MX2015002896A

MX2015002896A - Metodo y aparato para enfriar biomasa pretratada antes de mezclar con enzimas.

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Publication number: MX2015002896A
Application number: MX2015002896A
Authority: MX
Inventors: Bertil Stromberg; Rodolfo Romero; Allen Turner
Original assignee: Andritz Inc
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-08-14
Also published as: MX2015002892A; CA2883621A1; CN104736691A; US20150240198A1; WO2014039986A1; US20150232902A1; WO2014039984A1; AU2013312214A1; ZA201501223B; JP2015531227A; CN104619829A; KR20150041665A; JP2015527087A; AU2013312212A1; US9528135B2; BR112015004990A2; RU2015113274A; BR112015004830A2; EP2892994A1; RU2015113126A

Abstract

Un método para tratar biomasa, por ejemplo, material lignocelulósico, que incluye: realizar una etapa de pre-tratamiento en la biomasa y descargar la biomasa pretratada; en al menos un primer reactor de hidrólisis enzimática que produce un material de licuefacción, recirculando al menos una porción del material de licuefacción de al menos el primer reactor a una ubicación corriente ascendente de la adición de las enzimas como al menos una porción del refrigerante para la biomasa pretratada caliente.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA ENFRIAR BIOMASA PRETRATADA ANTES DE MEZCLAR CON ENZIMAS ANTECEDENTES El término “biomasa” generalmente se refiere a cualquier material que se deriva de organismos biológicos vivos, o recientemente vivos. En el contexto de la energía esto se usa frecuentemente para referirse al material vegetal, sin embargo los sub-productos y desechos de granjas de ganado, desechos de preparación y procesamiento de alimentos y orgánicos domésticos, todos pueden formar fuentes de biomasa. La biomasa está ampliamente disponible y contiene una proporción alta de celulosa, hemicelulosa y lignina. Las cuatro categorías principales de biomasa son: (1) residuos de madera (incluyendo descartes de aserradero y molinos de papel), (2) desechos de papel municipales, (3) residuos agrícolas (incluyendo forraje de maíz y mazorcas de maíz y bagazo de caña de azúcar), y (4) cultivos energéticos (que se componen principalmente de rápido crecimiento de altura, hierbas leñosas tal como pasto varilla y Miscanthus). La biomasa lignocelulósica contiene tres polímeros primarios que conforman las paredes celulares de las plantas, es decir, (1) celulosa, un polímero de D-glucosa; (2) hemicelulosa que contiene dos diferentes polímeros esto es xilano, un polímero de xilosa y glucomanano, un polímero de glucosa y mañosa; y (3) lignina, un polímero de pronano de guayacilo y unidades de pronano de siringilo. De estos componentes la celulosa se cree que es más deseable ya que se puede convertir en glucosa de monómero que se puede fermentar a etanol.

Las modalidades ejemplares descritas en la presente se refieren generalmente al campo de la conversión enzimática, también conocida como hidrólisis enzimática, de biomasa, (por ejemplo, material lignocelulósico) para obtener azúcares monoméricos y particularmente para maximizar rendimiento/eficacia de enzima durante una etapa de licuefacción de biomasa pretratada.

La producción de etanol de biomasa generalmente conlleva las siguientes etapas: (1 ) colección y transporte de la biomasa a una planta de procesamiento; (2) pre-tratamiento de la biomasa (pre-hidrólisis) con explosión de vapor, químicos (por ejemplo, con o sin la adición de un ácido o una base), medios físicos, medios biológicos, y similares; (3) rendimiento de hidrólisis enzimática usando enzimas altamente especializadas que catalizan la despolimerización de la celulosa en glucosa; (4) fermentación de la glucosa a etanol; y (5) separación del etanol del caldo de fermentación acuosa. Por último la etapa de separación elimina el último resto de agua haciendo un etanol libre de agua adecuado para mezclar con gasolina.

Diversas téenicas para el pre-tratamiento de material de biomasa se han explorado con el objetivo de producir sustrato que puede ser más rápidamente y eficientemente hidrolizado para proporcionar azúcares fermentables. Ver, por ejemplo, Zheng, Yi, et al., “OverView of Biomass Pretreatment for Cellulosic Ethanol Production, “ Int. J. Agrie & Biol. Eng., Vol. 2, No. 3, pp. 51 -68 (2009). Estos enfoques tienen en común el uso de condiciones y procedimientos que se diseñan para incrementar el área de superficie a la que los reactivos y enzimas tienen acceso. En el caso del pre-tratamiento usando explosión de vapor, la biomasa es fibrizada y la celulosa se fractura. Para conducir las reacciones entre las enzimas y la biomasa pre-tratada, en particular los intervalos de temperatura de operación deben existir.

Antes de la hidrólisis enzimática de biomasa, la biomasa puede experimentar pre-tratamiento que implica uno o más de lo siguiente: hidrólisis de condición ácida (con o sin la adición de ácido), explosión de vapor, otro pre-tratamiento tal como hidrólisis de amonio, hidrólisis de cal, etc., En particular puede ser necesario enfriar la biomasa pretratada para mejorar el rendimiento de enzima durante la etapa de hidrólisis enzimática (licuefacción) de procesamiento.

Por ejemplo, la biomasa, tal como material lignocelulósico, puede ser pre-tratado para hacer los polímeros basados en azúcar, tal como hemi-celulosa y celulosa, accesible a enzimas. Después de que se pre-trato, la biomasa se procesa en recipientes de reactor de hidrólisis enzimática donde las enzimas hidrolizan, por ejemplo, descomponen, la hemi-celulosa y polímeros de celulosa a monómeros. La biomasa pretratada tiende a ser altamente viscosa. Durante la hidrólisis enzimática, la biomasa pretratada se licúa como los polímeros de la biomasa pretratada se convierten a monómeros. Los monómeros, azúcares, se procesan además en etanol, butanol u otros productos basados en azúcar.

La hidrólisis enzimática de la biomasa pretratada plantea muchos desafíos. Estos desafíos varían desde la interacción de las enzimas ellos mismos con la complejidad bioquímica de la biomasa pretratada y sus derivados a las características físicas del líquido/fibra, mezcla monomérica/oligomérica (denominados colectivamente como “mezcla espesa”) y sus rasgos reológicos.

Los reactores convencionales usados para realizar la hidrólisis enzimática continua (un proceso donde hay flujos tanto de entrada como de salida al proceso, pero el volumen de reacción se mantiene constante) requieren grandes tanques que tienen impulsores caros y potentes para mezclar las enzimas en la mezcla espesa. La hidrólisis enzimática o licuefacción de biomasa puede requerir varias horas, típicamente más de doce (12) horas, de mezclar en los grandes tanques. El proceso de mezclado reduce la viscosidad aparente de la biomasa al convertir la biomasa de una composición generalmente de sólidos a una mezcla espesa licuada. La biomasa pretratada típicamente comienza el proceso de mezclado que tiene una consistencia como barro, semi-sólida.

Los sistemas de hidrólisis enzimática convencionales adicionales incluyen procesos por lote y alimentación por lote. En un proceso por lote, todos los componentes (incluyendo sustancias que controlan el pH) se colocan en un recipiente de reactor al principio de la hidrólisis enzimática. Durante el proceso de hidrólisis enzimática de la biomasa, no hay entrada en o salida del recipiente de reactor. Un proceso alternativo por lote es un proceso de alimentación por lote. En un proceso de alimentación por lote (como se describe en la Publicación de Patente de E.U.A. No. 2010/0255554 Al) nada se elimina del recipiente de reactor durante el proceso, pero un componente de sustrato se agrega progresivamente con objeto de controlar la velocidad de reacción por la concentración del sustrato. El sustrato se alimenta continuamente en el reactor durante el periodo de hidrólisis enzimática sin retirar ningún hidrolizado hasta que el proceso se completa (como es el caso con un proceso por lote).

La biomasa se pretrata y posteriormente somete a hidrólisis enzimática que resulta en la conversión a azúcares monoméricos. Las enzimas agregadas a la biomasa pretratada típicamente tienen una concentración relativamente baja con respecto al contenido de sólidos de la biomasa pretratada. La biomasa pretratada y mezcla de enzima tiende a ser altamente viscosa como entra en una mezcla y sistema de reactor de hidrólisis enzimática. La alta viscosidad aparente de la mezcla ha motivado el uso de recipientes de reactor relativamente pequeños para reducir el esfuerzo de torsión necesario para mezclar la mezcla mientras que en los recipientes de reactor. Tal sistema típicamente incluye uno o más recipientes de reactor de hidrólisis enzimática. La temperatura dentro de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática es importante para permitir la actividad apropiada de las enzimas. Las enzimas típicamente requieren un ambiente de temperatura de 20°C (Celsius) hasta 65°C. Temperaturas superiores pueden causar daño a las enzimas, por lo tanto el nivel de temperatura y control de nivel de temperatura son requisitos importantes en y alrededor del reactor. El lapso de tiempo comúnmente anticipado en aplicaciones industriales para retención/reacción de hidrólisis enzimática es al menos 48 horas, más típicamente al menos 72 horas.

Otro desafío en sistemas de tratamiento de biomasa convencionales es para enfriar la biomasa pretratada a una temperatura adecuada para hidrólisis enzimática. A modo de ejemplo, hay una necesidad para enfriar la biomasa pretratada de una temperatura alta, tal como 100°C, en la descarga de un recipiente de pre-tratamiento, a una temperatura sustancialmente más fría, tal como 20°C hasta 65°C, antes de que la biomasa entre a los recipientes de reactor para hidrólisis enzimática.

Un sistema de reactor de hidrólisis enzimática convencional se describe en la Publicación de Patente de E.U.A. No. 2012/0125549 y describe la adición de agua fría al material de biomasa pretratada que se ha sometido a explosión de vapor con objeto de reducir la temperatura de la biomasa pretratada desde aproximadamente 100°C hasta la temperatura más enzimáticamente propicia de 40°C hasta 50°C antes de transferirse a un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática. Volúmenes grandes de agua fría se debe agregar a la biomasa pretratada caliente para alcanzar la temperatura menor deseada, así como una consistencia de sólidos totales favorables para reacciones de hidrólisis enzimática exitosas (sólidos totales que se definen como sólidos solubles/disueltos e insolubles/no disueltos). Este volumen grande de agua indeseablemente causa un incremento dramático en el volumen de líquido que se alimenta al recipiente de reactor de hidrólisis enzimática, haciendo de tal modo el control consistente del volumen y temperatura al recipiente de reactor de hidrólisis enzimática más difícil.

La concentración de la biomasa pretratada se indica por la relación de biomasa pretratada a agua. Es ventajoso mantener una biomasa pretratada de concentración alta y una baja concentración de agua para asegurar una concentración alta de azúcares en el producto generado de la etapa de hidrólisis enzimática. Aunque la adición de agua para enfriar la biomasa pretratada es efectiva, la adición de agua indeseablemente tiende a diluir la biomasa pretratada y específicamente la solución de azúcar producida por la hidrólisis enzimática de la biomasa pretratada.

La FIGURA 1 muestra un diagrama de flujo de proceso que muestra un sistema continuo convencional para tratar biomasa en una velocidad de cincuenta toneladas (base seca) por hora. La biomasa se pretrata en un recipiente de pre-tratamiento 1 10. En este proceso la biomasa se pretrata a temperaturas elevadas, tal como por arriba de 100°C y en un ambiente ácido. Otros procesos de pre-tratamiento, incluyendo, pero no se limita a, explosión de vapor o hidrólisis de amonio o hidrólisis de cal, se pueden usar. La biomasa pretratada 111 , se puede descargar del recipiente de pre-tratamiento 110 en una velocidad de 166 metros cúbicos por hora (m3/h) (para este ejemplo el contenido de sólidos totales de veinticinco por ciento, 25%, se usó), en un contenido de sólidos totales de veinticinco por ciento (25%) hasta cincuenta por ciento (50%) sólidos de biomasa (con base en la biomasa alimentada al recipiente de reactor de pre-tratamiento), y en una temperatura de al menos 100°C. El contenido de sólidos totales para un proceso de tratamiento de biomasa puede ser veinticinco por ciento (25%) hasta cincuenta por ciento (50%).

La biomasa pretratada 1 11 es generalmente demasiado ácida y demasiado caliente para hidrólisis enzimática a ocurrir ya que las condiciones requeridas para el pre-tratamiento de biomasa son sustancialmente diferentes de las condiciones favorables para hidrólisis enzimática. La hidrólisis enzimática usualmente ocurre en un ambiente que tiene un intervalo de pH de aproximadamente 4 hasta 6.5 y en temperaturas de, por ejemplo, aproximadamente 50°C hasta 55°C. Otros intervalos de temperatura se pueden usar para hidrólisis enzimática. Las reacciones de enzima basadas en levadura pueden ocurrir en un intervalo de, por ejemplo, aproximadamente 28°C hasta 40°C, la hidrólisis enzimática basada en bacterias termófilas puede ocurrir a temperaturas tan altas como aproximadamente 80°C, e hidrólisis enzimática basada en bacterias mesófilas puede ocurrir a temperaturas entre aproximadamente 20°C y aproximadamente 45°C. Una etapa de mezcla 112, tal como un recipiente de mezcla, se usa para ajustar el pH y enfriar la biomasa pretratada 111. Una base apropiada 114 (una base se usa en este ejemplo como las condiciones de pre-tratamiento fueron ácidas), tal como amoniaco, cal u otro hidróxido basado en metal de tierra o carbonato, se agrega durante la etapa de mezclado 1 12 para ajustar el pH de la biomasa pretratada 111 a un nivel adecuado para hidrólisis enzimática.

Un líquido de enfriamiento se agrega por medio del conducto 116 en la etapa de mezclado 112 a la biomasa pretratada 11 1. El líquido de enfriamiento típicamente ha sido el agua, residuo acuoso de fermentación u otro líquido adecuado del molino. Se ha propuesto usar producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121. Típicamente después de tanto el pre-tratamiento como la hidrólisis enzimática la biomasa tiene un rendimiento de azúcares monoméricos de al menos treinta por ciento (30%), y se descarga de un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática grande 1 18. La biomasa completamente hidrolizada de enzima 121 se puede dividir, con una porción por medio del conducto 123 que se bombea por medio de una bomba 120 a través de una etapa de enfriamiento 122 y a la etapa de mezclado 1 12 por medio del conducto 116.

En la etapa de mezclado 112, recipientes de mezclado de modo por lote se usan para convertir la biomasa pretratada 111 a condiciones adecuadas para hidrólisis enzimática. El modo por lote generalmente implica diversos recipientes de mezclado más pequeños que alimentación de un recipiente de corriente descendente grande (no se muestra), tal como un digestor u otro recipiente de reactor. El procesamiento por lote incrementa el volumen necesario en los recipientes de la etapa de mezclado 112 para acomodar las porciones de llenado y vaciado de cada ciclo para el recipiente de la etapa de mezclado 112.

La hidrólisis enzimática de biomasa pretratada típicamente requiere muchas horas para completar. El periodo de retención en un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática grande 1 18 o montaje de recipientes, por ejemplo, puede ser 24 hasta 72 horas o más largo. El producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 se descarga de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 118 y se usa como una solución de azúcar monomérica fabricada 119. Debido a los periodos de hidrólisis enzimática largos, el volumen de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 118, por ejemplo, tanques, son grandes por ejemplo podrían ser tan grandes como 37,000m3 o más. La capacidad de volumen alta, tamaño grande, requerido para los niveles de hidrólisis enzimática del sistema continuo convencional resulta en limitar el material de biomasa a ser procesado.

Un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática grande convencional 118 para hidrólisis enzimática tiende a ser mucho más grande que un recipiente de pre-tratamiento correspondiente 110 usado para pretratar la biomasa. El recipiente de pre-tratamiento 1 10 es mucho más pequeño ya que los periodos de pre-tratamiento son típicamente mucho más cortos que los periodos de procesamiento para hidrólisis enzimática.

Como se muestra en la FIGURA 1 se conoce para usar, previamente la biomasa completamente hidrolizada de enzima 121 como un líquido de enfriamiento para sustituir en todo o en parte por agua 130 para mantener una concentración alta de biomasa pretratada 111 en la etapa de mezclado 1 12. El producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 se ha hidrolizado completamente (tanto de procesos de pre-tratamiento como hidrólisis enzimática) se puede usar como una solución de azúcar monomérica fabricada 119. El uso del producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 como un líquido de enfriamiento evita la excesiva dilución de agregar agua de enfriamiento 130. El uso de producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 como líquido de enfriamiento incrementa el volumen necesario de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 1 18, por ejemplo, tanques. Los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 118 son necesarios para acomodar los tiempos de residencia largos, por ejemplo, 24 hasta 72 horas o más largos, necesarios para la conversión apropiada de la biomasa pretratada 111 del recipiente de pre-tratamiento 110, compuesta principalmente de celulosa polimérica y hemi-celulosa para soluciones de azúcar monoméricas 1 19.

Otros medios para enfriar biomasa pretratada 111 (por ejemplo, gases de enfriamiento o un sistema transportador enchaquetado de enfriamiento) se conocen pero pueden no ser adecuados para todos los sistemas de flujo de proceso. Los gases de enfriamiento, por ejemplo, a menudo no penetran fácilmente la biomasa pretratada 111 debido a los tamaños de partículas finas de la biomasa pretratada 111. Los Intercambiadores de calor indirectos también son frecuentemente no adecuados debido a la biomasa pretratada altamente viscosa 111 , por ejemplo, una consistencia como barro, no fluye fácilmente a través de los pasajes del intercambiador de calor. Un sistema transportador enchaquetado de enfriamiento entre el recipiente de pre-tratamiento 110 y los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 1 18 se pueden usar para enfriar la biomasa pretratada 1 11. Sin embargo, la cantidad de transferencia de calor alcanzada en sistemas transportadores enchaquetados de enfriamiento puede no ser suficiente para enfriar la biomasa pretratada 1 11 a las temperaturas apropiadas para hidrólisis enzimática debido a pequeñas relaciones área a volumen en el tubo de diámetro grande de los sistemas transportadores enchaquetados de enfriamiento y pobre contacto entre la biomasa pretratada 1 11 y las superficies del tubo.

Hay una necesidad largamente sentida para control de temperatura y volumen del material de biomasa pretratada al reactor mientras que reducir la necesidad para la adición de líquido de enfriamiento, fresco (por ejemplo, agua) a la biomasa pretratada caliente del proceso de pre-tratamiento apropiado.

DESCRIPCIÓN BREVE DE MODALIDADES EJEMPLARES Salvo que se establezca expresamente de otra manera, las siguientes reglas de interpretación aplican a esta especificación (esto es, descripción escrita, reivindicaciones, resumen y/o dibujos): (a) todas las palabras usadas en la presente se interpretará para ser de tal género o número (singular o plural) como las circunstancias lo requieran; (b) los términos singular “un/una”, y “el/la”, como se usa en la especificación y las reivindicaciones adjuntas incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario; (c) el término antecedente “alrededor de” aplicado a un intervalo citado o valor denota una aproximación dentro de la desviación en el intervalo o valor conocido o esperado en la téenica a partir del método de mediciones; (d) las palabras “en la presente”, “por la presente”, “de esto”, “presente”, “anteriormente”, y “en lo sucesivo”, y palabras de significado similar, se refiere a esta especificación en su totalidad y no a cualquier párrafo en particular, reivindicación u otra subdivisión, a menos que se especifique de otra manera; (e) encabezados descriptivos son para conveniencia únicamente y no controlará o afectará el significado o construcción o cualquier parte de la especificación; y (f) “o” y “cualquier” no son exclusivos e “incluye” e “incluyendo” no sin limitantes. Además, los términos “que comprende,” “que tiene,” “incluyendo,” y “que contiene” son para interpretarse como términos indefinidos (esto es, significa “incluyendo, pero no se limita a,”) a menos que se anote de otra manera.

En la medida que sea necesario proporcionar soporte descriptivo, la materia objeto y/o texto de las reivindicaciones adjuntas se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

La recitación de intervalos de valores en la presente no son más que la intención de servir como un metodo abreviado de referirse individualmente a cada valor separado que cae dentro del intervalo o dentro de cualquier sub intervalos entres los mismos, a menos que se indique claramente de otra manera en la presente. Cada valor separado dentro de un intervalo citado se incorpora en la especificación o reivindicaciones como si fueran citados individualmente en la presente. Donde un intervalo específico de valores se proporciona, se entiende que cada valor de intervención, a la décima parte o menos de la unidad del límite inferior a menos que el contexto indique claramente lo contrario, entre el límite superior e inferior de ese intervalo y cualquier otro valor declarado o de intervención en ese intervalo declarado o sub intervalo del mismo, se incluye en esto. Todos los sub intervalos más pequeños también se incluyen. Los límites superiores e inferiores de estos intervalos más pequeños también se incluyen en esto, sujeto a cualquier límite específicamente y expresamente excluido en el intervalo establecido.

A menos que se defina de otra manera, todos los términos téenicos y científicos usados en la presente tienen el mismo significado como comúnmente se entiende por uno de experiencia ordinaria en la técnica relevante. Aunque cualquiera de los métodos y materiales similares o equivalentes a aquellos descritos en la presente también se pueden usar, los métodos y materiales aceptables se describen ahora.

Las anteriores y otras características de las modalidades ejemplares descritas se logran al proporcionar un aparato eficiente, método y/o sistema para derivar, producir o extraer compuestos simples de madera, celulosa, fibra, material lignocelulósico, y similares (biomasa), para usar en otras aplicaciones tal como la producción de combustible, incluyendo etanol. En otros aspectos, las modalidades ejemplares se pueden aplicar para disminuir la viscosidad aparente de material que contiene celulosa, viscoso para facilitar el transporte del material a otros procesos. Además, las modalidades ejemplares se pueden realizar para extraer monómeros de ciertos compuestos de materiales que contienen celulosa, tal como materiales lignocelulósicos (biomasa). Adicionalmente, las modalidades ejemplares se pueden aplicar para enzimáticamente hidrolizar la biomasa pretratada con objeto de producir azúcares monoméricos. El pre-tratamiento de la biomasa puede emplear uno o más o una combinación de procesos incluyendo, pero no se limita a, hidrólisis de condición ácida (con o sin la adición de ácido), explosión de vapor, hidrólisis de amonio o hidrólisis de cal, etc.

El pre-tratamiento usando hidrólisis de condición ácida de biomasa puede ser con o sin la adición de ácidos. La hidrólisis de condición ácida sin la adición de ácido requiere la adición de agua y se refiere frecuentemente como “autohidrólisis”. La autohidrólisis requiere una temperatura de atmósfera de tratamiento de entre aproximadamente 150°C (esto es, grados Celsius) y 220°C y un pH de aproximadamente 1 hasta 6. En casos donde la adición de soluciones ácidas se usa para promover la hidrólisis de condición ácida, la temperatura puede ser por debajo de 150°C mientras que el pH es 1 hasta 6.

La explosión de vapor de la biomasa como una etapa de pre tratamiento puede ocurrir en temperaturas de, por ejemplo, aproximadamente 170°C hasta 230°C por aproximadamente dos hasta cinco minutos (o más largos), y en una presión manométrica de aproximadamente ocho (8) bar hasta 25.5 bar (800 kilopascales hasta 2,550 kilopascales). Durante el pre-tratamiento de explosión de vapor, el vapor se puede inyectar directamente en el recipiente de pre-tratamiento para proporcionar energía de calor, y uno o más de vapor, vapor y agua líquida se puede permitir para difundir en la estructura interior de la biomasa. El vapor y vapor de agua parcialmente condensa como agua líquida en la estructura micro-porosa tipo capilar de la estructura interior de la biomasa. La presión de la biomasa que experimenta pre-tratamiento de explosión de vapor se reduce rápidamente y dramáticamente, a uno hasta dos indicadores de barras, en donde el indicador de barra cero está en presión sustancialmente atmosférica. Esta caída de presión rápida, grande resulta en pre-tratamiento de explosión de vapor de la biomasa. La caída de presión rápida, por ejemplo, “intermitente”, convierte a vapor el agua líquida condensada en las células de la biomasa que se pretrata. La conversión a vapor del agua en las células de la biomasa causa una interrupción masiva, por ejemplo, una “explosión”, de las células en la biomasa. La interrupción ocurre debido a que el volumen ocupado por el vapor es mucho mayor que el volumen ocupado por el agua en las células de la biomasa. La interrupción masiva incluye estallar células individuales de la biomasa y romper las fibras a lo largo de celulosa amorfa o cristalina, tal como entre los tubos cilindricos y fibras de la estructura celulósica de la biomasa.

Otro proceso de pre-tratamiento para la biomasa puede implicar el uso de amoniaco líquido, cal, etc. como agentes de pre-tratamiento. El uso de estos químicos para pretratar la biomasa se puede permitir para mejorar la eficacia de las etapas de hidrólisis enzimática posterior.

Las modalidades de ejemplo pueden implicar la recirculación de material de licuefacción desde uno o más de los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática emitidos, que si es necesario, se han enfriado después de la descarga de uno o más primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática para producir un material de licuefacción frío, a la biomasa pretratada caliente después de, antes de, o en conexión con, la adición directa de líquido de enfriamiento (tal como agua fría) y/o pH que controla (típicamente álcali, pero en algunas circunstancias podría ser ácido) material antes de la adición de una o más enzimas, opcionalmente las enzimas están en una solución, a una biomasa pretratada. Es importante para proporcionar el ambiente para hidrólisis enzimática donde el control de pH se mantiene, típicamente dentro de un intervalo de aproximadamente 4 hasta 6.5. Este control de pH se puede alcanzar por la adición de pH que controla material, en algunos casos el material alcalino se puede agregar para alcanzar y controlar el pH, otros casos pueden requerir material ácido para agregarse, y en todavía otros casos puede que no haya una necesidad para agregar cualquier material que controla el pH.

El material de licuefacción, como se define para esta solicitud, se forma cuando la biomasa se convierte en un fluido de al menos hidrólisis enzimática parcial. Como se usa en la presente, las etapas de proceso de hidrólisis enzimática no se limitan al uso de enzimas, pero pueden incluir el uso de otros catalizadores tal como levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas, u otro catalizador biológico. De acuerdo a esta modalidad de ejemplo el material de licuefacción se produce después de hidrólisis enzimática parcial. El material de licuefacción adecuado para recirculación como una corriente ascendente de líquido de enfriamiento de la adición de enzimas frescas o nuevas no previamente en el proceso, (enzimas frescas o nuevas no previamente en el proceso se refiere como solución de enzima) y contiene enzimas presentes en los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática (enzimas de recielaje), tiene una conversión de celulosa a azúcar o glucosa (esta conversión de celulosa a azúcar o glucosa se refiere en la presente como “hidrólisis”) de menos de aproximadamente 30 por ciento, podría ser menos de aproximadamente 20 por ciento o aún menos de aproximadamente 15 por ciento y una viscosidad aparente de aproximadamente 5,000 mPa s o menos, tal como menos que aproximadamente 3,000 mPa s, o menos que aproximadamente 2,000 mPa s, o menos de aproximadamente 1 ,000 mPa s o aún menos que aproximadamente 800 mPa s. La viscosidad aparente que se define como el valor obtenido al aplicar las ecuaciones instrumentales apropiadas usadas por un experto en la materia en obtener la viscosidad de un fluido Newtoniano a mediciones de viscosímetro de un fluido no Newtoniano. Debido a que el material de licuefacción de esta solicitud es un fluido no Newtoniano, los parámetros experimentales del modelo de viscosímetro, eje y velocidad todos tienen un efecto en la medición de la viscosidad del material de licuefacción y resulta en viscosidad que se reporta como “viscosidad aparente”. Las mediciones de viscosidad aparente se pueden obtener al usar, sin limitación, el Viscosímetro Brookfield bien aceptado con un eje cilindrico, específicamente el LV DV-II+ que tiene 4 ejes capaz de funcionar en una velocidad de 0.1 hasta 200 revoluciones por minuto (rpm). Las mediciones de viscosidad aparente obtenidas para propósitos descritos en la presente usando el equipo especificado se obtuvieron en una velocidad de 20rpm. En este modalidad de ejemplo, el material de licuefacción para la recirculación como material de enfriamiento, la conversión de celulosa a azúcar puede ser menos que aproximadamente treinta por ciento (30%) y la viscosidad aparente deseada puede ser menos que aproximadamente 5,000 mPa*s que ocurre mientras toma un tiempo de reacción/retención de menos que aproximadamente seis (6) horas en al menos primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

El uso del material de licuefacción de la descarga de, o después de, al menos primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática y el material de licuefacción se ha enfriado hasta entre aproximadamente 20°C y 50°C proporciona un material de licuefacción frío que es adecuado para la recirculación para proporcionar al menos algún líquido de enfriamiento (que reduce o elimina la necesidad convencional para la adición de agua fría) para la biomasa pretratada caliente y para su uso permite el contenido de sólidos totales del sistema para ser mantenido. Al recircular el material de licuefacción enfriado como al menos una porción de un refrigerante para la biomasa pretratada, la cantidad de agua de enfriamiento requerida (agua fresca, o agua de otra ubicación dentro del proceso) se reduce. Como un resultado, no hay necesidad para incrementar el tamaño de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática sobre lo que se requeriría para el uso de agua sola. Una ventaja de un sistema donde el material de licuefacción frío se usa como al menos una porción del líquido de enfriamiento para la biomasa pretratada caliente es un tamaño/volumen reducido de los subsiguientes (segundo o más) recipientes de reactor de hidrólisis enzimática. En el sistema con recirculación de material de licuefacción, el volumen de flujo desde el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática hasta los recipientes subsiguientes se reduce por el volumen del material de licuefacción frío recirculado. Como un resultado de la adición reducida de agua para enfriar, el rendimiento de concentración de azúcar final también se incrementa, de este modo reduciendo costos de procesamiento de corriente descendente en áreas tal como fermentación y destilación. El producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima descargado de subsiguientes o adicionales recipientes de reactor de hidrólisis enzimática no se recircula como líquido de enfriamiento; sino que más bien está disponible para procesamiento adicional o como un producto final.

El material producido como un resultado de pre-tratamiento de biomasa (biomasa pretratada) está típicamente en una temperatura de aproximadamente 100°C. Antes de la adición de las enzimas, la temperatura de biomasa pretratada se debe reducir hasta entre aproximadamente 30°C y 80°C, aproximadamente 40°C hasta 60°C, aproximadamente 45°C hasta 50°C con objeto de establecer un ambiente adecuado para las enzimas para activarse y reaccionar con la biomasa pretratada. Esta modalidad de ejemplo usa hidrólisis enzimática rápida para obtener un material de licuefacción en un periodo de tiempo corto de menos de aproximadamente seis horas, menos que aproximadamente cuatro horas, menos que aproximadamente tres horas, menos que aproximadamente una hora. No todos los metodos de pre tratamiento son propicios para usar con el proceso de licuefacción de hidrólisis enzimática rápida de esta modalidad ejemplar, por lo tanto se debe tener cuidado en seleccionar el proceso o procesos de pre-tratamiento. También puede ser necesario para ajustar (ya sea reducir o incrementar) la concentración de sólidos así como ajustar el pH de la biomasa pretratada antes de la introducción al proceso de hidrólisis enzimática rápido de las modalidades de ejemplo.

La hidrólisis enzimática se usa para producir azúcares monoméricos de la biomasa pretratada. Típicamente las condiciones de la biomasa pretratada para promover las reacciones enzimáticas deseadas son una temperatura en el intervalo de aproximadamente 40° hasta 60°C y un pH de aproximadamente 4 hasta 6.5. La reacción de hidrólisis enzimática es endotérmica, y puede resultar en un enfriamiento ligero de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada como la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mueve a través de al menos los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática. Una porción del material de licuefacción descargado de al menos el primer recipiente de reactores de hidrólisis enzimática se elimina, enfría y recircula a la biomasa pretratada caliente típicamente en el punto o corriente descendente de la adición del material que controla el pH, y si es necesario líquido de enfriamiento adicional tal como agua, (aunque el material de licuefacción frío recirculado se podría agregar con el material que controla el pH o aún después de la adición de material que controla el pH) y la corriente ascendente de la adición de la solución de enzima. Antes de agregarse como un líquido de enfriamiento, el material de licuefacción para recircularse se puede enfriar usando un intercambiador de calor indirecto (o directo) para reducir la temperatura del material de licuefacción recirculado al intervalo de aproximadamente 20°C hasta 40°C usando agua fría fresca, o residuo acuoso de fermentación, o líquido de proceso recirculado del molino como líquido de enfriamiento para producir material de licuefacción frío. El material de licuefacción frío recirculado enfriado es al menos aproximadamente 5°C menor, al menos aproximadamente 10°C menor, al menos aproximadamente 15°C menor, al menos aproximadamente 20°C menor que la corriente que entra al menos al primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática. El uso de material de licuefacción frío para reemplazar al menos parcialmente agua o líquido de proceso recirculado del molino, garantizando al mismo tiempo temperatura apropiada de la corriente para al menos los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática, también proporciona obtener una concentración de sólidos mayor de la corriente que entra al menos en los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática comparados si únicamente agua o líquido de proceso recirculado del molino se usaron. El alto contenido de sólidos totales de la corriente hasta al menos los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática resulta en mayor rendimiento de glucosa y concentración.

El material de licuefacción frío recirculado se puede introducir después de la adición de material que controla pH (típicamente alcalino pero en algunas circunstancias podría ser ácido), pero se puede introducir con o aún antes del material que controla el pH si el pH de la biomasa pretratada está en el intervalo necesario para evitar la desnaturalización de la enzima, al menos la corriente ascendente de la adición de enzimas. En algunos casos, puede ser deseable introducir líquido de enfriamiento adicional (tal como agua fría) junto con el material de licuefacción frío recirculado o el material que controla el pH.

La hidrólisis enzimática de materiales lignocelulósicos es un reto, especialmente con respecto a las interacciones entre las enzimas y los materiales lignocelulósicos (y sus derivados), y debido a las características físicas de las partículas lignocelulósicas pretratadas o fibras, la mezcla monomérica/oligomérica, por ejemplo, mezcla espesa, y los rasgos reológicos del mismo del material lignocelulósico. Existe una necesidad largamente sentida para reducir la cantidad total de líquido de enfriamiento requerido, especialmente la cantidad de agua fría requerida, por la introducción de material de descarga de reactor de hidrólisis enzimática recirculada en el material lignocelulósico explotado por vapor caliente antes de la adición de enzima.

En muchos procesos industriales donde la biomasa se convierte a azúcares que implican etapas de pre-tratamiento e hidrólisis enzimática, la hidrólisis enzimática se puede llevar a cabo en al menos una etapa por una duración de aproximadamente 96 horas, aproximadamente 48 horas, o aproximadamente 24 horas. Una modalidad de ejemplo requiere hidrólisis enzimática en al menos una etapa, en donde al menos una etapa produce un material de licuefacción de hidrólisis enzimática rápida, adecuado para la recirculación como material refrigerante de biomasa pretratada, en un periodo de aproximadamente 0.5 hasta 6 horas y todos - los subintervalos entre los mismos para producir un material de licuefacción. La hidrólisis enzimática continúa después de que el material de licuefacción se produce.

La recirculación de material de licuefacción frío de acuerdo a esta modalidad ejemplar reduce la necesidad para adición de agua como un refrigerante mientras que permite una concentración de sólidos mayor para estar disponible por hidrólisis enzimática después de que la fase de la hidrólisis enzimática rápida inicial que produce el material de licuefacción se ha completado. Se ha encontrado que recircular al menos algo del material de licuefacción, después del enfriamiento, como al menos algo del líquido de enfriamiento para la biomasa pretratada incrementa el rendimiento de glucosa en el punto de hidrólisis enzimática de 72 horas por al menos uno por ciento (1 %) sobre sistemas convencionales donde únicamente agua se usa como el refrigerante de biomasa pretratada. Este incremento de rendimiento es dependiente del proceso de pre-tratamiento usado e incrementos de rendimiento de al menos cinco por ciento (5%) sobre procesos convencionales se han alcanzado.

Un aparato, sistema (incluyendo un sistema de flujo de proceso) y método se han concebido para enfriar y biomasa pretratada de control de pH antes de que entra un al menos primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática usando material de licuefacción extraído de al menos primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática antes del procesamiento adicional del material de licuefacción. El material de licuefacción se enfría y mezcla con la biomasa pretratada. El material de licuefacción se puede extraer a medida que fluye desde un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática y antes de que el material fluya a subsiguientes, un segundo, o más, recipientes de reactor de hidrólisis enzimática.

El material de licuefacción está sustancialmente licuado, aun cuando la biomasa se ha hidrolizado enzimáticamente por un periodo relativamente corto, tal como aproximadamente 0.5 hasta 6 horas (menos que aproximadamente seis horas, menos que aproximadamente cinco horas, menos que aproximadamente cuatro horas, menos que aproximadamente tres horas, menos que aproximadamente dos horas, menos que aproximadamente una hora). El material de licuefacción tiene baja viscosidad aparente que puede ser similar a la viscosidad aparente de la biomasa que se ha completamente hidrolizado por la enzima. Para propósitos de esta solicitud, la biomasa completamente hidrolizada de enzima tiene un rendimiento de azúcar de más de 30% en comparación con el rendimiento de azúcar de material de licuefacción de menos que 30%. El material de licuefacción de viscosidad aparente menor se puede bombear a través de un dispositivo de enfriamiento, tal como un intercambiador de calor indirecto, para producir material de licuefacción frío y en la etapa de mezclado. La etapa de mezclado puede ser un dispositivo de mezclado continuo. El contenido de sólidos totales (sólidos disueltos más no disueltos) de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada después del dispositivo de mezclado puede ser mayor que aproximadamente 30 por ciento, mayor que aproximadamente 25 por ciento, mayor que aproximadamente 20 por ciento, mayor que aproximadamente 15 por ciento, mayor que aproximadamente 10 por ciento del total de masa que fluye a través del sistema de transferencia después del mezclador. El proceso de pretratamiento e hidrolizar enzimáticamente la biomasa para formar material de licuefacción puede ser un proceso continuo antes que un lote o proceso de alimentación por lote. Después de la producción de material de licuefacción, el subsiguiente o adicional proceso de hidrólisis enzimática puede ser continuo o por lote.

También se ha identificado que el uso de múltiples tipos de enzimas para comprender las soluciones de enzima (enzimas frescas o enzimas no previamente en el proceso) en diferentes ubicaciones dentro del proceso es ventajoso. Por ejemplo, las enzimas endoglucanasas (enzimas que atacan el centro de la cadena y rompen la cadena en fracciones poliméricas u oligoméricas más pequeñas) pueden ser útiles para agregar antes del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática. Después del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática, tal como durante además la hidrólisis enzimática, puede ser ventajoso agregar enzimas exoglucansas (enzimas que atacan los extremos de la cadena y rompen la cadena para producir fracciones monoméricas) para continuar la hidrólisis enzimática. Mientras que introducir enzimas endoglucanasas en una ubicación y enzima exoglucanasas en una ubicación diferente se puede desear, tener cualquiera o ambos tipos de enzimas en la corriente de enfriamiento recirculada puede ocurrir, ya que ambos se pueden agregar antes de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

Un método se ha concebido que comprende: realizar una etapa de pre-tratamiento en una biomasa para producir una biomasa pretratada; que controla el pH de la biomasa pretratada hasta entre aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5), que controla el pH de la biomasa pretratada hasta entre aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5) puede requerir mezclar la biomasa pretratada con material que controla el pH (típicamente un compuesto de base alcalina, pero en algunas circunstancias puede ser un compuesto ácido, y en otras circunstancias ningún material que controla el pH se agrega) hasta que un pH promedio de la biomasa pretratada está entre desde aproximadamente 4 hasta aproximadamente 6.5 o aproximadamente 4.5 hasta 6.5 horas; agregar al menos material de licuefacción frío recirculado, en donde el material de licuefacción frío recirculado es únicamente parcialmente hidrolizado enzimáticamente y producido en al menos un primer recipiente, hasta la biomasa pretratada para alcanzar una temperatura promedio de la biomasa pretratada de entre aproximadamente 40°C hasta aproximadamente 60°C de este modo producir una biomasa pretratada controlada en pH y enfriada que tiene una concentración de sólidos total (% en p del peso de sólidos totales como se compara con el peso total de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada) de entre desde aproximadamente 10% hasta aproximadamente 35%; transferir la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada hasta al menos un primer recipiente; agregar al menos una primera porción de una solución de enzima a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada al principio de la transferencia, o en el medio de la transferencia o al final de la transferencia o cualquier combinación de los mismos hasta al menos el primer recipiente para mezclar y la transición de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada de una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de al menos la primera porción de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente.

En otra modalidad, un método se ha concebido que comprende: realizar una etapa de pre-tratamiento en una biomasa para producir una biomasa pretratada; controlar el pH de la biomasa pretratada hasta entre aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5), que controla el pH de la biomasa pretratada hasta entre aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5) puede requerir mezclar la biomasa pretratada con material que controla el pH (típicamente un compuesto de base alcalina, pero en algunas circunstancias podría ser un compuesto ácido, y en algunas circunstancias ningún material que controla el pH se agrega) hasta que un pH promedio de la biomasa pretratada es desde aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5), agregar material de licuefacción frío recirculado producido en al menos un primer recipiente a la biomasa pretratada para alcanzar una temperatura promedio de la biomasa pretratada es desde aproximadamente 40°C hasta aproximadamente 60°C de este modo producir una biomasa controlada por pH y enfriada que tiene una concentración de sólidos total (% en p de peso de sólidos totales como se compara con peso total de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada) desde aproximadamente 10 hasta 35%; transferir la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada hasta al menos un primer recipiente; agregar al menos una primera porción de una solución de enzima hasta la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada hasta al menos un primer recipiente en donde al menos el primer recipiente permite mezclar y la transición de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C desde justo antes de la adición de al menos la primera porción de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente.

En aún otra modalidad, agregar al menos una primera porción de una solución de enzima hasta la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada al principio de la transferencia, o en el medio de la transferencia o al final de la transferencia o cualquier combinación de los mismos hasta al menos un primer recipiente para mezclar y la transición de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de al menos la primera porción de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente.

Una modalidad adicional puede transferir la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada a un mezclador por medio de una bomba de desplazamiento positivo; mezclar la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada en el mezclador en una velocidad desde aproximadamente 400 hasta 4,000 rpm, por aproximadamente 0.05 hasta 200 segundos, en donde una primera porción de una solución de enzima se agrega durante tal mezclado; transferir la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada hasta al menos un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática, en donde una segunda porción de la solución de enzima se puede agregar, a la transición el material de una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de la primera porción de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

En todavía otra modalidad agregar al menos una primera porción de la solución de enzima a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada al principio de la transferencia, o en el medio de la transferencia o al final de la transferencia o cualquier combinación de los mismos hasta al menos un primer recipiente en donde el primer recipiente es un mezclador en una velocidad desde aproximadamente 400 hasta 4,000 rpm, por aproximadamente 0.05 hasta 200 segundos; transferir el material pretratado controlado por pH y enfriado desde el primer recipiente hasta un segundo recipiente, el segundo recipiente que es al menos un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática, en donde una segunda porción de la solución de enzima se puede agregar, a la transición el material desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de la primera porción de la solución de enzima hasta que sale el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

Otra modalidad incluye agregar al menos una primera porción de la solución de enzima hasta la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada al principio de la transferencia, o en el medio de la transferencia o al final de la transferencia o cualquier combinación de los mismos hasta al menos un primer recipiente en donde el primer recipiente es un mezclador en una velocidad desde aproximadamente 400 hasta 4,000 rpm, por aproximadamente 0.05 hasta 200 segundos; en donde una segunda porción de la solución de enzima se puede agregar hasta el mezclador; transferir el material controlado por pH y enfriado desde un primer recipiente (mezclador) hasta un segundo recipiente, el segundo recipiente que es al menos un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática a la transición el material desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C desde justo antes hasta la adición de la primera porción de la solución de enzima hasta la salida del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

Adicionalmente, otra modalidad no proporciona adición de solución de enzima antes del primer recipiente, el primer recipiente que es un mezclador, la solución de enzima se puede agregar en el mezclador, transferir desde el mezclador hasta un segundo recipiente donde el segundo recipiente es al menos un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática para mezclar y la transición de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

Aún otra modalidad proporciona ninguna adición de solución de enzima antes de un primer recipiente, el primer recipiente que es un mezclador, agregar al menos una porción de la solución de enzima hasta el mezclador; transferir desde el mezclador hasta un segundo recipiente, el segundo recipiente que es al menos un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática; agregar al menos una segunda porción de solución de enzima durante la transferencia a o hasta al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática para mezclar y la transición de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material substancialmente líquido, en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 55°C de justo antes de la adición de la solución de enzima hasta que sale de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

La transferencia de la biomasa pretratada hasta al menos el primer recipiente se puede llevar a cabo usando al menos un transportador, en donde el material de licuefacción frío recirculado de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática y el material controlado por pH (típicamente un compuesto de base alcalina, pero en algunas circunstancias podría ser un compuesto ácido, y en algunas circunstancias ningún material que controla el pH se agrega) se agrega a al menos un transportador hasta que un pH promedio de la biomasa pretratada es desde aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5), y una temperatura promedio de la biomasa pretratada es desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, y la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada tiene una concentración de sólidos total (% en p de peso de sólidos totales como se compara con peso total de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada) desde aproximadamente 10 hasta 35%; agregar una primera porción de una solución de enzima a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada en al menos un transportador, en donde la enzima se agrega al transportador desde más de una ubicación dentro de al menos un transportador; transferir la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada al primer recipiente.

La transferencia de la biomasa pretratada hasta al menos el primer recipiente también puede implicar múltiples (dos o más) transportadores y la adición del material de licuefacción frío recirculado y material que controla el pH (si es necesario) se agregan en el primer transportador y la solución de enzima se puede agregar en cualquiera de los múltiples transportadores antes de entrar al menos al primer recipiente.

Aún otra modalidad permite la adición de la solución de enzima en múltiples ubicaciones dentro de los múltiples transportadores.

Un método adicional incluye una etapa de agregar una primera porción de una solución de enzima a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada ocurre en los segundos de los múltiples transportadores, en donde la enzima se agrega a los segundos de múltiples transportadores desde más de una ubicación dentro de los segundos de múltiples transportadores.

Al menos uno de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática puede ser reactores de hidrólisis enzimática continua a la transición del material desde una viscosidad aparente mayor hasta una viscosidad aparente menor para crear un material de licuefacción substancialmente en donde la temperatura de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se mantiene en una temperatura desde aproximadamente 40°C hasta 60°C, o aproximadamente 45°C hasta 50°C, desde justo antes hasta la adición de la primera porción de la solución de enzima hasta la salida de al menos el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

En algunas modalidades ejemplares, las enzimas se pueden agregar en una ubicación simple, únicamente como la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada se transfiere a un primer recipiente, el primer recipiente que es un mezclador y la transferencia que es por medio de una bomba de desplazamiento positivo. Esta adición simple de enzimas podría ser en cualquier punto donde el material de licuefacción frío recirculado se agrega antes de o con la adición del material que controla el pH (si es necesario) y con o sin la adición de agua fría junto con el material que controla el pH.

El mezclador de al menos algunas modalidades puede ser un mezclador de fluidificación. En al menos algunas modalidades, el mezclador tiene un tiempo de retención de menos que aproximadamente 200 segundos, menos que 0.5 segundos y todos los puntos intermedios. La velocidad del mezclador, en al menos algunas de las modalidades, es mayor que aproximadamente 400 revoluciones por minuto (rpm) y menos que aproximadamente 4,000 rpm.

El mezclado puede ocurrir en el mezclador de la etapa de mezclado o el primer recipiente así como dentro de al menos los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática. El mezclador de la etapa de mezclado o primer recipiente puede ser un mezclador de corte alto, mientras que el mezclado en al menos los primeros recipientes de reactor de hidrólisis enzimática puede ser desde un mezclador de movimiento lento.

Un método adicional se ha concebido para tratar una biomasa que comprende: pretratamiento de la biomasa en una temperatura de al menos aproximadamente 100°C; enfriamiento y control del pH de la biomasa pretratada a una temperatura no mayor que aproximadamente 80°C 0 no mayor que aproximadamente 50°C y un pH de entre aproximadamente 1 y 6, usando un flujo continuo de material de licuefacción frío y un material que controla el pH; una etapa de hidrolización de enzima de la biomasa pretratada enfriada usando al menos uno de una enzima, levadura, bacterias termófilas o bacterias mesófilas u otro catalizador biológico para crear un material de licuefacción; extraer y recircular el flujo continuo del material de licuefacción producido de la biomasa pretratada enfriada en la etapa de hidrolización de enzima.

La etapa de hidrolización de enzima puede incluir hidrolizar enzimáticamente la biomasa pretratada enfriada en un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática para producir un material de licuefacción y después de eso en un segundo o múltiples recipientes de reactor de hidrólisis enzimática, y la extracción del flujo continuo del material de licuefacción ocurre entre el primero y segundo recipientes de reactor de hidrólisis enzimática o en la primera descarga del recipiente de reactor de hidrólisis enzimática.

En otra modalidad de ejemplo, un sistema de flujo de proceso se ha concebido que comprende: un recipiente de reactor de pretratamiento configurado para pretratar biomasa en una temperatura de al menos aproximadamente 100°C; un dispositivo de enfriamiento configurado para enfriar un flujo continuo de la biomasa pretratada a una temperatura no mayor que aproximadamente 80°C o no mayor que aproximadamente 50°C, en donde el dispositivo de enfriamiento usa un flujo continuo de material de licuefacción frío; un dispositivo de control de pH configurado para agregar material que controla el pH a la biomasa pretratada; un primer recipiente de reactor de hidrolización de enzima configurado para hidrolizar la enzima de la biomasa pretratada enfriada usando al menos uno de una enzima, levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas, u otro catalizador biológico para producir un material de licuefacción; múltiples recipientes de reactor de hidrolización de enzima adicionales o subsiguientes configurados para hidrolizar la enzima del material de licuefacción producido en el primer recipiente de reactor de hidrolización de enzima usando al menos uno de una enzima, levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas u otro catalizador biológico, en donde los recipientes de reactor de hidrolización enzimática adicionales se acoplan para recibir al menos una porción del material de licuefacción descargado del primer recipiente de reactor de hidrolización de enzima, y una bomba configurada para bombear una porción del material de licuefacción al dispositivo de enfriamiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 representa un diagrama de flujo de proceso de un sistema de la téenica anterior ejemplar para pretratar la biomasa, enfriar la biomasa pretratada e hidrolizar enzimáticamente la biomasa pretratada, enfriada.

La FIGURA 2 representa un diagrama de flujo de proceso de un sistema novedoso para pretratar la biomasa, enfriar la biomasa pretratada e hidrolizar enzimáticamente la biomasa pretratada, enfriada.

La FIGURA 3 representa un diagrama de flujo de proceso del proceso general por el cual los materiales lignocelulósicos se mezclan con una o más enzimas o soluciones que contienen enzima en una reacción de hidrólisis enzimática con objeto de producir azúcares monoméricos u otros sub-productos útiles usando material de licuefacción recirculado para enfriar.

La FIGURA 4 representa un diagrama de flujo de proceso del proceso general por el cual los materiales lignocelulósicos se mezclan con una o más enzimas o soluciones que contienen enzima usando una adición enzimática simple en una reacción de hidrólisis enzimática con objeto de producir azúcares monoméricos u otros sub-productos útiles usando material de licuefacción recirculado para enfriar.

La FIGURA 5 representa un diagrama de flujo de proceso del proceso general por el cual los materiales lignocelulósicos se mezclan con una o más enzimas o soluciones que contienen enzima en una reacción de hidrólisis enzimática con objeto de producir azúcares monoméricos u otros sub-productos útiles usando material de licuefacción recirculado para enfriar después de la adición de líquido que controla el pH.

La FIGURA 6 representa una gráfica de línea del perfil de viscosidad durante la sacarificación de bagazo pretratado que muestra la viscosidad aparente frente a rpm del dispositivo de medición de viscosidad.

La FIGURA 7 representa una gráfica de barra del perfil de viscosidad durante la sacarificación de bagazo pretratado que muestra la viscosidad aparente frente a rpm del dispositivo de medición de viscosidad.

La FIGURA 8 representa una gráfica de línea de Ensayo 1 de conversión de glucano a glucosa comparando una vez a través de recirculación de material de licuefacción como refrigerante.

La FIGURA 9 representa gráfica de barra que muestra Ensayo 1 de conversión de glucano a glucosa comparando una vez a través de recirculación de material de licuefacción como refrigerante.

La FIGURA 10 representa un gráfica de línea de Ensayo 2 de conversión de glucano a glucosa comparando una vez a través de recirculación de material de licuefacción como refrigerante.

La FIGURA 1 1 representa una gráfica de barra de Ensayo 2 de conversión de glucano a glucosa, comparando una vez a traves de recirculación de material de licuefacción como refrigerante.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE MODALIDADES EJEMPLARES Los métodos ejemplares y procesos descritos aquí se pueden aplicar para enzimáticamente hidrolizar la biomasa pretratada, por ejemplo, para producir azúcares monoméricos. Estos métodos y procesos se pueden usar para derivar, producir o extraer compuestos simples de incluyendo, pero no se limita a, madera, celulosa, fibra, desechos agrícolas, fibras recieladas y similares, para la producción de combustible, incluyendo etanol, y otras aplicaciones. Similarmente, los métodos descritos y procesos se pueden realizar para extraer monómeros de compuestos en materiales que contienen celulosa, tal como materiales lignocelulósicos (biomasa). La hidrólisis enzimática puede incluir, pero no se limita a, el uso de uno o más de lo siguiente: enzimas, levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas, u otros catalizadores biológicos.

La FIGURA 1 muestra un diagrama de flujo de proceso de un sistema continuo convencional para tratar la biomasa en una velocidad de cincuenta toneladas (base seca) por hora. La biomasa se pretrata en un recipiente de pre-tratamiento 110. En este proceso la biomasa se pretrata a temperaturas elevadas, tal como por arriba de 100°C y en un ambiente ácido. Otros procesos de pre-tratamiento, que incluye pero no se limita a explosión de vapor o hidrólisis de amonio o hidrólisis de cal, se pueden usar. La biomasa pretratada 1 11 , se puede descargar del recipiente de pre tratamiento 1 10 en una velocidad de 166 metros cúbicos por hora (m3/h) (para este ejemplo el contenido de sólidos totales de veinticinco por ciento, 25%, se usó), en un contenido de sólidos totales de veinticinco por ciento (25%) hasta cincuenta por ciento (50%) sólidos de biomasa (con base en la biomasa alimentada al recipiente de reactor de pre-tratamiento), y en una temperatura de al menos 100°C. El contenido de sólidos totales para un proceso de tratamiento de biomasa puede ser veinticinco por ciento (25%) hasta cincuenta por ciento (50%).

La biomasa pretratada 1 11 es generalmente demasiado acida y demasiado caliente para ser procesada por, o de otra manera susceptible a los efectos de, hidrólisis enzimática. Las condiciones para pre-tratamiento de biomasa son sustancialmente diferentes de las condiciones para hidrólisis enzimática. La hidrólisis enzimática usualmente ocurre en un ambiente que tiene un intervalo de pH de aproximadamente 4 hasta 6.5 y en temperaturas de, por ejemplo, aproximadamente 50°C hasta 55°C. Otros intervalos de temperatura se pueden usar para hidrólisis enzimática. Las reacciones de enzima basadas en levadura pueden ocurrir en un intervalo de, por ejemplo, aproximadamente 28°C hasta 40°C, la hidrólisis enzimática basada en bacterias termófilas puede ocurrir a temperaturas tan altas como aproximadamente 80°C, y la hidrólisis enzimática basada en bacterias mesófilas puede ocurrir a temperaturas entre aproximadamente 20°C y aproximadamente 45°C. Una etapa de mezcla 1 12, tal como un recipiente de mezcla, se usa para incrementar el pH y enfriar la biomasa pretratada 111. Una base apropiada 114 (una base se usa en este ejemplo como las condiciones de pre-tratamiento fueron ácidas), tal como amoniaco, cal u otro hidróxido basado en metal de tierra o carbonato, se agrega durante la etapa de mezclado 1 12 para ajustar el pH de la biomasa pretratada 111 a un nivel adecuado para hidrólisis enzimática.

Un líquido de enfriamiento se agrega por medio del conducto 116 en la etapa de mezclado 1 12 a la biomasa pretratada 111. El líquido de enfriamiento típicamente ha sido el agua, residuo acuoso de fermentación u otro líquido adecuado del molino. Se ha propuesto usar producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121. Típicamente después de tanto pre-tratamiento como hidrólisis enzimática la biomasa tiene un rendimiento de azúcares monoméricos de al menos treinta por ciento (30%), y se descarga de un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática grande 118. La biomasa completamente hidrolizada de enzima 121 se puede dividir, con una porción por medio del conducto 123 que se bombea por medio de una bomba 120 a través de una etapa de enfriamiento 122 y a la etapa de mezclado 1 12 por medio del conducto 1 16.

En la etapa de mezclado 112, los recipientes de mezclado de modo por lote se usan para convertir la biomasa pretratada 111 a condiciones adecuadas para hidrólisis enzimática. El modo por lote generalmente implica diversos recipientes de mezclado más pequeños que alimentan un recipiente de corriente descendente grande (no se muestra), tal como un digestor u otro recipiente de reactor. El procesamiento por lote incrementa el volumen necesario en los recipientes de la etapa de mezclado 112 para acomodar las porciones de llenado y vaciado de cada ciclo para el recipiente de la etapa de mezclado 112.

La hidrólisis enzimática es un proceso que típicamente requiere muchas horas para completar. El periodo de retención en un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática grande 118 o montaje de recipientes puede ser aproximadamente 24 hasta 72 horas o más largos. El producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 se descarga de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 1 18 y se usa como una solución de azúcar monomérica fabricada 1 19. Debido a los periodos de hidrólisis enzimática largos, el volumen de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 118, por ejemplo, tanques, son grandes por ejemplo podrían ser tan grandes como aproximadamente 37,000m . La capacidad de volumen alta, tamaño grande, requerida para los niveles de hidrólisis enzimática del sistema convencional podrían resultar en limitar el material de biomasa a ser procesado o en costos incrementados del sistema de hidrólisis enzimática.

Un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática de volumen grande convencional 118 para hidrólisis enzimática tiende a ser mucho más grande que un recipiente de pre-tratamiento correspondiente 1 10 usado para pretratar la biomasa. El recipiente de pre-tratamiento 1 10 es mucho más pequeño ya que los periodos de pre-tratamiento son típicamente mucho más cortos que los periodos de procesamiento para hidrólisis enzimática.

Como se muestra en la FIGURA 1 se conoce para usar previamente la biomasa completamente hidrolizada de enzima 121 como un líquido de enfriamiento para sustituir en todo o en parte por agua 130 para mantener una concentración alta de biomasa pretratada 111 en la etapa de mezclado 112. El producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 se ha hidrolizado completamente (tanto de procesos de pre-tratamiento como hidrólisis enzimática) y se pueden usar como una solución de azúcar monomerica fabricada 119. El uso del producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 como un líquido de enfriamiento evita excesiva dilución de agregar agua de enfriamiento 130. El uso de producto de biomasa completamente hidrolizado de enzima 121 como líquido de enfriamiento incrementa el volumen necesario de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 118, por ejemplo, tanques. Los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 1 18 son necesarios para acomodar los tiempos de residencia largos, por ejemplo, 24 hasta 72 horas o más largos, necesarios para la conversión apropiada de la biomasa pretratada 111 del recipiente de pre-tratamiento 110, compuesto principalmente de celulosa polimérica y hemi-celulosa a soluciones de azúcar monoméricas 119.

Otros medios, por ejemplo gases de enfriamiento o un sistema transportador enchaquetado de enfriamiento, para enfriar biomasa pretratada 11 1 están disponibles pero pueden no ser adecuados para todos los sistemas de flujo de proceso. Los gases de enfriamiento a menudo no penetran fácilmente la biomasa pretratada 111 debido a los tamaños de partículas finas de la biomasa pretratada 1 1 1. Los intercambiadores de calor indirectos frecuentemente no son adecuados ya que la biomasa pretratada altamente viscosa 11 1, por ejemplo, una consistencia como barro, no fluye fácilmente a través de los pasajes del intercambiador de calor. Un sistema transportador enchaquetado de enfriamiento entre el recipiente de pre-tratamiento 1 10 y los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática grandes 118 se pueden usar para enfriar la biomasa pretratada 11 1. Sin embargo, la cantidad de transferencia de calor alcanzada en sistemas transportadores enchaquetados de enfriamiento puede no ser suficiente para enfriar la biomasa pretratada 11 1 a las temperaturas apropiadas para hidrólisis enzimática debido a pequeñas relaciones de área a volumen en el tubo de diámetro grande de los sistemas transportadores enchaquetados de enfriamiento y pobre contacto entre la biomasa pretratada 111 y las superficies del tubo. La pobre transferencia de calor puede así resultar en la necesidad para sistemas de enfriamiento indirecto muy grandes y costosos.

La FIGURA 2 representa un diagrama de flujo de proceso de un sistema novedoso para tratar la biomasa en una velocidad de aproximadamente cincuenta (50) toneladas (base seca) por hora. El sistema es similar al que se muestra en la FIGURA 1 y números de referencia comunes se usan para referirse a estructuras de proceso comunes y etapas. La biomasa se pretrata en un recipiente de pre-tratamiento 110, tal como a temperaturas por arriba de aproximadamente 100°C y en un ambiente ácido. La biomasa pretratada 1 1 1 se puede descargar del recipiente de pre-tratamiento 1 10 en una velocidad de aproximadamente 166 metros cúbicos por hora (m /h).

Una etapa de mezcla 112 puede ser un dispositivo de mezclado de flujo continuo, tal como tanque de mezclado o transportador sin fin. Una base apropiada 114, tal como amoniaco, cal u otro hidróxido basado en metal de tierra o carbonato, se agrega durante la etapa de mezclado 112 para controlar, por ejemplo, incrementar o disminuir, el pH de la biomasa pretratada a un nivel adecuado para hidrólisis enzimática.

Un líquido de enfriamiento se agrega en la etapa de mezclado 112 y en la biomasa pretratada 111 por medio del conducto 116. El líquido de enfriamiento es material de licuefacción (material de biomasa parcialmente hidrolizado de enzima) 131 descargado de un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126. El material de licuefacción 131 pasa por medio del conducto 123 y se bombea por medio de una bomba 120 a través de una etapa de enfriamiento 122 y a la etapa de mezclado 1 12 por medio del conducto 1 16. La etapa de enfriamiento 122 puede ser un dispositivo de enfriamiento indirecto tal como un intercambiador de calor o envoltura de enfriamiento aproximadamente un conducto de transporte para la biomasa parcialmente hidrolizada de enzima.

La etapa de enfriamiento puede reducir la temperatura del material de licuefacción hasta aproximadamente 50°C hasta 30°C, de este modo producir un material de licuefacción frío.

El primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede ser un recipiente relativamente pequeño, tal como que tiene un volumen de aproximadamente 1 ,550 m , o un volumen en un intervalo de aproximadamente 750 hasta 500 m3. El recipiente 126 puede ser cónico con una entrada superior en un extremo estrecho del recipiente. En una región de corriente ascendente (superior) del recipiente, los brazos mezcladores pueden ser relativamente cortos y relativamente largos en una región de corriente descendente (inferior) del recipiente. La región superior del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 es adecuado para procesar la biomasa pretratada de alta viscosidad aparente 1 11 , que es frecuentemente una mezcla de sólido-agua de partícula fina o substancia como barro de muy alta viscosidad aparente. Durante hidrólisis enzimática en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126, los sólidos en la biomasa pretratada 111 se convierten a un líquido que tiene una relativamente baja viscosidad aparente. Debido a la baja viscosidad aparente, el esfuerzo de torsión necesario para mover los brazos mezcladores largos en la región inferior del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede ser substancialmente similar al esfuerzo de torsión necesario para mover los brazos mezcladores cortos a través de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada más viscosa 134 en la región superior del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126.

La biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 puede tener un periodo de retención relativamente corto, por ejemplo, aproximadamente 0.5 hasta 6.0 horas, en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126. El tiempo de retención necesario para convertir parcialmente los sólidos de celulosa a azúcares en la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 a material de licuefacción 131 en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede ser menos que aproximadamente 6 horas y puede ser menos que 3 horas o menos que 2 horas. Al final del tiempo de retención corto, por ejemplo, entre aproximadamente 6 hasta 0.5 horas, la hidrólisis enzimática de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 no se completa, esto es la biomasa completamente hidrolizada de enzima no se ha producido.

El proceso de hidrólisis enzimática en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 disminuye la viscosidad aparente de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 debido a la escisión de los polímeros de cadena larga de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 en moléculas más cortas. Debido a que es substancialmente un líquido y tiene una baja viscosidad aparente (relativa a la biomasa pretratada), el material de licuefacción 131 se puede dividir, y al menos una porción por medio del conducto 123, y se puede bombear continuamente por medio de una bomba 120 a través de la etapa de enfriamiento 122 a la etapa de mezclado 1 12 por medio del conducto 116.

La etapa de mezclado 112 puede ser un proceso continuo. En un proceso continuo, un flujo continuo de material de licuefacción 131 fluye de la descarga del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126, se bombea por medio de una bomba 120 a través de la etapa de enfriamiento 122, por ejemplo, un dispositivo de enfriamiento indirecto o conducto con envolturas de enfriamientos (donde un material de licuefacción frío se produce), y fluye en un dispositivo de mezclado, tal como un transportador sin fin y mezclador, dentro de la etapa de mezclado 112. La velocidad en la cual una porción del material de licuefacción 131 fluye a través del conducto 123 en la etapa de enfriamiento 122 se regula para controlar la temperatura de la mezcla de biomasa pretratada 1 1 1 y biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 que entra en la entrada superior al primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126. Adicionalmente, el material base 114 se puede agregar para controlar, por ejemplo, incrementar el pH de la mezcla de biomasa pretratada 111 y material de licuefacción 131 y agua adicional 130 se puede agregar para enfriar.

La porción de material de licuefacción 131 no desviado para enfriar la biomasa pretratada 1 11 fluye por medio del conducto 132 a segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128. La transferencia de la porción de material de licuefacción 131 a segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128 puede ser por medio de una bomba (no se muestra). Los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128 pueden ser un tanque convencional, por ejemplo, recipientes cilindricos, y tienen un diferente volumen (por ejemplo los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática pueden requerir un volumen de aproximadamente 11 ,500 m3) que el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 (el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede tener un volumen de aproximadamente 1 ,550 m3). Ya que una porción de material de licuefacción 131 se usa para enfriar la biomasa pretratada 111 , la capacidad requerida para el segundo recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 128 no necesita ser tan grande como recipiente de reactor de hidrólisis enzimática sencilla 118 del sistema convencional de la FIGURA 1. Los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128 pueden operar en modos continuo o por lote. El periodo para completar la hidrólisis enzimática en los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128 puede ser relativamente largo, tal como aproximadamente 21 hasta 69 horas o más largo. Mientras que el periodo combinado para hidrólisis enzimática ocurre en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 y los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128 pueden ser similares a un periodo de hidrólisis enzimática convencional en el proceso tal como se muestra en la FIGURA 1 , el volumen total del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 y el segundo recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 128 de la modalidad ejemplar (FIGURA 2) pueden ser significativamente menores, aproximadamente 13,050 m3 antes que aproximadamente 37,000 m3 para el sistema convencional de la FIGURA 1. La reducción en la capacidad total para hidrólisis enzimática entre sistemas convencionales (FIGURA 1) y el sistema de la modalidad ejemplar (FIGURA 2) es significativo y resulta en un gran ahorro de costes para el equipo.

Como previamente se discutió, el volumen combinado del primero y segundo recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 126, 128 puede ser substancialmente menor que el volumen de un recipiente de reactor de hidrólisis enzimática tal como se muestra en la FIGURA 1. Al usar material de licuefacción 131 (biomasa parcialmente hidrolizada de enzima) junto con agua 130 para enfriar y ajustar la concentración de sólidos de la biomasa pretratada 11 1 y usando un proceso continuo para mezclar y la hidrólisis enzimática, los volúmenes necesarios en la etapa de mezclado 112 y los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 126, 128 mostrados en el proceso ilustrado en la FIGURA 2 se reducen substancialmente como se compara con los volúmenes necesarios para los procesos mostrados en la FIGURA 1.

En la FIGURA 3, los números de referencia comunes se usan para referirse a estructuras de proceso comunes y etapas como se muestra en las FIGURAS 1 y 2, se muestra una modalidad ejemplar para mezclar una enzima con biomasa pretratada. La biomasa lignocelulósica pretratada 9 entra en un tanque intermedio 110 (tanque intermedio 110 puede ser un cielón u otro recipiente), en algunas modalidades la biomasa lignocelulósica pretratada 9 entra al tanque intermedio 1 10 como una mezcla espesa y sale del tanque intermedio 1 10 como biomasa pretratada 111, en ciertas modalidades de ejemplo, la biomasa pretratada 111 se transfiere del tanque intermedio 1 10 hasta un primer transportador 12. La biomasa lignocelulósica pretratada 9 puede tener una viscosidad aparente de más de aproximadamente 10,000 mPa s, o una viscosidad aparente de más de aproximadamente 15,000 mPa*s, o, en otras modalidades de ejemplo una viscosidad aparente de más de aproximadamente 20,000 mPa s o aún aproximadamente 25,000 mPa*s. La biomasa lignocelulósica pretratada 9 en el tanque intermedio 110 puede ser en una temperatura de aproximadamente 100°C (dentro de aproximadamente 15°C de 100°C), puede ser sólidos de 40% por peso y puede tener un pH de aproximadamente 1 hasta 4. Del tanque intermedio 1 10, la biomasa pretratada 111 se transfiere al primer transportador 12. El primer transportador 12 puede ser un tornillo, o más particularmente, un “tornillo de enfriamiento y que controla el pH.” En este primer transportador 12, en ciertos ejemplos, la temperatura o pH de la biomasa pretratada 1 11 se puede alterar, como se describió arriba, de tal manera que las condiciones se hacen más ideales para la enzima. En ciertas modalidades de ejemplo, la temperatura de la biomasa pretratada 1 11 se reduce, y el pH se eleva. El material de licuefacción 131 sale del dispositivo de descarga 38 del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 y se puede dividir en una primera porción de material de licuefacción 38"' para recircularse al tanque intermedio 110 y/o primer transportador 12 y un segunda porción de material de licuefacción 38” envía a la bomba 21. La primera porción de material de licuefacción 38"' se enfría en el enfriador 8 para producir una primera porción de material de licuefacción enfriada 40. La temperatura de la biomasa pretratada 111 del tanque intermedio 110 en el primer transportador 12 se puede reducir por medio de la adición de material de licuefacción recirculado 131, específicamente primera porción de material de licuefacción enfriada 40. Sin embargo, esto es ilustrativo únicamente, y no siempre puede ser el caso dependiendo del pH o temperatura de la mezcla durante o después de pre tratamiento.

El material de licuefacción 131 descargado del primer reactor de hidrólisis enzimática 126 se descarga por medio de dispositivo de descarga de reactor 38 en una temperatura de aproximadamente 40°C hasta 55 °C. Una porción del material de licuefacción 131 descargada a través del dispositivo 38, se puede recircular al tanque intermedio 110 por medio del conducto 39' y/o al primer transportador 12 por medio del conducto 39. Para enfriar la primera porción de material de licuefacción 38'" que se recircula del dispositivo de descarga de reactor 38, un enfriador (tal como un intercambiador de calor indirecto u otro dispositivo adecuado) 8 se puede usar para reducir la temperatura de la primera porción de material de licuefacción recirculante 38'" hasta entre aproximadamente 20°C hasta 40°C usando agua fría u otro líquido adecuado de enfriamiento que crea una primera porción de material de licuefacción enfriada 40.

En ciertas modalidades de ejemplo, mientras que en el primer transportador 12, los materiales que controlan el pH 3, tal como un compuesto alcalino o compuesto ácido si se justifica, o materiales que cambian la temperatura (por medio del conducto 39), tal como primera porción de material de licuefacción enfriada recirculada 40 y/o líquido de enfriamiento 5 (tal como agua fría, residuo acuoso de fermentación o proceso líquido del molino), se puede agregar a la biomasa pretratada 111 con objeto de controlar el pH, o consistencia de sólidos totales o temperatura de la biomasa pretratada 11 1 de tal manera que estos valores caen en los intervalos necesarios para la hidrólisis enzimática. Un sensor 1 1 , tal como un sensor de temperatura y/o de pH, puede monitorear la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 descargada por el primer transportador 12 y proporciona datos para controlar el pH y temperatura de la biomasa pretratada 111 alimentada en el primer transportador 12.

En ciertos ejemplos, al menos una porción del primer material de licuefacción enfriado recirculado 40 se puede agregar al tanque intermedio 110 por medio del conducto 39' y los materiales que controlan el pH 3 pueden ser compuestos de base alcalina (o si es necesario un compuesto ácido) con o sin el primer material de licuefacción enfriado recirculado adicional 40 que se agrega por medio del conducto 39 a la biomasa pretratada 1 11.

En ciertos ejemplos, el primer material de licuefacción enfriado recirculado 40 se puede agregar al tanque intermedio 110 por medio del conducto 39' y los materiales que controlan el pH 3 pueden ser compuestos de base alcalina (o si la situación requiere un compuesto ácido) con la adición de líquido de enfriamiento 5, tal como agua fría, residuo acuoso de fermentación o corriente del proceso del molino, se puede agregar a la biomasa pretratada 1 11.

En otras modalidades de ejemplo, si el pH de la biomasa pretratada 1 11 es demasiado alto, los materiales que controlan el pH 3 que comprenden compuestos ácidos se pueden agregar con objeto de controlar el pH de la biomasa pretratada 111 de tal manera que estos valores caen en los intervalos descritos arriba. En modalidades de ejemplo adicionales, mientras que en el primer transportador 12, la concentración de sólidos total de la biomasa pretratada 111 se reduce hasta aproximadamente 10 hasta 30% por peso, o hasta aproximadamente 15 hasta 30%, o hasta aproximadamente 18 hasta 25%.

Después de que el pH, o temperatura, o la concentración de sólidos total de la biomasa pretratada 1 1 1 se altera por medio de la adición de materiales que controlan el pH 3 por ejemplo, compuestos alcalinos, y materiales que cambian la temperatura por medio de conductos 39' y/o 39 y/o, por ejemplo, primer material de licuefacción enfriado recirculado 40 y líquido de enfriamiento 5, en primer transportador 12 para caer dentro de un intervalo más ideal o deseado por rendimiento de la enzima, la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 se puede transferir a un segundo transportador 14 que también puede ser un transportador sin fin. En este segundo transportador 14, una primera porción de solución de enzima 7' de la solución de enzima 7 se puede rociar o de otra manera combinar con la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 en el segundo transportador 14. En algunos casos, la primera porción de solución de enzima 7' se puede rociar en el segundo transportador 14 por medio de boquillas de rociado 15 que se distribuyen eventualmente a través del segundo transportador 14. En otras modalidades de ejemplo, la primera porción de solución de enzima 7' se puede agregar a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 por medio de entradas axiales 13 (que pueden ser en ambos extremos del segundo transportador 14), o entradas ubicadas en diversas posiciones colocadas irregularmente en el segundo transportador 14.

Seguido de la adición de la primera porción de solución de enzima 7' a la mezcla espesa 150, (la mezcla espesa que tiene biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 e incluyendo la primera porción de solución de enzima 7') se puede transferir a un recipiente 16. En ciertas modalidades de ejemplo, la mezcla espesa 150 permanecerá en el recipiente 16 hasta que más mezcla espesa 150 se agrega al recipiente 16 para las etapas de procesamiento restantes. El recipiente 16 puede ser un tanque intermedio. En otras modalidades de ejemplo, la mezcla espesa 150 se puede transferir directamente desde el segundo transportador 14 hasta un mezclador 18, antes que valla al recipiente 16. En algunas modalidades, el mezclador 18 puede ser un mezclador de fluidificación. En algunos casos, una bomba de desplazamiento positivo 17' se puede usar para transferir la mezcla espesa 150 al mezclador 18 por medio de tuberías 23 desde el recipiente 16. La bomba de desplazamiento positivo 17' puede ser una bomba de desplazamiento positivo de consistencia media. La bomba de desplazamiento positivo 17' alternativamente puede ser en una tubería 23' que se extiende directamente desde el segundo transportador 14 hasta el mezclador 18.

En ciertas modalidades de ejemplo, cuando la mezcla espesa 150 se transfiere al mezclador 18, la mezcla espesa 150 puede tener una viscosidad aparente tan baja como aproximadamente 2,000 mPa s hasta 3,000 mPa s.

El mezclador 18 puede ser un mezclador de consistencia media. La segunda porción de solución de enzima 7” se puede agregar al mezclador 18 con la mezcla espesa 150. Alternativamente, una vez que la mezcla espesa 150 se transfiere al mezclador 18, la mezcla espesa 150 se puede mezclar, y después de eso la segunda porción de solución de enzima 7” se puede agregar a la mezcla espesa 150. En algunos casos, la segunda porción de solución de enzima 7” se puede agregar antes de mezclar la mezcla espesa 150 y la segunda porción de solución de enzima 7”. En otras modalidades de ejemplo, la segunda porción de solución de enzima 7” se puede agregar simultáneamente a, o subsiguiente a, el inicio del mezclado. En además modalidades de ejemplo, la segunda porción de solución de enzima 7” se puede agregar al mezclador 18 al mismo tiempo que la mezcla espesa 150 se agrega al mezclador 18 de tal manera que tanto la mezcla espesa 150 como la segunda porción de solución de enzima 7” ambas se presentan antes del inicio del mezclado.

En una modalidad ejemplar, la segunda porción de solución de enzima 7” y la mezcla espesa 150 se agregan al mezclador 18 substancialmente simultáneamente, mientras que el mezclador 18 se opera en velocidades de rotación tal como velocidades en intervalos de aproximadamente 200 hasta 6,000 rpm (revoluciones por minuto), aproximadamente 300 hasta 5,000 rpm, y aproximadamente 400 hasta 4,000 rpm. La mezcla espesa 150 y la segunda porción de solución de enzima 7” se pueden mezclar por ciertos periodos predeterminados tal como periodos en intervalos de aproximadamente 0.05 hasta 500 segundos, aproximadamente 0.1 hasta 300 segundos, y aproximadamente 0.1 hasta 100 segundos. El mezclado de la mezcla espesa 150 y la segunda porción de solución de enzima 7” en el mezclador 18 de esta manera y en las velocidades discutidas arriba puede resultar ventajosamente en una digestión más rápida por las enzimas de las partículas lignocelulósicas y azúcares poliméricas en mezcla espesa 150, sin degradar significativamente o desnaturalizar las enzimas de la solución de enzima 7.

Después de que tanto la primera porción de solución de enzima 7' como la segunda porción de solución de enzima 7” se han mezclado en la mezcla espesa 150, la mezcla espesa 150 se puede luego transferir por ejemplo, bombear, a otro recipiente, un primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126. El primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede ser un reactor o mezclador de alta consistencia. El primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede permitir una transición más suave de un material muy viscoso a un material menos viscoso, o aún un líquido, en ciertas modalidades de ejemplo.

En algunas modalidades, el mezclador 18 y primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 puede ser una pieza simple de equipo (tal como un mezclador/reactor no se muestra) que permite las funciones de mezclado e hidrólisis enzimática para proporcionar un material de licuefacción realizarse en una pieza simple de equipo.

También es posible tener la funciones de transferencia, enfriamiento y control de pH a ocurrir en una pieza simple del equipo de transferencia, no se limita a un transportador sin fin o múltiples transportadores de tornillo, antes de la adición de cualquier solución de enzima 7 a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134. En algunas modalidades, la adición de solución de enzima 7 se puede hacer únicamente durante la transferencia de la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134, antes del mezclador 18 y primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 o el equipo de mezclador/reactor sencillo combinado. En aún otras modalidades, la adición de solución de enzima puede ser únicamente en el mezclador 18 o únicamente en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126 o en el equipo de mezclador/reactor sencillo combinado.

Un circuito de recirculación se produce usando el material de licuefacción 131 descargado a través del dispositivo de descarga de reactor 38. El material de licuefacción 131 se puede dividir en al menos dos porciones, un 38” (segunda porción de material de licuefacción 38”) enviado a bomba de material de licuefacción 21 para dar además y otra porción 38"' (primera porción de material de licuefacción 38'") enviada a un enfriador 8 donde se enfría y recircula al recipiente de pre-tratamiento 1 10 y/o primer transportador 12 u otra ubicación adecuada antes de la inyección de solución de enzima 7 y material que controla el pH 3 como se requiere.

Como se muestra en la FIGURA 3, después de que la mezcla espesa 150 se ha convertido a material de licuefacción 131 para descargarse a través del dispositivo de descarga de reactor 38 en el primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 126, una bomba de material de licuefacción 21 se puede usar para transferir la segunda porción de material de licuefacción 38” en al menos un segundo recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 128' (128”, 128'") donde licuefacción adicional o hidrólisis enzimática adicional puede tener lugar, en ciertas modalidades de ejemplo. La Bomba de material de licuefacción 21 usada para transferir la segunda porción de material de licuefacción 38” a los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128', 128” 128'" puede ser una bomba de centrifuga o de desplazamiento positivo en ciertas modalidades de ejemplo. En modalidades de ejemplo adicionales, al menos un segundo recipiente de reactor de hidrólisis enzimática 128' (128”, 128'") puede ser un segundo recipiente de reactor de hidrólisis enzimática sencilla. En algunos casos, la hidrólisis enzimática substancialmente completa puede tener lugar en uno o más de segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128', 128”, 128"', cada uno con dispositivos de mezclado de rotación. El producto 119 descargado de los segundos recipientes de reactor de hidrólisis enzimática 128', 128”, 128'" puede ser una corriente de la biomasa hidrolizada enzimática de forma completa.

En ciertas modalidades de ejemplo, los productos 119 del proceso de hidrólisis enzimática pueden incluir azúcares, tal como azúcares monoméricos y se pueden bombear por bombas de producto 46 a usarse en una variedad amplia de campos o usos. Las bombas de producto 46 pueden ser bombas de desplazamiento positivo. Los productos 119 se pueden usar para producir etanol, o cualquier otro químico de valor agregado.

La FIGURA 4 (equipo y corrientes comunes para FIGURAS 1 hasta 3 usan los mismos números de referencia) muestra una ambiente alternativo donde hay una adición simple de solución de enzima 7 por medio del conducto 7'" a través del mezclador 18, ninguna adición de solución de enzima 7 se hace en el segundo transportador 14. En tales casos un segundo transportador 14 puede no ser necesario. La porción de solución de enzima 7 se puede agregar al mezclador 18 con la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134. Alternativamente, una vez que la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 se transfiere al mezclador 18, la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 se pueden mezclar, y después de eso la solución de enzima 7 se puede agregar a la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134. En algunos casos, la solución de enzima 7 se puede agregar antes de mezclar la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 y solución de enzima 7. En otras modalidades de ejemplo, la solución de enzima 7 se puede agregar simultáneamente a, o subsiguiente a, el inicio del mezclado. En modalidades de ejemplo adicionales, la solución de enzima 7 se puede agregar al mezclador 18 al mismo tiempo la biomasa pretratada controlada en pH y enfriada 134 se agrega al mezclador 18 de tal manera que ambos se presentan en el mezclador 18 antes del comienzo de mezclado.

La FIGURA 5 muestra una modalidad adicional de un proceso 300 de hidrólisis enzimática de biomasa explotada por vapor donde el control de pH ocurre antes de la adición de material de licuefacción enfriado del reactor de hidrólisis enzimática.

El material lignocelulósico (biomasa) explotado por vapor, pretratado caliente, materia prima 301, típicamente en una temperatura mayor que aproximadamente 60°C, se alimenta a un tanque intermedio 302. El ajuste de temperatura parcial y control de pH se hace a materia prima 301 por la adición de material de enfriamiento 312. El material de enfriamiento 312 puede ser agua, o filtrado 311 de otra parte dentro del proceso con la adición de líquido que controla el pH 309 y se puede enfriar por medio de intercambiador de calor o enfriador 308. Desde el tanque intermedio 302, el material se alimenta al dispositivo que alimenta la hidrólisis enzimática 303 donde al menos una porción de la descarga del reactor continuo hidrolizada enzimática 305 se alimenta por medio del conducto 306 y el enfriador 307 al dispositivo que alimenta la hidrólisis enzimática 303 para producir materia prima del reactor enfriado 315. La materia prima del reactor enfriado 315 se transfiere al mezclador 313 donde la solución de enzima por medio del conducto 314 se agrega en o antes de un primer mezclador de enzima 313 para producir materia prima del reactor enfriado y mezcla de enzima 316 para procesar en al menos un reactor de hidrólisis enzimática continua 304 y/o procesamiento adicional en reactores de hidrólisis enzimática adicionales, reactores continuos o por lote. Una porción de descarga del reactor continuo hidrolizada enzimática 305 del reactor de hidrólisis enzimática continua 304 se alimenta a otro equipo de proceso por hidrólisis enzimática adicional o subsiguiente.

El sistema de flujo se ha descrito en la presente como un sistema de flujo continuo.

Aunque la temperatura o pH de la materia prima 301 puede fluctuar ligeramente a través del proceso de hidrólisis enzimática, es ventajoso por la temperatura a permanecer bajo aproximadamente 40°C hasta 55°C (o bajo aproximadamente 50°C), y el pH a permanecer en el intervalo de aproximadamente 4 hasta 6.5 (o aproximadamente 4.5 hasta 6.5), con objeto de incrementar el rendimiento de enzima, en ciertas modalidades de ejemplo.

La FIGURA 6 es una gráfica de línea que muestra la relación entre viscosidad aparente de la biomasa pretratada, en este caso bagazo, frente a rpm de la acción de mezclado dentro del dispositivo de prueba de viscosidad. Las rpm usadas en la medición de viscosidad aparente es importante a la medición. En esta solicitud, las mediciones de viscosidad aparente usan el viscosímetro Brookfield bien aceptado con un eje cilindrico, específicamente el LV DV-II+ que tiene 4 ejes capaces de funcionar en una velocidad de 0.1 hasta 200 revoluciones por minuto (rpm). Las mediciones de viscosidad aparente reportadas para propósitos de esta solicitud fueron tomadas en 20rpm.

La FIGURA 7 muestra la viscosidad aparente en diversos momentos durante la fase de tratamiento de hidrólisis enzimática, nuevamente el bagazo es la biomasa usada para este estudio. El bagazo pretratado en el periodo de horas una hasta tres no incluye cualquier material de licuefacción recirculado. El primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática tiene un tiempo de retención de tres horas con operación continua, por lo tanto el material agregado en el inicio del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática permanece dentro del primer recipiente de reactor de hidrólisis enzimática por tres horas y se puede considerar la muestra de control. Por el bagazo pretratado durante las primeras tres horas de operación, únicamente agua fría se agregó como el material refrigerante.

En una hora la viscosidad aparente está por arriba de aproximadamente 3,000 mPa*s, después de tres horas, la viscosidad aparente permanece por arriba de aproximadamente 1 ,000 mPa s y el material de licuefacción descargado de los recipientes de reactor de hidrólisis enzimática es adecuado para usar como refrigerante, antes de usar como refrigerante el material de licuefacción se enfría, si es necesario, a la temperatura deseada por refrigerante. Después de tres horas de operación continua (las primeras tres horas siendo consideradas la muestra de control), una porción del material de licuefacción producido y descargado del recipiente de reactor de hidrólisis enzimática se usó como refrigerante para el bagazo pretratado alimentado al recipiente de reactor de hidrólisis enzimática. La viscosidad aparente de bagazo pretratado enfriado con el material de licuefacción recirculado se tomó de muestra en 3.1 horas. Lina elevación en la viscosidad aparente ocurre debido al contenido de sólidos en el material de licuefacción recirculado usado como refrigerante que es mayor al contenido de sólidos de agua usado como el único refrigerante durante las primeras 3 horas de operación. Como las operaciones continúan hasta seis horas, la hidrólisis enzimática del bagazo pretratado también continúa para producir el material de licuefacción. Una muestra del material de licuefacción después del punto de seis horas se tomó y la viscosidad aparente se determinó para ser aproximadamente 1 ,000 mPa s. El periodo de tiempo del punto donde el líquido de enfriamiento se cambió desde toda el agua hasta al menos una porción del líquido de enfriamiento siendo material de licuefacción, en 3.1 horas hasta seis horas demuestra el impacto de material de licuefacción recirculante. Durante esta evaluación, la relación de material de licuefacción a relación de material sin licuefacción es 2.2. Como se muestra en la FIGURA 7, la viscosidad aparente en el punto de tres horas (la parte de control de la prueba) es mayor que la viscosidad aparente en el punto de seis horas, confirmando el uso de material de licuefacción recirculado como al menos una porción del líquido de enfriamiento es ventajoso al proceso.

La FIGURA 8 muestra una gráfica de línea de la conversión (rendimiento por ciento) de glucano (celulosa) a glucosa con el tiempo cuando la hidrólisis enzimática ocurre. Es deseable tener una conversión mayor, mayor porcentaje de rendimiento de glucosa, con el tiempo, especialmente en el punto de las primeras 72 horas del proceso. La mayoría de las operaciones industriales de hidrólisis enzimática limitan el tiempo de retención total para contacto con las enzimas hasta aproximadamente 72 horas. Como se muestra en la FIGURA 8, el porcentaje de rendimiento de glucosa es mayor cuando el material de licuefacción se recircula y se usa como al menos una porción del líquido de enfriamiento como se compara con el control donde únicamente agua se usa como el líquido de enfriamiento.

La FIGURA 9 muestra una gráfica de barra y tabla del rendimiento que corresponde a la FIGURA 8. Esta gráfica y datos de rendimiento de glucosa (casos control frente a recirculado discutidos arriba) muestran el rendimiento de glucosa con el tiempo seguido de cerca por aproximadamente las primeras 6 horas, pero en aproximadamente 72 horas, el punto donde la hidrólisis enzimática industrial de la biomasa típicamente se considera que está sobre, una mejora de rendimiento de glucosa de casi aproximadamente 5% se realiza del proceso usando al menos una porción del material de licuefacción recirculado como refrigerante por la biomasa pretratada.

La FIGURA 10 es una segunda corrida de ensayo, nuevamente que muestra el rendimiento de glucosa para las primeras horas de hidrólisis enzimática para las operaciones de material de licuefacción recirculado y control seguidas muy de cerca, y una mejora de rendimiento de glucosa significativo para el caso usando material de licuefacción recirculado como al menos una porción del líquido de enfriamiento en alrededor del punto de 72 horas. La FIGURA 11 muestra la misma información como la FIGURA 10 en la forma de gráfica de barra con una tabla del rendimiento agregada. En alrededor del punto de 72 horas de hidrólisis enzimática, el rendimiento de glucosa para el caso de control es casi aproximadamente 5% menor que el rendimiento de glucosa para el caso donde el material de licuefacción recirculado se usa como al menos una porción del líquido de enfriamiento de biomasa pretratada.

Se entenderá por todos los lectores de esta descripción escrita que las modalidades ejemplares de la presente descripción se pueden practicar adecuadamente en la ausencia de cualquier elemento, etapa o rasgo que es, o no es, específicamente descrito en la presente.

Todos los métodos descritos en la presente se pueden realizar en cualquier orden adecuado a menos que se indique de otra manera en la presente o de otra manera claramente se contradiga por el contexto. El uso de cualquiera y todos los ejemplos, o lenguaje ejemplar (por ejemplo, “tal como”) proporcionado en la presente, se pretende meramente para iluminar mejor las modalidades de ejemplo y no posee una limitación en el alcance de las reivindicaciones adjuntadas presentes a menos que se reivindique de otra manera. Ningún lenguaje en la especificación debe interpretarse como una indicación de cualquier elemento no reivindicado como esencial.

Las ventajas y rasgos de las modalidades ejemplares descritas en la presente se pueden realizar y alcanzar por medio de los conductos y combinaciones particularmente señalados en esta descripción escrita. Es de entenderse que la descripción general anterior y la siguiente descripción detallada son ejemplares y únicamente explicativos y no son restrictivos de las reivindicaciones abajo. Mientras que las modalidades de ejemplo se han descrito en detalle, la descripción anterior está en todos los aspectos ilustrativos y no restrictivos. Se entiende que numerosas otras modificaciones y variaciones se pueden idear sin apartarse del alcance de las modalidades de ejemplo y se destinan a cubrir diversas modificaciones y configuraciones equivalentes incluidas dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para hidrolizar enzimáticamente un material de biomasa, caracterizado porque comprende: un reactor de pre-tratamiento para recibir el material de biomasa; un sistema de transferencia, en comunicación fluida con una descarga del reactor de pre-tratamiento, capaz de recibir líquido de enfriamiento y material que ajusta el pH, o cualquier combinación de los mismos para producir una biomasa pretratada controlada por pH y enfriada, un sistema de adición de enzima en comunicación fluida con el sistema de transferencia para la adición de solución de enzima a la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada, al menos un recipiente en comunicación fluida con el sistema de transferencia para transformar la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada de una viscosidad aparente mayor y alta celulosa no convertida a contenido de azúcar a una viscosidad aparente menor y menor celulosa no convertida a contenido de azúcar, de este modo creando un material de licuefacción; recircular al menos una porción del material de licuefacción a la biomasa pretratada como al menos una porción del líquido de enfriamiento, transferir al menos una segunda porción del material de licuefacción a subsiguientes recipientes de reactor de hidrólisis enzimática para producir biomasa completamente hidrolizada.

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el sistema de transferencia incluye al menos un primer transportador que pasa la biomasa pretratada del reactor de pre tratamiento, una entrada a través de la cual un líquido de enfriamiento o material que controla el pH o combinación de ambos se puede inyectar en la biomasa pretratada.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el sistema de transferencia incluye medios de solución de enzima de inyección en la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada por medio del primer transportador o un segundo transportador o un mezclador o cualquier combinación de los mismos.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el mezclador está en comunicación fluida con una descarga del al menos primer transportador o el segundo transportador, en donde el mezclador incluye un dispositivo de mezclado que gira a una velocidad de aproximadamente 400 a aproximadamente 4,000 rpm, y el mezclador conserva la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada con solución de enzima por aproximadamente 0.05 a aproximadamente 200 segundos, y el mezclado incluye una entrada a través de la cual la solución de enzima se puede agregar a la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada durante el mezclado.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el material de licuefacción producido en el al menos un recipiente se descarga del al menos un recipiente.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque una porción de material de licuefacción descargado del al menos primer recipiente se enfría en un intercambiador de calor y recircula a la biomasa pretratada como al menos una porción del líquido de enfriamiento usado para enfriar la biomasa pretratada.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el material de licuefacción se agrega a la biomasa pretratada antes de la adición de la solución de enzima.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque una sola adición de solución de enzima se agrega en el mezclador.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque comprende adicionalmente un tanque intermedio para mantener temporalmente la biomasa de pre-tratamiento controlada por pH y enfriada del segundo transportador y descargar la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada a una bomba de desplazamiento positivo.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque las entradas para inyección de solución de enzima están igualmente espaciadas en una pluralidad de ubicaciones a lo largo de una longitud longitudinal de uno del primer transportador o el segundo transportador.

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el segundo reactor incluye una pluralidad de recipientes de reactor subsiguientes cada uno capaz de recibir el material de licuefacción que se transfiere del al menos primer recipiente.

12. Un sistema de flujo de proceso, caracterizado porque comprende: un recipiente de reactor de pretratamiento configurado para pre-tratar la biomasa a una temperatura de al menos aproximadamente 100°C; un dispositivo de enfriamiento configurado para enfriar un flujo continuo de la biomasa pretratada a una temperatura no mayor que 80°C, en donde el dispositivo de enfriamiento usa un flujo continuo de al menos una porción de un material de licuefacción; un dispositivo que controla el pH configurado para agregar material que controla el pH a la biomasa pretratada; al menos un primer recipiente configurado para enzimáticamente hidrolizar la biomasa pretratada controlada por pH y enfriada usando al menos uno de una enzima, levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas u otro catalizador biológico para producir un material de licuefacción; al menos un recipiente de reactor de hidrolización enzimática adicional configurado para hidrolizar enzimáticamente al menos una porción del material de licuefacción producido en el al menos primer recipiente usando al menos uno de una enzima, levadura, bacterias termófilas, bacterias mesófilas u otro catalizador biológico, en donde el al menos un recipiente de reactor de hidrolización enzimática adicional se acopla para recibir al menos una porción del material de licuefacción descargado del al menos primer recipiente; y una bomba configurada para transferir al menos una porción del material de licuefacción al dispositivo de enfriamiento.