas rojas, stramenopiles y viridaeplantae) . Otros ejemplos incluyen algas, plancton (por ejemplo, macroplancton, mesoplancton, microplancton, nanoplancton, picoplancton, y femptoplancton) , fitoplancton, bacterias (por ejemplo, bacterias gram positivas, bacterias gram negativas, y extremófilos ) , levadura y/o mezclas de éstos. En algunos casos, la biomasa microbiana puede obtenerse a partir de fuentes naturales, por ejemplo, el océano, los lagos, los cuerpos de agua, por ejemplo, el agua salada o agua dulce o en tierra. Alternativamente o además, la biomasa microbiana puede obtenerse a partir de sistemas de cultivo, por ejemplo, sistemas de fermentación y ciltivo a gran escala seco y húmedo .

El material de biomasa también puede incluir despojos, y fuentes similares de material.

En otras modalidades, los materiales de la biomasa, tales como celulósico, almidón y materiales de materia prima lignocelulósica, se pueden obtener a partir de microorganismos y plantas transgénicas que han sido modificados con respecto a una variedad de tipo salvaje. Tales modificaciones pueden ser, por ejemplo, a través de los pasos iterativos de selección y reproducción para obtener las características deseadas en una planta. Además, las plantas pueden haber tenido material genético eliminado, modificado, silenciada y/o añadido con respecto a la variedad de tipo salvaje. Por ejemplo, las plantas modificadas genéticamente pueden ser producidas por métodos de ADN recombinante, donde las modificaciones genéticas incluyen genes específicos de introducción o modificación de las variedades parentales, o, por ejemplo, mediante el uso de la producción transgénica en donde un gen o genes específicos son introducidos a una planta a partir de una diferente especies de planta y/o bacterias. Otra forma de crear la variación genética es a través de la producción de mutación en donde los nuevos alelos son creados artificialmente a partir de genes endógenos. Los genes artificiales pueden ser creados por una variedad de formas, incluyendo el tratamiento de la planta o las semillas con, por ejemplo, mutágenos químicos (por ejemplo, el uso de agentes alquilantes, epóxidos, alcaloides, peróxidos, formaldehídos ) , la radiación (por ejemplo, rayos X, rayos gamma, neutrones, partículas beta, partículas alfa, protones, deuterones, radiación uv) y la temperatura de impacto u otras técnicas de selección subsecuentes y de tensión externa. Otros métodos para proporcionar genes modificados es a través de PCR propenso a errores y la mezcla de ADN seguido por la inserción del ADN modificado deseado en la planta o semilla deseada. Los métodos de introducción de la variación genética deseada en la semilla o planta incluyen, por ejemplo, el uso de un vehículo bacteriano, biolística, precipitación con fosfato de calcio, electroporación, empalme de genes, el silenciamiento de genes, lipofección, microinyección y vehículos virales. Materiales modificados genéticamente adicionales, se han descrito en la solicitud de E.U. No. de serie 13/396, 369 presentada el 14 de febrero de 2012 la completa descripción de los cuales se incorpora al presente documento por referencia.

Cualquiera de los métodos descritos en el presente documento se puede practicar con mezclas de cualquier material de biomasa que se describen en el presente documento.

PREPARACIÓN DE MATERIAL DE BIOMASA-TRATAMIENTOS MECANICOS La biomasa puede estar en una forma seca, por ejemplo, con contenido de menos de aproximadamente 35% de humedad (por ejemplo, menos de aproximadamente 20%, menos de aproximadamente 15%, menos de aproximadamente 10% menos de aproximadamente 5%, menos de alrededor de 4%, menos de aproximadamente 3%, menos de aproximadamente 2% o incluso menos de aproximadamente 1% ) . La biomasa también se puede entregar en un estado húmedo, por ejemplo, como un sólido húmedo, un lodo o una suspensión con al menos aproximadamente 10% en peso de sólidos (por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en peso, al menos aproximadamente 30% en peso, al menos aproximadamente 40% en peso, al menos aproximadamente 50% en peso, al menos aproximadamente 60% en peso, al menos aproximadamente 70% en peso) .

Los procedimientos descritos en el presente documento pueden utilizar materiales de baja densidad aparente, por ejemplo las materias primas de celulósica o lignocelulósica que han sido pretratadas físicamente para tener una densidad aparente de menos de aproximadamente 0.75 g/cm3, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.7, 0.65, 0.60, 0.50, 0.35, 0.25, 0.20, 0.15, 0.10, 0.05 o menos, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.025 g/cm3. La densidad aparente se determina utilizando ASTM D1895B. Brevemente, el método consiste en llenar un cilindro de medición de volumen conocido con una muestra y la obtención de un peso de la muestra. La densidad aparente se calcula dividiendo el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos. Si se desea, los materiales de baja densidad aparente pueden ser densificada, por ejemplo, por métodos descritos en la Patente de E.U. No. 7,971,809 a Medoff, la descripción completa del cual se incorpora por la presente como referencia .

En algunos casos el proceso de pretratamiento incluye la filtración del material de biomasa. La filtración puede ser a través de una malla o una placa perforada con un tamaño de abertura deseado, por ejemplo, menos de aproximadamente 6.35 mm (1/4 pulgadas, 0.25 pulgadas), (por ejemplo, menos de aproximadamente 3.18 mm (1/8 pulgadas, 0.125 pulgadas), menos de aproximadamente 1.59 mm (1/16 pulgadas, 0.0625 pulgadas), es menos de aproximadamente 0.79 mm (1/32 pulgadas, 0.03125 pulgadas), por ejemplo, menos de aproximadamente 0.51 mm (1/50 pulgadas, 0.02000 pulgadas), menos de aproximadamente 0.40 mm (1/64 pulgadas, 0.015625 pulgadas), menos de aproximadamente 0.23 mm (0.009 pulgadas), menos de aproximadamente 0.20 mm (pulgadas 1/128, 0.0078125 pulgadas), menos de aproximadamente 0.18 mm (0.007 pulgadas), menos de aproximadamente 0.13 mm (0.005 pulgadas), o incluso menos de aproximadamente 0.10 mm (1/256 pulgadas, 0.00390625 pulgadas)). En una configuración la biomasa deseada cae a través de las perforaciones o filtro y por lo tanto la biomasa más grande que las perforaciones o filtro no se irradian. Estos materiales de mayor tamaño se pueden volver a procesar, por ejemplo por trituración, o simplemente pueden ser removidos del proceso. En otra configuración el material que es mayor que las perforaciones se irradia y se retira el material más pequeño por el proceso de filtración o reciclado. En este tipo de una configuración, el transportador por sí mismo (por ejemplo, una parte de la cinta transportadora) puede ser perforada o hecha con una malla. Por ejemplo, en una modalidad particular, el material de biomasa puede ser húmedo y las perforaciones o la malla permite que el agua drene fuera de la biomasa antes de la irradiación.

La filtración de material también puede ser por un método manual, por ejemplo por un operador o mecanoide (por ejemplo, un robot equipado con un color, reflectividad u otro sensor) que elimina el material no deseado. La filtración también puede ser por filtración magnética en donde un imán está dispuesto cerca del material transportado y el material magnético se elimina magnéticamente .

Procesamiento pretratamiento opcional puede incluir el calentamiento del material. Por ejemplo una porción de la cinta transportadora puede ser enviado a través de una zona calentada. La zona calentada se puede crear, por ejemplo, mediante radiación IR, microondas, combustión (por ejemplo, gas, carbón, petróleo, biomasa) , calentamiento resistivo y/o bobinas de inducción. El calor se puede aplicar a partir de al menos un lado o más de un lado, puede ser continuo o periódico y puede ser sólo una parte del material o todo el material. Por ejemplo, una porción de la banda transportadora se puede calentar mediante el uso de una camisa de calentamiento. El calentamiento puede ser, por ejemplo, con el fin de secar el material. En el caso de secado del material, esto también se puede facilitar, con o sin calentamiento, por el movimiento de un gas (por ejemplo, aire, oxígeno, nitrógeno, He, C02 , argón) sobre y/o a través de la biomasa, ya que es está siendo transportada.

De manera opcional, el procesamiento de pretratamiento puede incluir el enfriamiento del material . El material de refrigeración se describe en la Patente de E.U. No. 7,900,857 a Medoff, la descripción de la cual se incorpora en el presente documento por referencia. Por ejemplo, el enfriamiento puede ser mediante el suministro de un fluido refrigerante, por ejemplo agua (por ejemplo, con glicerol) , o nitrógeno (por e emplo, nitrógeno líquido) a la parte inferior de la cinta transportadora. Alternativamente, un gas refrigerante, por ejemplo, nitrógeno enfriado se puede soplado sobre los materiales de biomasa o bajo el sistema de transporte.

Otro método de procesamiento de pre tratamiento opcional puede incluir el añadir un material a la biomasa. El material adicional se puede añadir, por ejemplo, por ducha, aspersión y/o verter el material sobre la biomasa, ya que se transporta. Los materiales que se pueden agregar incluyen, por ejemplo, metales, cerámicas y/o iones como se describe en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada. 2010/0105119 Al (presentada el 26 de octubre de 2009) y la Solicitud de Patente de E.U. Publicada. 2010/0159569 Al (presentada el 16 de diciembre de 2009) , las descripciones completas cuyas descripciones se incorporan en el presente documento por referencia. Los materiales opcionales que se pueden agregar incluyen ácidos y bases . Otros materiales que se pueden añadir son oxidantes (por ejemplo, peróxidos, cloratos), polímeros, monómeros polimerizables (por ejemplo, que contienen enlaces insaturados) , agua, catalizadores, enzimas y/u organismos. Los materiales pueden ser añadidos, por ejemplo, en forma pura, como una solución en un solvente (por ejemplo, agua o un solvente orgánico) y/o como una solución. En algunos casos, el solvente es volátil y se puede hacer para que se evapore por ejemplo, por calentamiento y/o soplado de un gas tal como se describe anteriormente. El material agregado puede formar un recubrimiento uniforme sobre la biomasa o ser una mezcla homogénea de diferentes componentes (por ejemplo, biomasa y material adicional) . El material añadido puede modular la etapa de irradiación subsiguiente mediante el aumento de la eficiencia de la irradiación, disminuir la irradiación o cambiando el efecto de la irradiación (por ejemplo, a partir de haces de electrones a los rayos X o calor) . El método puede no tener impacto en la irradiación, pero puede ser útil para procesamientos de aguas abajo posteriores. El material añadido puede ayudar en la transportación del material, por ejemplo, mediante la reducción de los niveles de polvo.

La biomasa puede ser entregada al transportador por un transportador de cinta, un transportador neumático, un transportador de tornillo, una tolva, un tubo, manualmente o por una combinación de estos. La biomasa puede, por ejemplo, ser tirada, vertida y/o se coloca sobre el transportador por cualquiera de estos métodos. En algunas modalidades, el material se entrega al transportador usando un sistema de distribución de material adjunto para ayudar a mantener una atmósfera de oxígeno bajo y/o controlar el polvo y el aserrín. El aire almacenado o suspendido con polvo o aserrín de biomasa son indeseables porque éstas pueden formar un riesgo de explosión o dañar las láminas de ventana de una pistola de electrones (si un dispositivo de este tipo se utiliza para tratar el material) .

El material puede ser nivelado para formar un espesor uniforme entre aproximadamente 0.79248 y 127 milímetros (por ejemplo, entre aproximadamente 1.5875 milímetros y 50.8 milímetros, entre aproximadamente 3.17500 y 25.4 milímetros, entre aproximadamente 3.17500 y 12.7 milímetros, entre aproximadamente 7.62 y 22.86 milímetros, entre aproximadamente 5.08 y 12.7 milímetros entre aproximadamente 0.635 y 25.4 milímetros, entre aproximadamente 6. 35 Y 12. .7 milímetros, 2.54 + / -6 .35 milímetros , 3.81 + /¦ -0, .635 milímetros , 5. , 08 + /-0. 635 milímetros , 6.35 + /¦ -0, .635 milímetros, 7. .62 + /-0. 635 milímetros , 8.89 + /- 0. 635 milímetros , 10 .16 + /-0. 635 milímetros , 11.43 + /--0.635 milímetros, 12. 7+/-0. 635 milímetros , 13.96 + / -0 .635 milímetros , 15 .24 + /-0. 635 milímetros , 17,78 + / -0 .635 milímetros , 19 .05 + /-0. 635 milímetros , 20.32 + / -0 .635 milímetros , 21 .95 + /-0. 635 milímetros , 22.86 + / -0 .635 milímetros , 22 .86 + /-0. 635 milímetros .

En general, se prefiere para transportar el material lo más rápidamente posible a través del haz de electrones para maximizar el rendimiento. Por ejemplo el material puede ser transportado a velocidades de al menos 304.8 mm/min, por ejemplo, al menos 609.6 mm/min, al menos 914.4 mm/min, por lo menos 1219.2 mm/min, por lo menos 1524 mm/min, al menos 3048 mm/min, al menos 4572 mm/min, 6096, 7620, 9144, 10668, 12192, 13716, 15240 mm/min. La velocidad de transporte está relacionado con la corriente de haz, por ejemplo, para una biomasa de espesor de 6.35 mm y 100 mA, el transportador se puede mover a alrededor de 6096 mm/min para proporcionar una dosis de irradiación útil, a 50 mA el transportador puede moverse a unos 3048 mm/min para proporcionar aproximadamente la misma dosis de irradiación.

Después de que el material de la biomasa se ha transportado a través de la zona de radiación, el procesamiento post-tratamiento opcional se puede hacer. El procesamiento post-tratamiento opcional puede, por ejemplo, ser un proceso descrito con respecto al procesamiento de pre-irradiación. Por ejemplo, la biomasa se puede filtrar, se calienta, se enfría, y/o combinado con aditivos. Únicamente para después de la irradiación, se puede producir el apagamiento de los radicales, por ejemplo, el apagamiento de los radicales por la adición de fluidos o gases (por ejemplo, oxígeno, óxido nitroso, amoníaco, líquidos) , utilizando la presión, el calor, y/o la adición de eliminadores de radicales. Por ejemplo, la biomasa puede ser transportada fuera del transportador cerrado y expuestos a un gas (por ejemplo, oxígeno) en donde se apaga, la formación de grupos caboxilados. En una modalidad, la biomasa se expone durante la irradiación al gas o fluido reactivo. El apagamiento de la biomasa que ha sido irradiado se describe en la Patente de E.U. No. 8,083,906 a Medoff, la descripción completa la cual se incorpora en el presente documento por referencia.

Si se desea, uno o más tratamientos mecánicos pueden ser utilizados además de la irradiación para reducir aún más lo recalcitrante del material de biomasa. Estos procesos se pueden aplicar antes, durante y o después de la irradiación .

En algunos casos, el tratamiento mecánico puede incluir una preparación inicial de la materia prima tal como se recibe, por ejemplo, la reducción del tamaño de los materiales, tal como por trituración, por ejemplo, corte, molienda, cizallamiento , pulverización o por cortar. Por ejemplo, en algunos casos, la materia prima suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales ricos en almidón, o Panicum virgatum) se prepara por cizallamiento o trituración. El tratamiento mecánico puede reducir la densidad aparente del material de biomasa, aumentar el área de superficie del material de biomasa y/o disminuir una o más dimensiones del material de biomasa.

Como alternativa, o además, el material de materia prima puede primero ser tratado físicamente por uno o más de los otros métodos de tratamiento físico, por ejemplo, tratamiento químico, radiación, sonicación, oxidación, pirólisis o explosión de vapor, y luego se trató mecánicamente. Esta secuencia puede ser ventajosa puesto que los materiales tratados por uno o más de los otros tratamientos, por ejemplo, irradiación o pirólisis, tienden a ser más frágiles y, por lo tanto, puede ser más fácil de cambiar aún más la estructura del material por tratamiento mecánico. Por ejemplo, un material de materia prima puede ser transportada a través de la radiación ionizante usando un transportador tal como se describe en el presente documento y a continuación se trató mecánicamente. El tratamiento químico puede eliminar parte o la totalidad de la lignina (por ejemplo, la fabricación de pasta química) y puede hidrolizar parcialmente o completamente el material. Los métodos también se pueden utilizar con el material de prehidrolizado . Los métodos también se pueden utilizar con el material que no ha sido previamente hidrolizado. Los métodos se pueden utilizar con mezclas de materiales hidrolizados y no hidrolizados , por ejemplo, con alrededor del 50% o más de material no hidrolizado, con alrededor de 60% o más de material no hidrolizado, con aproximadamente 70% o más de material no hidrolizado, con aproximadamente 80% o más de material no hidrolizado o incluso con 90% o más de material no hidrolizado.

Además de la reducción de tamaño, que se puede realizar inicialmente y/o posterior en el procesamiento, el tratamiento mecánico también puede ser favorable para la" apertura"," tensión," rompiendo o destrozando los materiales de la biomasa, haciendo que la celulosa de los materiales más susceptibles a la escisión de la cadena y/o la interrupción de la estructura cristalina durante el tratamiento físico.

Los métodos del tratamiento mecánico el material de biomasa incluye, por ejemplo, fresado o rectificado. El fresado se puede realizar usando, por ejemplo, un molino, molino de bolas, molino coloidal, molino de cono o cónico, molino de disco, molino de borde, molino Wiley, molino de grano u otro molino. La molienda puede realizarse utilizando, por ejemplo, una moledora de tipo corte/ impacto. Algunas moledoras ejemplares incluyen moledor de piedra, molinos de clavijas, molinillos de café, y molinillo de placas. Trituración o molienda puede ser proporcionado, por ejemplo, por una clavija reciprocante u otro elemento, como es el caso en un molino de clavijas. Otros métodos de tratamiento mecánico incluyen rasgadura mecánica, rasgamiento, cizallamiento o cortar, otros métodos que aplican presión a las fibras, y la molienda de desgaste de aire. Los tratamientos mecánicos adecuados incluyen además cualquier otra técnica que continúa la interrupción de la estructura interna del material que fue iniciado por las etapas de procesamiento anteriores.

Los sistemas de preparación de la alimentación mecánica pueden ser configurados para producir corrientes con características específicas, como, por ejemplo, los tamaños máximos específicos, áreas de proporciones específicas de longitud y anchura, o superficie específica. La preparación física puede aumentar la velocidad de las reacciones, mejorar el movimiento de material sobre una cinta transportadora, mejora el perfil de la irradiación del material, mejora la uniformidad de la radiación del material, o reduce el tiempo de procesamiento requerido por la apertura de los materiales y hacerlas más accesibles a los procesos y/o reactivos, tales como reactivos en una solución.

La densidad aparente de las materias primas puede ser controlado (por ejemplo, aumentado) . En algunas situaciones, puede ser deseable preparar un material de baja densidad aparente, por ejemplo, densificando el material (por ejemplo, la densificación puede hacer que sea más fácil y menos costoso de transportar a otro sitio) y luego revertir el material a un estado de menor densidad aparente (por ejemplo, después del transporte) . El material puede ser densificado, por ejemplo, de menos de aproximadamente 200 kg/m3 a más que aproximadamente 900 kg/m3 (por ejemplo, menos de aproximadamente 300 a más que alrededor de 500 kg/m3 , menos de aproximadamente 300 a más de alrededor de 900 kg/m3, menos de aproximadamente 500 a más de alrededor de 900 kg/m3 , menos de aproximadamente 300 a más de alrededor de 800 kg/m3 , menos de aproximadamente 200 a más de alrededor de 500 kg/m3) . Por ejemplo, el material puede ser densificado mediante los métodos y equipo descrito en la Patente de E.U. No. 7,932,065 a Medoff y la Publicación Internacional No. WO 2008/073186 (que fue presentada el 26 de octubre de 2007, fue publicado en Inglés, y la cual designó los Estados Unidos), la completa descripción de los cuales se incorporan en el presente documento como referencia. Los materiales densificados pueden ser procesados por cualquier de los métodos descritos en el presente documento, o cualquier material procesado por cualquiera de los métodos descritos en el presente documento pueden ser posteriormente densificados .

En algunas modalidades, el material a procesar es en la forma de un material fibroso que incluye fibras proporcionadas por cizallamiento una fuente de fibra. Por ejemplo, el cizallamiento se puede realizar con un cortador de cuchilla giratoria.

Por ejemplo, una fuente de fibra, por ejemplo, que es recalcitrante o que ha tenido su nivel recalcitrante reducido, puede ser cortado, por ejemplo, en un cortador de cuchilla giratoria, para proporcionar un primer material fibroso. El primer material fibroso se hace pasar a través de un primer filtro, por ejemplo, que tiene un tamaño de apertura promedio de 1.59 mm o menos (1/16 pulgadas, 0.0625 pulgadas), proporcionar un segundo material fibroso. Si se desea, la fuente de fibra se puede cortar antes de la cizalladura, por ejemplo, con una trituradora. Por ejemplo, cuando un papel se utiliza como la fuente de fibra, el papel se puede cortar primero en tiras que son, por ejemplo, 0.00635- a 0.0127-metros de ancho, utilizando una trituradora, por ejemplo, un triturador de tornillo de rotación contraria, tales como los fabricados por Munson (Utica, NY) . Como una alternativa a la trituración, el papel puede ser reducido de tamaño por el corte a un tamaño deseado usando un cortador de guillotina. Por ejemplo, el cortador de guillotina puede ser utilizado para cortar el papel en las hojas que son, por ejemplo, 0.254 metros de ancho por 0.3048 metros de largo.

En algunas modalidades, el cizallamiento de la fuente de fibra y el paso del primer material fibroso resultante a través de un primer filtro se realizan al mismo tiempo. El cizallamiento y el paso también se puede realizar en un proceso de tipo batch.

Por ejemplo, un cortador de cuchilla giratoria se puede utilizar para cizallar simultáneamente la fuente de fibra y filtrar el primer material fibroso. Un cortador de cuchilla rotativa incluye una tolva que se puede cargar con una fuente de fibra desmenuzada preparado por trituración de una fuente de fibra. La fuente de fibra desmenuzada.

En algunas implementaciones , la materia prima es tratada físicamente antes de la sacarificación y/o fermentación. Los procesos de tratamiento físicos pueden incluir uno o más de cualquiera de los descritos en el presente, tales como el tratamiento mecánico, tratamiento químico, irradiación, tratamiento con ultrasonidos, la oxidación, pirólisis o explosión de vapor. Los métodos de tratamiento se pueden utilizar en combinaciones de dos, tres, cuatro, o incluso la totalidad de estas tecnologías (en cualquier orden) . Cuando se utiliza más de un método de tratamiento, los métodos se pueden aplicar al mismo tiempo o en momentos diferentes. Otros procesos que cambian una estructura molecular de una materia prima de biomasa también se pueden usar, solos o en combinación con los procesos descritos en el presente.

Los tratamientos mecánicos que se pueden utilizar, y las características de los materiales de la biomasa tratadas mecánicamente, se describen con más detalle en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre del 2011, la descripción completa la cual se incorpora en el presente documento como referencia.

TRATAMIENTO DE MATERIAL DE BIOMASA-BOMBARDEO DE PARTÍCULAS Uno o más tratamientos con un bombardeo de partículas energéticas se puede utilizar para procesar materia prima en bruto a partir de una amplia variedad de diferentes fuentes para extraer sustancias útiles a partir de la materia prima, y para proporcionar material orgánico parcialmente degradado que funciona como entrada a etapas de procesamiento adicionales y/o secuencias. El bombardeo de partículas puede reducir el peso molecular y/o cristalinidad de la materia prima. En algunas formas de modalidad, la energía depositada en un material que libera un electrón de su orbital atómico puede ser utilizado para tratar los materiales. El bombardeo puede ser proporcionado por las partículas cargadas pesadas (como las partículas alfa o protones) , electrones (producidos, por ejemplo, en la desintegración beta o aceleradores de haces de electrones) o radiación electromagnética (por ejemplo, rayos gamma, rayos X, o los rayos ultravioletas) . Alternativamente, la radiación producida por las sustancias radiactivas se puede utilizar para tratar la materia prima. Cualquier combinación, en cualquier orden, o simultáneamente de estos tratamientos puede ser utilizado. En otro enfoque, la radiación electromagnética (por ejemplo, producido usando emisores de haz de electrones) se pueden utilizar para el tratamiento de la materia prima.

Cada forma de energía ioniza la biomasa a través de interacciones específicas. Partículas cargadas pesadas ionizan principalmente materia a través de la dispersión de Coulomb; Además, estas interacciones producen electrones energéticos que pueden ionizar más la materia. Las partículas alfa son idénticas al núcleo de un átomo de helio y son producidos por la desintegración alfa de varios núcleos radiactivos, tales como los isótopos de bismuto, polonio, astato, radón, francio, radio, varios actínidos, como actinio, torio, uranio, neptunio, el curio, el californio, el americio y el plutonio.

Cuando se utilizan partículas, pueden ser neutros (sin carga), con carga positiva o carga negativa. Cuando se cargan, las partículas cargadas pueden soportar una sola carga positiva o negativa, o múltiples cargas, por ejemplo, uno, dos, tres o incluso cuatro o más cargas. En casos en los que se desea la escisión de cadena, positivamente las partículas cargadas pueden ser deseables, en parte, debido a su naturaleza ácida. Cuando se utilizan partículas, las partículas pueden tener la masa de un electrón en reposo, o mayor, por ejemplo, 500, 1000, 1500, ó 2000 o más veces la masa de un electrón en reposo. Por ejemplo, las partículas pueden tener una masa de alrededor de 1 unidad atómica a alrededor de 150 unidades atómicas, por ejemplo, de aproximadamente 1 unidad atómica a alrededor de 50 unidades atómicas, o de aproximadamente 1 a aproximadamente 25, por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 ó 15 unidades atómicas. Los aceleradores utilizados para acelerar las partículas pueden ser DC electrostática, DC electrodinámica, lineal de RF, lineal de inducción magnética o de onda continua. Por ejemplo, los aceleradores de tipo ciclotrón están disponibles de IBA (Ion Beam Accelerators , Louvain- la-Neuve, Bélgica) , tales como el sistema Rhodotron ™, mientras que los aceleradores de tipo DC están disponibles de RDI, ahora IBA Industrial, como el Dynamitron ™. Los iones y aceleradores de iones se comentan en Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William . , "Overview of Light-Ion Beam Therapy" , Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 Mar. 2006; Iwata, Y. et al., "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Escocia; and Leitner, C. M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria.

Las dosis utilizadas dependen del efecto deseado y de la materia prima en particular. Por ejemplo, altas dosis pueden romper los enlaces químicos dentro de los componentes de materia prima y dosis bajas pueden aumentar la unión química (por ejemplo, reticulación) dentro de los componentes de materia prima.

En algunos casos, cuando la escisión de cadena es deseable y/o la funcionalización de la cadena polimérica es deseable, las partículas más pesadas que los electrones, como los protones, núcleos de helio, iones de argón, iones de silicio, iones de neón, los iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxígeno o iones de nitrógeno se pueden utilizar. Cuando se desea la escisión de cadena por apertura de anillo, las partículas cargadas positivamente se pueden utilizar por sus propiedades de ácido de Lewis para mejorar la escisión de cadena por apertura de anillo. Por ejemplo, cuando se desean grupos funcionales que contienen oxígeno, el tratamiento en presencia de oxígeno o incluso el tratamiento con iones de oxígeno se puede realizar. Por ejemplo, cuando los grupos funcionales que contienen nitrógeno son deseables, el tratamiento en presencia de nitrógeno o incluso el tratamiento con iones de nitrógeno se puede realizar.

OTRAS FORMAS DE ENERGÍA Los electrones interactúan a través de la dispersión de Coulomb y la radiación bremsstrahlung producida por los cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que se someten a la desintegración beta, tales como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. Alternativamente, una pistola de electrones se puede utilizar como una fuente de electrones a través de la emisión termoiónica.

La radiación electromagnética interactúa a través de tres procesos: absorción fotoeléctrica, la dispersión de Compton y la producción de pares . La interacción dominante está determinada por la energía de la radiación incidente y el número atómico del material . La suma de las interacciones que contribuyen a la radiación absorbida en el material celulósico puede ser expresada por el coeficiente de absorción de masa.

La radiación electromagnética se subclasifica como rayos gamma, rayos X, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, microondas, ondas de radio o, dependiendo de la longitud de onda.

Por ejemplo, la radiación gamma puede ser empleada para el tratamiento de los materiales. La radiación gamma tiene la ventaja de una profundidad de penetración significativa en una variedad de materiales en la muestra. Las fuentes de rayos gamma incluyen núcleos radiactivos, tales como los isótopos de cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, criptón, samario, selenio, sodio, talio, y xenón.

Las fuentes de rayos X incluyen colisión de haces de electrones con los objetivos de metal, tales como de tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes de luz compactos, tales como los producidos comercialmente por los Lyncean .

Las fuentes de radiación ultravioleta incluyen lámparas de deuterio o de cadmio.

Las fuentes de radiación infrarroja incluyen lámparas de cerámica con ventanas de zafiro, zinc, o seleniuro .

Las fuentes de microondas incluyen klistrones, fuentes de RF de tipo Slevin, o fuentes de haz que emplean átomo de hidrógeno, oxigeno, o gases de nitrógeno.

Diferentes dispositivos se pueden utilizar en los métodos descritos en el presente, incluyendo las fuentes de ionización por campo, separadores electrostáticos, generadores de iones de ionización por campo, las fuentes de emisión termoiónica, fuentes de iones de descarga de microondas, de recirculación o aceleradores estáticas, aceleradores lineales dinámicos, aceleradores de van de Graaff, y aceleradores de tándem doblados. Tales dispositivos se describen, por ejemplo, en la Patente de E.U. No. 7,931,784 B2 , la descripción completa de la cual se incorpora en el presente documento por referencia.

TRATAMIENTO DE MATERIAL DE BIOMASA-BOMBARDEO DE ELECTRONES La materia prima se puede tratar con bombardeo de electrones para modificar su estructura y por lo tanto reducir su recalcitrante. Tal tratamiento puede, por ejemplo, reducir el peso molecular promedio de la materia prima, cambiar la estructura cristalina de la materia prima, y/o aumentar el área superficial y/o porosidad de la materia prima.

El bombardeo de electrones a través de un haz de electrones se prefiere generalmente, ya que proporciona un rendimiento muy alto y porque el uso de un dispositivo de haces de electrones relativamente de bajo voltaje/alta potencia elimina la necesidad de costosos blindaje bóveda de concreto, ya que tales dispositivos son" auto-blindados" y proporcionan un procedimiento seguro, eficaz. Mientras que los dispositivos de "auto-blindado" incluyen blindaje (por ejemplo, blindaje de placa de metal), que no requieren la construcción de una bóveda de concreto, reduciendo en gran medida los gastos de capital y con frecuencia lo que permite una instalación de fabricación existente para ser utilizado sin modificaciones costosas. Aceleradores de haces de electrones están disponibles, por ejemplo, de la IBA (Ion Beam Applications, Louvain- la-Neuve, Bélgica) , Titán Corporation (San Diego, California, E.U.), y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) .

El bombardeo de electrones se puede realizar usando un dispositivo de haz de electrones que tiene una energía nominal de menos de 1.602177 J, por ejemplo, menos de 1.121524 J, menos de 8.010866 J, o menos de 3.204354 J, por ejemplo, desde alrededor de 8.010886 J a 2.403265 J, desde aproximadamente 1.281741 J hasta 2.883919 J, de aproximadamente 1.121524 a 1.602177 J, o de aproximadamente 1.602177 J a 4.806531 J. En algunas implementaciones de la energía nominal es de aproximadamente 8.010886 a 1.281741 J.

El haz de electrones puede tener una potencia de haz total relativamente alta (la potencia del haz combinada de todas las cabezas de aceleración, o, si se utilizan múltiples aceleradores, de todos los aceleradores y todas las cabezas) , por ejemplo, al menos 25 kW, por ejemplo, en menos 30, 40, 50, 60, 65, 70, 80, 100, 125, o 150 kW. En algunos casos, la potencia es incluso tan alto como 500 kW, 750 kW, o incluso 1000 kW o más. En algunos casos, el haz de electrones tiene una energía de haz de 1200 kW o más.

Esta potencia de haz total alta se consigue normalmente mediante la utilización de múltiples cabezas de aceleración. Por ejemplo, el dispositivo de haz de electrones puede incluir dos, cuatro, o más cabezas de aceleración. El uso de múltiples cabezales, cada uno de los cuales tiene una potencia de haz relativamente baja, evita la elevación excesiva de temperatura en el material, evitando de este modo la quema del material, y también aumenta la uniformidad de la dosis a través del espesor de la capa de material .

En algunas implementaciones , es deseable enfriar el material durante el bombardeo de electrones . Por ejemplo, el material se puede enfriar mientras está siendo transportado, por ejemplo, mediante un extrusor de tornillo o de otro equipo de transporte.

Para reducir la energía requerida por el proceso de reducción de recalcitrante, es deseable tratar el material lo más rápidamente posible. En general, se prefiere que se lleva a cabo el tratamiento a un rango de dosis de más de aproximadamente 0.25 Mrad por segundo, por ejemplo, mayor que aproximadamente 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 5, 7, 10, 12, 15, o incluso mayor que aproximadamente 20 Mrad por segundo, por ejemplo, de aproximadamente 0.25 a 2 mrad por segundo. Los rangos de dosis más altos generalmente requieren velocidades de línea más altas, para evitar la descomposición térmica del material. En una implementación, el acelerador está ajustado para 4.806531 J, 50 de corriente de haz mAmp, y la velocidad de la línea es de 7.3152 m/minuto, para un espesor de muestra de aproximadamente 20 mm (por ejemplo, material de mazorca de maíz triturada con una densidad aparente de 0.5 g/cm3).

En algunas modalidades, el bombardeo de electrones se lleva a cabo hasta que el material recibe una dosis total de por lo menos 0.5 Mrad, por ejemplo, al menos 5, 10, 20, 30 o al menos 40 Mrad. En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento hasta que el material recibe una dosis de aproximadamente 0.5 Mrad y aproximadamente 150 Mrad, aproximadamente 1 Mrad hasta aproximadamente 100 Mrad, sobre 2 Mrad hasta aproximadamente 75 Mrad, 10 Mrad hasta aproximadamente 50 Mrad, por ejemplo, acerca 5 Mrad hasta aproximadamente 50 Mrad, de aproximadamente 20 Mrad hasta aproximadamente 40 Mrad, aproximadamente 10 Mrad hasta aproximadamente 35 Mrad, o de aproximadamente 25 Mrad hasta aproximadamente 30 Mrad. En algunas implementaciones , se prefiere una dosis total de 25 a 35 Mrad, aplica idealmente durante un par de segundos, por ejemplo, a 5 Mrad/paso con cada paso, siendo aplicada durante aproximadamente un segundo. La aplicación de una dosis de más de 7 a 8 Mrad/paso puede en algunos casos causar la degradación térmica del material de materia prima.

El uso de múltiples cabezas como se discutió anteriormente, el material puede ser tratado en múltiples pasos, por ejemplo, dos pasos en 10 a 20 Mrad/paso, por ejemplo, de 12 a 18 Mrad/paso, separados por unos pocos segundos de enfriamiento o tres pasos de 7 a 12 Mrad/paso, por ejemplo, del 9 al 11 Mrad/paso. Como se discutió anteriormente, el tratamiento del material con varias dosis relativamente bajas, en lugar de una dosis alta, tiende a evitar el sobrecalentamiento del material y también aumenta la uniformidad de la dosis a través del espesor del material. En algunas implementaciones , el material se agita o se mezcla de otro modo durante o después de cada paso y luego se alisó en una capa uniforme de nuevo antes del siguiente paso, para mejorar aún más la uniformidad del tratamiento.

En algunas modalidades, los electrones son acelerados a, por ejemplo, una velocidad de más de 75 por ciento de la velocidad de la luz, por ejemplo, mayor que 85, 90, 95, ó 99 por ciento de la velocidad de la luz.

En algunas modalidades, todo el tratamiento descrito en el presente se presenta el material lignocelulósico que permanece seco como adquiridos o que se ha secado, por ejemplo, el uso de calor y/o presión reducida. Por ejemplo, en algunas modalidades, la celulosa y/o el material lignocelulósico tiene menos de aproximadamente cinco por ciento en peso de agua retenida, medida a 25°C y a una humedad relativa del cincuenta por ciento .

El bombardeo electrónico se puede aplicar mientras que la celulosa y/o material lignocelulósico se expone al aire, aire enriquecido con oxígeno, o incluso oxígeno en sí, o cubierto por un gas inerte tal como nitrógeno, argón, o helio. Cuando se desea la máxima oxidación, se utiliza un entorno oxidante, tal como aire u oxígeno y la distancia desde la fuente de haz se optimiza para maximizar la formación de gas reactivo, por ejemplo, ozono y/o los óxidos de nitrógeno.

En algunas modalidades, se utilizan dos o más fuentes de electrones, por ejemplo, dos o más fuentes ionizantes. Por ejemplo, las muestras pueden ser tratadas, en cualquier orden, con un haz de electrones, seguido por la radiación gamma y la luz UV que tiene longitudes de onda de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 280 nm. En algunas modalidades, las muestras se tratan con tres fuentes de radiación ionizante, como un haz de electrones, radiación gamma, y la luz UV energética. La biomasa se transporta a través de la zona de tratamiento donde puede ser bombardeada con electrones. En general, se prefiere que el lecho de material de biomasa tiene un espesor relativamente uniforme, tal como se describe anteriormente, mientras que se está tratando.

Puede ser favorable repetir el tratamiento para reducir más a fondo lo recalcitrante de la biomasa y/o modificar aún más la biomasa. En particular, los parámetros del proceso se pueden ajustar después de una primera pasada (por ejemplo, segunda, tercera, cuarta o más) dependiendo de lo recalcitrante del material. En algunas modalidades, una cinta transportadora se puede utilizar, el cual incluye un sistema circular donde la biomasa es transportada múltiples veces a través de los diversos procedimientos descritos anteriormente. En algunas otras modalidades dispositivos de tratamiento múltiples (por ejemplo, generadores de haces de electrones) se utilizan para tratar la biomasa múltiples (por ejemplo, 2, 3, 4 o más) veces. En otras modalidades, un único generador de haz de electrones puede ser la fuente de múltiples haces (por ejemplo, 2, 3, 4 o más haces) que se puede utilizar para el tratamiento de la biomasa.

La eficacia en el cambio de la estructura molecular/supramolecular y/o la reducción de lo recalcitrante de la biomasa, la biomasa depende de la energía de electrones utilizada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposición depende de la potencia y dosis.

En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento (con cualquier fuente de electrones o una combinación de fuentes) hasta que el material recibe una dosis de al menos aproximadamente 0.05 Mrad, por ejemplo, al menos aproximadamente 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, o 200 Mrad. En algunas modalidades, se lleva a cabo el tratamiento hasta que el material recibe una dosis de entre 0.1-100 Mrad, 1-200, 5-200, 10-200, 5-150, 5-100, 5-50, 5-40, 10 -50, 10-75, 15-50, 20-35 Mrad.

En algunas modalidades, el tratamiento se realiza a un rango de dosis de entre 5.0 y 1500.0 kiloradianes/hora, por ejemplo, entre 10.0 y 750.0 kiloradianes/hora o entre 50.0 y 350.0 kiloradianes/hora. En otras modalidades el tratamiento se realiza a un rango de dosis de entre 10 y 10 000 kiloradianes/h, entre 100 y 1000 kiloradianes/h, o entre 500 y 1000 kiloradianes/hr .

FUENTES DE ELECTRONES Los electrones interactúan a través de la dispersión de Coulomb y la radiación de bremsstrahlung producido por los cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que se someten a la desintegración beta, tales como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. Alternativamente, una pistola de electrones se puede utilizar como una fuente de electrones a través de la emisión termoionica y acelerada a través de un potencial de aceleración. Una pistola de electrones genera electrones, los acelera a través de un gran potencial (por ejemplo, mayor que aproximadamente 500.000, más de aproximadamente 1 millón, mayor que aproximadamente 2 millones, mayor que aproximadamente 5 millones, más de aproximadamente 6 millones, más de aproximadamente 7 millones, mayor de aproximadamente 8 millones, más de aproximadamente 9 millones, o incluso mayor de 10 millones de voltios) y luego los analiza magnéticamente en el plano x-y, donde los electrones son acelerados inicialmente en la dirección z hacia abajo del tubo y se extrajeron a través de una ventana de papel de aluminio. El escaneo del haz de electrones es útil para aumentar la superficie de irradiación cuando la irradiación de materiales, por ejemplo, una biomasa, que es transportada a través del haz escaneado. El escaneo del haz de electrones también distribuye la carga térmica homogénea en la ventana y ayuda a reducir la ruptura de la ventana de lámina debido al calentamiento local por el haz de electrones . La ruptura del a ventana de lámina es una causa de tiempo de inactividad significativo debido a las reparaciones necesarias posteriores y de reiniciar la pistola de electrones .

Diferentes dispositivos de irradiación se pueden utilizar en los métodos descritos en el presente, incluidas las fuentes de ionización por campo, separadores electrostáticos, generadores de iones de ionización por campo, las fuentes de emisión termoiónica, fuentes de iones de descarga de microondas, de recirculación o aceleradores estáticos, aceleradores lineales dinámicos, aceleradores de Van de Graaff y aceleradores tándem doblados. Tales dispositivos se describen, por ejemplo, en la Patente de E.U. No. 7,931,784 a Medoff, cuya descripción completa se incorpora en el presente documento por referencia.

Un haz de electrones se puede utilizar como la fuente de radiación. Un haz de electrones tiene la ventaja de los rangos de dosis altos (por ejemplo, 1, 5, o incluso 10 Mrad por segundo) , de alto rendimiento, menos contención y menos equipo de confinamiento. Los haces de electrones también pueden tener alta eficiencia eléctrica (por ejemplo, 80% ) , lo que permite el uso de energía bajo en relación con otros métodos de radiación, que puede traducirse en un menor costo de operación y menores emisiones de gases de efecto invernadero correspondientes a la cantidad menor de energía utilizada. Los haces de electrones se pueden generar, por ejemplo, por los generadores electrostáticos, generadores de cascada, generadores de transformadores, aceleradores de baja energía con un sistema de escaneo, aceleradores de baja energía con un cátodo lineal, aceleradores lineales, y aceleradores de impulsos .

Los electrones también pueden ser más eficientes en causando cambios en la estructura molecular de los materiales de biomasa, por ejemplo, por el mecanismo de escisión de cadena. Además, los electrones tienen energías de 8.010886-1.602177 J pueden penetrar materiales de baja densidad, tales como los materiales de la biomasa descritos en el presente documento, por ejemplo, materiales que tienen una densidad aparente de menos de 0.5 g/cm3, y una profundidad de 0.3 a 10 cm. Los electrones como una fuente de radiación ionizante pueden ser útiles, por ejemplo, para las pilas relativamente delgadas, capas o lechos de materiales, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.027 metros, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.01016 metros, 0.00762 metros, 0.00635 metros, o menos de aproximadamente 0.00254 metros. En algunas modalidades, la energía de cada electrón del haz de electrones es de alrededor de 4.806531 J a alrededor de 3.204354 J (millones de electronvoltios), por ejemplo, de alrededor de 8.010886 J a alrededor de 2.403265J, o de alrededor de 1.121524 J a alrededor de 2.002721 J. Los métodos de materiales de irradiación se exponen en la solicitud de patente de E.U. 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre del 2011, la completa descripción de la cual se incorpora en el presente documento como referencia.

Los dispositivos de irradiación de haz de electrones pueden ser adquiridos comercialmente de Ion Beam Applications (Louvain- la- Neuve, Bélgica) , el Titán Corporation (San Diego, California, USA) , y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) . Las energías de electrones normales pueden ser de 8.010886 J, 1.602177 J, 3.204354 J, 7.209797 J, 1.201632 J, o 1.602177 J. La energía del dispositivo de irradiación de haz de electrones normal puede ser de 1 KW, 5 KW, 10 KW, 20 KW, 50 KW, 60 KW, 70 KW, 80 KW, 90 KW, 100 KW, 125 KW, 150 KW, 175 KW, 200 KW, 250 KW, 300 KW, 350 KW, 400 KW, 450 KW, 500 KW, 600 KW, 700 KW, 800 KW, 900 KW o incluso 1000 KW.

Las compensaciones al considerar las especificaciones de energía del dispositivo de irradiación de haz de electrones incluyen el costo de operar, los costos de capital, depreciación, y la huella de dispositivo. Las compensaciones al considerar la exposición de los niveles de dosis de la irradiación de haz de electrones serían costos en energía y traerían problemas en el medio ambiente, la seguridad, y de salud (ESH) . Normalmente, los generadores están alojados en una caja fuerte, por ejemplo, de plomo o de concreto, especialmente para la producción de rayos X que se generan en el proceso. Las compensaciones al considerar las energía de electrones incluyen los costos de energía.

El dispositivo de irradiación de haz de electrones puede producir un haz fijo o un haz de escaneo.

Un haz de escaneo puede ser favorable con gran longitud de barrido de escaneo y altas velocidades de escaneo, ya que esto reemplazaría efectivamente un gran ancho de haz fijo, . Además, las anchuras de barrido disponibles de 0.5 m, 1 m, 2 m o más están disponibles. El haz de exploración se prefiere en la mayoría de las modalidades descritas en el presente documento debido a la anchura de barrido más grande y la reducida posibilidad de calentamiento local y el fracaso de las ventanas.

TRATAMIENTO DE MATERIAL DE BIOMASA-SONICACIÓN, PIRÓLISIS, OXIDACIÓN, EXPLOSIÓN DE VAPOR Si se desea, uno o más procesos de sonicación, pirólisis, oxidación, o explosión de vapor se pueden utilizar además de o en lugar de otros tratamientos para reducir aún más lo recalcitrante del material de biomasa. Estos procesos se pueden aplicar antes, durante y o después de otro tratamiento o tratamientos. Estos procesos se describen en detalle en la Patente de E.U. No. 7,932,065 a Medoff, la descripción completa de los cuales se incorporan en el presente documento como referencia.

USO DE MATERIAL DE BIOMASA TRATADA El uso de los métodos descritos en el presente documento, un material de partida de biomasa (por ejemplo, la biomasa vegetal, biomasa animal, papel, y la biomasa de residuos urbanos) se pueden utilizar como materia prima para producir intermedios útiles y productos tales como ácidos orgánicos, sales de ácidos orgánicos, anhídridos, esteres de ácidos orgánicos y combustibles, por ejemplo, los combustibles para motores de combustión interna o materias primas para las células de combustible. Los sistemas y procesos se describen en el presente que se puede utilizar como materia prima celulósica y/o materiales lignocelulósicos que están fácilmente disponibles, pero a menudo puede ser difícil de procesar, por ejemplo, los flujos de residuos urbanos y flujos de papel de desecho, tales como corrientes que incluyen periódico, papel kraft, papel corrugado o mezclas de éstos .

Con el fin de convertir la materia prima a una forma que puede ser procesado fácilmente, la celulosa que contiene glucano - o xilano en la materia prima se puede hidrolizar a los carbohidratos de bajo peso molecular, tales como azúcares, por un agente de sacarificación, por ejemplo, una enzima o ácido, un proceso conocido como sacarificación. Los carbohidratos de bajo peso molecular se pueden utilizar, por ejemplo, en una planta de fabricación existente, tales como una sola planta de proteína de la célula, una planta de fabricación de enzima, o una planta de combustible, por ejemplo, una instalación de fabricación de etanol .

La materia prima se puede hidrolizar usando una enzima, por ejemplo, mediante la combinación de los materiales y la enzima en un solvente, por ejemplo, en una solución acuosa.

Alternativamente, las enzimas pueden ser suministradas por los organismos que descomponen la biomasa, tales como la celulosa y/o las porciones de lignina de la biomasa, contener o fabricar diversas enzimas celulolíticas (celulasas) , ligninasas o varios metabolitos de biomasa de degradación de molécula pequeña. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan sinérgicamente para degradar la celulosa cristalina o las porciones de lignina de la biomasa. Los ejemplos de enzimas celulolíticas incluyen: endoglucanasas , celobiohidrolasas y celobiasas (beta- glucosidasas ) .

Durante la sacarificación un sustrato celulósico se puede hidrolizar inicialmente por endoglucanasas en lugares elegidos al azar que producen productos intermedios oligoméricos . Estos intermediarios son entonces sustratos para glucanasas exo-separación como celobiohidrolasa para producir celobiosa de las extremidades del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero 1,4-ligado soluble en agua de glucosa. Finalmente, la celobiasa se escinde en celobiosa para producir glucosa. La eficiencia (por ejemplo, el tiempo para hidrolizar y/o la integridad de la hidrólisis) de este proceso depende de lo reclacitrante del material celulósico.

INTERMEDIOS Y PRODUCTOS Los procesos descritos en el presente documento se utilizan preferiblemente para producir butanol, por ejemplo, isobutanol o n-butanol, y sus derivados. Sin embargo, los procesos se pueden usar para producir otros productos, co-productos e intermedios, por ejemplo, los productos descritos en la solicitud de patente de E.U. Publicada. 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre de 2011 y publicada el 26 de abril del 2012, la completa descripción del cual se incorporan en el presente documento como referencia.

El uso de los procedimientos descritos en el presente documento, el material de la biomasa se puede convertir en uno o más productos, como la energía, los combustibles, los alimentos y los materiales. Los ejemplos específicos de productos incluyen, pero no se limitan a, hidrógeno, azúcares (por ejemplo, glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, fructosa, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos) , alcoholes (por ejemplo, alcoholes monohídricos o alcoholes dihídricos, tales como el etanol, n-propanol, isobutanol, sec-butanol, terc-butanol o n-butanol) , los alcoholes hidratados o hídricos (por ejemplo, que contienen más de 10%, 20%, 30% o incluso mayor que 40% de agua), el biodiesel, ácidos orgánicos, hidrocarburos (por ejemplo, metano, etano, propano, isobutano, pentano, n- hexano, biodiesel, bio-gasolina y mezclas de los mismos) , los co- productos (por ejemplo, proteínas, tales como proteínas celulolíticas (enzimas) o proteínas de las células individuales) , y mezclas de cualquiera de estos en cualquier combinación o concentración relativa, y opcionalmente en combinación con aditivos (por ejemplo, aditivos de combustible) . Otros ejemplos incluyen ácidos carboxílieos , sales de un ácido carboxílico, una mezcla de ácidos carboxílieos y sales de ácidos y esteres de ácidos carboxílicos (esteres por ejemplo, metilo, etilo y n-propilo) , cetonas (por ejemplo, acetona), aldehidos (por ejemplo carboxílicos, acetaldehído) , ácidos insaturados alfa y beta (por ejemplo, ácido acrílico) y olefinas (por ejemplo, etileno) . Otros alcoholes y derivados de alcohol incluyen propanol, propilenglicol , 1 , 4-butanodiol , 1,3- propanodiol, alcoholes de azúcares y polioles (por ejemplo, glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, ésteres iditol, inositol, volemitol, isomalta, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol , y poliglicitol y otros polioles) , y metílicos o etílicos de cualquiera de estos alcoholes . Otros productos que incluyen acrilato de metilo, metacrilato de metilo, ácido láctico, ácido cítrico, ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico, ácido succínico, ácido valérico, ácido caproico, ácido 3-hidroxipropiónico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, malónico ácido, ácido glutárico, ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido gamma- hidroxibutírico, y mezclas de los mismos, las sales de cualquiera de estos ácidos, mezclas de cualquiera de los ácidos y sus respectivas sales.

Cualquier combinación de los productos antes mencionados entre sí, y/o de los productos anteriores con otros productos, que otros productos pueden hacerse por los procedimientos descritos en el presente o de lo contrario, se puede envasar juntos y se venden como productos. Los productos se pueden combinar, por ejemplo, mezclado, incorporado o codisuelto, o simplemente puede ser empaquetado o vendido conjuntamente.

Cualquiera de los productos o combinaciones de productos que se describen en el presente pueden ser desinfectados o esterilizados antes de la venta de los productos, por ejemplo, después de la purificación o el aislamiento o incluso después del envasado, para neutralizar uno o más contaminantes potencialmente indeseables que podrían estar presentes en el producto (s) . Tal saneamiento se puede hacer con un bombardeo de electrones, por ejemplo, estar a una dosis de menos de aproximadamente 20 Mrad, por ejemplo, desde alrededor de 0.1 a 15 Mrad, de aproximadamente 0.5 a 7 Mrad, o de aproximadamente 1 a 3 Mrad.

Los procedimientos en el presente descritos pueden producir varios subproductos de corrientes útil para la generación de vapor y electricidad para ser utilizada en otras partes de la planta (co- generación) o de venta en el mercado abierto. Por ejemplo, el vapor generado por la quema de las corrientes de los subproductos se pueden utilizar en un proceso de destilación. Como otro ejemplo, la electricidad generada a partir de la quema de corrientes de subproductos se pueden utilizar para los generadores de haz electrónico de potencia utilizados en el pre-tratamiento .

Los subproductos utilizados para generar vapor y electricidad se derivan de un número de fuentes de todo el proceso. Por ejemplo, la digestión anaerobia de aguas residuales puede producir un biogás alto en metano y una pequeña cantidad de biomasa residual (lodos) . Como otro ejemplo, después de la sacarificación y/o sólidos destilados posteriormente (por ejemplo, la lignina no convertida, celulosa, hemicelulosa y restante del tratamiento previo y procesos primarios) se pueden utilizar, por ejemplo, quemado, como un combustible.

Muchos de los productos obtenidos, como el etanol o n- butanol, se pueden utilizar como combustible para alimentar automóviles, camiones, tractores, barcos o trenes, por ejemplo, como un combustible de combustión interna o como materia prima de la pila de combustible. Muchos de los productos obtenidos se pueden utilizar también para energizar aeronaves, tales como aviones, por ejemplo, que tienen motores a reacción o helicópteros. Además, los productos descritos en el presente pueden ser utilizados para la generación de energía eléctrica, por ejemplo, en una planta de producción de vapor convencional o en una planta de célula de combustible.

Otros intermedios y productos, incluyendo productos alimenticios y farmacéuticos, se describen en la Solicitud de Patente de E.U. 2010/0124583 Al, publicada el 20 de mayo de 2010, a Medoff, la completa descripción de la cual se incorpora en el presente documento como referencia.

SACARIFICACIÓN Para obtener una solución de fructosa a partir de la materia prima recalcitrante reducida, los materiales de la biomasa tratados se pueden sacarificar y luego isomerizar y opcionalmente se purifica, generalmente mediante la combinación de material y una enzima de celulasa en un medio fluido, por ejemplo, una solución acuosa. En algunos casos, el material es hervido, llenado, o cocinado en agua caliente antes de la sacarificación, tal como se describe en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0100577 Al por Medoff y Masterman, publicado el 26 de abril de 2012, el contenido completo de la cual se incorpora en el presente documento.

El proceso de sacarificación se puede realizar parcial o totalmente en un tanque (por ejemplo, un depósito que tiene un volumen de al menos 4000, 40000, ó 500000 L) en una planta de fabricación, y/o puede estar parcial o completamente realizado en tránsito, por ejemplo, en un vagón de ferrocarril, camión cisterna, o en un superpetrolero o en la bodega de un barco. El tiempo requerido para la sacarificación completa dependerá de las condiciones del proceso y el material de biomasa y enzima utilizada. Si la sacarificación se lleva a cabo en una planta de fabricación en condiciones controladas, la celulosa puede estar convertida completamente o considerablemente en azúcar, por ejemplo, la glucosa en aproximadamente 12-96 horas. Si sacarificación se realiza total o parcialmente en tránsito, la sacarificación puede tomar más tiempo.

Se prefiere generalmente que el contenido del tanque se mezcle durante la sacarificación, por ejemplo, mediante la mezcla de chorro como se describe en la Solicitud Internacional No. PCT/US2010/035331 , presentada el 18 de mayo de 2010, que fue publicada en Inglés como WO 2010/135380 y que designó los Estados Unidos, la completa descripción de la cual se incorpora en el presente documento como referencia.

La adición de agentes tensioactivos puede aumentar la velocidad de la sacarificación. Los ejemplos de tensioactivos incluyen tensioactivos no iónicos, tales como Tween® 20 o Tween® 80 tensioactivos de glicol de polietileno, tensioactivos iónicos o tensioactivos anfoteros .

Se prefiere generalmente que la concentración de la solución de azúcar resultante de la sacarificación sea relativamente alta, por ejemplo, mayor que 40%, o mayor que 50, 60, 70, 80, 90 o incluso mayor que 95% en peso. El agua se puede eliminar, por ejemplo, por evaporación, para aumentar la concentración de la solución de azúcar. Esto reduce el volumen a ser enviado, y también inhibe el crecimiento microbiano en la solución.

La concentración de soluciones de fructosa, por ejemplo después de la isomerización de una solución sacarificada, puede ser de entre aproximadamente 1 y 40 % . Por ejemplo entre aproximadamente 5 y 40%, entre aproximadamente 10 y 40%, entre aproximadamente 15 y 40%, entre aproximadamente 5 y 10%, entre aproximadamente 10% y 30% y entre aproximadamente 30% y 40 % .

Otras fuentes de fructosa también se pueden utilizar. Por ejemplo la fructosa se puede obtener a partir de la melaza. Algunos ejemplos de los diferentes tipos de miel son la melaza de caña de azúcar, melazas cítricas, melaza de almidón, melaza negra y/o melaza de remolacha. La glucosa en la melaza puede variar entre aproximadamente 30% a 70% (por ejemplo, 40% a 60%, por ejemplo, 45% a 55%) del total de glucosa/fructosa, por ejemplo, jarabe de maíz de alta fructosa es 55% de fructosa y 45% de glucosa. Los extractos de frutas también pueden ser una fuente de productos de alto contenido en fructosa, por ejemplo el extracto de agave puede tener 90% de fructosa y 10% de glucosa. La isomerización de soluciones de glucosa puede aumentar las concentraciones de las soluciones de glucosa y es otra fuente de fructosa. La isomerización se puede hacer por una isomerasa como se expone en el presente. Otra fuente de fructosa es la hidrólisis de la sacarosa, por ejemplo usando una enzima (por ejemplo, sucarasa) , utilizando un ácido y/o con una base.

Alternativamente, se pueden utilizar soluciones de azúcar de concentraciones más bajas, en cuyo caso puede ser deseable añadir un aditivo antimicrobiano, por ejemplo, un antibiótico de amplio espectro, en una concentración baja, por ejemplo, 50 a 150 ppm. Otros antibióticos adecuados incluyen anfotericina B, ampicilina, cloranfenicol , ciprofloxacina, gentamicina, higromicina B, kanamicina, neomicina, penicilina, puromicina, la estreptomicina. Los antibióticos inhiben el crecimiento de microorganismos durante el transporte y almacenamiento, y se pueden utilizar en concentraciones apropiadas, por ejemplo, entre 15 y 1000 ppm en peso, por ejemplo, entre 25 y 500 ppm, o entre 50 y 150 ppm. Si se desea, un antibiótico puede incluirse incluso si la concentración de azúcar es relativamente alta. Alternativamente, pueden usarse otros aditivos con propiedades conservantes anti-microbiana. Preferiblemente, el aditivo antimicrobiano es de grado alimentario.

Una solución de concentración relativamente alta se puede conseguir mediante la limitación de la cantidad de agua añadida al material de biomasa con la enzima. La concentración puede ser controlada, por ejemplo, mediante el control de la cantidad de sacarificación que se lleva a cabo. Por ejemplo, la concentración se puede aumentar mediante la adición de más material de biomasa a la solución. Con el fin de mantener el azúcar que se está produciendo en la solución, un agente tensioactivo se puede añadir, por ejemplo, uno de los expuestos anteriormente. La solubilidad también se puede aumentar mediante el aumento de la temperatura de la solución. Por ejemplo, la solución se puede mantener a una temperatura de 40-50°C, 60-80°C, o incluso superior.

Mediante la adición de glucosa isomerasa al contenido del tanque, una alta concentración de fructosa se puede obtener sin la sacarificación ser inhibidas por los azúcares en el tanque. La glucosa isomerasa se puede añadir en cualquier cantidad. Por ejemplo, la concentración puede ser por debajo de aproximadamente 22.22 m/g de celulosa (menor que o igual a 4.445 m/g de celulosa, inferior o igual a 2.222 m/g de celulosa, inferior o igual a 0.4445 m/g de celulosa, inferior que o igual a 0.2222 m/g de celulosa) . La concentración es al menos aproximadamente 0.004445 m/g de celulosa (al menos aproximadamente 0.02222 m/g de celulosa, al menos aproximadamente 0.04445 m/g de celulosa, al menos aproximadamente 0.08889 m/g de celulosa, al menos aproximadamente 0.1333 m/g de celulosa) .

La adición de glucosa de isomerasa aumenta la cantidad de azúcares producidos por al menos 5% (por lo menos 10 %, al menos al 15 %, al menos 20% ) .

La concentración de azúcares en la solución también se puede mejorar mediante la limitación de la cantidad de agua añadida a la materia prima con la enzima, y/o la concentración se puede aumentar mediante la adición de más materia prima a la solución durante la sacarificación. Con el fin de mantener el azúcar que se está produciendo en solución, un agente tensioactivo se puede añadir, por ejemplo, uno de los expuestos anteriormente. La solubilidad también se puede aumentar mediante el aumento de la temperatura de la solución. Por ejemplo, la solución se puede mantener a una temperatura de 40-50°C, 60-80°C, o incluso superior.

AGENTES SACARIFICANTES Las enzimas celulolíticas adecuadas incluyen celulasas de especies en los géneros Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium, Aspergillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium and Trichoderma, especialmente los producidos por una cepa seleccionada de la especies de Aspergillus (véase, por ejemplo, EP Pub. No. 0 458 162), Humicola insolens (reclasificados como Scytalidium thermophilum, véase, por ejemplo,, la patente de E.U. No. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (incluyendo, pero no limitado a, A. persicinum, Acremonium A. , A. brachypenium, A. dichromosporum, A. obclavatum, A. pinkertoniae, A. roseogriseum, A. incoloratum, y A. furatum) . Las cepas preferidas incluyen Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium s . CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp . CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311.74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62, y Acremonium furatum CBS 299.70H. Las enzimas celulolíticas también pueden obtenerse a partir de Chrysosporium, preferiblemente una cepa de Chrysosporium lucknowense. Cepas adicionales que se pueden utilizar incluyen, pero no se limitan a, Trichoderma (particularmente T. viride, T. reesei y T. koningii), de Bacillus alcalofílico (veáse, por ejemplo,. La patente de E.U. No. 3,844,890 y EP Pub. No. 0 458 162), y Streptomyces (véase, por ejemplo, el documento EP Pub. No. 0 458 162) .

Muchos microorganismos que se pueden utilizar para sacarificar el material de biomasa y producir azúcares también se pueden utilizar para fermentar y convertir los azúcares a productos útiles.

AZÚCARES En los procedimientos descritos en el presente documento, por ejemplo después de la sacarificación, los azúcares (por ejemplo, glucosa y xilosa) se pueden aislar. Por ejemplo los azúcares se pueden aislar por precipitación, cristalización, cromatografía (por ejemplo, cromatografía en lecho móvil simulado, cromatografía de alta presión) , centrifugación, extracción, cualquier otro método de aislamiento conocido en la técnica, y combinaciones de los mismos .

HIDROGENACION Y OTRAS TRANSFORMACIONES QUÍMICAS Los procesos descritos en el presente documento pueden incluir hidrogenación. Por ejemplo glucosa y xilosa pueden ser hidrogenados a sorbitol y xilitol, respectivamente. La hidrogenación puede llevarse a cabo mediante el uso de un catalizador (por ejemplo, Pt/gamma-A1203, Ru/C, níquel Raney, u otros catalizadores conocidos en la técnica) en combinación con H2 a alta presión (por ejemplo, 0.068947 a 82.737087 MPa) . Otros tipos de transformación química de los productos de los procesos descritos en el presente documento se pueden utilizar, por ejemplo, la producción de azúcar en productos orgánicos derivados tales (por ejemplo, furfural y productos derivados de furfural) . Las transformaciones químicas de los productos derivados del azúcar se describen en la solicitud provisional de los E.U. No. 61/ 667, 481, presentada el 3 de julio del 2012, cuya descripción se incorpora en su totalidad en el presente documento como referencia .

FERMENTACIÓN Preferiblemente, Clostridium spp. se utilizan para convertir los azúcares (por ejemplo, fructosa) a butanol . El pH óptimo para las fermentaciones es aproximadamente pH 4 a 7. Por ejemplo, el pH óptimo para la levadura es de aproximadamente pH 4 a 5, mientras que el pH óptimo para Zymomonas es de alrededor de pH 5 a 6. Los tiempos de fermentación normales son aproximadamente 24-168 hora (por ejemplo, 24 a 96 horas) con temperaturas en el intervalo de 20°C a 40°C (por ejemplo, 26°C a 40°C) , sin embargo microorganismos termófilos prefieren temperaturas más altas .

En algunas modalidades, por ejemplo, cuando se utilizan organismos anaerobios, al menos una porción de la fermentación se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, por ejemplo, bajo un manto de un gas inerte, tal como N2 , Ar, He, C02 o mezclas de los mismos. Además, la mezcla puede tener una purga constante de un gas inerte que fluye a través del tanque durante parte de o la totalidad de la fermentación. En algunos casos, las condiciones anaeróbicas, se pueden lograr o mantener por la producción de dióxido de carbono durante la fermentación y no se necesita ningún gas inerte adicional.

En algunas modalidades, la totalidad o una parte del proceso de fermentación se puede interrumpir antes de que el azúcar de bajo peso molecular está completamente convertido en un producto (por ejemplo, etanol). Los productos de fermentación intermedia incluyen el azúcar y los carbohidratos en altas concentraciones . Los azúcares y carbohidratos se pueden aislar a través de cualquier medio conocido en la técnica. Estos productos de fermentación intermedia se pueden utilizar en la preparación de alimentos para el consumo humano o animal. Adicional o alternativamente, los productos de fermentación intermedia se pueden moler a un tamaño de partícula fina en un molino de laboratorio de acero inoxidable para producir una sustancia de harina similares.

El mezclador de chorro puede ser utilizado durante la fermentación, y en algunos casos la sacarificación y la fermentación se llevan a cabo en el mismo tanque.

Los nutrientes para los microorganismos pueden añadirse durante la sacarificación y/o fermentación, por ejemplo los paquetes de nutrientes a base de alimentos descritos en la Solicitud de Patente de E.U. Publicada 2012/0052536, presentada el 15 de julio del 2011, cuya descripción completa se incorpora en el presente documento por referencia.

" Fermentación" incluye los métodos y productos que se describen en la Solicitud Provisional de los E.U. No. 61/ 579, 559, presentada el 22 de diciembre de 2012 y la Solicitud Provisional de los E.U. No. 61/ 579, 576, presentada el 22 de diciembre de 2012 el contenido de ambos se incorpora en su totalidad en el presente documento como referencia .

Los termentadores móviles pueden ser utilizados, como se describe en la Solicitud Internacional. No. PCT/US2007/074028 (que fue presentada el 20 de julio de 2007, fue publicada en Inglés como WO 2008/011598 y que designó los Estados Unidos) , cuyo contenido se incorpora en el presente documento en su totalidad. Del mismo modo, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o fermentación puede llevarse a cabo en parte o en su totalidad durante el tránsito.

OTROS AGENTES DE FERMENTACION Aunque se prefiere el Clostridium, se pueden utilizar otros microorganismos. Por ejemplo, bacterias de levadura y Zymomonas pueden ser utilizadas para la fermentación o la conversión de azúcar (es) a otro alcohol (es). Otros microorganismos se exponen a continuación. Ellos pueden ser microorganismos de origen natural y/o microorganismos diseñados. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, una bacteria celulolítica) , un hongo, (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, una levadura) , una planta, un protista, por ejemplo, una protozoos o una protesta parecida a un hongo (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, un molde de limo), o un alga. Cuando los organismos son compatibles, las mezclas de los organismos pueden ser utilizados.

Los microorganismos fermentativos adecuados tienen la capacidad de convertir los carbohidratos, tales como glucosa, fructosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos en productos de fermentación. Microorganismos fermentativos incluyen cepas del género Saccharomyces spp. (incluyendo, pero no limitado a, de S. cerevisiae (levadura de panadero), S. distaticus, S. uvarum) , el género Kluyveromyces , (incluyendo, pero no limitado a, K. marxianus, K. fragilis) , el género Candida (incluyendo, pero no limitado a, C. pseudotropicalis , y C. brassicae) , de Pichia stipitis (un pariente de Candida shehatae) , el género Clavispora (incluyendo, pero no limitado a, C. lusitaniae y C. opuntiae) , el género Pachysolen (incluyendo, pero no limitado a, P. tannophilus) , el género Bretannomyces (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, B. clausenii ( Philippidis , G. P., 1996, Cellulose bioconversion technology, in Handbook on Bioethanol : Production and Utilization, Wyman, CE., ed. , Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212)). Otros microorganismos adecuados incluyen, por ejemplo, Zymomonas mobilis, Clostridium spp. (incluyendo, pero no limitado a, C. thermocellum (Philippidis, 1996, supra) , C . saccharobutylacetonicum, C. saccharobutylicum, C. puniceum, C. beijernckii, y C. acetobutylicum) , Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis , Lactobacillus spp. Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp., Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp . , Moniliellaacetoabutans sp., Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes sp . , Pseudozyma tsukubaensis , especies de levaduras de Zygosaccharomyces generaciones, Debaryomyces , Hansenula y Pichia, y hongos de género dematioid Torula.

Por ejemplo, Clostridium spp. se puede utilizar para producir etanol, butanol, ácido butírico, ácido acético, y acetona. Lactobacillus spp., Se puede utilizar para producir ácido láctico.

Muchas de estas cepas microbianas están disponibles al público, sea en forma comercial o mediante depósitos tales como la ATCC (Colección Americana de Cultivos Tipo, de Manassas, Virginia, E.U.), el NRRL (Colección de Cultivo del Servicio de Investigación Agrícola, Peoría, Illinois, E.U.), o la DSMZ (Colección Alemana de Microorganismos y Cultivos Celulares GmbH, Braunschweig, Alemania), para nombrar unos pocos.

Las levaduras disponibles comercialmente incluyen, por ejemplo, Red Star ©/Lesaffre Etanol Red (disponible en Red Star/Lesaffre, E.U.), FALI * (disponible a partir de levadura de Fleischmann, una división de las quemaduras Philip Food Inc., E.U.), SUPERSTART ® (disponible de Alltech, ahora Lalemand) , GERT STRAND ® (disponible de Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL * (disponible de Especialidades DSM) .

Muchos microorganismos que se pueden utilizar para sacarificar material de biomasa y producir azúcares también se pueden utilizar para fermentar y convertir los azúcares a productos útiles.

DESTILACIÓN Después de la fermentación, los fluidos resultantes se pueden destilar usando, por ejemplo, una" columna de cerveza" para separar el etanol y otros alcoholes a partir de la mayoría de agua y sólidos residuales. El vapor que sale de la columna de la cerveza puede ser, por ejemplo, 35% en peso de etanol y puede ser alimentada a una columna de rectificación. Una mezcla de casi de etanol azeotrópico (92.5%) y agua de la columna de rectificación se puede purificada a etanol (99.5%) puro utilizando tamices moleculares en la fase de vapor. Los fondos de la columna de cerveza se pueden enviar al primer efecto de un evaporador de tres efectos. El condensador de reflujo de la columna de rectificación puede proporcionar calor para este primer efecto. Después del primer efecto, los sólidos se pueden separar utilizando una centrífuga y se secaron en un secador rotatorio. Una parte (25%) del efluente centrifugado puede ser reciclado a la fermentación y el resto enviado al segundo y tercer efectos del evaporador. La mayor parte del condensado del evaporador pueden ser devueltos al proceso como condensado bastante limpio con una pequeña porción se separó a los residuos de tratamiento del agua para prevenir la acumulación de compuestos de bajo punto de ebullición.

Aparte de en los ejemplos del presente documento, o a menos que se especifique lo contrario, todos los intervalos numéricos, cantidades, valores y porcentajes, tales como aquellos para cantidades de materiales, contenidos elementales, tiempos y temperaturas de reacción, relaciones de cantidades, y otras, en la siguiente parte de la descripción y reivindicaciones adjuntas se pueden leer como si prologado por la palabra "aproximadamente" a pesar de que el término "aproximadamente" puede no aparecer expresamente con el valor, cantidad o variedad. Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos expuestos en la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas buscadas para ser obtenidas por la presente invención. Por lo menos, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico al menos debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos reportados y mediante la aplicación de técnicas de redondeo ordinarias .

A pesar de que los intervalos y parámetros numéricos que' exponen el amplio alcance de la invención son aproximaciones, los valores numéricos expuestos en los ejemplos específicos se informan tan precisamente como sea posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene inherentemente contiene errores necesariamente resultan de la desviación estándar encontrada en sus respectivas mediciones de prueba subyacentes. Además, cuando los intervalos numéricos se exponen en el presente documento, estos intervalos son inclusive de los puntos finales intervalo citado en (es decir, se pueden utilizar puntos finales) . Cuando los porcentajes en peso se utilizan en el presente documento, los valores numéricos reportados son relativos con el peso total .

Además, debe entenderse que cualquier intervalo numérico citado en el presente documento se pretende que incluya todos los subintervalos incluidos en el mismo. Por ejemplo, un intervalo de "1 a 10" pretende incluir todos los subintervalos entre (e incluyendo) el valor mínimo enumerado de 1 y el valor máximo citado de 10, es decir, que tiene un valor mínimo igual o mayor que 1 y un valor máximo igual o inferior a 10. Los términos "uno", "un" o "una", como se usa en el presente documento se pretende incluir "al menos uno" o "uno o más", a menos que se indique lo contrario.

EJEMPLOS Ejemplo 1. Producción de Butanol en Glucosa, ilosa y Fructosa Se utilizó un medio basado en P2 como se describe en E.U. 6,358,717 para las siguientes pruebas. El medio se compone de las siguientes soluciones preparadas por separado (en gramos por 100 mi de agua destilada, a menos que se indique lo contrario) : azúcar (ver más aba o para los tipos y cantidades), 790 mi de agua destilada (solución I), 0.5 g de K2HP04, 0.5 g de KH2P04, 2.2 g de CH3COONH4 (solución II), 2.0 g de MgS04 · 7H20, 0.1 g de MnS04 · H20, 0.1 g de NaCl, 0.1 g de FeS04 · 7H20 (solución III), y 100 mg de ácido p-aminobenzoico, 100 mg de tiamina, 1 mg de biotina (solución IV) . Soluciones I y II se esterilizaron por filtración y posteriormente se mezclaron para formar una solución de tampón de azúcar. Soluciones III y IV fueron esterilizadas por filtración. Las porciones (10 y 1 mi) de soluciones III y IV, respectivamente, se añadieron asépticamente a la solución de tampón de azúcar. El pH final del medio de P2 fue 6.6.

Las cantidades de azúcares utilizados fueron: para el medio GXP2, glucosa 43g y xilosa 24g; por medio de FP2, 43g de fructosa; para el medio FGP2 , fructosa 43g y glucosa 43g.

Las soluciones se purgaron con argón durante 45 min y después se ponen en una cámara anaeróbica. Las soluciones (10 mi) se midieron en 21, de 20 mL de viales de suero previamente esterilizados en autoclave. Los viales se sellaron con un septo sellable y luego llevados fuera de la caja anaeróbica. Los viales se inocularon con 1% en volumen de Clostridium saccharoperbutylacetonicum (ATCC 27021) a partir de un material de glicerol acuosa preparado siguiendo el protocolo recomendado por la ATCC de los gránulos proporcionados por la ATCC. Los viales se hicieron crecer a 30°C durante 48 o 96 horas. Se analizó el espacio de cabeza para la producción de butanol mediante GC . Los resultados (en g/L) se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 2. Los resultados de la producción de butanol en tres diferentes fuentes de carbono.

Ejemplo 2 Producción de butanol en fructosa contra glucosa y xilosa Diez mi de medios de P2 que contiene o bien una mezcla de glucosa/xilosa de fructosa sola (32 g/L) se incubaron a 30°C con uno de Clostridium saccharoperbutylacetonium cepa ATCC 27021 ó 27022. Como en el Ejemplo 1, los resultados presentados en la siguiente tabla muestra que se generó más butanol cuando Clostridium se cultiva en fructosa a diferencia de, glucosa o xilosa.

Tabla 3. El vial de Clostridium se creció en fructosa o glucosa/xilosa como la fuente de carbono.

Cepa Sustrato Producción de Butanol (gL) Punto de timepo(hrs) ATCC 27021 Fructose ñl 48 ATCC 27021 Glucose/Xylose 2.3 48 ATCC27022 Fructose 11.6 96 ATCC27022 Glucose/Xylose 4.0 96 Cualquier patente, publicación, u otro material de descripción, en su totalidad o en parte, que se dice, ser incorporada por referencia en el presente documento se incorpora sólo en la medida en que el material incorporado no entre en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones u otro material descrito expuesto en esta descripción. Como tal, y en la medida de lo necesario, la descripción como explícitamente se exponen en el presente documento reemplaza cualquier material conflictivo incorporado en el presente documento por referencia Cualquier material, o parte del mismo, que se dice que es incorporado por referencia en el presente documento, pero el cual entra en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones u otro material descrito establecidos en el presente documento serán incorporados sólo a medida de que no aumente el conflicto entre el material incorporado y el material descrito existente.

Mientras que ésta invención ha sido particularmente mostrada y descrita con referencias a las modalidades preferidas de las mismas, será entendido por los técnicos en la materia que diferentes cambios y detalles pueden estar hechos en el mismo sin apartarse del alcance de la invención incluido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir un producto, el método que comprende : producir fructosa mediante la sacarificación una biomasa y contactando una biomasa sacarificada con un agente de isomerización, y convertir la fructosa a un producto con un microorganismo y/o una enzima.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la biomasa comprende un material celulósico o lignocelulósico .

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el agente de isomerización es una isomerasa.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque la isomerasa es xilosa isomerasa.

5. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la biomasa celulósica o lignocelulósica es tratada para reducir su recalcitrante a la sacarificación.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el método de tratamiento se selecciona de un grupo que consiste de: el bombardeo con electrones, la sonicación, la oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico, trituración por congelamiento y combinación de los mismos .

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el método de tratamiento es el bombardeo con electrones .

8. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la biomasa celulósica o lignocelulósica se selecciona de un grupo que consiste de: papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papeles pigmentados, papeles cargados, papeles recubiertos, papeles llenados, revistas, material impreso, papel impreso, papel polirrevestido , cartulina, cartón, cartoncillo, algodón, madera, tableros de partículas, los residuos forestales, aserrín, madera de álamo, astillas de madera, hierbas, panicum virgatum, miscanthus, spartina, phalaris arundinacea, los residuos de granos, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de la cebada, los residuos agrícolas, forraje ensilado, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, rastrojo de maíz, rastrojo de soya, fibra de maíz, alfalfa, heno, pelo de coco, residuos de procesamiento del azúcar, bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave, alga, hierba marina, estiércol, aguas residuales, arracacha, alforfón, plátano, cebada, yuca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papas, camote, taro, frijoles, ñame, habas, lentejas, chícharos, los residuos industriales y mezclas de cualquiera de éstos.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el microorganismo comprende una cepa de Clostridium spp.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el microorganismo es C. saccharoperbutylacetonicum.

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el microorganismo es C. saccharoperbutylacetonicum cepa ATCC 27021.

12. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el microorganismo es C. saccharoperbutylacetonicum cepa ATCC 27022.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porgue el producto comprende un solvente.

14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el solvente comprende un alcohol .

15. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el alcohol comprende isobutanol o n-butanol .