ES2553028T3 - Método y aparato para mezclar un material lignocelulósico con enzimas - Google Patents
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Abstract
Método para tratar un material lignocelulósico de manera continua, que comprende: realizar una reacción de explosión por vapor en el material lignocelulósico para producir una suspensión (9) que incluye el material lignocelulósico; añadir un material (3) de álcali a la suspensión (9) en un primer transportador (12), en el que el material (3) de álcali aumenta el pH promedio de la suspensión (9) que pasa a través del primer transportador (12); transferir la suspensión (9) con el material (3) de álcali desde el primer transportador (12) hasta un segundo transportador (14); añadir una primera parte (7') de una disolución (7) de enzimas a la suspensión (9) mientras está en, entrando en, o en la descarga del, segundo transportador (14); transferir la suspensión (9) con la disolución (7) de enzimas desde el segundo transportador (14) hasta una mezcladora (18); mezclar la suspensión (9) en la mezcladora (18), en el que una segunda parte (7") de la disolución (7) de enzimas se añade a la suspensión (9) durante el mezclado, transferir la suspensión (9) con la disolución (7) de enzimas desde la mezcladora (18) hasta un primer reactor, y someter la suspensión (9) en el primer reactor a hidrólisis enzimática, en el que la viscosidad de la suspensión (9) se reduce en el primer reactor.
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DESCRIPCION
Metodo y aparato para mezclar un material lignocelulosico con enzimas Antecedentes de la invencion
Esta invencion se refiere de manera general al campo de la conversion enzimatica de material lignocelulosico en azucares monomericos y particularmente a maximizar el rendimiento enzimatico durante una fase de licuacion de material lignocelulosico previamente tratado.
La hidrolisis enzimatica de material lignocelulosico previamente tratado plantea muchos desaffos. Estos desaffos van desde la interaccion de las propias enzimas con la complejidad bioqufmica del material previamente tratado y sus derivados y hasta las caracterfsticas ffsicas de la mezcla monomerica/oligomerica de lfquido/fibra (denominada colectivamente “suspension”) y sus caracterfsticas reologicas.
Un reactor convencional para lograr la hidrolisis enzimatica requerfa grandes tanques discontinuos que tienen rotores potentes y caros para mezclar las enzimas en la suspension. La licuacion enzimatica de material lignocelulosico puede requerir varias horas de mezclado en los grandes tanques discontinuos. El procedimiento de mezclado reduce la viscosidad del material lignocelulosico convirtiendo el material de una composicion generalmente solida en una suspension licuada. El material lignocelulosico previamente tratado normalmente comienza el mezclado y procesamiento teniendo una consistencia de tipo lodo.
El material lignocelulosico se trata previamente y se somete a conversion enzimatica para dar azucares monomericos. Las enzimas anadidas al material lignocelulosico tienen normalmente una concentracion relativamente baja con respecto al material lignocelulosico. La mezcla de material lignocelulosico y enzimas tiende a ser altamente viscosa a medida que entra en un sistema de reactor de mezclado y tratamiento previo. La alta viscosidad de la mezcla ha motivado el uso de recipientes de reactor relativamente pequenos para reducir el par motor necesario para mezclar la mezcla. Un sistema de este tipo incluye normalmente uno o mas recipientes de reactor de hidrolisis.
Los recipientes de mezclado de un sistema de reactor de mezclado y tratamiento previo convencional para la licuacion enzimatica de material lignocelulosico se han hecho funcionar tradicionalmente en un modo discontinuo en lugar de un modo continuo. Con frecuencia un modo discontinuo para mezclar es mas adecuado para situaciones en las que varios recipientes de mezclado mas pequenos alimentan un recipiente aguas abajo mas grande, tal como un digestor u otro recipiente de reactor.
Se ha propuesto la recirculacion de material licuado para diluir el material lignocelulosico previamente tratado entrante para reducir la viscosidad y mejorar el mezclado. La recirculacion tiene la desventaja de que se requiere un volumen de mezclado adicional para lograr el tiempo de retencion deseado en el recipiente. El procesamiento discontinuo anade volumen al sistema, ya que tiene que proporcionarse tiempo para llenar y vaciar el recipiente.
A partir del documento de la tecnica anterior se conoce que se necesita mezclado para fomentar una buena distribucion enzimatica en biomasa previamente tratada y que facilita altas tasas de conversion, veanse, por ejemplo, los siguientes documentos:
- ROCHE CHRISTINE M ET AL: “Laboratory-scale method for enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass at high-solids loadings”, BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS, BIOMED CENTRAL LID, LONDRES, R.U., vol. 2, n.° 1, 4 de noviembre de 2009, pagina 28, y
- JORGENSEN H ET AL: “Liquefaction of Ligno-cellulose at High-Solids Concentrations”, BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, WILEY & SONS, HOBOKEN, NJ, EE.UU., vol. 96, n.° 5, 1 de abril de 2007, paginas 862-870.
La publicacion “Yield-determining factors in high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose”, KRISTENSEN J B ET AL, BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS, BIOMED CENTRAL LTD, LONDRES, vol. 2, n.° 11, 8 de junio de 2009, paginas 1 -10, describe el efecto inhibidor de glucosa y celobiosa sobre la adsorcion de celulosa, es decir reduciendo la adsorcion de celulasas en el sustrato, lo que a su vez es responsable de la reduccion en los rendimientos de conversion.
El documento WO-A2-2009/045651 A2 da a conocer un procedimiento para sacarificar biomasa previamente tratada en una biomasa con alto peso en seco para producir azucares fermentables. La biomasa puede tratarse previamente, por ejemplo, con explosion por vapor. El procedimiento comprende las siguientes etapas: a) proporcionar una parte de componentes de reaccion en un reactor de tanque con agitacion vertical que tiene un mecanismo de reduccion del tamano de partfcula, comprendiendo dichos componentes de reaccion: i) una parte de suspension de biomasa previamente tratada; y ii) una parte de un primer consorcio de enzimas de hidrolizacion de celulasa de sacarificacion; b) hacer reaccionar dicha suspension y enzimas; c) aplicar el mecanismo de reduccion del tamano de partfcula; d) anadir una parte adicional de biomasa previamente tratada produciendo una suspension
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de biomasa con mayor contenido en solidos; e) opcionalmente anadir una parte adicional de un consorcio de enzimas de sacarificacion; f) hacer reaccionar dicha suspension de biomasa con mayor contenido en solidos; y g) opcionalmente repetir una o mas etapas (c), (d), (e), y (f) una o mas veces, mediante lo cual se produce un hidrolizado con alto contenido en azucar y en el que el lfmite elastico de la suspension se mantiene a menos de 30 Pa.
El documento WO-A1-2009/046524 A1 da a conocer un metodo para tratar una alimentacion lignocelulosica que comprende celulosa, hemicelulosa y lignina para producir una corriente de procedimiento rica en azucar, comprendiendo el metodo: a) someter la alimentacion a un primer procedimiento de hidrolisis enzimatica usando una primera preparacion enzimatica y obtener una corriente de componentes volatiles y una corriente de efluente de baja viscosidad (viscosidad el 15-50% inferior a la de la alimentacion); b) someter la corriente de efluente de baja viscosidad a un segundo procedimiento de hidrolisis enzimatica usando una segunda preparacion enzimatica y obtener una corriente de procedimiento rica en azucar. La alimentacion puede someterse a autohidrolisis que se realiza mediante explosion por vapor antes de la etapa (a).
El documento WO-A1-2005/118828 da a conocer un procedimiento para convertir materiales de lignocelulosa en etanol que comprende las etapas: a) convertir el material de partida en una fraccion lignocelulosica solida con una concentracion aumentada de celulosa y una fraccion lfquida que contiene principalmente hemicelulosas solubilizadas usando un tratamiento previo tal como explosion por vapor; b) someter a hidrolisis previa el material lignocelulosico fibroso con alta consistencia con una enzima de celulosa para proporcionar un material lignocelulosico modificado con fluidez aumentada (lo cual representa, por ejemplo, caracterfsticas mejoradas de mezclado y bombeo), c) simultaneamente someter el material lignocelulosico modificado a hidrolisis continua con una celulasa y a fermentacion de etanol en una mezcla de fermentacion, d) continuar la fermentacion para convertir una parte esencial de los hidratos de carbono disponibles en etanol, e) anadir la fraccion lfquida que contiene hemicelulosas solubilizadas a la mezcla de fermentacion y continuar la fermentacion, y f) recuperar etanol a partir de la mezcla de fermentacion.
Sumario de la invencion
Existe una necesidad desde hace mucho tiempo de grandes recipientes de mezclado que puedan mezclar material lignocelulosico altamente viscoso con enzimas. Estos recipientes pueden ser recipientes de flujo continuo en los que material lignocelulosico fluye de manera continua al interior, a traves y al exterior del recipiente. Un gran recipiente proporcionarfa una alta capacidad de flujo, eficaz, para mezclar material lignocelulosico y enzimas. El objeto subyacente a la presente invencion es proporcionar un metodo y sistema correspondientes para tratar un material lignocelulosico. Este objeto se logra por medio del metodo segun la reivindicacion 1 y el sistema segun la reivindicacion 12. En las reivindicaciones dependientes respectivas se mencionan caracterfsticas opcionales preferidas.
La invencion puede implicar la adicion de una o mas enzimas, opcionalmente en una disolucion, a una suspension viscosa para reducir rapidamente la viscosidad de la suspension. La reduccion de la viscosidad puede dar como resultado que la suspension tenga caracterfsticas mas similares a un lfquido que a un solido o una consistencia de tipo lodo espeso. Por ejemplo, la adicion de enzimas a un material lignocelulosico provoca una reaccion de hidrolisis enzimatica que reduce la viscosidad del material hasta obtener la consistencia similar a un lfquido y proporciona azucar(es) monomerico(s).
Se ha disenado el metodo que comprende: realizar una reaccion de explosion por vapor para producir una suspension que comprende material lignocelulosico; mezclar la suspension con materiales basados en alcali y agua en un primer transportador hasta que el pH promedio de la suspension es de desde aproximadamente 4,5 hasta 6,5, la temperatura promedio de la suspension es de desde aproximadamente 45 hasta 55 grados centfgrados (C), y la suspension tiene una consistencia (% en peso del peso de partfculas insolubles en comparacion con el peso total de la suspension) de desde aproximadamente el 10 hasta el 35%; transferir la suspension a un segundo transportador; anadir una primera parte de una disolucion de enzimas a la suspension en el segundo transportador, en el que la enzima se anade al transportador desde mas de una ubicacion dentro del segundo transportador; transferir la suspension a una mezcladora mediante una bomba de desplazamiento positivo; mezclar la suspension en una mezcladora a una velocidad de desde aproximadamente 400 hasta 4.000 rpm, durante aproximadamente de 0,05 a 200 segundos, en el que una segunda parte de la disolucion de enzimas se anade a la suspension durante dicho mezclado; transferir la suspension a un primer reactor para hacer que el material pase desde una viscosidad superior hasta una viscosidad inferior para crear un material sustancialmente lfquido, en el que el primer reactor es un recipiente conico invertido; y transferir el material sustancialmente lfquido a un segundo reactor para la licuacion adicional e hidrolisis enzimatica, en el que la temperatura de la suspension se mantiene a una temperatura de desde aproximadamente 45 hasta 55 grados desde justo antes de la adicion de la primera parte de la disolucion de enzimas y a lo largo de toda la duracion del procedimiento.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo de procedimiento del procedimiento global mediante el cual los materiales
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lignocelulosicos se mezclan con una o mas enzimas o disoluciones que contienen enzimas en una reaccion de hidrolisis enzimatica con el fin de producir azucares monomericos u otros subproductos utiles.
La figura 2 es un diagrama esquematico de un reactor que tiene una parte conica invertida superior y una parte cilfndrica inferior opcional.
La figura 3 es un grafico que ilustra el cambio en la viscosidad de la suspension durante la sacarificacion y el cambio en el rendimiento enzimatico durante la licuacion.
La figura 4 es un grafico que ilustra la caracterizacion de la reologfa durante la sacarificacion.
La figura 5 es un grafico que tambien ilustra la caracterizacion de la reologfa durante la sacarificacion.
La figura 6 es un grafico que ilustra adicionalmente la caracterizacion de la reologfa durante la sacarificacion.
La figura 7 es un diagrama de flujo que detalla etapas de una determinada realizacion a modo de ejemplo de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
La invencion dada a conocer en el presente documento puede usarse en un procedimiento para derivar, producir o extraer compuestos sencillos a partir de madera, pulpa, fibra, y similares, para su uso en otras aplicaciones tales como la produccion de combustible, incluyendo gas etanol. En otras realizaciones, la invencion puede aplicarse a reducir la viscosidad de material que contiene celulosa, viscoso, para facilitar el transporte del material para otros procedimientos. Ademas, la invencion puede realizarse para extraer monomeros de determinados compuestos a partir de materiales que contienen celulosa, tales como materiales lignocelulosicos. Ademas, la invencion puede aplicarse para hidrolizar enzimaticamente materiales lignocelulosicos previamente tratados con el fin de producir azucares monomericos.
La hidrolisis enzimatica en materiales lignocelulosicos presenta desaffos, especialmente con respecto a las interacciones entre las enzimas y los materiales lignocelulosicos (y sus derivados), y debido a las caracterfsticas ffsicas de las fibras, la mezcla monomerica/oligomerica, por ejemplo, la suspension, y las caracterfsticas reologicas de la misma del material lignocelulosico.
Existe una necesidad desde hace mucho tiempo de aumentar el rendimiento enzimatico durante la fase de licuacion de material lignocelulosico previamente tratado, y particularmente de aumentar el rendimiento enzimatico de una manera oportuna para tener un impacto positivo sobre la eficacia del procedimiento de licuacion, tal como acelerar el procedimiento de licuacion. Las enzimas son un tipo de catalizadores y, en determinados casos, las enzimas pueden funcionar reduciendo la energfa de activacion para una reaccion, aumentando por tanto la tasa a la que se producira la reaccion. Como resultado, pueden formarse productos mas rapidamente mediante el uso de enzimas.
Enzimas particulares solo pueden funcionar para “sustratos” o reactantes especfficos. En determinadas realizaciones de ejemplo, las enzimas usadas para catalizar la licuacion de los materiales lignocelulosicos pueden comprender celulasas o xilanasas.
En determinados casos, las celulasas son enzimas que catalizan la celulolisis, por ejemplo, la hidrolisis de celulosa. Hay varios tipos generales de celulasas. Las celulasas apropiadas para usarse como enzima dependen de la reaccion que va a catalizarse. Un ejemplo es la endocelulasa, que rompe enlaces internos para alterar la estructura cristalina de la celulosa y expone cadenas de polisacaridos de celulosa individuales. Otro ejemplo es la exocelulasa, que escinde 2-4 unidades de los extremos de las cadenas expuestas producidas mediante endocelulasa, dando como resultado los tetrasacaridos o disacarido tales como celobiosa. En determinadas realizaciones de ejemplo, hay dos tipos principales de exocelulasas (o celobiohidrolasas, abreviadas como CBH), un tipo funciona progresivamente desde el extremo reductor, y un tipo funciona progresivamente desde el extremo no reductor de la celulosa. Otro ejemplo no limitativo de una celulasa es la celobiasa o beta-glucosidasa, que hidroliza el producto de la exocelulasa para dar monosacaridos individuales. Todavfa un ejemplo no limitativo adicional de celulasas incluye celulasas oxidantes, que despolimerizan la celulosa mediante reacciones por radicales. Un ejemplo adicional de celulasas son las celulosa fosforilasas, que despolimerizan la celulosa usando fosfatos en lugar de agua. Esta lista de celulosas tiene unicamente fines ilustrativos, y no se pretende que sea limitativa. En determinadas realizaciones de ejemplo, puede usarse cualquier enzima basada en celulasa.
En otras realizaciones de ejemplo, puede usarse xilanasa ademas, o en lugar de, una celulasa. En determinados casos, la xilanasa puede referirse a una clase de enzimas que degradan el polisacarido lineal beta-1,4-xilano para dar xilosa, un azucar monomerico (por ejemplo, un monosacarido). En determinados casos de ejemplo, la xilanasa puede ayudar a descomponer la hemicelulosa. Sin embargo, esto no es limitativo y en determinadas realizaciones de ejemplo puede usarse cualquier enzima basada en xilanasa para cualquier fin o reaccion aplicable.
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En determinadas realizaciones de ejemplo, enzimas particulares solo pueden funcionar para “sustratos” o reactantes especfficos. Ademas, en determinados casos, algunas enzimas funcionan mejor en condiciones especfficas. En determinadas realizaciones de ejemplo, algunas enzimas pueden funcionar mejor (por ejemplo, permitir que la reaccion global se produzca mas rapido o en mayor grado) en un intervalo de temperatura particular, un intervalo de pH particular, o a una concentracion particular de reactantes.
En determinadas realizaciones de ejemplo, particularmente cuando se anade una enzima basada en celulasa o xilanasa a una suspension que comprende una mezcla de material lignocelulosico (y opcionalmente agua), la temperatura de la mezcla, y la temperatura a la que se produce la reaccion, se controla para estar en intervalos tales como 40 y 60 grados centfgrados (C), de 45 a 55 grados C, y de 48 a 50 grados C. En otras realizaciones de ejemplo, el pH de la mezcla puede controlarse a lo largo de toda la reaccion, por ejemplo, el procedimiento de licuacion para estar en intervalos tales como de aproximadamente 4 a 6, de aproximadamente 4,5 a 5,5, y de 5 a 6. En determinados ejemplos, estos intervalos de temperatura y pH pueden ser particularmente ventajosos en cuanto a que la enzima funciona “mejor” (por ejemplo, la reaccion/el procedimiento puede avanzar mas rapido o hasta un grado mas completo).
En determinadas realizaciones de ejemplo, la suspension que comprende material lignocelulosico previamente tratado puede resultar de un procedimiento de tipo explosion por vapor. En una realizacion de ejemplo de un procedimiento de este tipo mostrada en la figura 1, pueden impregnarse virutas de madera con templada o caliente (por ejemplo, por encima de la temperatura ambiente), a alta presion, de tal manera que el agua penetra en la estructura celular de las virutas de madera. Estos materiales 9 impregnados a alta presion se transferiran entonces a un ciclon o algun tipo de deposito que esta a una presion inferior (por ejemplo, presion sustancialmente atmosferica). En determinadas realizaciones de ejemplo, una transicion de este tipo desde alta presion hasta baja presion puede dar como resultado la vaporizacion de parte del agua. El ciclon 10 que contiene los materiales de la explosion por vapor puede tener respiraderos para liberar el vapor.
En determinadas realizaciones de ejemplo, tras haber sometido los materiales lignocelulosicos a un procedimiento de explosion por vapor, u otros metodos de tratamiento previo, se transfiere la suspension resultante a un ciclon 10. La suspension resultante de materiales lignocelulosicos estara a una temperatura elevada, de hasta aproximadamente 300 grados C, o un intervalo de 75 a 200 grados C, y de 100 a 200 grados C. En el ciclon 10, los materiales pueden permanecer a presion sustancialmente atmosferica en determinadas realizaciones de ejemplo.
En determinados casos, la consistencia (el porcentaje en peso de partfculas solidas insolubles en la mezcla que comprende esas partfculas y agua) de la suspension es de desde aproximadamente el 20 hasta el 50% (% en peso). En realizaciones de ejemplo adicionales, el pH de la suspension puede ser de desde aproximadamente 1 hasta 4 (y todos los subintervalos dentro del mismo). En determinadas realizaciones de ejemplo, puede necesitarse aumentar el pH de la suspension con el fin de que las condiciones sean mas ideales para la enzima. En realizaciones de ejemplo adicionales, puede necesitarse reducir la temperatura de la suspension con el fin de que este dentro del intervalo de temperatura que es mas ideal para el rendimiento de la enzima.
La figura 1 muestra una realizacion a modo de ejemplo para mezclar una enzima con suspension 9 basada en material lignocelulosico. En determinadas realizaciones de ejemplo, tras este procedimiento de explosion por vapor u otro tratamiento previo, la suspension 9 que comprende los materiales lignocelulosicos se transfiere desde un ciclon 10 o cualquier tipo de recipiente en el que se realizo el tratamiento previo a un primer transportador 12. La suspension 9 en el ciclon puede estar a una temperatura de aproximadamente 100 grados C (dentro de 15 grados con respecto a 100°C), tener un contenido en solidos del 40% en peso y tener un pH de 1 a 4. Desde el ciclon, la suspension 1 se transfiere al transportador 12. El primer transportador 12 puede ser un tornillo, o mas particularmente, un “tornillo de enfriamiento y ajuste del pH.” En este transportador 12, en determinados ejemplos, pueden alterarse la temperatura o el pH de la suspension, tal como se describio anteriormente, de tal manera que las condiciones se vuelven mas ideales para la enzima. En determinadas realizaciones de ejemplo, se reduce la temperatura de la suspension, y se aumenta el pH. Sin embargo, esto es unicamente ilustrativo, y puede no ser siempre asf dependiendo del pH o la temperatura de la mezcla durante o tras el tratamiento previo.
En determinadas realizaciones de ejemplo, mientras esta en el transportador 12, pueden anadirse materiales 3 de cambio del pH, tales como un material de alcali, o materiales 5 de cambio de la temperatura, tales como agua frfa, a la suspension con el fin de alterar el pH, o la consistencia o la temperatura de la suspension de tal manera que estos valores se encuentren dentro de los intervalos tal como se describieron anteriormente. Un sensor 11, tal como un sensor de temperatura, puede monitorizar la suspension descargada por el transportador 12 y proporcionar datos para ajustar el pH y la temperatura de la suspension en el transportador 12. En determinados ejemplos, los materiales 3 de cambio del pH pueden ser compuestos basados en alcali o los materiales 5 de cambio de la temperatura pueden ser agua frfa, por ejemplo, agua a una temperatura inferior a la temperatura inicial de la suspension. En otras realizaciones de ejemplo, si la temperatura de la suspension es demasiado alta, o el pH es demasiado alto, pueden anadirse materiales de cambio del pH y de la temperatura que comprenden compuestos acidos o agua caliente con el fin de alterar el pH o la temperatura de la suspension de tal manera que estos valores se encuentren dentro de los intervalos descritos anteriormente. En realizaciones de ejemplo adicionales, mientras esta en el primer transportador, se reduce la consistencia de la suspension hasta aproximadamente del 10 al 30%
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en peso, o hasta aproximadamente del 15 al 30%, o hasta aproximadamente del 18 al 25%.
Tras alterarse el pH, la temperatura, o la consistencia de la suspension mediante la adicion de materiales 3 de cambio del pH, por ejemplo, compuestos de alcali, y materiales 5 de cambio de la temperatura, por ejemplo, agua frfa, en el primer transportador 12 para que se encuentren dentro de un intervalo mas ideal o deseado para el rendimiento de la enzima, la suspension 1 puede transferirse a un segundo transportador 14 que tambien puede ser un transportador de tornillo. En este segundo transportador, una parte 7' de la disolucion 7 de enzimas puede pulverizarse o combinarse de otro modo con la suspension en el transportador 14. En algunos casos, la disolucion 7' de enzimas puede pulverizarse en el transportador mediante boquillas 15 de pulverizacion que estan uniformemente distribuidas a lo largo de todo el transportador. En otras realizaciones de ejemplo, la disolucion 7' de enzimas puede anadirse a la suspension mediante entradas 13 axiales (que pueden estar en ambos extremos del transportador) no mostradas en la figura 1, o entradas ubicadas en diversas posiciones separadas de manera irregular en el transportador 14 (tampoco mostradas en la figura 1).
Tras la adicion de la parte 7' de disolucion de enzimas a la suspension, la suspension (incluyendo la disolucion 7' de enzimas) puede transferirse a un recipiente 16. En determinadas realizaciones de ejemplo, la suspension permanecera en el recipiente 16 hasta anadir mas suspension al recipiente para las etapas de procesamiento restantes. El recipiente 16 puede ser un tanque intermedio. En otras realizaciones de ejemplo, la suspension puede transferirse directamente a una mezcladora 18, en vez de ir al recipiente 16. En algunos casos, puede usarse una bomba 17 de desplazamiento positivo, para transferir la suspension a la mezcladora 18 a traves de tuberfas 23. La bomba 17 de desplazamiento positivo puede ser una bomba de desplazamiento positivo de consistencia media. La bomba de desplazamiento positivo puede estar alternativamente en una tuberfa que se extiende directamente desde el transportador 14 hasta la mezcladora 18.
En determinadas realizaciones de ejemplo, cuando se transfiere la suspension a la mezcladora 18, la suspension tiene una viscosidad de mas de aproximadamente 15.000 mPas, mas particularmente una viscosidad de mas de aproximadamente 20.000 mPa s, y en determinados ejemplos, puede incluso tener una viscosidad de mas de aproximadamente 25.000 mPas.
La mezcladora 18 puede ser una mezcladora de consistencia media (MC) La parte 7” de disolucion de enzimas puede anadirse a la mezcladora 18 con la suspension. Alternativamente, una vez transferida la suspension a la mezcladora 18, la suspension puede mezclarse, y posteriormente puede anadirse la parte 7” de la disolucion 7 de enzimas a la suspension. En algunos casos, la disolucion 7” de enzimas puede anadirse antes de mezclar la suspension y la parte de disolucion de enzimas. En otras realizaciones de ejemplo, la disolucion 7” puede anadirse simultaneamente, o con posterioridad, al inicio del mezclado. En realizaciones de ejemplo adicionales, la disolucion 7” puede anadirse a la mezcladora 18 al mismo tiempo que se anade la suspension a la mezcladora 18 de tal manera que tanto la suspension como la parte 7” de disolucion de enzimas estan ambas presentes antes del inicio del mezclado.
En una realizacion a modo de ejemplo, la parte 7” de disolucion de enzimas y la suspension se anaden a la mezcladora 18 de manera sustancialmente simultanea, mientras que la mezcladora esta funcionando a velocidades de giro tales como velocidades en intervalos de 200 a 6.000 rpm (revoluciones por minuto), de 300 a 5.000 rpm, y de 400 a 4.000 rpm. La suspension y la parte 7” de enzimas pueden mezclarse durante determinados periodos predeterminados tales como periodos en intervalos de 0,05 a 500 segundos, de 0,1 a 300 segundos, y de 0,1 a 100 segundos. Mezclar la suspension y la parte 7” de disolucion de enzimas en la mezcladora 18 de esta manera y a las velocidades anteriormente comentadas puede dar ventajosamente como resultado una digestion mas rapida de las fibras en la suspension, sin degradar ni desnaturalizar significativamente las enzimas de la disolucion de enzimas.
Tras haber mezclado ambas partes 7' y 7” de enzimas en la suspension, entonces se transfiere la suspension, por ejemplo, se bombea, a otro recipiente 20. El recipiente 20 puede ser una mezcladora o reactor de alta consistencia. El recipiente 20 puede permitir una transicion mas suave desde un material muy viscoso hasta un material menos viscoso, o incluso un lfquido, en determinadas realizaciones de ejemplo.
La figura 2 muestra una realizacion a modo de ejemplo del recipiente 20. En determinadas realizaciones a modo de ejemplo, el recipiente 20 puede comprender un reactor y recipiente de mezclado que tiene una seccion 30 superior conica y una seccion 32 inferior cilfndrica. Estas secciones 30, 32 definen una camara de reaccion interna en la que la suspension se mezcla adicionalmente con la(s) enzima(s) y se hidroliza al menos parcialmente. La camara de reaccion interna del recipiente 20 puede tener un volumen de 20.000 metros cubicos; 25.000 metros cubicos o mas (o menos). La camara de reaccion puede tener un volumen sustancialmente mas grande que recipientes de mezclado/reactor discontinuos convencionales usados convencionalmente para mezclar una suspension altamente viscosa.
El recipiente incluye un arbol 36 giratorio que se extiende a lo largo del eje vertical del recipiente. El arbol se impulsa (se hace girar) mediante un conjunto 34 de motor y caja de engranajes, que puede montarse en la parte superior o de fondo del recipiente. El arbol 36 es coaxial a un eje vertical del recipiente y se extiende a lo largo de la altura del
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recipiente.
La suspension 24 previamente tratada que comprende materiales lignocelulosicos, enzimas y posiblemente otros componentes puede alimentarse de manera continua a una entrada 40 superior del recipiente 20. La suspension (incluyendo las enzimas) puede alimentarse como una mezcla al recipiente. En otras realizaciones, la suspension y partes adicionales de enzimas o disoluciones de enzimas pueden alimentarse por separado al recipiente 20. Si se desea, tambien puede introducirse suspension hidrolizada de baja viscosidad recirculada en la entrada 40 superior del recipiente 20.
La entrada 40 alimenta la suspension a una region estrecha de la seccion 30 superior conica. El fondo de la seccion inferior es adyacente a una salida 38 de descarga para la suspension parcial o sustancialmente hidrolizada que fluye continuamente al exterior del recipiente 20 a traves de la bomba 21 a otras unidades de procesamiento, tales como otro reactor.
En determinados casos, la suspension puede tener inicialmente una viscosidad de mas de aproximadamente 12.500 mPas (miliPascales por segundo), mas particularmente de mas de aproximadamente 15.000 mPas, e incluso de mas de aproximadamente 20.000 mPas, cuando la suspension llega por primera vez al recipiente 20. En determinadas realizaciones de ejemplo, la viscosidad de la suspension puede cambiar desde los valores altamente viscosos anteriormente mencionados hasta valores menos viscosos tales como menos de aproximadamente 5.000 mPa s, menos de aproximadamente 3.000 mPa s, y menos de aproximadamente 2.000 mPa s. En determinadas realizaciones de ejemplo, la suspension puede incluso volverse un lfquido.
La seccion 30 superior conica del recipiente 20 es estrecha en la entrada 40 que recibe la suspension altamente viscosa que entra en el recipiente. Aunque la alta viscosidad de la suspension aumenta el par motor inicial necesario para hacer girar el dispositivo de mezclado, el par motor se reduce debido a los brazos 42 de mezclado cortos en la parte superior estrecha. La suspension puede volverse menos viscosa a medida que se mueve hacia abajo a traves del recipiente. La reduccion de la viscosidad reduce la demanda de par motor para hacer girar los brazos de mezclado, en determinadas realizaciones de ejemplo. Los brazos en las partes inferiores de la seccion 42” conica superior son mas largos que los brazos 42' superiores. Los brazos mas largos requieren mas par motor para girar a traves de la suspension. Los efectos combinados de la reduccion de la viscosidad de la suspension y los brazos mas largos dan como resultado requisitos de par motor aceptables para el dispositivo de mezclado en la seccion conica superior. Al mismo tiempo permite un recipiente 20 de capacidad relativamente grande.
La parte 32 cilfndrica inferior del recipiente 20 puede tener pata 42” y brazos de mezclado de longitud uniforme. Un dispositivo 36 alargado o de descarga en el fondo del recipiente se descarga desde el recipiente.
En determinadas realizaciones de ejemplo, el procedimiento de reducir la viscosidad de la suspension en el recipiente 20 puede requerir ciertos periodos predeterminados en un intervalo de aproximadamente 5 a 2000 minutos (min), de aproximadamente 10 a 1000 min, y de aproximadamente 10 a 600 min (y todos los intervalos entre los mismos).
Tal como se muestra en la figura 1, tras haberse vuelto la suspension un lfquido en el recipiente 20, puede usarse una bomba 21 para transferir el lfquido a otro reactor 22 en el que puede tener lugar licuacion adicional o hidrolisis enzimatica adicional, en determinadas realizaciones de ejemplo. La bomba 21 usada para transferir el lfquido al reactor 22', 22”, 22”' puede ser una bomba centrffuga o de desplazamiento positivo en determinadas realizaciones de ejemplo. En realizaciones de ejemplo adicionales, el reactor 22 puede ser un reactor de hidrolisis enzimatica. En algunos casos, puede tener lugar una hidrolisis enzimatica sustancialmente completa en uno o mas reactores 22', 22”, 22”', cada uno con dispositivos de mezclado giratorios. El producto 44 descargado de los reactores 22', 22”, 22”' puede ser una suspension licuada del material celulosico tras la hidrolisis enzimatica.
En determinadas realizaciones de ejemplo, los productos 44 del procedimiento de hidrolisis enzimatica pueden incluir azucares, tales como azucares monomericos. Estos productos pueden bombearse mediante bombas 46 de desplazamiento positivo para usarse en una amplia variedad de campos o usos. Los productos 44 pueden usarse para producir etanol, o cualquier otro producto qufmico de valor anadido.
Aunque la temperatura o el pH de la suspension pueden fluctuar ligeramente a lo largo del procedimiento de hidrolisis, resulta ventajoso que la temperatura permanezca por debajo de aproximadamente 50 grados C, y el pH permanezca en el intervalo de aproximadamente 5 a 6, con el fin de aumentar el rendimiento enzimatico, en determinadas realizaciones de ejemplo.
La figura 3 es un grafico que ilustra el cambio en la viscosidad y la sacarificacion enzimatica de una premezcla de PCS en una mezcladora Quantum a dos velocidades diferentes. Los datos en la figura 3 indican que la viscosidad de una suspension que contiene material celulosico disminuye rapidamente durante la sacarificacion enzimatica y el rendimiento enzimatico aumenta de manera relativamente lenta en comparacion con la disminucion de la viscosidad. La figura 3 respalda el uso de un primer reactor conico invertido para mezclar un material celulosico y enzima durante un periodo relativamente corto, por ejemplo, de 0,5 horas a 1,5 horas, mientras que la viscosidad del
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material es alta. El primer reactor conico invertido es adecuado para mezclar un material que tiene una viscosidad que se reduce rapidamente porque la region superior del primer reactor conico tiene brazos de mezclado relativamente cortos adaptados para mezclar un material altamente viscoso y los brazos se alargan progresivamente en un sentido descendente del recipiente que corresponde a la reduccion de la viscosidad del material.
La figura 4 es un grafico que ilustra la caracterizacion de la reologfa de forraje de mafz previamente tratado durante la sacarificacion a una mezcla inicial de 50 hz (2000 rpm) y 10 segundos. La figura 4 muestra que la viscosidad (mPa*s) del forraje de mafz se reduce mezclando el forraje durante la sacarificacion enzimatica a velocidades de giro por encima de 20 rpm, y tras la mezcla inicial de sacarificacion enzimatica.
La figura 5 es un grafico que ilustra la caracterizacion de la reologfa de forraje de mafz previamente tratado durante la sacarificacion a una mezcla inicial de 35 hz (1400 rpm) y 10 segundos. La figura 5 muestra que la viscosidad (mPa*s) del forraje de mafz se reduce mezclando el forraje durante sacarificacion enzimatica a velocidades de giro por encima de 20 rpm, y tras la mezcla inicial de sacarificacion enzimatica.
La figura 6 es un grafico que ilustra la caracterizacion de la reologfa de forraje de mafz previamente tratado durante la sacarificacion a una mezcla inicial de 50 hz (2000 rpm) y 10 segundos, y despues mezclando de manera continua a 200 rpm. La figura 6 muestra que la viscosidad (mPa*s) del forraje de mafz se reduce mezclando el forraje durante la sacarificacion enzimatica a velocidades de giro por encima de 20 rpm, y tras la mezcla inicial de sacarificacion enzimatica.
La figura 7 ilustra un metodo de ejemplo para la licuacion segun un aspecto de esta invencion. Se proporciona una suspension que comprende materiales lignocelulosicos. Se alteran la temperatura, el pH y la consistencia de la suspension hasta que se encuentran dentro de un intervalo particular lo mas adecuado para una enzima o disolucion de enzimas particular. Tras alcanzar la temperatura, el pH y la consistencia deseados, se anaden partes de una disolucion de enzimas a la suspension, y se mezcla la suspension en diferentes fases hasta que su viscosidad se reduce de tal manera que se vuelve un lfquido. La suspension experimenta una reaccion de hidrolisis enzimatica. La hidrolisis enzimatica de la suspension puede producir azucares monomericos.
Este metodo de ejemplo comprende: realizar una reaccion de explosion por vapor para producir una suspension que comprende material lignocelulosico en la etapa S1. Mezclar la suspension con materiales basados en alcali y agua en un primer transportador hasta que el pH promedio de la suspension es de desde aproximadamente 4,5 hasta 6,5, la temperatura promedio de la suspension es de desde aproximadamente 45 hasta 55 grados C, y la suspension tiene una consistencia (% en peso de partfculas insolubles en comparacion con el peso total de la suspension) de desde aproximadamente el 10 hasta el 35% en la etapa S2. Transferir la suspension a un segundo transportador en la etapa S3. Anadir una primera parte de una disolucion de enzimas a la suspension en el segundo transportador, en el que la enzima se anade al transportador desde mas de una ubicacion dentro del segundo transportador en la etapa S4. Transferir la suspension a una mezcladora mediante una bomba de desplazamiento positivo en la etapa S5. Mezclar la suspension en una mezcladora a una velocidad de desde aproximadamente 400 hasta 4.000 rpm, durante aproximadamente de 0,05 a 200 segundos, en el que se anade una segunda parte de la disolucion de enzimas a la suspension durante dicho mezclado en la etapa S6. Transferir la suspension a un primer reactor para hacer que el material pase desde una viscosidad superior hasta viscosidad inferior para crear un material sustancialmente lfquido, en el que el primer reactor es un recipiente conico invertido en la etapa S7. Transferir el material sustancialmente lfquido a un segundo reactor para la licuacion adicional e hidrolisis enzimatica, en el que la temperatura de la suspension se mantiene a una temperatura de desde aproximadamente 45 hasta 55 grados C desde justo antes de la adicion de la primera parte de la disolucion de enzimas y a lo largo de toda la duracion del procedimiento, en la etapa S8.
Bibliograffa
Documento WO-A1-2005/118828 Documento WO-A1-2009/046524 Documento WO-A1-2011/080154 Documento WO-A2-2009/045651
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Claims (12)
- REIVINDICACIONES1. Metodo para tratar un material lignocelulosico de manera continua, que comprende:5 realizar una reaccion de explosion por vapor en el material lignocelulosico para producir una suspension (9)que incluye el material lignocelulosico;anadir un material (3) de alcali a la suspension (9) en un primer transportador (12), en el que el material (3) de alcali aumenta el pH promedio de la suspension (9) que pasa a traves del primer transportador (12);10transferir la suspension (9) con el material (3) de alcali desde el primer transportador (12) hasta un segundo transportador (14);anadir una primera parte (7') de una disolucion (7) de enzimas a la suspension (9) mientras esta en, 15 entrando en, o en la descarga del, segundo transportador (14);transferir la suspension (9) con la disolucion (7) de enzimas desde el segundo transportador (14) hasta una mezcladora (18);20 mezclar la suspension (9) en la mezcladora (18), en el que una segunda parte (7”) de la disolucion (7) deenzimas se anade a la suspension (9) durante el mezclado, transferir la suspension (9) con la disolucion (7) de enzimas desde la mezcladora (18) hasta un primer reactor, ysometer la suspension (9) en el primer reactor a hidrolisis enzimatica, en el que la viscosidad de la 25 suspension (9) se reduce en el primer reactor.
- 2. Metodo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas descargar la suspension (9) como materialsustancialmente lfquido desde el primer reactor y transferir la suspension (9) hasta un segundo reactor (22) para una hidrolisis enzimatica adicional, en el que el primer reactor es un primer recipiente (20) de reactor30 que tiene una seccion (30) superior que incluye una pared exterior troncoconica y un area de secciontransversal que se expande en un sentido descendente.
- 3. Metodo segun la reivindicacion 1 o 2, que comprende ademas mantener la temperatura de la suspension (9) en un intervalo de aproximadamente 45 a 55 grados C desde la adicion de la primera parte (7') de la35 disolucion (7) de enzimas hasta al menos una descarga desde el primer o el segundo reactor (22).
- 4. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el primer reactor es un primer recipiente(20) de reactor que incluye una entrada (40) superior que recibe la suspension (9) con disolucion (7) de enzimas y una seccion (30) superior que tiene una forma conica con un area de seccion transversal que se40 expande en un sentido descendente, y la seccion (30) superior incluye una mezcladora giratoria interna conbrazos (42', 42”) giratorios que se extienden radialmente hacia fuera desde un arbol (36) axial orientado verticalmente, siendo los brazos (42', 42”) sucesivamente mas largos a medida que aumenta el area de seccion transversal de la seccion (30) superior.45 5. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la suspension (9) con el material (3) dealcali en el primer transportador (12) tiene un pH promedio en un intervalo de aproximadamente 4,5 a 6,5, una temperatura promedio en un intervalo de aproximadamente 45 a 55 grados centfgrados (C), y una consistencia en un intervalo de aproximadamente el 10 al 35% en peso en el que el % en peso se basa en el peso de partfculas insolubles en la suspension (9) y el peso total de la suspension (9).50
- 6. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la primera parte (7') de la disolucion (7) de enzimas se anade a la suspension (9) en una pluralidad de ubicaciones dentro del segundo transportador (14), por ejemplo entradas (13) para inyeccion de enzimas que estan igualmente separadas en una pluralidad de ubicaciones a lo largo de una longitud longitudinal de un tornillo del segundo transportador55 (14).
- 7. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la mezcladora (18) incluye un dispositivo de mezclado que gira dentro de la mezcladora (18) a una velocidad en un intervalo de aproximadamente 400 a 4.000 revoluciones por minuto (rpm).60
- 8. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la suspension (9) se retiene en la mezcladora (18) tan solo durante un periodo en un intervalo de aproximadamente 0,05 a 200 segundos.
- 9. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la suspension (9) se transfiere desde el65 segundo transportador (14) hasta la mezcladora (18) mediante una bomba (17) de desplazamiento positivo.5 11.
- 12.10152025303540
- 13.45
- 14. 50
- 15.Metodo segun la reivindicacion 9, que comprende ademas retener temporalmente la suspension (9) desde el segundo transportador (14) en un tanque (16) intermedio y bombear la suspension (9) desde el tanque (16) intermedio mediante la bomba (17) de desplazamiento positivo hasta la mezcladora (18).Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el mezclado en el primer transportador (12) enfrfa y aumenta el pH de la suspension (9) en comparacion con las condiciones de la suspension (9) que entra en el primer transportador (12).Sistema para licuar de manera continua un material lignocelulosico que comprende:un reactor de explosion por vapor que recibe el material lignocelulosico saturado con agua, que somete el material a una rapida liberacion de presion para provocar una reaccion de explosion por vapor y que descarga una suspension (9) que comprende el material lignocelulosico tras la reaccion de explosion por vapor;un primer transportador (12) de tornillo en comunicacion de fluido con una descarga del reactor de explosion por vapor, incluyendo el primer transportador (12) de tornillo un tornillo giratorio a traves del cual pasa la suspension (9) descargada desde el reactor de explosion por vapor, y una entrada a traves de la cual se inyecta un material (3) basado en alcali en la suspension (9) que pasa a traves del primer transportador (12) de tornillo;un segundo transportador (14) de tornillo en comunicacion de fluido con una descarga de la suspension (9) desde el primer transportador (12) de tornillo, en el que el segundo transportador (14) de tornillo incluye un tornillo giratorio a traves del cual pasa la suspension (9) desde el primer transportador (12) de tornillo y una pluralidad de entradas (13) para inyectar una primera parte (7') de una disolucion (7) de enzimas en la suspension (9) en el segundo transportador de tornillo, en el que las entradas (13) para la inyeccion de enzimas estan preferiblemente separadas por igual en una pluralidad de ubicaciones a lo largo de una longitud longitudinal de un tornillo del segundo transportador (14) de tornillo;una mezcladora (18) en comunicacion de fluido con una descarga del segundo transportador (14) de tornillo, en el que la mezcladora (18) incluye un dispositivo de mezclado que gira a una velocidad de aproximadamente 400 a 4.000 rpm, y la mezcladora (18) retiene la suspension (9) desde el segundo transportador (14) de tornillo durante aproximadamente de 0,05 a 200 segundos, y el dispositivo de mezclado incluye una entrada a traves de la cual se anade una segunda parte (7”) de la disolucion (7) de enzimas a la suspension (9) durante el mezclado; yun primer reactor para hacer que la suspension (9) con la disolucion (7) de enzimas pase desde una viscosidad superior hasta una viscosidad inferior para crear un material sustancialmente lfquido, en el que el primer reactor es un primer recipiente (20) de reactor que incluye una seccion (30) superior que tiene una pared exterior troncoconica, un area de seccion transversal que se expande en un sentido descendente, y un dispositivo de mezclado con brazos (42', 42”) radiales giratorios que son progresivamente mas largos en un sentido descendente a traves de la seccion (30) superior.Sistema segun la reivindicacion 12, en el que el primer recipiente (20) de reactor incluye un fondo abierto, y el segundo reactor esta inmediatamente por debajo del primer recipiente (20) de reactor e incluye una pared exterior cilfndrica y una parte superior abierta conectada al fondo abierto del primer recipiente (20) de reactor.Sistema segun la reivindicacion 12, en el que el segundo reactor (22) incluye una pluralidad de segundos recipientes (22, 22”, 22”') de reactor que reciben cada uno la suspension (9).Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, que comprende ademas un tanque (16) intermedio que retiene temporalmente la suspension (19) desde el segundo transportador (14) y que descarga la suspension (19) a una bomba (17) de desplazamiento positivo.
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