MX2014007583A - Produccion de azucar y alcohol a partir de la biomasa. - Google Patents

Abstract

Los procesos aquí divulgados incluyen la sacarificación de las biomasas celulósicas y/o lignocelulósicas y la fermentación de los azúcares para producir un alcohol de azúcar.

Description

PRODUCCIÓN DE AZÚCAR Y ALCOHOL A PARTIR DE LA BIOMASA REFERENCIA CRUZADA A LAS SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional Estadounidense No. 61/579,576, presentada el 22 de diciembre de 2011. La divulgación completa de la solicitud anterior se incorpora en la presente por referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a la producción de los productos, como los alcoholes del azúcar, por ejemplo, el eritritol .

ANTECEDENTES A medida que aumenta la demanda de petróleo, también crece el interés en las materias primas renovables para la fabricación de biocombustibles y bioquímicos. El uso de biomasa lignocelulósica como materia prima para estos procesos de fabricación se ha estudiado desde la década de 1970. La biomasa lignocelulósica es fascinante porque es abundante, renovable, producida en el país, y no compite con los usos de la industria alimentaria.

Muchas materias primas lignocelulósicas potenciales están disponibles hoy, incluyendo los residuos agrícolas, biomasas leñosas, los residuos municipales, semillas oleaginosas /pastas y algas marinas, por nombrar algunas. En la actualidad estos materiales se utilizan como alimento para animales, materiales de biocompost, se queman en una planta de cogeneración o se usan para relleno de tierra.

La biomasa lignocelulósica es resistente a la degradación ya que las paredes celulares de las plantas tienen una estructura rígida y compacta. La estructura está formada por fibrillas de celulosa cristalina incrustadas en una matriz hemicelulosa, rodeada por lignina. Esta matriz compacta es difícil de acceder para las enzimas y otros químicos, bioquímicos y procesos biológicos. Los materiales de biomasa celulósica (p. ej . , el material de biomasa del que prácticamente toda la lignina ha sido eliminada) pueden resultar más accesibles para las enzimas y otros procesos de conversión, pero aun así, los materiales celulósicos naturales a menudo tienen bajos rendimientos (relativo a los rendimientos teóricos) cuando hacen contacto con las enzimas de hidrolización. La biomasa lignocelulósica es incluso más resistente al ataque por enzimas. Además, cada tipo de biomasa lignocelulósica tiene su propia composición específica de celulosa, hemicelulosa y lignina.

Mientras que con varios métodos se ha intentado obtener carbohidratos estructurales a partir de biomasa lignocelulósica, o son demasiado caros, producen muy bajo rendimiento, dejan sustancias nocivas en el producto resultante, o simplemente degradan los azúcares.

Los sacáridos de las fuentes de biomasa renovables podrían convertirse en la base de las industrias de los químicos y los combustibles mediante la sustitución, complemento o sustitución del petróleo y otros combustibles fósiles con materias primas. Sin embargo, se necesitan desarrollar técnicas que harán que estos monosacáridos estén disponibles en grandes cantidades y a precios y pureza aceptables .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se proporciona un método para fabricar alcohol de azúcar a partir de una biomasa celulósica o lignocelulósica que contiene uno o más azúcares el cual incluye la combinación de las biomasas celulósicas o lignocelulósicas con un microorganismo capaz de convertir por lo menos uno de los azúcares en un alcohol de azúcar, y el mantenimiento de la combinación microorganismo-biomasa bajo condiciones que permitan al microorganismo convertir al menos uno de los azúcares en alcohol de azúcar. En algunas implementaciones , el método incluye: el suministro de una biomasa celulósica o lignocelulosica, caracterizado porque la biomasa celulósica o lignocelulosica contiene uno o más azúcares; el suministro de un microorganismo capaz de convertir por lo menos uno de los azúcares en un alcohol de azúcar; combinar la biomasa celulósica o lignocelulosica con el microorganismo, produciendo así una combinación microorganismo-biomasa; y mantener la combinación microorganismo-biomasa en condiciones que permitan al microorganismo convertir al menos uno de los azúcares en un alcohol de azúcar; produciendo así un alcohol de azúcar a partir de una biomasa celulósica o lignocelulosica. La biomasa celulósica o lignocelulosica se puede sacarificar.

Cualquiera de los métodos previstos en este documento pueden incluir la reducción de la resistencia a degradación de la biomasa celulósica o lignocelulosica de sacarificación antes para combinarlo con el microorganismo. La resistencia a degradación se puede reducir por un método de tratamiento seleccionado del grupo que consta de: bombardeo de electrones, sonicación, oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico y rectificado en congelación. El método de tratamiento puede ser bombardeo con electrones.

Cualquiera de los métodos previstos en este documento también pueden incluir el tratamiento mecánico de la biomasa celulósica o lignocelulósica para reducir su densidad a granel y/o aumentar su superficie. Por ejemplo, la biomasa celulósica o lignocelulósica se puede triturar, por ejemplo, se puede moler en seco, o moler en húmedo.

En cualquiera de los métodos previstos en este documento, la biomasa puede ser sacarificada con una o más celulasas . Cualquiera de los métodos puede incluir también separar uno o más azúcares antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo, o los métodos pueden incluir la concentración de uno o más azúcares antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo. Los métodos también pueden incluir tanto la concentración y separación de uno o más azúcares antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo. La biomasa sacarificada se puede ajustar para tener una concentración de glucosa inicial de por lo menos 5% en peso. La biomasa sacarificada también puede ser purificada, por ejemplo, por la eliminación de iones metálicos .

Cualquiera de los métodos divulgados aquí también pueden incluir el cultivo del microorganismo en una fase de crecimiento celular antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulosica con el microorganismo.

En cualquiera de los métodos previstos en este documento, el alcohol de azúcar puede ser glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol o poliglicitol .

El microorganismo puede ser Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis, Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp., Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans, Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes, Pseudozyma tsukubaensis; especies de levaduras de los géneros Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula y Pichia, o hongos del género dematioide Torula. El microorganismo puede ser una especie de Moniliella, como M. pollinis, por ejemplo, la cepa CBS 461.67, o M.megachiliensis, cepa CBS 567.85.

En cualquiera de los métodos descritos en el presente documento, las biomasas lignocelulósicas o celulósicas pueden ser: papel, productos de papel, desechos de papel, pasta de papel, papel pigmentado, papel forrado, papel satinado, papel texturizado, revistas, material impreso, papel para impresora, papel polisatinado, cartoncillo, cartón, cartulina, algodón, madera, aglomerados, residuos forestales, aserrín, madera de aspen, astillas de madera, pastos, pasto aguja, miscanthus, gramíneas, alpiste arundináceo, restos de granos, corteza de arroz, corteza de avena, cáscara de trigo, corteza de cebada, desechos agrícolas, ensilaje, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, forraje de maíz, forraje de soya, fibra de maíz, alfalfa, heno, fibra de coco, residuos del proceso de elaboración del azúcar, bagazo, pulpa de betabel, bagazo de agave, algas, algas marinas, estiércol, aguas residuales, menudencias, arracacha, trigo sarraceno, plátano, cebada, yuca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papa, camote, taro, boniatos, frijoles, habas, lentejas, chícharos, o mezclas de cualquiera de éstos.

Debe entenderse que esta invención no se limita a las modalidades divulgadas en esta Breve Descripción, y su objetivo es cubrir las modificaciones que se encuentran dentro de la esencia y alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior se desprende de la siguiente descripción más concreta de las modalidades ejemplo de la invención, tal como se ilustra en los dibujos que se anexan en los cuales se hace referencia a las mismas partes en distintas vistas. Los dibujos no están necesariamente a escala, en cambio el énfasis se hace en la ilustración de las modalidades de la presente invención.

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

FIG. 2 Es un diagrama de flujo que ilustra la conversión de materia prima de biomasa en uno o más productos. La materia prima se trata previamente de forma física (por ej . , para reducir su tamaño) (200), se trata para reducir su resistencia a degradación (210) , se sacarifica para formar una solución de azúcar (220) , la solución se transporta (230) a una planta de fabricación (por ej . , por medio de un ducto, autovía) (o si se realiza la sacarificación en ruta, se transporta la materia prima, enzima y agua) , la materia prima sacarificada es bio-procesada para producir un producto deseado (p.ej., alcohol) (240), y el producto se puede procesar de forma adicional, por ejemplo, por destilación, para producir un producto final (250) . El tratamiento de resistencia a degradación puede ser modificado midiendo el contenido de lignina (201) y configurando o a ustando los parámetros de los procesos (205) . La sacarificación de la materia prima (220) se puede modificar mezclando la materia prima con el medio y la enzima (221) .

DESCRIPCIÓN DETALLADA Esta invención se refiere a los métodos para procesar materiales biomasa de materia prima de biomasa (por ej . , materiales de biomasa o derivados biomasas como los materiales celulósicos y lignocelulósicos ) para obtener alcoholes del azúcar como el eritritol ((2R,3S) -butano-1 , 2 , 3 , 4-tetraol ) , o isómeros, o mezclas de los mismos.

En algunos casos, la resistencia a degradación de la materia prima se reduce antes de la sacarificación. En algunos casos, la reducción de la resistencia a degradación de la materia prima incluye el tratamiento de la materia prima. El tratamiento físico puede ser, por ejemplo, radiación, por ejemplo, haz de electrones, radiación, sonicación, pirólisis, oxidación, explosión de vapor, tratamiento químico, o combinaciones de cualquiera de estos tratamientos .

En algunas implementaciones , el método también incluye el tratamiento mecánico de la materia prima mecánica antes y/o después de reducir su resistencia a degradación. Los tratamientos mecánicos incluyen, por ejemplo, cortar, moler, por ej., moler con molino de martillos, prensar, triturar, fragmentar y picar. El tratamiento mecánico puede reducir la densidad a granel de la materia prima y/o aumentar la superficie de la materia prima. En algunas modalidades, después del tratamiento mecánico el material tiene una densidad a granel de menos de 0.75 g/cm3, p. ej . , 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 0.025 g/cm3. La densidad a granel se determina usando ASTM D1895B. En algunas circunstancias, los tratamientos mecánicos pueden eliminar o reducir la resistencia a degradación.

En un aspecto, la invención describe un método que incluye poner en contacto al azúcar, producida por medio de la sacarificación de materias primas celulósicas o lignocelulósicas con un microorganismo para producir un producto, como un alcohol de azúcar, por ej . , eritritol. Otros productos incluyen, por ejemplo, ácido cítrico, ácido glutámico y lisina.

En algunas implementaciones , el microorganismo incluye Moniliella pollinis, Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides sp . , Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans, Typhula variabilis , Candida magnoliae, Ustilaginomycetes, Pseudozyma tsukubaensis; especies de levadura de los géneros Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula y Pichia; o hongos del género Torula.

En algunas implementaciones, el paso del contacto incluye un proceso de etapa doble, que consiste en un paso de crecimiento de las células y un paso de fermentación. Opcionalmente, la fermentación se lleva a cabo utilizando una solución de glucosa con una concentración de glucosa inicial de al menos 5 % en peso al inicio de la fermentación. Además, la solución de glucosa se puede diluir después de que ha comenzado la fermentación.

Como se muestra en la FIG. 1, por ejemplo, durante la sacarificación un sustrato celulósico (A) se hidroliza inicialmente por endoglucanasas (i) en ubicaciones al azar produciendo intermediarios oligoméricos (p. ej . , celulosa) (B) . Estos intermediarios son sustratos para exo-dividir las glucanasas (ii) como celobiohidrolasa para producir celobiosa desde los extremos del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero de glucosa de enlace 1,4 soluble en agua. Por último la celobiasa (iii) se adhiere a la celobiosa (C) para producir glucosa (D) . Por lo tanto, las endoglucanasas son particularmente eficaces para atacar las porciones cristalinas de celulosa y aumentar la eficacia de las exocelulasas para producir celobiosa, que requiere entonces la especificidad de la celobiosa para producir glucosa. Por lo tanto, es evidente que, en función de la naturaleza y la estructura del sustrato celulósico, la cantidad y el tipo de las tres diferentes enzimas pueden necesitar modificarse.

En algunas implementaciones , la enzima es producida por un hongo, por ejemplo, por cepas de hongos filamentosos celulolíticos Trichoderma reesei . Por ejemplo, se pueden usar los mutantes de celulasa de alto rendimiento de Trichoderma reesei, por ejemplo, RUT-NG14, PC3-7, Q 9414 y/o Rut-C30. Estas cepas se describen, por ejemplo, en "Selective Screening Methods for the Isolation of High Yielding Cellulase Mutants of Trichoderma reesei," Montenecourt , B.S. and Everleigh, D.E. Chem. Ser. 181, 289-301 (1979), y su divulgación completa se incorpora a este documento por referencia. También se pueden usar otros microorganismos productores de celulasa.

Como se muestra en la FIG. 2, un proceso para la fabricación de un alcohol de azúcar puede incluir, por ejemplo, opcionalmente el tratamiento mecánico de una materia prima, por ejemplo, para reducir su tamaño (200) , antes y/o después de este tratamiento, opcionalmente el tratamiento de la materia prima con otro tratamiento físico para reducir aún más su resistencia a la degradación (210) , después sacarificar la materia prima, utilizando el complejo enzimático, para formar una solución de azúcar (220) . Opcionalmente, el método también puede incluir el transporte, p. ej . , por medio de un ducto, autovía, camión o barcaza, de la solución (o la materia prima, enzimas y agua, si la sacarificación se realiza en ruta) a una planta de fabricación (230). En algunos casos, la materia prima sacarificada es además bioprocesada (p.ej., fermentada), para producir un producto deseado p.ej., alcohol (240). Este producto resultante puede, en algunas implementaciones , procesarse más, por ejemplo, por destilación (250), para producir un producto final . Un método para reducir la resistencia a la degradación de la materia prima es por bombardeo de electrones de la materia prima. Si lo desea, los pasos de medición del contenido de lignina de la materia prima (201) y la configuración o ajuste de los parámetros del proceso basado en esta medición (205) se puede realizar en distintas etapas del proceso, como se describe en la Solicitud de Pat. Estadounidense Solicitud Pub. 2010/0203495 Al por Medoff y Masterman, publicada el 12 de Agosto, 2010, cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia. La sacarificación de la materia prima (220) también se puede modificar mezclando la materia prima con el medio y la enzima (221) .

En algunos casos, la materia prima se hierbe, se deja en infusión, o se calienta en agua caliente antes de la sacarificación, como se describe en la Serie Estadounidense No. 13/276,192, de fecha 18 de octubre de 2011.

El proceso de sacarificación se puede llevar a cabo de forma parcial o desarrollarse totalmente en un depósito (por ejemplo, un depósito con un volumen de al menos 4000, 40,000 o 500,000 L) en una planta de fabricación, y/o se puede llevar a cabo de forma parcial o total en tránsito, por ejemplo, en un vagón de ferrocarril, camión petrolero, o en un superpetrolero o en la bodega de un barco. Se pueden utilizar termentadores móviles, como se describe en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense 2010/0064746 Al, publicada el 18 de marzo de 2010, cuya divulgación completa se incorpora a este documento por referencia .

Generalmente es preferible que el contenido del depósito y/o termentador se mezcle durante todo o parte del proceso, p.ej., usando la mezcla a chorro tal como se describe en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense 2010/0297705 Al, presentada el 18 de mayo, 2010 y publicada el 25 de noviembre, 2012, Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense 2012/0100572 Al, presentada el 10 de noviembre de 2011 y publicada el 26 de abril de 2012, Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense 2012/0091035 Al, presentada el 10 de noviembre, 2011 y publicada el 19 de abril, 2012, la divulgación total de estas divulgaciones se incorpora a la presente por referencia.

La incorporación de aditivos como p. ej . , surfactantes o nutrientes, puede potenciar el índice de sacarificación. Ejemplos de surfactantes incluyen surfactantes no iónicos, como surfactantes de glicol polietileno Tween ® 20 o Tween ®80, surfactantes iónicos, o surfactantes anfoteros .

Se pueden ser producir uno o más productos útiles. Por ejemplo, se puede producir glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol y poliglicitol por fermentación. Además, también se puede producir ácido butírico, ácido glucónico y ácido cítrico.

En algunas modalidades, se pueden producir polioles por fermentación, incluyendo polioles monoméricos como glicerina, pentaeritritol , etileno glicol y sacarosa. Estos se pueden desarrollar en los polioles poliméricos como polioles de polieter.

En algunas modalidades, la materia prima opcionalmente tratada de forma mecánica y/o física se puede combinar con un complejo enzimático de sacarificación y también se combina con un organismo que fermenta por lo menos una parte de los azúcares liberados en un alcohol de azúcar. El alcohol de azúcar se aisla de otros productos y material no fermentado, como sólidos, azúcares no fermentables y restos celulares.

La materia prima opcionalmente tratada de forma mecánica y/o física también se puede combinar con un complejo enzimático de sacarificación y después de que la sacarificación esté al menos parcialmente terminada, la mezcla se combina con un organismo que produce alcoholes de azúcar. Las condiciones de sacarificación (por ej . , temperatura, agitación, aireación) puede ser diferente de las condiciones de fermentación. El pH óptimo de fermentación es de 4 a 6 pH. Los tiempos de fermentación típicos son de aproximadamente 24 a 120 horas con temperaturas en el rango de 25 °C a 40 °C, por ej . , 25° C a 30° C. La fermentación normalmente se hace con aieración usando un tubo de intercambio y un suministro de aire y/o oxígeno para mantener el nivel de oxígeno disuelto por arriba del 10% (p. ej., arriba de un 20%) . La sacarificación y fermentación puede estar en el mismo o diferente reactor/ recipiente. Después se aisla el alcohol de azúcar. Como se indicó antes, el proceso de fermentación se puede realizar durante el proceso de transporte .

Por lo general, una alta concentración inicial de azúcar al principio de la fermentación favorece la producción de alcoholes del azúcar. En consecuencia, la solución de materia prima sacarificada se puede concentrar antes de la combinación con el organismo que produce alcoholes del azúcar para aumentar el nivel de glucosa de la solución. La concentración se puede llevar acabo por medio de cualquier técnica que se desee. Por ejemplo, la concentración se pue hacer por calefacción, refrigeración, centrifugación, osmosis inversa, cromatografía, precipitación, cristalización, evaporación, adsorción y combinaciones de éstos.

Preferiblemente la concentración se realiza por evaporación de por lo menos una parte de los líquidos de la materia prima sacarificada. De preferencia, la concentración se lleva a cabo para aumentar el contenido de glucosa a más de 5 % en peso, por ejemplo, superior al 10 % en peso, superior al 15 % en peso, superior al 20 % en peso, superior al 30 % en peso, superior al 40 % en peso o incluso superior al 50 % en peso. Después se aisla el producto de la fermentación.

La materia prima sacarificada también se puede purificar antes o después de la concentración. De preferencia, la purificación se lleva a cabo para aumentar el contenido de glucosa a más de aproximadamente 50 % en peso de todos los componentes además del agua (por ejemplo, superior a aproximadamente el 60 % en peso, superior al 70 % en peso, superior al 80 % en peso, superior al 90 % en peso, e incluso superior a aproximadamente el 99 % en peso. La purificación se puede llevar a cabo por medio de cualquier técnica, por ejemplo, por calefacción, refrigeración, centrifugación, osmosis inversa, cromatografía, precipitación, cristalización, evaporación, adsorción o combinaciones de éstos .

En algunas implementaciones la fermentación es una etapa doble, con una fase de crecimiento celular y una fase de producción. En la fase de crecimiento, las condiciones son seleccionadas para optimizar el crecimiento celular, mientras que en la fase de producción se seleccionan condiciones para optimizar la producción de los productos de fermentación deseados. Por lo general, los bajos niveles de azúcar (por ej . , entre 0.1 ? 10 % en peso, entre 0.2 y 5 % en peso) en el medio de cultivo favorecen el crecimiento celular, y los altos niveles de azúcar (por ej . , superior al 5 % en peso, superior al 10 % en peso, superior al 20 % en peso, superior al 30 % en peso, superior al 40 % en peso) en el medio de fermentación favorecen la producción. Otras condiciones pueden ser opcionalmente modificadas en cada etapa, por ejemplo, temperatura, agitación, niveles de azúcar, nutrientes y/o pH. El monitoreo de las condiciones en cada etapa se puede realizar para optimizar el proceso. Por ejemplo, el crecimiento se puede monitorear para lograr una densidad óptima, por ejemplo, alrededor de 50 g/L (p. ej., mayor a 60 g/L, mayor a 70 g/L o mayor a cerca de 75g/L) , y se puede agregar una solución concentrada sacarificada para desencadenar el comienzo de la formación del producto. Opcionalmente, el proceso puede ser optimizado, por ejemplo, mediante el monitoreo y ajuste del pH o nivel de oxigenación con sondas y alimentación automática para controlar el crecimiento celular y la formación del producto. Además, se pueden controlar otros nutrientes y monitorearse para optimizar el proceso (por ejemplo, los aminoácidos, las vitaminas, los iones metálicos, extracto de levadura, extractos vegetales, peptonas, fuentes de carbono y proteínas) .

Las fermentaciones de etapa doble se describen en Biotechnological production of erythritol and its applications, Hee-Jung Moon et al., Appl . Microbiol. Biotechnol. (2010) 86: 1017-1025. Aunque, por lo general una alta concentración inicial de glucosa al principio de la fermentación favorece la producción de eritritol producción, si esta alta concentración se mantiene durante mucho tiempo, puede ser perjudicial para el organismo. Una alta concentración inicial de glucosa se puede lograr mediante la concentración de glucosa durante después de la sacarificación como se ha expuso antes. Después de un tiempo de fermentación inicial para permitir el inicio de la fermentación, el medio de fermentación se diluye con un diluyente apropiado de tal manera que el nivel de glucosa se disminuya aproximadamente 60 % en peso (p. ej . , menos de aproximadamente 50 % en peso, menos de aproximadamente 40 % en peso) . El diluyente puede ser agua o agua con componentes adicionales, tales como aminoácidos, vitaminas, iones metálicos, extracto de levadura, extractos vegetales, peptonas, fuentes de carbono y proteínas.

MATERIALES DE BIOMASA En este documento, el término "material de biomasa" incluye materiales lignocelulosicos, celulósicos, almidones y materiales microbianos .

Los materiales lignocelulosicos incluyen, de manera enunciativa pero no limitativa, madera, aglomerados, desechos forestales (por ejemplo, aserrín, madera de aspen, astillas de madera), pastos, (por ejemplo, pasto aguja, miscanthus, gramíneas, alpiste arundináceo) , restos de granos, (por ej . , corteza de arroz, corteza de avena, cáscara de trigo, corteza de cebada), residuos agrícolas (por ej . , ensilaje, paja de cañóla, paja de trigo, paja de cebada, paja de avena, paja de arroz, yute, cáñamo, lino, bambú, sisal, abacá, mazorcas de maíz, tallos de maíz, forraje de soya, fibra de maíz, alfalfa, heno, fibra de coco) , residuos del proceso de elaboración del azúcar (por ej . , el bagazo de la caña de azúcar, pulpa de betabel, bagazo de agave), algas, algas marinas, estiércol, aguas residuales, y mezclas de cualquiera de éstos.

En algunos casos, el material lignocelulósico incluye mazorcas. Las mazorcas molidas o trituradas con molino de martillos se pueden esparcir en una capa de espesor relativamente uniforme para radiación, y después de la radiación se dispersan fácilmente en el medio para un procesamiento posterior. Para facilitar la cosecha y recolección, en algunos casos se utiliza toda la planta de maíz, incluyendo las mazorcas de maíz, granos de maíz, y en algunos casos, incluso el sistema de raíz de la planta.

Convenientemente, ningún nutriente adicional (además de una fuente de nitrógeno, por ejemplo, urea o amoniaco) es necesario durante el proceso de fermentación de las mazorcas de maíz o los materiales celulósicos o lignocelulósicos que contienen cantidades importantes de mazorcas de maíz.

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

Los materiales celulósicos incluyen, por ejemplo, papel, productos de papel, desechos de papel, pasta de papel, papel pigmentado, papel cargado, papel satinado, papel texturizado, revistas, material impreso (por ejemplo, libros, catálogos, manuales, etiquetas, calendarios, tarjetas de felicitación, folletos, prospectos, papel periódico), papel para impresión, papel polisatinado, cartoncillo, cartón, cartulina, materiales con un alto contenido de a-celulosa como el algodón, y mezclas de cualquiera de éstos. Por ejemplo, los productos de papel como se describe en la Sol. Estadounidense No. 13/396,365 ("Magazine Feedstocks" por Medoff et al., presentada el 14 de febrero de 2012), cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia .

Los materiales celulósicos también puede incluir materiales lignocelulósicos que han sido deslignificados .

Los materiales de almidón incluyen el propio almidón, por ejemplo, almidón de maíz, almidón de trigo, almidón de papa o almidón de arroz, un derivado del almidón, o un material que contiene almidón, como un producto comestible o un cultivo. Por ejemplo, el material con almidón puede ser arracacha, trigo sarraceno, plátano, cebada, yuca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papas regulares, camote, taro, batatas, o uno o más granos, como las habas, lentejas o frijoles. Las mezclas de dos o más materiales de almidón son también materiales de almidón. También se pueden utilizar las mezclas de materiales de almidón, celulósicos o lignocelulósicos. Por ejemplo, una biomasa puede ser toda una planta, una parte de una planta o diferentes partes de una planta, por ejemplo, una planta de trigo, una planta de algodón, una planta de maíz, una planta de arroz o un árbol.

Los materiales de almidón se pueden tratar por cualquiera de los métodos descritos en este documento.

Los materiales microbianos incluyen, de manera enunciativa pero no limitativa, cualquier organismo o microorganismo natural o modificado genéticamente que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (p. ej., celulosa), por ejemplo, protistas, p. ej . , protistas animales, (p. ej . , protozoarios como los flagelados, amiboides, ciliados, y esporozoos) y protistas de plantas (por ej . , algas como alveolados, cloraracniofitos , criptomónadas , euglenoides, glaucófitos, haptófitos, algas rojas, estramenópilos y viridaeplantae) . Otros ejemplos incluyen algas marinas, plancton (por ej . , macroplancton, mesoplancton, microplancton, nanoplancton, picoplancton y femptoplancton) , fitoplancton, bacterias (por ej . , las bacterias gram positivas, gram negativas y extremófilos ) , levaduras y/o mezclas de éstas. En algunos casos, la biomasa microbiana se puede obtener de fuentes naturales, por ejemplo, el océano, lagos, cuerpos de agua, por ejemplo, agua salada o agua dulce, o en tierra. De forma alterna o adicional, la biomasa microbiana se puede obtener de sistemas de cultivo, por ejemplo, cultivos secos y húmedos a gran escala y sistemas de fermentación.

El material de biomasa también puede incluir menudencias y fuentes de similares de material.

En otras modalidades, los materiales de biomasa, tales como los materiales de materias primas celulósicas, almidones y lignocelulosicas, se pueden obtener de microorganismos transgénicos y plantas que han sido modificadas con respecto a una variedad de tipo silvestre. Estas modificaciones pueden ser, por ejemplo, a través de los pasos reiterativos de selección y reproducción para obtener características específicas en una planta. Por otra parte, a las plantas se les puede haber eliminado, modificado, silenciado y/o agregado material genético con respecto a la variedad silvestre. Por ejemplo, las plantas genéticamente modificadas pueden producirse mediante métodos de ADN recombinante, en donde las modificaciones genéticas incluyen la introducción o modificación de genes específicos de variedades parentales, o, por ejemplo, mediante el uso de reproducción transgénica caracterizados porque un determinado gen o genes se introducen a una planta a partir de una especie diferente de planta y/o bacteria. Otra forma de crear una variación genética es mediante la reproducción de mutaciones, en donde los nuevos alelos se crean artificialmente a partir de genes endógenos. Los genes artificiales se pueden crear de diversas formas, incluso tratando la planta o las semillas con, por ejemplo, mutágenos químicos (p.ej., usando agentes alquilantes, epóxidos, alcaloides, peróxidos, formaldehído) , radiación (por ejemplo, rayos X, rayos gamma, neutrones, partículas beta, partículas alfa, protones, deuterones, radiación UV) y choques térmicos u otras técnicas de tensión externas y de selección subsecuentes. Otros métodos de suministro de genes modificados es a través de PCR proclive a errores y reordenamiento de ADN seguido de la inserción del ADN modificado deseado en la planta o semilla deseada. Los métodos de introducción de la variación genética deseada en semillas o plantas incluyen, por ejemplo, el uso de un portador bacteriano, biolística, precipitación del fosfato de calcio, electroporación, manipulación génica, silenciamiento génico, lipofección, microinyección y portadores virales. En la Solicitud Estadounidense No. de Serie 13/396,369 de fecha 14 de febrero de 2012 se describen otros materiales genéticamente modificados, y su divulgación total se incorpora al presente documento por referencia.

Cualquiera de los métodos descritos en el presente documento se pueden practicar con las mezclas de los materiales de biomasa aguí descritos.

PREPARACIÓN DEL MATERIAL DE BIOMASA — TRATAMIENTOS MECÁNICOS La biomasa puede ser en forma seca, por ejemplo, con menos de un 35% de contenido de humedad (por ejemplo, menos de un 20 %, menos de aproximadamente un 15 %, menos de un 10 % menos de alrededor del 5 %, menos de un 4 %, menos de 3 %, menos de un 2% o incluso menos de aproximadamente 1%) . La biomasa también se puede suministrar en estado húmedo, por ejemplo, como un sólido húmedo, una mezcla o una suspensión de por lo menos un 10 % en peso en sólidos, (p. ejemplo, por lo menos aproximadamente un 20% en peso, por lo menos un 30 % en peso, por lo menos un 40 % en peso, por lo menos 50 % en peso, al menos un 60 % en peso, por lo menos aproximadamente un 70 % en peso) .

Los procesos aquí divulgados pueden utilizar materiales de baja densidad a granel, por ejemplo materias primas celulósicas o lignocelulósicas que han sido pretratadas físicamente para tener una densidad a granel de menos de aproximadamente 0,75 g/cm3, p. ejemplo., menos de aproximadamente 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 ó menos, p. ejemplo, menos de aproximadamente 0,025 g/cm3. La densidad a granel se determina usando ASTM D1895B. En resumen, el método consiste en rellenar un cilindro de medición de volumen conocido con una muestra y obtener un peso de la muestra. La densidad a granel se calcula dividiendo el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos. Si lo desea, los materiales de baja densidad a granel pueden ser densificados, por ejemplo, por los métodos descritos en la Patente Estadounidense No. 7,971,809 para Medoff, cuya divulgación total se incorpora a la presente solicitud por referencia .

En algunos casos, el procesamiento del pre-tratamiento incluye la revisión del material de biomasa. La revisión puede ser a través de una malla o placa perforada con un tamaño de apertura deseada, por ejemplo, menos de 6,35 mm (1/4 de pulgada y 0,25 pulgadas), (p. ej . , menos de aproximadamente 3,18 mm (1/8 pulg. , 0,125 pulgadas), menos de aproximadamente ,59 mm (1/16 de pulgada, 0,0625 pulgadas), es menos de aproximadamente 0,79 mm (1/32 de pulgada, 0,03125 pulgadas), por ejemplo, menos de 0,51 mm (1/50 de pulgada, 0,02000 pulgadas), menos de aproximadamente 0,40 mm (1/64 de pulgada, 0,015625 pulgadas), menos de aproximadamente 0,23 mm (0,009 pulgadas), menos de 0,20 mm (1/128 de pulgada, 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 0.,10 mm (1/256 de pulgada, 0,00390625 pulgadas) ) . En una configuración la biomasa deseada cae a través de la pantalla o perforaciones y, por lo tanto, la biomasa es más grande que las perforaciones o la pantalla no son irradiadas . Estos materiales de mayor tamaño se pueden volver a procesar, por ejemplo, por conminución, o simplemente pueden ser retirados del proceso. En otra configuración el material que es más grande que las perforaciones es irradiado y el material más pequeño es eliminado por el proceso de revisión o reciclado. En este tipo de configuración, el transportador en sí (por ejemplo, una parte del transportador) puede ser perforado o elaborado con una malla. Por ejemplo, en una modalidad específica el material de la biomasa puede ser húmedo y las perforaciones o la malla permiten que el agua se drene de la biomasa antes de la radiación.

La revisión del material también puede ser por método manual, por ejemplo, por un operador o mecanoide (p. ej . , un robot equipado con un color, reflexión o otro sensor) que elimina el material no deseado. La revisión también podría ser por revisión magnética caracterizada porque un imán es eliminado cerca del material transmitido y el material magnético magnético se elimina de forma magnética.

El procesamiento opcional del pre-tratamiento puede incluir el calentamiento del material. Por ejemplo, una parte del transportador se puede enviar a través de una zona térmica. La zona térmica se puede crear, por ejemplo, por radiación de infrarrojos, microondas, combustión (por ej . , gas, carbón, petróleo, biomasa), calentamiento resistivo y/o bobinas de inducción. El calor puede ser aplicado desde por lo menos uno o más de un lado, puede ser continuo o periódico y puede ser sólo para una parte del material y todo el material. Por ejemplo, una parte del transporte puede ser calentada usando una chagüeta. La calefacción puede ser, por ejemplo, con el fin de secar el material. En el caso de que el material se segué, este también se puede facilitar, con o sin calefacción, por el movimiento de un gas (por ejemplo, aire, oxigeno, nitrógeno, He, CO2, argón) sobre y/o a través de la biomasa al ser transportada.

Opcionalmente el proceso del pre-tratamiento puede incluir la refrigeración del material. El material de refrigeración se describe en la Patente Estadounidense No.7,900,857 para Medoff, cuya divulgación se incorpora en en el presente por referencia. Por ejemplo, la refrigeración puede ser mediante el suministro de un líquido de refrigeración, por ejemplo el agua (p. ej . , con glicerol), o nitrógeno (por ej . , nitrógeno líquido) en la parte inferior de la caja de transporte. Por otra parte, un gas de refrigeración, por ejemplo, nitrógeno frío puede ser soplado en los materiales de biomasa o bajo el sistema de transporte.

Otro método de procesamiento de pre-tratamiento opcional pueden incluir agregar un material para la biomasa. El material adicional se puede agregar, por ejemplo, por chorros de agua, rocío y/o derrame del material en la biomasa a medida que es transportada. Los materiales que se pueden agregar incluyen, por ejemplo, metales, cerámica y/o iones como se describe en la Publicación de la Solicitud de Patente Estadounidense 2010/0105119 Al (presentada el 26 de octubre, 2009) y la Pub. de Solicitud de Pat . Estadounidense 2010/0159569 Al (presentada el 16 de diciembre, 2009), cuya divulgación total se incorpora al presente documento por referencia. Los materiales opcionales que se pueden agregar son los ácidos y las bases. Otros materiales que se pueden agregar son oxidantes (por ej . , peróxidos, cloratos), polímeros, monómeros polimerizables (por ej . , que contienen enlaces no saturados), agua, catalizadores, enzimas y/o organismos. Se pueden agregar materiales, por ejemplo, en forma pura, como una solución en un solvente (por ej . , agua o un solvente orgánico) y/o como una solución. En algunos casos, el solvente es volátil y se puede provocar su evaporación por ej. calentando y/o soplando gas como se ha descrito anteriormente. El material agregado puede formar una capa uniforme en la biomasa o ser una mezcla homogénea de los diferentes componentes (p. ej ., biomasa y material adicional) . El material agregado puede modular el paso de la radiación subsecuente mediante el aumento de la eficiencia de la radiación, humedeciendo la radiación o cambiando el efecto de la radiación (por ejemplo, de haces de electrones a rayos X o calor) . El método puede no tener ningún efecto sobre la radiación pero puede ser de utilidad para su posterior procesamiento corriente abajo. El material puede ayudar a transportar el material, por ejemplo, bajando los niveles de polvo .

La biomasa puede ser entregada al transportador por medio de una cinta transportadora, transportador neumático, un tornillo transportador, una tolva, un tubo, de forma manual o mediante una combinación de éstos. La biomasa por ejemplo, se puede gotear, verter y/o colocar en el transportador por cualquiera de estos métodos. En algunas modalidades el material se suministra al transportador mediante un sistema incluido de distribución de material para ayudar a mantener una atmósfera de bajo oxígeno y/o controlar el polvo y las partículas finas. El polvo y partículas finas de biomasa suspendidas en el aire son indeseables debido a que pueden constituir un peligro de explosión o dañar los canceles de ventanas de un cañón de electrones (si se trata de un dispositivo utilizado para tratar el material) .

El material se puede nivelar para formar un espesor uniforme entre aproximadamente 0,0312 y 5 pulgadas (p. ej . , entre aproximadamente 0,0625 y 2,000 pulgadas, entre aproximadamente 0,125 y 1 pulgadas, aproximadamente entre 0,125 y 0,5 pulgadas, aproximadamente entre 0,3 y 0,9 pulgadas, aproximadamente entre 0,2 y 0,5 pulgadas aproximadamente entre 0,25 y 1,0 pulgadas, aproximadamente entre 0,25 y 0,5 pulgadas, 0,100 + /- 0.,025 pulgadas, 0,150 + /- 0,025 pulgadas , 0,200 + /- 0,025 ;pulgadas , 0,250 + /- 0,025 pulgadas, 0,300 + /- 0,025 pulgadas, 0,350 + /- 0, 025 pulgadas , 0, 400 + /- 0,025 pulgadas , 0,450 + /- 0, 025 pulgadas, 0, 500 + /- 0,025 pulgadas , 0, 550 + /- 0,025 pulgadas, 0, 600 + /- 0,025 pulgadas , 0,700 + /- 0, 025 pulgadas , 0, 750 + /- 0,025 pulgadas , 0, 800 + /- 0,025 pulgadas , 0, 850 + /- 0,025 pulgadas , 0, 900 + /- 0, 025 pulgadas, 0, 900 + 1- 0,025 pulgadas.

En general, es preferible transportar el material tan pronto como sea posible a través del haz de electrones para maximizar el rendimiento. Por ejemplo, el material puede ser transmitido a índices de por lo menos 1 pie/min, p. ej . , por lo menos 2 pies/min, por lo menos 3 pies/min, por lo menos 4 pies/min, por lo menos 5 pies/min, por lo menos 10 pies/min, por lo menos 15 pies/min, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 pies/min. El índice de transporte se relaciona con la corriente del haz, por ejemplo, para una biomasa de ¼ de pulgada de grosor y 100 mA, el transportador puede moverse a unos 20 pies/min para suministrar una dosis de radiación útil, a 50 mA el transportador puede moverse a unos 10 pies/min para suministrar aproximadamente la misma dosis de radiación.

Después de que el material de biomasa ha sido transportado a la zona de radiación, se puede hacer un procesamiento opcional post-tratamiento . El procesamiento opcional post-tratamiento puede, por ejemplo, ser un proceso descrito con respecto al procesamiento de pre-radiación. Por ejemplo, la biomasa puede ser revisada, calentada, refrigerada y/o combinarse con aditivos. Únicamente a la post-radiación, la mitigación de los radicales puede darse, por ejemplo, la mitigación de los radicales por la adición de fluidos o gases (por ejemplo, oxígeno, óxido nitroso, amoniaco, líquidos) , usando prsión, calor y/o la adición de buscadores radicales. Por ejemplo, la biomasa puede ser transportada fuera del transportador incluido y expuestos a un gas (p. ej . , oxígeno) donde se quenchea, formando grupos carboxilados . En una modalidad la biomasa está expuesto durante la radiación al líquido o gas reactivo. El quencheo de biomasa que ha sido irradiado se describe en la Pat. Estadounidense No. 8,083,906 para Medoff, cuya divulgación completa se incorpora a la presente por referencia.

Si lo desea, uno o más tratamientos mecánicos se pueden utilizar además de la radiación para reducir aún más la resistencia a degradación del material de biomasa. Estos procesos pueden ser aplicados antes, durante y/o después de la radiación.

En algunos casos, el tratamiento mecánico puede incluir una preparación inicial de la materia prima como se recibe, por ejemplo, reducción del tamaño de los materiales, como por ejemplo la conminución, p. ej . , corte, molienda, fragmentación, pulverización o troceado. Por ejemplo, en algunos casos, la materia prima suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales almidonados o pasto aguja) se prepara por fragmentación o triturado. El tratamiento mecánico puede reducir la densidad a granel de la biomasa material, aumentar el área de superficie del material de biomasa y/o disminuir una o más de las dimensiones del material de la biomasa.

Además, o de forma alterna, el material de materia prima en primer lugar puede 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 después tratarse mecánicamente. Esta secuencia puede ser favorable ya que los materiales tratados por uno o más de los otros tratamientos, por ejemplo, la radiación o pirólisis, tienden a ser más frágiles y, por lo tanto, puede ser más fácil cambiar la estructura del material por tratamiento mecánico. Por ejemplo, el material de materia prima puede ser transportado a través de la radiación ionizante usando un transportador como se describe en este documento y después tratarse mecánicamente. El tratamiento químico puede eliminar parte o toda la lignina (por ejemplo pasta química) y puede hidrolizar de forma parcial o total el material. Los métodos también se pueden utilizar con el material pre-hidrolizado . Los métodos también se pueden utilizar con material que no ha sido previamente hidrolizado. Los métodos pueden usarse con mezclas de materiales hidrolizados y no hidrolizados , por ejemplo, con aproximadamente un 50% o más material no hidrolizado, con aproximadamente el 60% o más de material no hidrolizado, con aproximadamente el 70% o más de material no hidrolizado, con cerca del 80% o más de material no hidrolizado o incluso con 90% o más de material no hidrolizado .

Además de esta reducción de tamaño, que se puede llevar a cabo al principio y/o después durante el proceso, el tratamiento mecánico también puede ser conveniente para "abrir", "tensionar", romper o destruir los materiales de biomasa, haciendo la celulosa de los materiales más susceptible a la ruptura de cadena y/o alteración de la estructura cristalina durante el tratamiento físico.

Los métodos de tratamiento mecánico de la materia prima de la biomasa incluyen, por ejemplo, molienda o trituración. La molienda puede realizarse utilizando, por ejemplo, un molino, molino de bola, molino coloidal, molino cónico o de conos, molino de disco, molino de borde, molino Wiley, molino harinero o cualquier otro molino. La molienda se puede llevar a cabo usando, por ejemplo, un molino de corte/ impacto. Ejemplos ilustrativos de molinillos, incluyen molinillos de piedra, molinillos de café y molinillos de placas. La trituración o molienda se pueden suministrar, por ejemplo, por medio de una espiga de intercambio u otro elemento, como es el caso del molino de espigas. Otros métodos de tratamiento mecánico incluyen el aserrado mecánico, fragmentación o corte, otros métodos que aplican presión a las fibras, y molienda por atrición de aire. Los tratamientos mecánicos adecuados además incluyen cualquier otra técnica que continúe la alteración de la estructura interna del material que fue iniciado conforme a los pasos del proceso antes indicados.

Los sistemas de preparación de alimentación mecánica se pueden configurar para producir corrientes con características específicas como, por ejemplo, los tamaños máximos específicos, largo-ancho específico, o proporciones específicas de las áreas de las superficies. La preparación física puede aumentar el índice de reacciones, mejorar el movimiento del material en un transportador, mejorar el perfil de radiación del material, mejorar la uniformidad de la radiación del material, o reducir el tiempo de procesamiento requerido mediante la apertura de los materiales y hacerlas más accesibles a los procesos y/o reactivos, por ejemplo, los reactivos en una solución.

La densidad a granel de las materias primas puede ser controlada (por ej . , aumentada). En algunas situaciones, puede ser conveniente elaborar un material de baja densidad a granel, por ejemplo, por densificación del material (por e . , la densificación puede hacer más fácil y menos costoso el transporte a otro sitio) y después reincorporar el material a un estado de densidad a granel más baja (p. ej., después del transporte) . El material se puede densificar, por ejemplo de menos de 0,2 g/cc a más de aproximadamente 0,9 g/cc (por ej . , menos de aproximadamente 0,3 a más de aproximadamente 0 , 5 g/cc, menos de aproximadamente 0,3 a más de aproximadamente 0,9 g/cc, menos de aproximadamente 0,5 a más de aproximadamente 0,9 g/cc, menos de aproximadamente 0,3 a más de aproximadamente 0,8 g/cc, menos de aproximadamente 0,2 a más de aproximadamente 0,5 g/cc). Por ejemplo, el material se puede densificar por los métodos y los equipos divulgados en la Pat. Estadounidense No. 7,932,065 para Medoff y la Publicación Internacional No. WO 2008/073186 (que fue presentada el 26 de octubre de 2007, publicada en inglés, y que se designó a Estados Unidos de América) , las divulgaciones completas están incorporados en el presente documento por referencia. Los materiales densificados pueden procesarse por cualquiera de los métodos aquí descritos, o por cualquier material procesado por cualquiera de los métodos aquí descritos puede densificarse de forma subsecuente .

En ciertas modalidades, el material a procesar está en la forma de un material fibroso que abarca las fibras proporcionadas por el esquilado de una fuente de fibra. Por ejemplo, la fragmentación se puede realizar con un cortador de cuchilla giratoria.

Por ejemplo, una fuente de fibra, por ejemplo, que es resistente a degradación o que ha reducido su nivel de resistencia, puede ser fragmentado, por ejemplo, en un corte de cuchilla giratoria, para proporcionar un primer material fibroso. El primer material fibroso se pasa a través de una pantalla, por ejemplo, para que en un promedio de tamaño de la abertura de 1,59 mm o menos (1/16 de pulgada, 0,0625 pulgadas) , proporcione un segundo material fibroso. Si se desea, la fuente de fibra se puede cortar antes del triturado o fragmentación, p. ej . , con una trituradora. Por ejemplo, cuando un papel se utiliza como fuente de fibra, el papel se puede cortar primero en tiras de, por ejemplo, 1/4 a 1/2 de pulgada de ancho, usando un triturador, p. ej., triturador de husillo giratorio, como los fabricados por Munson (Utica, N. Y.) . Como alternativa para el triturado, el papel se puede reducir en tamaño cortando al tamaño deseado con una guillotina cortadora. Por ejemplo, la guillotina de corte se puede utilizar para cortar el papel en hojas que son, por ejemplo, de 10 pulgadas de ancho por 12 pulgadas de largo.

En algunas modalidades, la fragmentación de la fuente de fibra y del paso del material fibroso resultante a través de una primera pantalla se lleva a cabo de forma simultánea. La fragmentación y el paso también se pueden realizar en un proceso de lotes.

Por ejemplo, una cuchilla de corte giratorio se puede utilizar para triturar al mismo tiempo la fuente de fibra y filtrar el primer material fibroso. Un cortador de cuchilla giratoria incluye una tolva que se carga con una fuente de fibra triturada preparada al triturar una fuente de fibra. La fuente de fibra triturada.

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

Los tratamientos mecánicos que se pueden utilizar, y las características de los materiales de biomasa tratada mecánicamente, se describen con mayor detalle en la Solicitud de Pat. EE.UU. Pub. 2012/0100577, presentada el 18 de octubre de 2011, cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia.

TRATAMIENTO DEL MATERIAL DE LA BIOMASA, BOMBARDEO DE PARTÍCULAS Uno o más tratamientos con bombardeo de partículas energéticas se puede utilizar para procesar materia prima de una amplia variedad de diferentes fuentes para extraer sustancias útiles de la materia prima, y parcialmente proporcionar material orgánico degradado que funciona como contribución a otros pasos y/o secuencias del proceso. El bombardeo de partículas puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad de la materia prima. En algunas modalidades, la energía depositada en un material que libera un electrón de su orbital atómico se puede utilizar para tratar los materiales . El bombardeo puede ser proporcionado por partículas de carga pesada (como las partículas alfa o protones) , electrones (producida, por ejemplo, en decaimiento beta aceleradores de haz de electrones) , o radiación electromagnética (por ejemplo, los rayos gamma, rayos x o rayos ultravioleta) . Por otra parte, la radiación producida por sustancias radiactivas se puede usar para tratar la materia prima. Se puede utilizar cualquier combinación, en cualquier orden, o al mismo tiempo de estos tratamientos. En otra propuesta, la radiación electromagnética (por e . , producida usando emisores de haces de electrones) se puede usar para tratar la materia prima.

Cada forma de energía ioniza la biomasa mediante interacciones específicas. Las partículas de carga pesada principalmente ionizan la materia a través de la fragmentación de Coulomb, estas interacciones producen electrones energéticos que se pueden ionizar adicionalmente . Las partículas alfa son idénticas al núcleo de un átomo de helio y son producidas por la desintegración alfa de diversos núcleos radiactivos, tales como los isótopos de bismuto, polonio, astatina, radón francio, radio, varios actínidos, tales como el actinio, torio, uranio, neptunio, curio, californio, americio, y el plutonio.

Cuando las partículas se utilizan, pueden ser neutrales (sin carga) , tener carga positiva o negativa. Cuando se cargan, las partículas cargadas pueden soportar una carga positiva o negativa, o múltiples cargas, por ejemplo, uno, dos, tres o incluso cuatro o más cargas. En los casos en los que se desea una cadena escisión, se puede desear obtener partículas cargadas positivamente, en parte, debido a su naturaleza ácida. Cuando se utilizan partículas, las partículas pueden tener la masa de un electrón en reposo, o más, p. ej . , 500, 1000, 1500 o 2000 o más veces la masa del electrón en reposo. Por ejemplo, las partículas pueden tener una masa de aproximadamente 1 unidad atómica a aproximadamente 150 unidades atómicas, p. ej., de alrededor de 1 unidad atómica de cerca de 50 unidades atómicas, o de 1 a 25, por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 o 15 unidades atómicas. Los aceleradores utilizados para acelerar las partículas pueden ser electrostáticos DC, electrodinámicos DC, lineales RF, lineales de inducción magnética o onda continua. Por ejemplo, los aceleradores de tipo ciclotrón están disponibles en IBA (Ion Beam Accelerators , Louvain-la-Neuve, Bélgica) , como el sistema Rhodotron™, mientras que los aceleradores de tipo DC están disponibles en RDI, ahora IBA Industrial, como por ejemplo, Dynamitron™. Los iones y aceleradores de iones se describen en Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc . (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206; Chu, William . , "Overvie 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" , Procedimientos de EPAC 2006, Edinburgo, Escocia; y Leitner, C. M. et al . , "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Procedimientos de EPAC 2000, Viena, Austria.

Las dosis aplicadas dependen del efecto deseado y la materia prima específica. Por ejemplo, las dosis altas pueden romper enlaces químicos en los componentes de materia prima y las dosis bajas pueden aumentar el enlace químico (por ej . , del enlace cruzado) dentro de los componentes de la materia prima.

En algunos casos cuando se requiere escisión en cadena y/o funcionalización de cadena de polímeros, se puedenutilizar partículas más pesadas que los electrones, como los protones, núcleos de helio, iones de argón, iones de silicón, iones de neón, iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxígeno o iones de nitrógeno. Cuando se desea la escisión en cadena de apertura de anillo, las partículas cargadas positivamente se pueden utilizar para sus propiedades ácidas de Lewis para una mayor escisión en cadena de apertura de anillo. Por ejemplo, cuando se desean los grupos funcionales con oxígeno, se puede llevar a cabo el tratamiento en presencia de oxígeno o incluso el tratamiento con iones de oxígeno. Por ejemplo, cuando se desean grupos funcionales con nitrógeno, se puede llevar a cabo un tratamiento en presencia de nitrógeno o incluso un tratamiento con iones de nitrógeno.

OTRAS FORMAS DE ENERGÍA Los electrones interactúan mediante dispersión de Coulomb y radiación bremsstrahlung producidos por cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que sufren decaimiento beta, como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. De forma alterna, un cañón de electrones se puede utilizar como fuente de electrones a través de emisión termoionica.

La radiación electromagnética interactúa a través de tres procesos: absorción fotoeléctrica, dispersión de Compton y producción par. 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 material celulósico puede ser expresada por el coeficiente de absorción de masa.

La radiación electromagnética se subclasifica en rayos gamma, rayos x, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, microondas, o radioondas, dependiendo de la longitud de onda.

Por ejemplo, la radiación gamma se puede usar para tratar los materiales. Radiación Gamma tiene la ventaja de una gran profundidad de penetración en una gran variedad de material en la muestra. Las fuentes de rayos gamma incluyen núcleos radiactivos, tales como los isótopos del cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, criptón, samario, selenio, sodio, talio, y xenón.

Las fuentes de rayos x incluyen la colisión del haz de electrones con objetivos de metal, como el tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes compactas de luz, como las producidos comercialmente por Lyncean.

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

Las fuentes de radiación infrarroja incluyen lámparas de cerámica de ventanas de seleniuro, zinc o zafiro Las fuentes de microondas incluyen klistrones, fuentes RF de tipo Slevin, o fuentes de haces de átomo que emplean gases de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno.

Muchos otros dispositivos se pueden utilizar en los métodos aquí divulgados incluyendo las fuentes de ionización campo, separadores electrostáticos de iones, generadores de ionización de campo, fuentes de emisión termoiónica, fuentes de iones de descarga de microondas, aceleradores de estática o recirculantes, aceleradores lineales dinámicos, aceleradores van de Graaff y aceleradores en tándem. Estos dispositivos se divulgan, por ejemplo, en la Pat . EE.UU. No. 7,931,784 B2, cuya divulgación completa se incorpora a este documento por referencia.

TRATAMIENTO DEL MATERIAL DE BIOMASA — BOMBARDEO DE ELECTRONES La materia prima se puede tratar con bombardeo de electrones para modificar su estructura y reducir así su resistencia a degradación. Dicho 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 de la superficie y/o porosidad de la materia prima.

Por lo general se prefiere el bombardeo de electrones a través de un haz de electrones, ya que ofrece un gran rendimiento y porque el uso de un dispositivo de haz de electrones de alta potencia/ voltaje relativamente bajo elimina la necesidad de blindaje de cámaras de concreto, ya que este tipo de dispositivos son "auto-blindados" y proporcionan un proceso seguro y eficaz . Mientras que los dispositivos "auto-blindados" sí incluyen blindaje (p. ej., blindaje de chapa metálica) , éstos no requieren la construcción de una cámara de concreto, lo que reduce en gran medida los gastos de capital y a menudo permite que se utilice una instalación de fabricación sin necesidad de una modificación costosa. Los aceleradores de haces de electrones están disponibles, por ejemplo, en IBA (Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Bélgica), Titán Corporation (San Diego, California, USA) , y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) .

El bombardeo de electrones se puede llevar a cabo usando un dispositivo de haz de electrones que tiene una energía nominal de menos de 10 MeV, p. ej., menos de 7 MeV, menos de 5 MeV, o menos de 2 MeV, p. ej., de alrededor de 0,5 a 1.5 MeV, de alrededor de 0,8 a 1.8 MeV, de unos 0,7 a 1 MeV, o de 1 a 3 MeV. En algunas implementaciones la energía nominal es de alrededor de 500 a 800 keV.

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

Esta alta potencia total de haz normalmente se logra mediante el uso de múltiples cabezas de aceleración. Por ejemplo, el dispositivo de haz de electrones puede incluir dos, cuatro o más cabezales de aceleración. El uso de múltiples cabezales, cada uno de las cuales tiene una potencia de haz relativamente baja, evita el excesivo aumento de la temperatura en el material, con lo que se evita quemar el material, y también aumenta la uniformidad de la dosis a través del espesor de la capa de material .

En algunas implementaciones , es conveniente que se enfríe el material durante el bombardeo de electrones. Por ejemplo, el material se puede enfriar mientras se transmite, por ejemplo, un tornillo extrusor o otro equipo de transporte o transmisión.

Para reducir la energía requerida por medio de un proceso de reducción de la resistencia a degradación, es deseable tratar el material lo antes posible. En general, se prefiere que el tratamiento se lleve a cabo con una tasa de dosis mayor a unos 0,25 Mrad por segundo, por ejemplo, mayor a 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2, 5, 7, 10, 12, 15, o incluso más de cerca de 20 Mrad por segundo, por ejemplo, alrededor de 0,25 a 2 Mrad por segundo. Dosis más altas por lo general requieren una mayor velocidad de línea, para evitar la descomposición térmica del material. En una aplicación, el acelerador se fija para una corriente de haz de 3 MeV, 50 mAmp, y la velocidad de línea es de 24 pies/minuto, con un espesor muestra de alrededor de 20 mm (p. ej . , material de mazorca de maíz conminutada con una densidad a granel de 0,5 g/cm 3>" En algunas modalidades, el bombardeo de electrones se realiza hasta que el material recibe una dosis total de por lo menos 0,5 Mrad, p. ej., al menos 5, 10, 20, 30 o, al menos, 40 Mrad. En algunas modalidades, el tratamiento se realiza hasta que el material recibe una dosis de aproximadamente 0,5 Mrad a cerca de 150 Mrad, alrededor de 1 Mrad a alrededor de 100 Mrad, alrededor de 2 Mrad a unos 75 Mrad, 10 Mrad a unos 50 Mrad, por ejemplo, alrededor de 5 Mrad a unos 50 Mrad, de alrededor de 20 Mrad a alrededor de 40 Mrad, unos 10 Mrad a alrededor de 35 Mrad, o de unos 25 Mrad a cerca de 30 Mrad. En algunas implementaciones , se prefiere una dosis total de 25 a 35 Mrad, aplicada idealmente en un par de segundos, por ejemplo, a 5 Mrad /pase con cada paso aplicado durante aproximadamente un segundo. Aplicar una dosis de más de 7 a 8 mrad/pase puede en algunos casos causar degradación térmica de la materia prima.

Con múltiples cabezas como se ha dicho anteriormente, el material puede ser tratado en múltiples pases, por ejemplo, dos pases a 10 a 20 mrad/pase, por ejemplo, 12 a 18 mrad/pase, separados por unos pocos segundos de enfriamiento, o tres pases de 7 a 12 mrad/pase, por ejemplo, 9 a 11 mrad/pase. Como se señaló anteriormente, el tratamiento de los materiales 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 grosor del material. En algunas implementaciones , el material es mezclado durante o después de cada pase y después se alisa en una capa uniforme de nuevamente antes de el siguiente pase, para potenciar más la uniformidad del tratamiento.

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

En algunas modalidades, el proceso descrito en el presente documento se produce en el material lignocelulósico que permanece seco por adquisición o que se ha secado, por ejemplo, mediante la aplicación de calor y/o reducción de presión. Por ejemplo, en algunas modalidades, el material celulósico y/o lignocelulósico tiene menos de un cinco por ciento de peso de agua retenida, se midió a 25°C y con una humedad relativa al cincuenta por ciento.

El bombardeo de electrones puede aplicarse mientras que el material celulósico y/o lignocelulósico se expone al aire, aire enriquecido con oxigeno, o incluso oxígeno, o se cubre por un gas inerte como el nitrógeno, argón o helio. Cuando se desea la máxima oxidación, se utiliza un ambiente oxidante, como el aire o el oxígeno y la distancia de la fuente de irradiación se optimiza para maximizar la formación reactiva de gas, por ejemplo, el ozono y/o los óxidos de nitrógeno .

En algunas modalidades, se utilizan dos o más fuentes de electrones, como dos o más fuentes ionizantes. Por ejemplo, las muestras se pueden tratar, en cualquier orden, con el haz de electrones, seguido de radiación gamma y luz UV con longitudes de onda de 100 nm a cerca de 280 nm. En algunas modalidades, las muestras se trataron con tres fuentes de radiación ionizante, como un haz de electrones, radiación gamma y luz ultravioleta energética. La biomasa se transmitido a través de la zona de tratamiento en donde puede ser bombardeada con electrones . Generalmente es preferible que la cama del material de la biomasa tenga un espesor relativamente uniforme, como se ha descrito anteriormente, mientras esté en tratamiento.

Puede que sea conveniente repetir el tratamiento para reducir completamente la resistencia a degradación de la biomasa y/o además modificar la biomasa. En particular, los parámetros del proceso se pueden ajustar después de un primer (por e . , segundo, tercer, cuarto o más) pase dependiendo de la resistencia a degradación del material. En ciertos modalidades, se puede usar una cinta transportadora, lo que incluye un sistema circular donde la biomasa es transmitida varias veces a través de los distintos procesos descritos anteriormente. En algunas otras modalidades se utilizan múltiples dispositivos de tratamiento (por ej . , generadores de haces de electrones) para tratar la biomasa en múltiples (por ej . , 2, 3, 4 o más) ocasiones. Incluso en otras modalidades, un solo generador de haz de electrón puede ser la fuente de múltiples haces (por ej . , 2, 3, 4 o más haces) que puede ser utilizado para el tratamiento de la biomasa.

La eficacia en el cambio de la estructura molecular y supramolecular y/o reducir la resistencia a degradación de la biomasa depende de la energía de los electrones utilizada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposición depende de la potencia y la dosis.

En algunas modalidades, el tratamiento (con cualquier fuente de electrones o una combinación de fuentes) se realiza hasta que el material recibe una dosis de por lo menos 0,05 mrad, por ejemplo, por lo menos cerca de 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, el tratamiento se lleva a cabo 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 lleva a cabo a una dosis de entre 5.0 y 1500.0 kilorads/hora, p. ej . , entre 10.0 y 750.0 kilorads/hora o entre 50.0 y 350.0 kilorads/horas . En otras modalidades el tratamiento se lleva a cabo a una dosis de entre 10 y 10000 kilorads/h, entre 100 y 1000 kilorad/hr, o entre 500 y 1000 kilorads/hr.

FUENTES DE ELECTRONES Los electrones interactúan mediante dispersión de Coulomb y radiación bremsstrahlung producidos por cambios en la velocidad de los electrones . Los electrones pueden ser producidos por núcleos radiactivos que sufren decaimiento beta, como los isótopos de yodo, cesio, tecnecio, e iridio. De forma alterna, una cañón de electrones se puede utilizar como una fuente de electrones a través de emisión termoiónica y acelerada a través de un potencial de aceleración. Un cañón de electrones genera electrones, los acelera a través de un gran potencial (por ej . , más de unos 500 mil, más de 1 millón, más de 2 millones, más de 5 millones, más de 6 millones, más de 7 millones, más de 8 millones, más de cerca de 9 millones, o incluso más de 10 millones de voltios) y, a continuación, los escanea magnéticamente en el plano x-y, donde los electrones son inicialmente acelerados en dirección z hacia el tubo y extraídos a través de una ventana de lámina. El escaneo de haz de electrones es útil para aumentar la superficie de irradiación al irradiar materiales, p. ej., una biomasa, que se transmite a través del haz escaneado. El escaneo del haz de electrones también distribuye la carga térmica de forma homogénea en la ventana y ayuda a reducir la ruptura de la ventana de lámina debido al calentamiento local por medio del haz de electrones. La ruptura del aluminio de la ventana es causa de inactividad importante debido a las posteriores reparaciones necesarias y el reinicio de la pistola de electrones.

See pueden utilizar muchos otros dispositivos con irradiación en los métodos aquí divulgados, incluyendo fuentes de ionización de campo, separadores de iones electrostáticos, generadores de ionización de campo, fuentes de emisión termoiónica, fuentes iónicas de descarga de microondas, aceleradores estáticos o recirculantes, aceleradores lineales dinámicos, aceleradores van de Graaff y aceleradores en tándem. Estos dispositivos se divulgan, por ejemplo, en la Pat . EE.UU. No. 7,931,784 de Medoff, cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia.

Un haz de electrones se puede usar como fuente de radiación. Un haz de electrones tiene las ventajas de índises altos de dosis (p. ej . , 1, 5 o incluso 10 mrad por segundo), alto rendimiento, menos contención, y menos equipo de confinamiento. Los haces de electrones también pueden tener alta eficiencia eléctrica (por ej . , 80%), lo que permite reducir el uso de energía respecto a otros métodos radiación, lo cual se puede traducir en un menor costo de operación y disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero correspondientes a la menor cantidad de energía utilizada. Los haces de electrones se pueden gnerar, por ejemplo, por generadores electrostáticos, generadores en cascada, generadores transformadores, aceleradores de baja de energía con un sistema de escaneo, aceleradores de baja de energía con un cátodo lineal, aceleradores lineales, y aceleradores pulsados .

Los electrones también pueden ser más eficientes al ocasionar cambios en la estructura molecular de los materiales de biomasa, por ejemplo, por el mecanismo de escisión en cadena. Además, los electrones con energías de 0,5 -10 MeV pueden penetrar materiales de baja densidad, tales como los materiales de biomasa descritos en este documento, por ejemplo, los materiales que tengan una densidad a granel de menos de 0,5 g/ cm3, y una profundidad de 0,3-10 centímetros. Los electrones como fuente de radiación ionizante pueden ser útiles, por ejemplo, para pilas relativamente delgadas, capas o lechos de materiales, por ejemplo, menos de aproximadamente 0,5 pulgadas, por ejemplo, menos de cerca de 0,4 pulgadas, 0,3 pulgadas, 0.25 pulgadas, o menos de 0,1 pulgadas. En algunas modalidades, la energía de cada electrón del haz de electrones es de aproximadamente 0,3 MeV a cerca de 2,0 MeV (millones de electrón-voltios), por ejemplo, de aproximadamente 0,5 MeV a cerca de 1,5 MeV, o de alrededor de 0.7 MeV a cerca de 1,25 MeV. Los métodos para irradiar materiales se describen en la Pat. Estadounidense Publicada 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre de 2011, cuya divulgación total se incorpora a la presente por referencia.

Los dispositivos de irradiación de haces de electrones se pueden adquirir comercialmente en Ion Beam Applications (Louvain-la-Neuve, Bélgica) , the Titán Corporation (San Diego, California, USA) , y NHV Corporation (Nippon High Voltage, Japón) . Las energías típicas de electrones pueden ser de 0.5 MeV, 1 MeV, 2 MeV, 4.5 MeV, 7,5 MeV, o 10 MeV. La energía del dispositivo típico de irradiación de haces de electrones puede ser de 1 KW, 5 KW, 10 KW, 20 KW, 50 KW, 60KW, 70KW, 80KW, 90KW, 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.

Lo que se obtiene al considerar las especificaciones de energía del dispositivo de irradiación de haz de electrones incluye el costo para operar, los costos de capital, depreciación y superficie del dispositivo. Lo que se obtiene al considerar los niveles de dosis de exposición de la irradiación de los haces de electrones sería costos de energía y aspectos ambientales, de seguridad y salud (ESH) . Normalmente, los generadores se encuentran en una bóveda, por ejemplo, de plomo o de concreto, especialmente para la producción de rayos X que se generan en el proceso. Lo que se obtiene al considerar las energías de electrones incluye 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 ventajoso con gran longitud de barrido y alta velocidad de exploración, ya que esto podría reemplazar de forma eficaz un gran ancho de haz fijo. Además, están disponibles anchos de barrido de 0,5 m, 1 m, 2 m o más. El haz de escaneo es el predilecto en la mayoría de las modalidades aquí descritas debido a un mayour ancho de escaneo y una posibilidad reducida de calentamiento local y falla de las ventanas .

TRATAMIENTO DEL MATERIAL DE BIOMASA -- SONICACIÓN, PIRÓLISIS, OXIDACIÓN, EXPLOSIÓN DE VAPOR Si se desea, se puede usar uno o más procesos de sonicación, pirólisis, oxidativos, o de explosión de vapor además o en lugar de otros tratamientos para reducir la resistencia a degradación del material de la biomasa. Estos procesos pueden ser aplicados antes, durante o después de otro tratamiento o tratamientos . Estos procesos se describen en detalle en la Pat. Estadounidense No 7,932,065 para Medoff, la completa divulgación de la cual se incorpora al presente documento por referencia.

USO DEL MATERIAL DE BIOMASA TRATADA El uso de los métodos descritos en este documento, un material de biomasa inicial (por ejemplo, biomasa vegetal, biomasa animal, papel y biomasa de desechos municipales) se puede utilizar como materia prima para producir útiles productos intermedios y productos, tales como ácidos orgánicos, sales de ácidos orgánicos, anhídridos, ésteres de ácidos orgánicos y de los combustibles, por ejemplo, los combustibles para motores de combustión interna o materias primas para células de combustible. En este documento se describen sistemas y procesos que pueden utilizarse como materia prima celulósica y/o materiales lignocelulósicos que son fácilmente disponibles, pero a menudo pueden ser difíciles de procesar, por ejemplo, flujos de residuos municipales y flujos de papel usado, tales como los flujos que incluyen periódico, papel kraft, papel corrugado o mezclas de éstos.

Para convertir la materia prima en un forma que pueda ser fácilmente procesada, el glucano o xilano de celulosa en la materia prima pueden ser hidrolizados en carbohidratos de bajo peso molecular, como los azúcares, por medio de un agente sacarificante, p. ej . , una enzima o ácido, un proceso llamado de sacarificación. Los carbohidratos de bajo peso molecular se pueden utilizar, por ejemplo, en una planta de fabricación existente, como por ejemplo, una planta de proteína unicelular, una planta de producción de enzimas, o una planta de combustible, por ejemplo, una planta de producción de etanol .

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

Por otra parte, las enzimas pueden ser suministrados por organismos que descomponen la biomasa, como la celulosa y/o las porciones de lignina de la biomasa, contienen o producen varias enzimas celulolíticas (celulasas) , ligninasas o varios metabolitos para degradación de biomasas de moléculas pequeñas. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan de forma sinérgica para degradar la celulosa cristalina o las porciones de lignina de la biomasa. Ejemplos de enzimas celulolíticas incluyen: endoglucanasas, celobiohidrolasas y celobiasas (beta-glucosidasas) .

Durante la sacarificación un sustrato celulósico puede ser hidrolizado inicialmente por endoglucanasas al azar produciendo intermediarios oligoméricos . Estos intermediarios son a continuación, sustratos para exo-dividir glucanasas como la celobiohidrolasa para producir celobiosa de los extremos del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero soluble en agua de enlace 1,4 de glucosa. Por último, la celobiasa se une a la celobiosa para producir glucosa. La eficiencia (por e . , tiempo de hidrolizar y/o la exhaustividad de la hidrólisis) de este proceso depende de la actitud recalcitrante de los materiales celulósicos.

PRODUCTOS INTERMEDIOS Y PRODUCTOS Los procesos descritos en el presente documento se utilizan preferentemente para producir butanol, p. ej . , isobutanol o n-butanol, y derivados. Sin embargo, los procesos pueden ser utilizados para producir otros productos, co-productos y productos intermedios, por ejemplo, los productos que se describen en la Publicación de Solicitud Estadounidense No. 2012/0100577 Al, presentada el 18 de octubre de 2011 y publicada el 26 de abril de 2012, cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia .

Mediante los procesos descritos en este documento, el material de biomasa se puede convertir en uno o más de los productos, tales como la energía, los combustibles, los alimentos y los materiales. Ejemplos específicos de productos incluyen, pero no están limitados a, hidrógeno, azúcares (por ejemplo, glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, fructosa, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos) , alcoholes (por ej . , alcoholes monohídricos o alcoholes dihídricos, como etanol, n-propanol, isobutanol, sec butanol, tert-butanol o n-butanol) , alcoholes hidratados o hidrosos (por ej . , que contienen más de un 10 %, 20 %, 30 %, o incluso más de un 40% de agua) , biodiesel, ácidos orgánicos, hidrocarburos (por ejemplo, metano, etano, propano, isobutano, pentano, n-hexano, biodiesel, bio-gasolina y mezclas de los mismos) , co-productos (por e emplo, proteínas, como proteínas celulolíticas (enzimas) o proteínas de célula única) , y las mezclas de cualquiera de estos en cualquier combinación o concentración relativa y, opcionalmente, en combinación con aditivos (por ejemplo, aditivos de combustión) . Otros ejemplos incluyen ácidos carboxílieos , sales de un ácido carboxílico, una mezcla de ácidos carboxílicos y sales de ácidos carboxílicos y ésteres de ácidos carboxílicos (por ej . , metilo, etilo y n-propilo ésteres), cetonas (por ejemplo, acetona) , aldehidos (por ej . , acetaldehído) , ácidos insaturados alfa y beta (por ej . , ácido acrílico) y olefinas (por ej . , etileno) . Otros alcoholes y derivados de alcohol incluyen propanol, propileno glicol, 1,4 -butanodiol, 1,3 -propanediol , alcoholes de azúcar y polioles (p. ej . , glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol y poliglicitol y otros polioles) , y los ésteres etílicos o metílicos ode cualquiera de estos alcoholes. Otros productos incluyen metil acrilato, metacrilato, 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, ácido malónico, ácido glutárico, ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido gamma-hidroxibutírico, y mezclas de los mismos, sales de cualquiera de estos ácidos, mezclas de cualquiera de los ácidos y sus respectivas sales .

Cualquier combinación de los productos mencionados anteriormente entre sí, y/o de los productos anteriormente mencionados con otros productos, dichos otros productos pueden ser hechos por los procesos descritos en este documento o de lo contrario, pueden ser empaquetados y vendidos como productos. Los productos pueden ser combinados, p. ej . , mezclados, licuados o co-disueltos , o pueden simplemente ser empaquetados o vendidos juntos.

Cualquiera de los productos o combinaciones de productos que se describen en este documento pueden ser desinfectados o esterilizados antes de vender los productos, por ejemplo, después de la purificación o aislamiento o incluso después del envasado, para neutralizar una o más contaminantes potencialmente indeseables que pueden estar presentes en el producto (s). Dicha desinfección puede hacerse con bombardeo de electrones, por ejemplo, a una dosis de menos de 20 mrad, p. ej., de alrededor de 0,1 a 15 mrad, de aproximadamente 0,5 a 7 mrad, o de unos 1 a 3 mrad.

Los procesos descritos en este documento pueden producir diversos sub-productos útiles para la generación de vapor y electricidad para utilizarse en otras partes de la planta (co-generación) o venderse en el mercado abierto. Por ejemplo, el vapor generado a partir de la quema de subproductos puede ser utilizado en un proceso de destilación. Como otro ejemplo, la electricidad generada a partir de la quema de sub-productos se puede utilizar para alimentar los generadores de haz de electrones usados en el pretratamiento .

Los sub-productos utilizados para generar el vapor y la electricidad son procedentes de diversas fuentes a lo largo de todo el proceso. Por ejemplo, la digestión anaerobia de aguas residuales puede producir biogas alto en metano y una pequeña cantidad de biomasa residual (lodo) . Como otro ejemplo, los sólidos de la post-sacarificación y/o el post-destilado (por ej., lignina no convertida, celulosa y hemicelulosa del pretratamiento y procesos primarios) se puede utilizar, por ejemplo, quemar como combustible.

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

Otros productos intermedios y productos , incluyendo productos alimenticios y farmacéuticos, se describen en la Solicitud de Patente Estadounidense No. 2010/0124583 Al, publicada el 20 de mayo de 2010, para Medoff, cuya divulgación total se incorpora en el presente mediante referencia .

PROCESAMIENTO POSTERIOR El proceso de purificación de los productos puede incluir el uso de resinas de intercambio iónico, carbón activado, filtración, destilación, centrifugación, cromatografía, precipitación, cristalización, evaporación, adsorción y combinaciones de los mismos. En algunos casos, el producto de fermentación también es esterilizado, por ejemplo, por calor o radiación.

SACARIFICACIÓN Para obtener una solución de fructosa de la materia prima de recalcitrancia reducida, los materiales de biomasa tratados se pueden sacarificar, generalmente mediante la combinación de los materiales y una enzima celulasa en un medio líquido, por ejemplo, una solución acuosa. En algunos casos, el material es hervido, lleno, o cocido en agua caliente antes de la sacarificación, tal como se describe en la Publicación de la Solicitud de Patente Estadounidense No. 2012/0100577 Al por Medoff y Masterman, publicada el 26 de abril, 2012, cuya total divulgación se indorpora en este documento mediante referencia .

La sacarificación proceso puede ser parcial o totalmente en un depósito (por ejemplo, un depósito con un volumen de al menos 4000, 40.000 o 500.000 L) en una planta de fabricación, y/o puede ser parcial o totalmente realizado en tránsito, por ejemplo, en un vagón de ferrocarril, camión, o en un superpetrolero o en la bodega de un barco. El tiempo requerido para completar la sacarificación dependerá de las condiciones del proceso y el material de biomasa y enzima utilizados. Si la sacarificación se realiza en una planta de fabricación bajo condiciones controladas, la celulosa puede ser sustancialmente totalmente convertida en azúcar, por ejemplo, glucosa en aproximadamente: 12-96 horas. Si se lleva a cabo la sacarificación parcial o totalmente en tránsito, la sacarificación puede tomar más tiempo.

Es preferible que el contenido del tanque se mezcle en sacarificación, p.ej., usando chorro mezclador como se describe en la Solicitud Internacional No. PCT/US2010/035331 , presentada el18 de mayo de 2010, que fue publicada en inglés como WO 2010/135380 y designada a los Estados Unidos, la descripción completa de la cual se incorpora por referencia en el presente documento .

La adición de surfactantes puede mejorar la velocidad de sacarificación. Los ejemplos de surfactantes no iónicos, tales como un surfactante iónico de polietilenglicol Tween 20® o Tween 80®, o surfactantes anfotéricos.

Por lo general, es preferible que la concentración de la solución de azúcar resultante de la sacarificación sea relativamente alta, por ejemplo, superior al 40 %, o más de 50, 60, 70, 80, 90 o incluso superior al 95% en peso. El agua puede ser eliminada, 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.

Por otra parte, las soluciones de azúcar de concentraciones más bajas pueden ser utilizadas, en cuyo caso puede ser conveniente agregar un aditivo antimicrobiano, por ejemplo, un antibiótico de amplio espectro, en una concentración baja, p. ej . , 50 a 150 ppm. Otros antibióticos adecuados son, entre otros: amfotericina B, ampicilina, cloranfenicol , ciprofloxacina, gentamicina, higromicina B, kanamicina, neomicina, penicilina, puromicina, estreptomicina. Los antibióticos inhiben el crecimiento de microorganismos durante el transporte y almacenamiento, y se pueden usar en las concentraciones adecuadas, por ejemplo, entre 15 y 1000 ppm por 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. Por otra parte, otros aditivos antimicrobiano o propiedades conservantes pueden ser utilizados. Preferiblemente, el aditivo antimicrobiano (s) son de grado alimenticio .

Una solución de concentración relativamente alta puede obtenerse mediante la limitación de la cantidad de agua añadida a los carbohidratos que contienen material de biomasa con la enzima. La concentración se puede controlar, por ejemplo, mediante el control de qué tanta sacarificación se lleva a cabo. Por ejemplo, la concentración puede aumentar agregando más material de biomasa a la solución. Con el fin de mantener el azúcar que se produce en una solución, un surfactante se puede agregar, por ejemplo, uno de los mencionados anteriormente. La solubilidad también se puede aumentar mediante un aumento de la temperatura de la solución. Por ejemplo, la solución puede mantenerse a una temperatura de 40-50° C, 60-80° C, o incluso superior.

Mediante la adición de glucosa isomerasa al contenido del depósito, una alta concentración de fructosa puede obtenerse sin que la sacarificación sea inhibida por el azúcar en el depósito. Isomerasa Glucosa se puede añadir en cualquier cantidad. Por ejemplo, la concentración puede ser inferior a 500 U/g de celulosa (inferior o igual a 100 U/g celulosa, inferior o igual a 50 U/g celulosa, inferior o igual a 10 U/g celulosa, inferior o igual a 5 U/g celulosa) . La concentración es al menos de 0.1 U/g celulosa (por lo menos de 0.5 U/g celulosa, por lo menos lU/g celulosa, por lo menos 2 U/g celulosa, por lo menos 3 U/g celulosa) .

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

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

AGENTES SACARIFICANTES Las enzimas celulolíticas adecuadas incluyen celulasas . Las celulasas se pueden obtener, por ejemplo, de las especies de los géneros Bacillus, Coprinus, Myceliophthora, Cephalosporium, Scytalidium sp, Penicillium, Aspergíllus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium y Trichoderma, especialmente las producidas por una cepa seleccionada de la especie Aspergillus (Véase, por ejemplo, Publicación de Patente Europea No. 0 458 162), humicola insolens, (reclasificado como Scytalidium thermophilum, véase, p. ej . , Patente Estadounidense No. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. (incluyendo, pero no limitado a, A. persicinum, A. acremonium, 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 sp. 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 puede obtenerse de Chrysosporium, preferentemente una cepa de Chrysosporium lucknowense. Las cepas adicionales que pueden ser utilizadas incluyen, pero no están limitadas a, Trichoderma (especialmente T. viride, T. reesei y T. koningii) , Bacillus alcalofílicas (véase, por ejemplo, la Patente Estadounidense No. 3,844,890 y la Publicación de Patente Europea No. 0 458 162) , y Streptomyces (véase, p. ej . , Publicación de Patente Europea No. 0 458 162) .

Muchos microorganismos que pueden ser usados para sacarificar el material de biomasa y producir azúcares también pueden ser utilizados para fermentar y convertir los azúcares en productos útiles.

AZÚCARES En los procesos descritos en este documento, por ejemplo, después de la sacarificación, los azúcares (por ej . , glucosa y xilosa) pueden ser aislados. Por ejemplo los azúcares pueden ser aislados por precipitación, cristalización, cromatografía (por ej . , cromatografía de lecho móvil simulado, cromatografía de alta presión) , centrifugación, extracción, cualquier otro método de aislamiento conocido en la materia, y combinaciones de los mismos .

HIDROGENACIÓN Y OTRAS TRANSFORMACIONES QUÍMICAS Los procesos descritos en este 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 ej . , Pt/gamma-Al2C>3, Ru/C, níquel Raney u otros catalizadores conocidos en la materia) en combinación con H2 a alta presión (por ejemplo, 0,068947573 a 82,737088 Mpa) . Otros tipos de transformación química de los productos de los procesos descritos en este documento se pueden utilizar, por ejemplo producción de azúcar orgánica derivada de tales productos, (por ej . , furfural y furfural derivada de los productos). Las transformaciones químicas de los productos derivados del azúcar se describen en la Solicitud de Patente Estadounidense Provisional No. 61/667,481, presentada el 3 de julio de 2012, cuya total divulgación se incorpora en este documento mediante referencia.

FERMENTACIÓN Preferiblemente, Clostridium spp., se utiliza para convertir los azúcares (por ej . , fructosa) a butanol . El pH óptimo de las fermentaciones es de pH de 4 a 7. Por ejemplo, el pH óptimo de levaduras es de cerca de pH 4 a 5, mientras que el pH óptimo de Zymomonas es pH de 5 a 6. Los tiempos de fermentación típicos son de 24 a 168 horas (p. ej . , 24 a 96 horas) con temperaturas en el rango de 20 °C a 40 °C (p. ej., 26 °C a 40 °C) , sin embargo los microorganismos termófilos prefieren temperaturas más altas.

En algunas modalidades, por ejemplo, cuando se utilizan microorganismos anaerobios, por lo menos una parte de la fermentación se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, por ejemplo, bajo el manto de un gas inerte 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 depósito durante una parte o la totalidad de la fermentación. En algunos casos, la condición anaeróbica se puede lograr o mantener por producción de dióxido de carbono durante la fermentación y no se necesitan otros gases inertes.

En ciertas modalidades, la totalidad o una parte del proceso de fermentación puede ser interrumpido antes de que al azúcar de bajo peso molecular se convierta totalmente en un producto (por ejemplo, etanol) . Los productos de la fermentación intermedia incluyen el azúcar y los carbohidratos en concentraciones elevadas. Los azúcares y los carbohidratos pueden ser aislados a través de cualquier medio conocido en la materia. Estos productos de fermentación intermedia pueden ser utilizados en la preparación de alimentos para consumo humano o animal. Además, o como alternativa, los productos de la fermentación intermedia pueden ser molidos a un tamaño de partícula fina en un molino de laboratorio de acero inoxidable para producir una sustancia tipo harina.

El mezclado por chorro se puede utilizar en el proceso de fermentación, y en algunos casos la sacarificación y la fermentación se realizan en el mismo depósito.

Los nutrientes para los microorganismos pueden ser añadidos durante la sacarificación y/o fermentación, por ejemplo los empaques de nutrientes de base alimenticia descritos en la Publicación de solicitud Estadounidense No. 2012/0052536, presentada el 15 de julio de 2011, cuya total divulgación se incorpora en este documento mediante referencia en su totalidad.

"Fermentación" incluye los métodos y productos que son divulgados en la Solicitud Provisional Estadounidense No. 61/579, 559, presentada el 22 de diciembre de 2012, y la Solicitud Provisional Estadounidense No. 61/579,576, presentada el 22 diciembre, 2012, cuyas totales divulgaciones se incorporan en este documento mediante referencia en su totalidad.

Los termentadores móviles pueden utilizarse, como se describe en la Solicitud No. PCT/US2007/074028 (que fue presentada el 20 de julio de 2007, publicada en inglés como WO 2008/011598 y designada a los Estados Unidos) , cuya total divulgación se incorpora en este documento mediante referencia en su totalidad. De igual modo, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o la fermentación se pueden realizar en su totalidad o en parte durante el tránsito.

AGENTES DE FERMENTACIÓN Aunque el Clostridium es preferido, otros microorganismos pueden ser utilizados. Por ejemplo, las levaduras y las bacterias Zymomonas pueden ser utilizadas para la fermentación o la conversión de azúcar (es) a otro(s) alcohol (es). Otros microorganismos se examinan a continuación. Pueden ser microorganismos de origen natural y/o microorganismos diseñados. Ejemplos de microorganismo puede ser una bacteria (incluyendo, pero no limitado a, p.ej., una bacteria celulolítica) , un hongo, (incluyendo, pero no limitado a, p.ej., una levadura), una planta, un protista, p. ej . , un protozoo o un protesto tipo hongo (incluyendo, pero no limitado a, por ejemplo, un moho de cieno), o un alga. Cuando los organismos son compatibles, las mezclas de los organismos pueden ser utilizadas.

Los microorganismos termentadores adecuados tienen la capacidad de convertir los hidratos de carbono, como la glucosa, fructosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos en productos de fermentación. Los microorganismos termentadores incluyen cepas del género Sacchromyces spp . , (incluyendo, pero no limitado a, 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) , Pichia stipitis (una especie 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, C. E., ed. , Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212). Otros microorganismos incluyen, por ejemplo, Zymo onas mobilis, Clostridiu 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 los géneros Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula y Pichia.y hongos del género dematioide Torula".

Por ejemplo, Clostridium spp., puede ser utilizado 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 a disposición del público, ya sea comercialmente o mediante depositarios como la ATCC (American Type Culture Collection Manassas, Virginia, EE.UU.), el NRRL (Agricultural Research Service Culture Collection, Peoria, Illinois, EE.UU.), o la DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Alemania), por nombrar algunos.

Las levaduras comercialmente disponibles, por ejemplo, Red Star® /Lesaffre Etanol Rojo (disponible de Red Star/Lesaffre, EE.UU) , FALI® (disponible a partir de la Fleischmann ' s Yeast, una división de Burns Philip Food Inc., EE.UU), SUPERSTART ® (disponible de Alltech, ahora Lalemand) , GERT STRAND ® (disponible de Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL ® (disponible de DSM Specialties) .

Muchos microorganismos que pueden ser usados para sacarificar el material de biomasa y producir azúcares también pueden ser utilizados para fermentar y convertir los azúcares en productos útiles.

DESTILACIÓN Después de la fermentación, el líquido puede ser destilado usando, por ejemplo, una "columna de cerveza" para separar el etanol y otros alcoholes de la mayoría del agua y residuos sólidos. El vapor que sale de la columna de cerveza puede ser, por ejemplo, 35% por peso de etanol y puede ser alimentado a una columna de rectificación. Una mezcla de etanol casi azeotrópico (92.5 %) , y agua de la columna de rectificación puede ser purificada a etanol puro (99.5 %) usando tamices moleculares de fase de vapor. La parte inferior de la columna de cerveza se puede enviar a los primeros efectos del 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 pueden ser separados mediante una centrífuga y secarse en un secador rotatorio. Una porción (25%) del efluente de la centrífuga puede ser reciclado a fermentación y el resto al segundo y al tercer efecto del evaporador. La mayoría de la condensación del evaporador puede ser devuelta al proceso como condensado bastante limpio con una pequeña porción dividida en tratamiento de aguas residuales para evitar la acumulación de compuestos de bajo punto de ebullición.

Aparte de los ejemplos en este documento, o a no ser que se especifique expresamente, todos los rangos numéricos, cantidades, valores y porcentajes, como los de cantidades de materiales, contenido elemental, tiempos y temperaturas de reacción y las proporciones de las cantidades, y otros, en la siguiente parte de la descripción y las reivindicaciones adjuntas se podrán leer como si fueran precedidos de la palabra "alrededor de" a pesar de que el término "alrededor de" puede no aparecer expresamente con el valor, cantidad o intervalo. Por lo tanto, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos establecidos en la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas a obtenerse por la presente invención. Por lo menos, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de los equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico por lo menos debe interpretarse a la luz del número de dígitos significativos y aplicando técnicas de redondeo ordinarias.

A pesar de que los rangos numéricos y los parámetros que establecen la amplitud de la invención son aproximaciones, los valores numéricos establecidos en los ejemplos concretos se comunican con la mayor precisión posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene el error necesariamente resultante de la desviación estándar que se encuentra subyacente a sus respectivas mediciones de prueba. Además, cuando los rangos numéricos son establecidos en este documento, estos rangos son inclusivos del recitado de rangos de puntos finales (es decir, se pueden usar puntos finales) . Cuando los porcentajes en peso se utilizan en el presente documento, los valores numéricos reportados son relativos al peso total.

Además, se debe entender que cualquier intervalo numérico recitado aquí está destinado a incluir todas las sub-escalas incluidas en él. Por ejemplo, una serie de "1 a 10" tiene la intención de incluir todas las sub-escalas entre (e incluyendo) el valor mínimo citado de 1 y el valor máximo citado de 10, es decir, con un valor mínimo igual o mayor que 1 y un valor máximo igual o menor a 10. Los términos "uno", "una", o "un" utilizados en el presente texto pretenden incluir "al menos uno" o "uno o más", a menos que se indique lo contrario.

EJEMPLOS Ejemplo 1. Materiales y Métodos Preparación de cultivos de semillas: Las células Moniliella almacenadas a -80 C° se utilizaron para inocular el medio de propagación (20 g/L extracto de malta, 1 g/L peptona, 20 g/L de glucosa) , y se incubó a 30°C y a agitación de 200 rpm durante 72 horas. El cultivo fue transferido a un bioreactor (3L, 20L o 400 L) para producción de eritritol.

Cultivo principal: El medio de producción de eritritol consta de 10 g/L de extracto de levadura, 1 g/L de ácido fítico, 1 g/L de nitrato de potasio, 100 g/L de cloruro cálcico, 10 mg/L de sulfato cúprico, 50 mg/L de cloruro de cinc y 300 g/L de glucosa (grado reactivo de Sigma) o mazorca sacarificada purificada preparada en casa.

La mazorca del maíz fue tratada con 35 mrad de un haz de electrones, y sacarificada con celulasa preparada en casa. La mazorca de maíz sacarificada fue purificada por intercambio catiónico (Diaion PK228, Mitsubishi Chemical Corporation) y de aniones (Diaion JA300, Mitsubishi Chemical Corporation) .

Ejemplo 2. Determinación de las condiciones de cultivo El cultivo del bioreactor consistía en 1,5 L en un recipiente de 3 L, 10 L en un recipiente de 20 L, o 250 L en un recipiente de 400 L. El inoculo para cada uno consistía en semillas cultivadas en cultivo de 72 horas, añadido a 5% del volumen en el bioreactor. La aireación se ajustó a 0,3 a 1 WM, la agitación fue de 300 - 1000 rpm, y la temperatura fue de 35° C. El antiespumante 204 se añadió continuamente a un ritmo de 1,5 ml/L/día.

Doce diferentes extractos de levadura fueron probados por su efecto sobre la producción de eritritol. Los resultados fueron los siguientes: Fisher granulado (producción de 105 g/L eritritol), Thermo Oxoid (30 g/L) , Bacto Tech (94 g/L), Fluka (108 g/L), Thermo Remel (111 g/L), Teknova (108 g/L), Acros (93 g/L), Boston (96 g/L), Sunrise (8 g/L), US Biochem (88 g/L), Sigma (76 g/L), y BD (90-120 g/L) . Granulado Fisherm Bacto Tech, Fluka, Thermo Remel, Teknova, Acros, Boston, US Biochem, y BD se llevaron a cabo para realizar pruebas adicionales.

Doce diferentes agentes antiespumantes fueron probados. Estos fueron los siguientes: Antiespumante A, B, C, O-30, SE-15, Y-30, silicona antiespumante, Antiespumante 204 (todos de Sigma Chemical Company, St, Louis, Missouri, E.U.A.), antiespumante AF (de Fisher), KFO 880, FO 770, y Foam Blast 779 (de Emerald Performance Materials) .

Tabla la. Componentes del Medio Probados para la Producción de Eritritol Condónenle de Rasgo Rango de Trabajo * Rango óptimo Medio Probado Acido fítico con Acido 3-4 días para alcanzar la prod. con Acido fítico (periodo de fítico Máxima cultivo) Ácido fítico sin Ácido 10-12 días para alcanzar la prod. (periodo de fitico Máxima cultivo) Acido fítico 0.3 - 9 gL 0.3 - 1.0 g/L 0.3 - 1.0 g/L (cantidad) Fosfato de sodio 2-12 g L 2-12 g'L (3-4 días para alcanzar menor rendimiento monobásico la prod. Máxima) que el Ácido fítico (periodo de cultivo) Cloruro de calcio 10-300 mg'L 10-150 mg'L 100 mgL (cantidad) Glucosa 150-600 gL 200400 g'L 300 g/L (cantidad) Sulfato cúprico 2-250 mg'L 2-250 mg'L 10 ma (cantidad) Extracto de 5-20 g/L 9-13 g'L 10 g'L levadura (cantidad) Extracto de 12 diferentes 9 d ferentes marcas Fluka YE levadura marcas (marca) Cloruro de cinc 25-100 ng'L 25-100 mg'L 50 mg'L (cantidad) Agente anti- 12 diferentes FO 880: Antifoam 204 espumante agentes Antifoam 204 (marca) Fuente de 5 diferentes Urea: Nitrato de sodio; nitrato Nitrato de potasio nitrógeno fuentes de amonio; sulfato de amonio, nitrato de potasio Nitrato de potasio 0 5-5 g/L I g'L (cantidad) El "Rango de trabajo" se determinó como las condiciones que producen más de 80 g/L el eritritol de 300 g/L de glucosa.

Tabla Ib. Condiciones de cultivo probadas para la producción de eritritol Condición Probada Rango Probado Rango de Trabajo* Rango óptimo Agitación 450-1000 rpm 600-1000 rpm 800 rpm (Velocidad en bioreactor de 3L) Agitación 300-650 rpm 400-650 f?? 650 rpm (Velocidad en bioreactor de 20L) Aereación (WM) 0.3-1 WM 0.3-1 WM 0.6 WM Temperatura de 30-4ÍTC 30-37-C 35°C Cultivo Turbulencia (tubo con/sin tubo de con tubo de derrame con tubo de derrame de derrame en derrame bioreactor de 400L) El "Rango de trabajo" se determinó como las condiciones que producen más de 80 g/L el eritritol de 300 g/L de glucosa.

Ejemplo 3. Cultivo de Bioreactor de Moniliella en un Bioreactor de 3L.

Moniliella pollinis (cepa CBS 461,67 Centraalbureau voor Schimmelcultures , Utrecht, Países Bajos) fue cultivada en medio de producción en el bioreactor de 3L (1.5L volumen de cultivo) con diversas condiciones de componentes del medio (Tabla la) . El ácido fítico redujo el período de cultivo de 3 a 4 días, mientras que tomó de 10 a 12 días para la producción de eritritol sin ácido fítico (Tabla la) . Cada uno de los componentes (ácido fítico, extracto de levadura, fosfato de sodio monobásico, cloruro de calcio, glucosa, sulfato cúprico, cloruro de zinc, nitrato de potasio) fue probado para obtener la óptima concentración (Tabla la) . Las condiciones físicas incluyendo agitación, aireación, temperatura, también se probaron (Tabla Ib) . La producción típica de eritritol fue de 80 a 120 g/L de eritritol a partir de 300 g/L de glucosa.

La siguiente tabla muestra la producción de eritritol en un cultivo de cepa Moniliella CBS 461,67 de bioreactor de 3L con concentraciones óptimas de los componentes del medio (300 g/L de glucosa, 10 g/L extracto de levadura, 1 g/L ácido fítico, 1 g/L nitrato de potasio) .

Tabla 2. Producción de eritritol y otros productos de 300 g/L de glucosa Día Gliccrol Eritritol Ribitol Etanol 0 0 0 0 0 1 7.13 3.66 0 5.39 2 33.50 35.69 3.51 9.63 3 33.77 92.13 4.79 2.86 4 16.89 88.51 4.92 0.45 Ejemplo 4. Cultivo de Bioreactor de Moniliella en un Bioreactor de 20L.

La velocidad de agitación resultó afectar en gran medida la producción de eritritol. El eritritol se produjo en un volumen de cultivo de 10L en un bioreactor de 20L a tres velocidades diferentes (300 rpm, 400 rpm, 650 rpm) , 1 WM y 35°C, en medio compuesto de extracto de levadura (10 g/L) , K 03 (1 g/L), ácido fítico (1 g/L), CuS04 (2 mg/L) . Los cultivos de 400 rpm y 650 rpm también incluyeron tres impulsores. El cultivo de 650 rpm fue aireado a 0.6 WM, en lugar de 1 WM.

El cultivo de bioreactor con velocidad de agitación de 300 rpm resultó en una producción mucho más baja de eritritol que el mismo cultivo a 650 rpm. La producción de etanol, por otro lado, se redujo por la agitación de cada vez mayor velocidad.

Tabla 3. Efecto de la velocidad de agitación en la producción de eritritol .

Día Glicerol Eritiitol Ribitol Etanol Glucosa 300 rpm 0 4.09 3.35 0 2.63 >50 1 10.80 5.95 3.06 15.15 >50 2 18.48 19.39 0. 24.44 >50 3 24.24 48.09 0 32.37 70.74 4 25.27 59.51 0 25.15 0 5 23.36 64.09 3.60 8.48 0 6 21.59 63.70 3.66 2.32 7 19.35 59.69 3.65 1.50 2 1S.01 89.13 4.13 6.57 112,57 3 30.72 145.67 6.86 1.61 4.31 4 16.02 129.69 6.59 1.39 0 5 12.65 147.54 6.S7 0 Ejemplo 5 . Cultivo de Bioreactor de Moniliella en un Bioreactor de 400L .

Se constató que la velocidad de transferencia de oxígeno fue un factor clave en la producción de eritritol en el bioreactor de 400 L. Dos tubos de derrame se utilizaron para aumentar la turbulencia del aire, un aspersor se instaló en la parte inferior del recipiente, y la relación de aspecto aumentó. Los resultados (en g/L) se muestran en la tabla siguiente .

Tabla 4. Producción de eritritol y otros productos Bioreactor de 400L Día Glicerol Eritritol Ribitol Etanol 0 0 0 0 0 1 61 92 1.5 15.3 2 10.0 6?.3 1.7 19.3 3 11.8 75.3 0 27.7 Ejemplo 6. Purificación de Producto de sacarificación La mazorca de maíz fue sacarificada y la mezcla de azúcar resultante fue purificada por intercambio de iones. El intercambio de cationes y de aniones se utilizó para extraer los componentes de metal enumerados en la siguiente tabla.

Tabla 5. Elementos metálicos en ppm en la solución de mazorca de maíz sacarificada que contiene 100 g/L de glucosa, antes y después del intercambio de iones.

Elemento Antes del Después del Después del intercambio de Intercambio de iones intercambio de cationes cationes y aniones Ma 9 0 0 Zn 9 0 0 Si 71 70 0 Fe 14 0 0 P 668 704 0 K 4951 20 0 Mg 418 0 0 Na 10099 0 0 Ca 342 0 0 S 2048 2372 37 La solución de mazorcas de maíz sacarificada purificada se utilizó a continuación para la producción de eritritol por dos cepas diferentes de Moiliella, CBS 461.67 {Monilliela pollinis) y CBS 567.85 [Moliniella megachiliensis) . Se usaron los cultivos de los matraces, y los componentes de los medios incluyeron 10 g/L de extracto de levadura, 1 g/L de nitrato de potasio, 0,3 g/L de ácido fítico, 2 mg/L de sulfato cúprico, así como mazorca de maíz sacarificada purificada. La glucosa fue consumida en 2 días y la xilosa se consumió poco.

Tabla 6. Producción de eritritol por dos cepas diferentes de mazorcas de maíz sacarificadas purificadas que contienen 160 g de glucosa y 140 g/L de xilosa.

Día Gliccrol Eritritol Ribitol Etanol Fructosa Cepa CBS 461.67 0 ó.85 4.54 0 0.36 9.78 2 9.22 3120 0 22.35 0 3 7.30 33.46 0 19.S0 0 Cepa CBS 567.85 0 0 4.54 0 0.21 10.30 2 9.72 29.36 0 22.52 0 3 7.82 45.99 0 19.47 0 El rendimiento de producción de eritritol fue de 21% en CBS 461.67 y 28% en CBS 567.85. Este rendimiento es comparable a la producción de eritritol con glucosa de grado reactivo (30 a 40% de rendimiento) .

Cualquier patente, publicación, o cualquier otro material informativo, en su totalidad o en parte, que se dice que es incorporado por referencia en el presente documento, se incorpora al presente documento sólo en la medida en que el material no entre en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones, u otros documentos establecidos en esta divulgación. Como tal, y en la medida en que sea necesario, la descripción de la forma expresamente establecida en este documento sustituye a cualquier material que cree conflicto incorporado en este documento por referencia. Cualquier material, o parte del mismo, que se dice que está incorporado por referencia en el presente documento, pero que entra en conflicto con las definiciones existentes, declaraciones, o cualquier otro material informativo establecidos en el presente documento sólo será incorporado en la medida en que surja un conflicto entre el material incorporado y el material informativo existente.

Mientras que esta invención ha sido particularmente mostrada y descrita con referencias a sus modalidades preferidas, se entenderá por los especialistas en la técnica que los diversos cambios en la forma y los detalles pueden ser formulados sin necesidad de apartarse del alcance de la invención abarcada por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (26)

REIVINDICACIONES

1. Un método que comprende: hacer un alcohol de azúcar de la biomasa celulósica o lignocelulósica que contiene uno o más azúcares mediante la combinación de la biomasa celulósica o lignocelulósica con un microorganismo que es capaz de convertir al menos uno de los azúcares en un alcohol de azúcar, y mantener la combinación de microorganismos-biomasa bajo condiciones que permitan que el microorganismo convierta al menos uno de los azúcares en el alcohol de azúcar.

2. El método de la reivindicación 1 comprendiendo, además, reducir la recalcitrancia de la biomasa celulósica o lignocelulósica antes de contactar la biomasa con el microorganismo.

3. El método de la reivindicación 1 o 2, comprendiendo, además, la sacarificación de la biomasa celulósica o lignocelulósica.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el alcohol de azúcar es seleccionado del grupo que consta de: glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, galactitol, iditol, inositol, volemitol, isomalt, maltitol, lactitol, maltotriitol , maltotetraitol y poliglicitol .

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el alcohol de azúcar comprende eritritol .

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriormente mencionadas, caracterizado porque el microorganismo es seleccionado del grupo que consiste de Moniliella pollinis, Moniliella megachiliensis, Yarrowia lipolytica, Aureobasidium sp., Trichosporonoides s . , Trigonopsis variabilis, Trichosporon sp., Moniliellaacetoabutans, Typhula variabilis, Candida magnoliae, Ustilaginomycetes, Pseudozyma tsukubaensis; especies de levaduras de los géneros Zygosaccharomyces, Debaryomyces, Hansenula y Pichia ; y hongos del género dematioide torula.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el microorganismo es una especie de Moniliella .

8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el microorganismo es M. Pollinis.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el microorganismo es M. pollinis cepa CBS 461.67.

10. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el microorganismo es M. Megachiliensis .

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el microorganismo es M. megachiliensis cepa CBS 567.85.

12. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la biomasa celulósica o lignocelulósica es seleccionada del grupo que consta de: papel, productos de papel, residuos de papel, pasta de papel, papel pigmentado, papeles cargados, papeles estucados, papeles llenos, revistas, impresos, papel de impresión, papel polirrevestido , cartulina, cartón, cartulina, despojos, algodón, madera, tableros de partículas, residuos forestales, serrín, madera de álamo, astillas de madera, hierbas, pasto varilla, miscanthus, hierba espinal, alpiste, residuos de granos, cáscaras de arroz, cáscaras de avena, paja de trigo, cáscaras de cebada, 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 soja, fibra de maíz, alfalfa, heno, pelo de coco, residuos de la elaboración de azúcar, bagazo, pulpa de remolacha, bagazo de agave, algas, algas, estiércol, aguas residuales, arracacha, trigo sarraceno, plátano, cebada, mandioca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papa, camote, taro, ñame, frijol, habas, lentejas, guisantes, y mezclas de cualquiera de éstos.

13. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la recalcitrancia es reducida por un método de tratamiento seleccionado del grupo que consta de: bombardeo de electrones, sonicación, oxidación, pirólisis, explosión de vapor, tratamiento químico, tratamiento mecánico y rectificado en congelación.

14. El método de la reivindicación 13 , caracterizado porque el método de tratamiento es bombardeo de electrones .

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material es una biomasa biomasa lignocelulósica.

16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además tratar mecánicamente el material de biomasa celulósico o lignocelulósico para reducir la densidad aparente del material y/o aumentar su área de superficie.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la biomasa celulósica o lignocelulósica es triturada.

18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la trituración es molienda seca.

19. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la trituración es molienda húmeda.

20. El método de la reivindicación 3, caracterizado porque la biomasa es sacarificada con una o más celulasas .

21. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo, además, separar el uno o más azúcares antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo.

22. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo, además, concentrar el uno o más azúcares antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo.

23. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores comprendiendo, además, cultivar el microorganismo en una fase de crecimiento celular antes de combinar la biomasa celulósica o lignocelulósica con el microorganismo.

24. El método de la reivindicación 3, caracterizado porque la biomasa sacarificada se ajusta para tener una concentración de glucosa inicial de al menos 5 % en peso .

25. El método de la reivindicación 3, comprendiendo, además, purificar la biomasa sacarificada.

26. El método de reivindicación 25, caracterizado porque la purificación comprende la eliminación de iones metálicos.