ES2576485T3 - Procesamiento de biomasa - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento que comprende: la fermentación de un azúcar de bajo peso molecular que utiliza un microorganismo fermentativo, en presencia de biomasa fibrosa oxidada, para un producto que no sea un azúcar, y donde el método comprende producir la biomasa fibrosa oxidada utilizando radiación ionizante en un entorno oxidante, sonicación en un entorno oxidante o pirólisis oxidativa antes de la mezcla con el azúcar de bajo peso molecular.

Description

DESCRIPCION
Procesamiento de biomasa 5 CAMPO TECNICO
Esta invencion se refiere al procesamiento de biomasa y productos hechos a partir de la misma.
ANTECEDENTES
10
Diferentes hidratos de carbono, tales como materiales celulosicos y lignocelulosicos, p. ej., en forma fibrosa, se producen, procesan y usan en grandes cantidades en una serie de aplicaciones. A menudo dichos materiales se usan una vez y despues se descartan como residuos, o simplemente se consideran materiales de desecho, p. ej., aguas residuales, bagazo, serrrn y rastrojos.
15
Se han descrito diferentes materiales celulosicos y lignocelulosicos, sus usos y aplicaciones en las patentes de EE. UU. n° 7.307.108, 7.074.918, 6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 y 5.952.105; y diferentes solicitudes de patente, incluyendo "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES," PCT/US2006/010648, presentada el 23 de marzo, 2006, y "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES," publicacion de solicitud de patente de EE. UU. n° 20 2007/0045456.
Debido a que los materiales celulosicos y lignocelulosicos estan disponibles de forma tan amplia, y los materiales celulosicos y lignocelulosicos de desecho deben ser eliminados, sena ventajoso darles un buen uso a dichos materiales. Se ha considerado el uso de los materiales celulosicos y lignocelulosicos para hacer biocombustibles 25 tales como etanol, pero todavfa no se ha implementado comercialmente a gran escala.
Petersson et al (Biomass and Bioenergy 31 (2007), 812-819) describe la produccion potencial de bioetanol y biogas mediante biomasa lignocelulosica de centeno de invierno, colza y habas.
30 Felby et al (ACS Symposium Series, American Chemical Society/Oxford University Press, EE. UU., vol. 855, 1 de enero de 2003, pag. 157-174) desvela la produccion de etanol a partir de celulosa de paja de trigo mediante pretratamiento de oxidacion humeda y sacarificacion y fermentacion simultaneas.
Garde et al (Bioresource Technology, 81(2002), 217-223) desvela la produccion de acido lactico a partir de 35 hidrolizado de hemicelulosa de paja de trigo mediante Lactobacillus pentosus y Lactobacillus brevis.
Kopsahelis et al (Bioresource Technology, 98(2007), 1440-1447) describe el estudio comparativo de los bagazos y bagazos deslignificados como apoyo de la levadura para la produccion de alcohol a partir de melaza.
40 Agouridis et al (J. Agric. Food Chem. 2005, 53, 2546-2551) desvela la fermentacion malolactica en el vino con celulas de Lactobacillus casei inmovilizadas en material celulosico deslignificado.
Van Zyl et al (Adv Biochem Engin/Biotechnol (2007), 108:205-235) describe el bioprocesamiento consolidado para la produccion de bioetanol usando Saccharomyces cerevisiae.
45
Zhang et al (Ind. Eng. Chem. Res 2005, 44, 9279-9285) desvela la caracterizacion del desarrollo de acido carboxflico de fibra durante la deslignificacion con oxfgeno de una etapa.
US 4.769.082 describe un metodo de pretratamiento en la sacarificacion y fermentacion de los recursos de celulosa 50 de residuos.
RESUMEN
En general, los materiales que contienen carbohidratos (por ejemplo, materiales de biomasa o materiales derivados 55 de biomasa) se describen en la presente memoria, por ejemplo materiales amilaceos, materiales celulosicos, materiales lignocelulosicos, o los materiales de biomasa que son o que incluyen cantidades significativas de azucares de bajo peso molecular (por ejemplo, monosacaridos, disacaridos, o trisacaridos) y metodos para hacer y procesar tales materiales con el fin de cambiar su estructura, por ejemplo, funcionalizar estos materiales con uno o mas tipos deseados y cantidades de grupos funcionales. Los productos hechos de los materiales estructuralmente 60 cambiados tambien se describen. Por ejemplo, muchos de los metodos que se describen aqrn pueden proveer
materiales celulosicos y/o lignocelulosicos que tienen un menor peso molecular y/o cristalinidad con relacion a un material nativo. Muchos de los metodos proveen materiales que pueden ser utilizados mas facilmente por una variedad de microorganismos para hacer productos utiles, como por ejemplo hidrogeno, alcoholes (por ejemplo, etanol o butanol), acidos organicos (por ejemplo, acido acetico), hidrocarburos, subproductoss (por ejemplo, 5 protemas) o mezclas de cualquiera de los mismos.
En algunos aspectos, la biomasa funcionalizada es mas soluble y es usada mas facilmente por microorganismos en comparacion con biomasa que no se ha funcionalizado. Ademas, muchos materiales funcionalizados descritos en la presente memoria tienen menos tendencia a la oxidacion y pueden tener estabilidad a largo plazo mejorada (p. ej., 10 oxidacion al aire en condiciones ambientales). Muchos de los productos obtenidos, tales como etanol o n-butanol, se pueden usar como un combustible para alimentar coches, camiones, tractores, barcos o trenes; p. ej., como combustible de combustion interna o como materia prima para pila de combustible. Muchos de los productos obtenidos tambien se pueden usar para alimentacion de aeronaves, tales como aviones, p. ej., los que tienen motores a reaccion o helicopteros. Ademas, los productos descritos en la presente memoria se pueden usar para la 15 generacion de energfa electrica, p. ej., en una instalacion de generacion de vapor convencional o en una instalacion de pila de combustible.
Otro aspecto de la invencion tal como se define en las reivindicaciones deriva de la comprension de que la adicion de biomasa, tal como un material celulosico o lignocelulosico funcionalizado, a una mezcla que incluye un azucar de 20 bajo peso molecular, puede facilitar la conversion del azucar de bajo peso molecular en un producto, tal como un combustible tal como etanol. Los autores de la invencion han encontrado que incluyendo la biomasa en una mezcla con un azucar de bajo peso molecular, un disolvente o sistema disolvente y un microorganismo, mejora significativamente el rendimiento de un producto obtenido por conversion del azucar, por ejemplo un alcohol tal como etanol, en algunos casos sin conversion o reduccion drastica de la propia biomasa. La inclusion de la biomasa 25 tambien puede prevenir la conversion de producto incompleta, lenta o “bloqueada”, p. ej., por fermentacion.
La propia biomasa puede no convertirse en sf misma en el producto (tal como etanol), o puede convertirse parcial o totalmente en el producto junto con el azucar de bajo peso molecular.
30 En aspectos donde la biomasa es convertida parcialmente, el area de superficie y la porosidad de la biomasa se incrementa en relacion con el area de superficie y la porosidad de la biomasa inicial, lo cual puede incrementar ventajosamente la velocidad de conversion del azucar de bajo peso molecular al producto.
En algunos casos, la biomasa puede ser remanentes de un material celulosico o lignocelulosico que se ha 35 sacarificado, p. ej., lignina y/u otros materiales que quedan despues de convertir la celulosa en azucar.
Por lo tanto, en un aspecto, la descripcion presenta un metodo que incluye convertir un azucar de bajo peso molecular, o un material que incluye un azucar de bajo peso molecular, en una mezcla con una biomasa, un microorganismo, y un disolvente o un sistema disolvente, p. ej., agua o una mezcla de agua y un disolvente 40 organico, en un producto, por ejemplo, distinto de azucar. Los ejemplos de disolventes o sistemas disolventes incluyen agua, hexano, hexadecano, glicerol, cloroformo, tolueno, acetato de etilo, eter de petroleo, gas licuado del petroleo (GLP), lfquidos ionicos y mezclas de los mismos. El disolvente o sistema disolvente puede estar en forma de una sola fase o dos o mas fases. La biomasa puede estar, p. ej., en forma fibrosa.
45 En algunos casos, el tener presente un material de biomasa (p. ej., tratado por cualquier metodo descrito en la presente memoria o sin tratar) durante la produccion de un producto, tal como etanol, puede potenciar la tasa de produccion del producto. Sin querer estar ligados por ninguna teona particular, se cree que tener un solido presente, tal como un solido de superficie espedfica alta y/o porosidad alta, puede aumentar las tasas de reaccion aumentando la concentracion eficaz de los solutos y proporcionando un sustrato sobre el que producirse las 50 reacciones.
Por ejemplo, se puede anadir un material de biomasa irradiado o no irradiado, p. ej., una fibra de papel, a un procedimiento de fermentacion, tal como durante una fermentacion de mafz-etanol o una fermentacion de extracto de cana de azucar, para aumentar la tasa de produccion en 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100 por ciento o mas, p. ej., 55 150 por ciento. El material de biomasa puede tener una superficie espedfica alta, alta porosidad, y/o baja densidad aparente. En algunas realizaciones, la biomasa esta presente en la mezcla de aproximadamente 0,5 por ciento a aproximadamente 50 por ciento en peso, tal como entre aproximadamente 1 por ciento en peso y aproximadamente 25 por ciento en peso, o entre aproximadamente 2 por ciento en peso y aproximadamente 12,5 por ciento en peso. En otras realizaciones, la biomasa esta presente en cantidades mayores de aproximadamente 0,5 por ciento en 60 peso, tales como mayores de aproximadamente 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o incluso mayor de aproximadamente 10 por
ciento en peso. Por ejemplo, en algunas realizaciones, un material oxidado, tratado con ultrasonidos, explotado con vapor y/o pirolizado, tal como una fibra de algodon o papel, se puede anadir a un proceso de fermentacion de azucar de bajo peso molecular, por ejemplo, para intensificar la velocidad de fermentacion y rendimiento.
5 Debido a que el material de biomasa no es consumido el mismo durante el procedimiento de conversion, el material de biomasa se puede reutilizar en procedimientos de multiples lotes, o se puede usar de forma continua para la produccion de un volumen relativamente grande del producto.
Algunas implementaciones incluyen una o mas de las siguientes caractensticas.
10
La biomasa puede comprender un material fibroso. La conversion puede incluir permitir que el microorganismo convierta al menos una parte del azucar de bajo peso molecular en etanol. A partir del ejemplo, la conversion puede comprender fermentacion. Los microorganismos pueden comprender una levadura, p. ej., seleccionada del grupo que consiste en S. cerevisiae y P. stipitis, o una bacteria tal como Zymomonas mobilis. La conversion puede 15 presentar un porcentaje de rendimiento de al menos 140%, en algunos casos al menos 170%.
El metodo puede ademas incluir la irradiacion de la biomasa fibrosa antes de la mezcla, p. ej., con radiacion ionizante, p. ej., con una dosis total de al menos 5 Mrad. La irradiacion se puede llevar a cabo usando un haz de partfculas. La irradiacion se puede llevar a cabo en condiciones seleccionadas para reducir el peso molecular de la 20 biomasa.
La biomasa puede tener una densidad aparente de menos de aproximadamente 0,5 g/cm3. La biomasa puede tener una superficie espedfica BET mayor que 0,25 m2/g y/o una relacion de longitud a diametro de al menos 5. La biomasa puede tener una porosidad mayor que 50%, p. ej., mayor que 70%.
25
El metodo puede incluir ademas preparar la biomasa ffsicamente, p.ej., por cizalladura, o reduciendo el tamano de la biomasa con muela abrasiva, corte o desgarro mecanico, trituracion por rectificadora, o molienda por abrasion con aire. La biomasa puede tener fibras internas, y se puede haber cizallado en una extension tal que sus fibras internas esten sustancialmente expuestas.
30
La biomasa puede ser o incluir un material celulosico o lignocelulosico. Por ejemplo, la biomasa se puede seleccionar del grupo que consiste en papel, productos de papel, residuos de papel, madera, tableros de partfculas, serrrn, residuos agncolas, aguas residuales, ensilado, hierbas, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, rastrojo de mafz, mijos, alfalfa, heno, cascaras de arroz, fibra de 35 coco, algodon, algas marinas, algas, y mezclas de los mismos.
El metodo puede incluir ademas someter la biomasa a hidrolisis enzimatica, y en algunos casos, convertir el material hidrolizado al producto.
40 En otro aspecto, la invencion caracteriza un metodo para disolver un material celulosico o lignocelulosico, comprendiendo el metodo combinar un material celulosico o lignocelulosico con un sistema de disolventes comprendiendo DMSO y una sal.
Los sistemas de disolventes para materiales celulosicos y lignocelulosicos incluyen sistemas de DMSO-sal. Tales 45 sistemas incluyen, por ejemplo, DMSO en combinacion con una sal de litio, magnesio, potasio, sodio o cinc. Las sales de litio incluyen LiCI, LiBr, Lil, perclorato de lito y nitrato de litio. Las sales de magnesio incluyen nitrato de magnesio y cloruro de magnesio. Las sales de potasio incluyen yoduro y nitrato de potasio. Ejemplos de sales de sodio incluyen yoduro de sodio y nitrato. Ejemplos de sales de cinc incluyen cloruro y nitrato de cinc. Cualquier sal puede ser anhidra o hidratada. Las cargas tfpicas de la sal en DMSO estan ente aproximadamente 1 y 50 aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 2 y 25, entre aproximadamente 3 y 15 o entre aproximadamente 4 y 12,5 por ciento en peso.
En otras implementaciones, la sal puede ser una sal de fluoruro, por ejemplo, fluoruro de tetrabutil amonio. El metodo puede incluir ademas irradiar el material celulosico o lignocelulosico. El material celulosico o lignocelulosico 55 se puede seleccionar del grupo que consiste en papel, productos de papel, residuos de papel, madera, tableros de partfculas, serrrn, residuos agncolas, aguas residuales, ensilado, hierbas, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, rastrojo de mafz, mijos, alfalfa, heno, cascaras de arroz, fibra de coco, algodon, algas marinas, algas, y mezclas de los mismos. En algunos casos, el material celulosico o lignocelulosico tiene una densidad en masa de menos de aproximadamente 0,5 g/cm3 (antes de la adicion al sistema 60 de solventes) y una porosidad de al menos 50%.
En la presente memoria se describen materiales que incluyen una pluralidad de unidades de sacaridos dispuestos en una cadena molecular, donde aproximadamente 1 de cada 2 a aproximadamente 1 de cada 250 unidades de sacarido incluyen un grupo acido carbox^lico, o un ester o sal del mismo. En otro aspecto, los materiales incluyen 5 una pluralidad de dichas cadenas moleculares. Por ejemplo, aproximadamente 1 de cada 8, 1 de cada 10, 1 de cada 50 o 1 de cada 100 unidades de sacarido de cada cadena puede incluir un grupo acido carboxflico, o un ester o sal del mismo. En algunas realizaciones, las unidades de sacarido pueden incluir unidades de sacaridos de 5 o 6 carbonos. Cada cadena puede tener entre aproximadamente 10 y aproximadamente 200 unidades de sacarido, p. ej., entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100 o entre aproximadamente 10 y aproximadamente 50. Por 10 ejemplo, cada cadena puede incluir hemicelulosa o celulosa. En algunas realizaciones, cada cadena tambien incluye unidades de sacarido que incluyen grupos nitroso, nitro o nitrilo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio de los materiales con respecto a los patrones de PEG pueden ser de aproximadamente 1.000 a aproximadamente 1.000.000, tal como entre 1.500 y 200.000 o 2.000 y 10.000. Por 15 ejemplo, el peso molecular medio de los materiales con respecto a los patrones de PEG puede ser menor de aproximadamente 10.000.
Los metodos para cambiar una estructura molecular y/o supramolecular de una materia prima de biomasa se describen en la presente memoria, que incluyen 1) irradiar la materia prima de biomasa con radiacion, tal como 20 fotones, electrones o iones de suficiente energfa para ionizar la materia prima de biomasa, para proporcionar un primer nivel de radicales, por ejemplo, los cuales son detectables con un espectrometro de resonancia de espin de electrones; 2) extinguir los radicales a un grado en que los radicales estan a un segundo nivel menor que el primer nivel, de manera que a un nivel que ya no es detectable con el espectrometro de resonancia de espin de electrones, por ejemplo, tal como a un nivel menor que aproximadamente 1014 espines; y 3) procesar la materia prima de 25 biomasa irradiada para producir un producto. Si se desea, antes de la irradiacion y/o despues de la irradiacion, la materia prima de biomasa puede ser preparada reduciendo una o mas dimensiones de piezas individuales de la materia prima de biomasa.
En algunas implementaciones, el paso de procesamiento incluye hacer un producto, tal como un combustible, tal 30 como un combustible, tal como un motor, un combustible de aviacion o un combustible de celda de combustible, por ejemplo, para generar electricidad, convertiendo la materia prima de biomasa irradiada con un microorganismo con capacidad para convertir al menos una porcion, por ejemplo, al menos aproximadamente 1 por ciento en peso, de la biomasa al producto.
35 En algunas realizaciones, la irradiacion es realizada sobre la materia prima de biomasa mientras que la materia prima de biomasa es expuesta a aire, nitrogeno, oxfgeno, helio o argon. En algunas realizaciones, el pretratamiento puede incluir pretratar la materia prima de biomasa con explosion de vapor.
En algunas realizaciones, el metodo incluye ademas reducir una o mas dimensiones de piezas individuales de 40 biomasa, por ejemplo, mediante corte transversal, molienda humeda o seca, corte, estrujado, compresion o mezclas de cualquiera de estos procesos. Por ejemplo, la cizalladura se puede llevar a cabo con una cortadora de cuchillas rotativas. El cote transversal puede producir fibras teniendo una proporcion promedio de longitud-a-diametro mayor que 5/1 o al menos 5. En algunas realizaciones, la biomasa preparada puede tener un area de superficie BET mayor que 0,25 m2/g. En algunos casos, la biomasa tiene fibras internas, y la biomasa puede ser cortada a un grado en que 45 las fibras internas de la biomasa resultan substancialmente expuestas. La biomasa puede ser cortada a un grado que tenga una densidad en masa de menos de aproximadamente 0,35 g/cm3.
En algunas realizaciones, el proceso no incluye hidrolizar la biomasa con un acido o una base. Por ejemplo, al menos aproximadamente 70 por ciento en peso de la biomasa puede ser no hidrolizado, p. ej. al menos 95 por 50 ciento en peso de la biomasa es un material no hidrolizado. En realizaciones espedficas, substancialmente nada de la biomasa ha sido hidrolizada.
En algunas realizaciones, la irradiacion es realizada sobre biomasa, en la cual menos de aproximadamente 25 por ciento en peso de la biomasa es humectada con un lfquido, tal como agua. De manera espedfica, en algunas 55 realizaciones, al menos un metodo de pretratamiento es realizado en biomasa, en la cual substancialmente nada de la biomasa es humectada con un lfquido, tal como agua. La biomasa puede tener, por ejemplo, menos de aproximadamente cinco por ciento en peso de agua retenida, medida a 25 °C y un cincuenta por ciento de humedad relativa.
60 En algunas realizaciones, la irradiacion es realizada en biomasa, en la cual menos de aproximadamente 25 por
ciento en peso de la biomasa esta en un estado hinchado, siendo caracterizado el estado hinchado por tener un volumen de mas de aproximadamente 2,5 por ciento mayor que un estado no hinchado. En otras realizaciones, la biomasa es mezclada con o incluye un agente de hinchamiento.
5 La presion puede ser utilizada en cualquiera de los metodos descritos en la presente memoria. Por ejemplo, la irradiacion puede ser realizada en la biomasa bajo una presion de mas de aproximadamente 2,5 atmosferas, tal como mayor que 5 o 10 atmosferas.
En otro aspecto, una mezcla incluye un azucar de bajo peso molecular, un material de biomasa y un disolvente. En
10 algunos casos, la mezcla tambien incluye un microorganismo.
Los ejemplos de materia prima de biomasa incluyen papel, productos de papel, residuos de papel, madera, tableros de partfculas, serrrn, residuos agncolas, aguas residuales, ensilado, hierbas, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, rastrojo de mafz, mijos, alfalfa, heno, cascaras de
15 arroz, fibra de coco, algodon, celulosas sinteticas, algas marinas, algas, o mezclas de los mismos. La biomasa puede ser o puede incluir un material natural o uno sintetico.
Los ejemplos de combustibles incluyen uno o mas de hidrogeno, alcoholes e hidrocarburos. Por ejemplo, los alcoholes pueden ser etanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, o mezclas de estos.
20
La irradiacion se puede llevar a cabo, p. ej., usando una radiacion ionizante, tal como rayos gamma, un haz de electrones, una radiacion ultravioleta C que tiene una longitud de onda de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 280 nm. La irradiacion se puede realizar usando multiples aplicaciones de radiacion. La radiacion ionizante puede incluir radiacion de haz de electrones. Por ejemplo, la radiacion se puede aplicar con una dosis total
25 de entre aproximadamente 10 Mrad y aproximadamente 150 Mrad, tal como una dosis por unidad de tiempo de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 10 Mrad/dfa, o de 1 Mrad/s a aproximadamente 10 Mrad/s. En algunas realizaciones, la irradiacion incluye aplicar dos o mas fuentes de radiacion, tales como rayos gamma y un haz de electrones.
30 En algunas realizaciones, la biomasa incluye una primera celulosa que tiene un primer peso molecular medio numerico y el material de hidrato de carbono comprende una segunda celulosa que tiene un segundo peso molecular medio numerico menor que el primer peso molecular medio numerico. Por ejemplo, el segundo peso molecular medio numerico es menor que el primer peso molecular medio numerico en mas de aproximadamente 1 vez. En algunas realizaciones, la primera celulosa tiene una primera cristalinidad, y la segunda celulosa tiene una
35 segunda cristalinidad menor que la primera cristalinidad. Por ejemplo, la segunda cristalinidad puede ser menor que la primera cristalinidad en mas de aproximadamente 10 por ciento.
En algunas realizaciones, la primera celulosa puede tener un primer nivel de oxidacion y la segunda celulosa tiene un segundo nivel de oxidacion mayor que el primer nivel de oxidacion.
40
El material de biomasa puede incluir ademas un tampon, tal como bicarbonato sodico o cloruro amonico, un electrolito, tal como cloruro potasico o cloruro sodico, un factor de crecimiento, tal como biotina y/o un par de bases tal como uracilo, un tensioactivo, un mineral, o un agente quelante.
45 En algunas realizaciones, los metodos incluyen el pretratamiento con uno o mas metodos de pretratamiento ademas de la irradiacion. Por ejemplo, los dos o mas metodos de pretratamiento diferentes pueden incluir radiacion y ultrasonidos, radiacion y oxidacion, y radiacion y pirolisis. Opcionalmente, el pretratamiento de la biomasa puede incluir explosion de vapor.
50 Para ayudar mas en la reduccion del peso molecular de la biomasa, se puede usar una enzima, p. ej., una enzima celulolttica, o un compuesto qrnmico, p. ej., hipoclorito sodico, un acido, una base o un agente de hinchamiento, con cualquier metodo descrito en la presente memoria. El tratamiento con enzima y/o producto qrnmico pueden producirse antes, durante o despues de la irradiacion u otro pretratamiento. 55 * * * * 60
55 Cuando se usa un microorganismo, puede ser un microorganismo natural o un microorganismo geneticamente
modificado. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, p.ej, una bacteria celulolftica, un hongo, p. ej.,
una levadura, una planta o un protista, p. ej., un alga, un protozoo o un protista de tipo hongo, p. ej., un moho del
fango. Cuando los organismos son compatibles, se pueden usar mezclas. En general, varios microorganismos
pueden producir una variedad de productos utiles, tales como un combustible, al operar sobre, por ejemplo,
60 fermentar los materiales Por ejemplo, alcoholes, acidos organicos, hidrocarburos, hidrogeno, protemas o mezclas de
cualquiera de estos materiales pueden producirse mediante fermentacion u otros procesos.
Los ejemplos de productos que se pueden producir usando los metodos descritos en la presente memoria incluyen alcoholes alqmlicos C1-C6 mono y polifuncionales y acidos carbox^licos mono y polifuncionales, hidrocarburos C1- 5 C6, y combinaciones de los mismos. Los ejemplos espedficos de alcoholes adecuados incluyen metanol, etanol, propanol, isopropanol, butanol, etilenglicol, propilenglicol, 1,4-butanodiol, glicerina, y combinaciones de los mismos. Los ejemplos espedficos de acidos carboxflicos adecuados incluyen acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butmco, acido valerico, acido caproico, acido palmttico, acido estearico, acido oxalico, acido malonico, acido sucdnico, acido glutarico, acido oleico, acido linoleico, acido glicolico, acido lactico, acido Y-hidroxibutmco y 10 combinaciones de los mismos. Los ejemplos de hidrocarburos adecuados incluyen metano, etano, propano, pentano, n-hexano, y combinaciones de los mismos. Muchos de estos productos se pueden usar como combustibles. Otros productos se describen en US2009312357. Los productos o coproductos pueden ser productos dirigidos a ser usados como producidos o los productos producidos pueden ser productos intermedios para cualquier otro procedimiento descrito en la presente memoria o cualquier procedimiento descrito en cualquier solicitud descrita 15 en la presente memoria.
Los ejemplos de microorganismos que se pueden usar para producir productos utiles, incluyen bacterias, levaduras o combinaciones de los mismos. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, p.ej, una bacteria celulolftica, un hongo, p. ej., una levadura, una planta o un protista, p. ej., un alga, un protozoo o un protista de tipo 20 hongo, p. ej., un moho del fango.
En cualquiera de los metodos descritos en la presente memoria, la radiacion se puede aplicar de un dispositivo que esta en una camara aislada.
25 La expresion “material fibroso”, como se usa en la presente memoria, es un material que incluye numerosas fibras discretas y separables. Por ejemplo, un material fibroso se puede preparar a partir de una fuente de fibra de papel Kraft blanqueado por cizalladura, p. ej., con una cortadora de cuchillas rotativas.
El termino “tamiz”, como se usa en la presente memoria, significa un elemento capaz de cribar el material segun el 30 tamano. Los ejemplos de tamices incluyen una placa, cilindro o similar perforados, o una malla de alambre o tela.
El termino “pirolisis”, como se usa en la presente memoria, significa romper enlaces en un material mediante la aplicacion de energfa termica. La pirolisis se puede producir mientras el material objeto esta bajo vado, o sumergido en un material gaseoso, tal como un gas oxidante, p. ej., aire u oxfgeno, o un gas reductor, tal como hidrogeno.
35
El contenido de oxfgeno se mide por analisis elemental mediante pirolisis de una muestra en un horno que trabaja a 1300 °C o superior.
El termino “biomasa” incluye cualquier materia organica, no fosilizada, es decir, renovable. Los diferentes tipos de 40 biomasa incluyen biomasa vegetal (definido mas adelante), biomasa microbiana, biomasa animal (cualquier subproducto animal, desechos animales, etc.) y biomasa de residuos municipales (basura residencial y comercial con materiales reciclables como el metal y el vidrio retirados). El termino biomasa incluye tambien materiales celulosicos vfrgenes o de postconsumo, tales como trapos y toallas fabricados de algodon o una mezcla de algodon.
45 La expresion “biomasa vegetal” o “biomasa lignocelulosica” se refiere a practicamente cualquier materia organica derivada de plantas (lenosa o no lenosa). La biomasa vegetal puede incluir, pero no esta limitado a cultivos agncolas o alimentarios (p. ej., cana de azucar, remolachas azucareras o granos de mafz) o un extracto de los mismos (p. ej., azucar de la cana de azucar y almidon de mafz del mafz), cultivos agncolas y residuos de cultivos agncolas y residuos tales como rastrojo de mafz, paja de trigo, paja de arroz, bagazo de cana de azucar, algodon y similares. La 50 biomasa vegetal incluye ademas, pero no se limita a arboles, cultivos lenosos para energfa, restos madereros y residuos tales como sacas de bosques de comferas, restos de cortezas, serrrn, papel y corrientes residuales de la industrial de la pasta papelera, fibra de madera, y similares. Ademas, cultivos de hierbas como el mijo y similares tienen potencial para ser producidos a gran escala como otra fuente de biomasa vegetal. Para zonas urbanas, la mejor potencial materia prima de biomasa vegetal incluye restos de jardines (p. ej., corte de cesped, hojas, podas de 55 arboles y arbustos) y restos de procesamiento de verduras.
La “materia prima lignocelulosica” es cualquier tipo de biomasa vegetal tal como, pero no limitado a biomasa vegetal no lenosa, cultivos cultivados tales como, pero no limitado a hierbas, por ejemplo, pero no limitado a hierbas C4, tales como mijo, espartina, raigras, miscanthus, hierba cinta, o una combinacion de los mismos, o restos del 60 procesado del azucar, tales como bagazo, o pulpa de remolacha, restos agncolas, por ejemplo, rastrojo de soja,
rastrojo de ir^z, paja de arroz, cascaras de arroz, rastrojo de cebada, mazorcas de ir^z, paja de trigo, paja de canola, paja de arroz, paja de avena, cascaras de avena, fibra de mafz, fibra de pasta de madera reciclada, serrm, madera dura, por ejemplo, madera y serrm de alamo, madera blanda, o una combinacion de los mismos. Ademas, la materia prima lignocelulosica puede incluir material residual celulosico tal como, pero no limitado a papel de 5 periodico, carbon, serrm y similares.
La materia prima lignocelulosica puede incluir una especie de fibra o alternativamente, la materia prima lignocelulosica puede incluir una mezcla de fibras que proceden de diferentes materias primas lignocelulosicas. Ademas, la materia prima lignocelulosica puede comprender materia prima lignocelulosica reciente, materia prima 10 lignocelulosica parcialmente secada, materia prima lignocelulosica totalmente secada o una combinacion de los mismos.
Para los fines de esta descripcion, los hidratos de carbono son materiales que estan compuestos enteramente de una o mas unidades de sacarido, o que incluyen una o mas unidades de sacarido. Las unidades de sacarido pueden 15 estar funcionalizadas en el anillo con uno o mas grupos funcionales, tales como grupos acido carboxflico, grupos amino, grupos nitro, grupos nitroso o grupos nitrilo, y todavfa se consideran hidratos de carbono. Los hidratos de carbono pueden ser polimericos (p. ej., con un numero de unidades monomeras igual o mayor que 10, 100, 1.000, 10.000 o 100.000), oligomeros (p. ej., con un numero de unidades monomeras igual o mayor que 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10), tnmeras, dfmeras o monomeras). Cuando los hidratos de carbono estan formados de mas de una sola unidad 20 que se repite, cada unidad que se repite puede ser igual o diferente.
Los ejemplos de hidratos de carbono polfmeros incluyen celulosa, xilano, pectina y almidon, mientras que la celobiosa y lactosa son ejemplos de hidratos de carbono dfmeros. Los ejemplos de hidratos carbono monomeras incluyen glucosa y xilosa.
25
Los hidratos de carbono pueden ser parte de una estructura supramolecular, p. ej., unidos covalentemente en la estructura. Los ejemplos de dichos materiales incluyen materiales lignocelulosicos, tales como los encontrados en la madera.
30 Un material amilaceo es uno que es o incluye cantidades significativas de almidon o un derivado de almidon, tal como mas de aproximadamente 5 por ciento en peso de almidon o derivado de almidon. Para los fines de esta descripcion, un almidon es un material que es o incluye una amilosa, una amilopectina, o una mezcla ffsica y/o qmmica de los mismos, p. ej., una mezcla de 20:80 o 30:70 porciento en peso de amilosa a amilopectina. Por ejemplo, el arroz, el mafz y las mezclas de los mismos son materiales amilaceos. Los derivados de almidon incluyen, 35 p. ej., maltodextrina, almidon modificado con acido, almidon modificado con base, almidon blanqueado, almidon oxidado, almidon acetilado, almidon acetilado y oxidado, almidon modificado con fosfato, almidon geneticamente modificado, y almidon que es resistente a la digestion.
Para los fines de esta descripcion, un azucar de bajo peso molecular es un hidrato de carbono o un derivado del 40 mismo que tiene un peso formula (excluyendo humedad), que es menor que aproximadamente 2.000, p. ej., menor que aproximadamente 1.800, 1.600, menor que aproximadamente 1.000, menor que aproximadamente 500, menor que aproximadamente 350 o menor que aproximadamente 250. Por ejemplo, el azucar de peso molecular bajo puede ser un monosacarido, p. ej., glucosa o xilosa, un disacarido, p. ej., celobiosa o sacarosa, o un trisacarido.
45 Un combustible es un material capaz de arder en presencia de oxfgeno. Los ejemplos de combustibles incluyen etanol, n-propanol, n-butanol, hidrogeno y mezclas de cualesquiera dos o mas de estos.
Los agentes de hinchamiento como se usa en la presente memoria, son materiales que producen un hinchamiento discernible, p. ej., un aumento de 2,5 por ciento del volumen respecto al estado no hinchado de los materiales 50 celulosicos y/o lignocelulosicos, cuando se aplican a dichos materiales como una solucion, p. ej., una solucion en agua. Los ejemplos incluyen sustancias alcalinas, tales como hidroxido sodico, hidroxido potasico, hidroxido de litio e hidroxido amonico, agentes acidificantes, tales como acidos minerales (p. ej., acido sulfurico, acido clortudrico y acido fosforico), sales tales como cloruro de cinc, carbonato de calcio, carbonato sodico, sulfato de benciltrimetilamonio, y aminas organicas basicas, tales como etilendiamina.
55
Un “material cizallado”, como se usa en la presente memoria, es un material que incluye fibras discretas en las que al menos aproximadamente 50% de las fibras discretas tienen una relacion de longitud/diametro (L/D) de al menos aproximadamente 5, y que tiene una densidad aparente no comprimida menor que aproximadamente 0,6 g/cm3. Un material cizallado es, por lo tanto, diferente de un material que se ha cortado, picado o triturado.
Cambiar una estructura molecular de una materia prima de biomasa, como se usa en la presente memoria, significa cambiar la disposicion de enlaces qmmicos, tal como el tipo y cantidad de grupos funcionales o la conformacion de la estructura. Por ejemplo, el cambio en la estructura molecular puede incluir cambiar la estructura supramolecular del material, oxidacion del material, cambiar un peso molecular medio, cambiar una cristalinidad media, cambiar una 5 superficie espedfica, cambiar un grado de polimerizacion, cambiar una porosidad, cambiar un grado de ramificacion, injerto en otros materiales, cambiar un tamano del dominio cristalino, o un cambiar el tamano de dominio global.
A menos que se defina lo contrario, todos los terminos tecnicos y cientfficos usados en este documento tienen el mismo significado que entiende comunmente un experto en la materia a la que pertenece esta invencion. Aunque se 10 pueden usar metodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la presente memoria en la practica o ensayo de la presente invencion, se describen a continuacion metodos y materiales adecuados. En caso de conflicto, controlara la presente memoria descriptiva incluyendo definiciones. Ademas, los materiales, metodos y ejemplos son solo ilustrativos y no se pretende que sean limitantes.
15 Otras caractensticas y ventajas de la invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada y de las reivindicaciones.
Descripcion de los dibujos
20 La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra la conversion de biomasa en productos y coproductos.
La figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra la conversion de una fuente de fibra en un primer y segundo material fibroso.
25 La figura 3 es una vista de corte transversal de una cortadora de cuchillas rotativas.
La figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra la conversion de una fuente de fibra en un primer, segundo y tercer material fibroso.
30 La figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra la densificacion de un material.
La figura 6 es una vista en perspectiva de un molino de pelets.
La figura 7A es un material fibroso densificado en forma de pelets.
35
La figura 7B es un corte transversal de un pelet hueco en el que un centro del hueco esta alineado con un centro del pelet.
La figura 7C es un corte transversal de un pelet hueco en el que un centro del hueco no esta alineado con un centro 40 del pelet.
La figura 7D es un corte transversal de un pelet trilobular.
La figura 8 es un diagrama de bloques que ilustra una secuencia de tratamiento para el procesamiento de la materia 45 prima.
La figura 9 es una vista en corte, en perspectiva, de un dispositivo de irradiacion gamma albergado en una camara de cemento.
50 La figura 10 es una vista en perspectiva aumentada de la region R de la figura 9.
La figura 11A es un diagrama de bloques que ilustra una secuencia de pretratamiento de materia prima por irradiacion con haz de electrones.
55 La figura 11B es una representacion esquematica de biomasa que es ionizada, y despues oxidada o inactivada.
La figura 12 es una vista esquematica de un sistema para el tratamiento por ultrasonidos de una corriente del procedimiento del material celulosico en un medio lfquido.
60 La figura 13 es una vista esquematica de un dispositivo de ultrasonidos que tiene dos transductores acoplados a un
solo sonotrodo.
La figura 14 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de pretratamiento pirolftico de la materia prima.
5 La figura 15 es una vista lateral de corte transversal de una camara de pirolisis.
La figura 16 es una vista lateral de corte transversal de una camara de pirolisis.
La figura 17 es una vista lateral de corte transversal de un pirolizador que incluye un filamento calentado.
10
La figura 18 es una vista lateral esquematica del corte transversal de un pirolizador Curie-Point.
La figura 19 es una vista lateral esquematica del corte transversal de un pirolizador de horno.
15 La figura 20 es una vista superior esquematica del corte transversal de un aparato de pirolisis por laser.
La figura 21 es una vista superior esquematica del corte transversal de un pirolizador flash de filamento de tungsteno.
20 La figura 22 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de pretratamiento oxidativo de la materia prima.
La figura 23 es un diagrama de bloques que ilustra una vision general del procedimiento de conversion de una fuente de fibra en un producto, p. ej., etanol.
25 La figura 24 es una vista de corte transversal de un aparato de explosion de vapor.
La figura 25 es una vista lateral esquematica del corte transversal de un dispositivo tnbrido de haz de electrones/ultrasonidos.
30 La figura 26 es una micrograffa electronica de barrido de un material fibroso producido a partir de papel polirrevestido con 25X aumentos. El material fibroso se produjo en una cortadora de cuchillas rotativas usando un tamiz con aberturas de 1/8 pulgadas.
La figura 27 es una micrograffa electronica de barrido de un material fibroso producido a partir de carton Kraft 35 blanqueado con 25X aumentos. El material fibroso se produjo en una cortadora de cuchillas rotativas usando un tamiz con aberturas de 1/8 pulgadas.
La figura 28 es una micrograffa electronica de barrido de un material fibroso producido a partir de carton Kraft
blanqueado con 25X aumentos. El material fibroso se cizallo dos veces en una cortadora de cuchillas rotativas
40 usando un tamiz con aberturas de 1/16 pulgadas durante cada cizalladura.
La figura 29 es una micrograffa electronica de barrido de un material fibroso producido a partir de carton Kraft
blanqueado con 25X aumentos. El material fibroso se cizallo tres veces en una cortadora de cuchillas rotativas.
Durante la primera cizalladura, se uso un tamiz de 1/8 pulgadas; durante la segunda cizalladura se uso un tamiz de 45 1/16 pulgadas, y durante la tercera cizalladura se uso un tamiz de 1/32 pulgadas.
Las figuras 29A-29F son espectros Raman 3-D de la superficie de las fibras de las muestras P132, P132-10, P132100, P-1e, P-30e, y P-100e, respectivamente.
50 La figura 30 es una vista lateral esquematica de un aparato de ultrasonidos, mientras que la figura 31 es una vista del corte transversal a traves de la celda de procesamiento de la figura 30.
La figura 32 es una micrograffa de barrido electronica a 1000 X aumentos de un material fibroso producido de cizallado de mijo en una cortadora de cuchillas rotativas y despues pasando el material cizallado a traves de un 55 tamiz de 0,79 mm (1/32 pulgadas).
Las figuras 33 y 34 son micrograffas electronicas de barrido del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con rayos gamma de 10 Mrad y 100 Mrad, respectivamente, con 1000 X aumentos.
60 La figura 35 es una micrograffa de barrido electronica del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con 10
Mrad y tratamiento con ultrasonidos, con 1000 X aumentos.
La figura 36 es una micrograffa de barrido electronica del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con 100 Mrad y tratamiento con ultrasonidos, con 1000 X aumentos.
5
La figura 37 es un espectro de infrarrojos de carton Kraft cizallado en una cortadora de cuchillas rotativas.
La figura 38 es un espectro de infrarrojos del papel Kraft de la figura 37 despues de irradiacion con 100 Mrad de radiacion gamma.
10
Las figuras 38A-38I son espectros de 1H-RMN de las muestras P132, P132-10, PI32-100, P-1e, P-5e, P-10e, P- 30e, P-70e, y P-100e del ejemplo 23. La figura 38J es una comparacion del proton intercambiable a ~16 ppm de las figuras 38A-38I. La figura 38K es un 13C-RMN de la muestra P-100e. Las figuras 38L-38M son 13C-RMN de la muestra P-100e con un tiempo de retardo de 10 segundos. La figura 38N es un 1H-RMN con una concentracion de 15 10% en p/p de la muestra P-100e.
La figura 39 es una vista esquematica de un procedimiento para la conversion de biomasa.
La figura 40 es una vista esquematica de otro procedimiento para la conversion de biomasa.
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DESCRIPCION DETALLADA
La biomasa (por ejemplo, biomasa, tal como las que son o incluyen uno o mas azucares de bajo peso molecular, biomasa animal y biomasa de residuos municipales) puede ser procesada para producir productos utiles tales como 25 combustibles, por ejemplo, combustibles para motores de combustion interna, motores de jet o materia prima para celdas de combustible. Ademas, los materiales funcionalizados que tienen los tipos y cantidades deseadas de grupos funcionales, tales como grupos acido carboxflico, grupos enol, grupos aldehffdo, grupos cetona, grupos nitrilo, grupos nitro o grupos nitroso, se pueden preparar usando los metodos descritos en la presente memoria. Dichos materiales funcionalizados pueden ser, p. ej., mas solubles, mas faciles de usar por diferentes microorganismos o 30 pueden ser mas estables a largo plazo, p. ej., menos propensos a la oxidacion. Se describen sistemas y procesos en la presente memoria que pueden usar varios materiales de biomasa, tales como materiales celulosicos, materiales lignocelulosicos, materiales amilaceos o materiales que son o que incluyen azucares de bajo peso molecular, como materiales de materia prima. Tales materiales estan frecuentemente disponibles rapidamente, pero pueden ser diffciles de procesar, por ejemplo, por fermentacion, o pueden dar rendimientos suboptimos a una proporcion menor. 35 Los materiales de materia prima son primero preparados ffsicamente para su procesamiento, frecuentemente por reduccion de tamano de materiales de materia prima. La materia prima ffsicamente preparada puede ser pretratada o procesada usando uno o mas de los metodos de radiacion, somcacion, oxidacion, pirolisis y explosion de vapor.
Los diferentes sistemas de preparacion pueden ser usados en combinaciones de de dos, tres o incluso cuatro de estas tecnologfas.
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En algunos casos, para proveer materiales que incluyen un hidrato de carbono, tales como celulosa, que pueden ser convertidos por microorganismos en un numero de productos deseables, tales como combustibles (por ejemplo, etanol, butanol o hidrogeno), materias primas que incluyen una o mas unidades de sacaridos pueden ser tratadas por uno o mas de los procesos descritos en la presente memoria. Otros productos y subproductos que pueden ser 45 producidos incluyen, por ejemplo, alimento humano, alimento animal, y nutriceuticos. Se presentan diversos ejemplos que vanan desde una escala de implementaciones de metodos de pretratamiento individual hasta metodos de gran escala de plantas procesadoras de biomasa.
Tipos de biomasa
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En general, cualquier material de biomasa que consiste en hidratos de carbono compuestos por completo por una o mas unidades de sacarido o que incluyen una o mas unidades de sacarido, o que los incluye, se puede tratar por cualquiera de los metodos que se describen en la presente memoria. Por ejemplo, los materiales de biomasa pueden ser materiales celulosicos o lignocelulosicos, materiales amilaceos, como por ejemplo granos de mafz, 55 granos de arroz u otros alimentos, o materiales que consisten en uno o mas azucares de bajo peso molecular o que los incluyen, como por ejemplo sacarosa o celobiosa.
Por ejemplo, dichos materiales pueden incluir papel, productos de papel, madera, materiales relacionados con la madera, tableros de partfculas, hierbas, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, 60 abaca, paja, mazorcas de mafz, cascaras de arroz, fibra de coco, algas, algas marinas, algodon, celulosas sinteticas,
o mezclas de cualquiera de estos. Los materiales adecuados incluyen los listados en la section de Resumen, anterior.
La fuentes de fibras incluyen fuentes de fibras celulosicas, incluyendo papel y productos de papel (p. ej., papel 5 polirrevestido y papel Kraft), y fuentes de fibras lingocelulosicas, incluyendo madera y materiales relacionados con la madera, p. ej., tableros de partfculas. Otras fuentes de fibras adecuadas incluyen fuentes de fibras naturales, p. ej., hierbas, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de ma^z, cascaras de arroz, fibra de coco; fuentes de fibras con alto contenido en a-celulosa, p. ej., algodon; y fuentes de fibras sinteticas, p. ej., hilo extruido (hilo orientado o hilo no orientado). Las fuentes de fibras naturales o sinteticas se 10 pueden obtener de materiales textiles en trozos virgenes, p. ej., remanentes o pueden ser residuos postcomuso, p. ej., trapos. Cuando se usan productos de papel como fuentes de fibra, pueden ser materiales virgenes, p. ej., materiales vfrgenes en trozos, o pueden ser residuos postconsumo. Aparte de los materiales brutos vfrgenes, tambien se pueden usar residuos postconsumo, industriales (p. ej., despojos), y residuos de procesamiento (p. ej., efluente del procesado del papel) como fuentes de fibras. Ademas, la fuente de fibra se puede obtener o derivar de 15 residuos humanos (p. ej., aguas residuales), animales o vegetales. Se han descrito fuentes de fibras adicionales en las patentes de EE. UU. n° 6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 y 5.952.105.
En algunas realizaciones, el hidrato de carbono es o incluye un material que tiene uno o mas enlaces p-1,4 y que tiene un peso molecular medio numerico entre aproximadamente 3.000 y 50.000. Dicho hidrato de carbono es o 20 incluye celulosa (I), que se obtiene de la (ft-glucosa 1) por condensation de enlaces glucosidicos p(1 —>4). El enlace contrasta con los enlaces glucosidicos a(1—4) presentes en el almidon y otros hidratos de carbono. 25
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25 Los materiales amilaceos incluyen al almidon en si mismo, por ejemplo, almidon de maiz, almidon de trigo, almidon de patata o almidon de arroz, un derivado de almidon, o un material que incluye almidon, como por ejemplo un
producto alimenticio comestible o una cosecha. Por ejemplo, el material amilaceo puede ser arracacha, trigo sarraceno, platano, cebada, mandioca, kudzu, oca, sagu, sorgo, patatas domesticas comunes, batata, taro, name, o uno o mas legumbres, como por ejemplo habas, lentejas o guisantes. Una mezcla de cualquiera de dos o mas materiales amilaceos es tambien un material amilaceo. En algunas realizaciones en particular, los materiales 5 amilaceos derivan del mafz. Diversos almidones de mafz y derivados se describen en “Corn Starch", Corn Refiners Association (11a edicion, 2006).
Los materiales de biomasa que incluyen azucares de bajo peso molecular pueden incluir, p. ej., al menos aproximadamente 0,5 por ciento en peso del azucar de bajo peso molecular, p. ej., al menos aproximadamente 2, 3, 10 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 o incluso al menos aproximadamente 95 por ciento en peso del azucar de bajo peso molecular. En algunos aspectos, la biomasa esta compuesta sustancialmente del azucar de bajo peso molecular, p. ej., mas de 95 por ciento en peso, tal como 96, 97, 98, 99 o sustancialmente 100 por cien en peso del azucar de bajo peso molecular.
15 Los materiales de biomasa que incluyen azucares de bajo peso molecular pueden ser productos agncolas o productos alimentarios, tales como caza de azucar o remolacha azucarera, o un extracto de estos, p. ej., jugo de la caza de azucar o la remolacha azucarera. Los materiales de biomasa que incluyen azucares de bajo peso molecular pueden ser extractos sustancialmente puros, tales como azucar bruto o de mesa cristalizado (sacarosa). Los azucares de bajo peso molecular incluyen derivados de azucar. Por ejemplo, los azucares de bajo peso molecular 20 pueden ser oligomeros (p. ej., con un numero de unidades monomeras igual o mayor que 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10), tnmeras, dfmeras o monomeras. Cuando los hidratos de carbono estan formados de mas de una sola unidad que se repite, cada unidad que se repite puede ser igual o diferente.
Los ejemplos espedficos de azucares de bajo peso molecular incluyen celobiosa, lactosa, sacarosa, glucosa y 25 xilosa, junto con derivados de los mismos. En algunos aspectos, los derivados de azucar se disuelven mas rapidamente en solucion o son usados por microbios para proporcionar un material util, tal como etanol o butanol. Se muestran a continuacion varios de dichos azucares y derivados de azucar.
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imagen3
HOV"""
acido gluconico
6-MAS
6- monoacido de sacarosa
fructosa
sacarosa
Se pueden usar mezclas de cualquiera de los materiales de biomasa descritos en la presente memoria, para hacer cualquiera de los productos descritos en la presente memoria, tales como etanol. Por ejemplo, se pueden usar 5 mezclas de materiales celulosicos y materiales amilaceos para hacer cualquiera de los productos descritos en la presente memoria.
Sistemas para el tratamiento de la biomasa
10 La figura 1 muestra un sistema de 100 para convertir biomasa, en particular biomasa con componentes celulosicos y lignocelulosicos significativos y/o componentes amilaceos, en productos y coproductos utiles. El sistema (100) incluye un subsistema de preparacion de la alimentacion (110), un subsistema de pretratamiento (114), un subsistema de procedimiento primario (118) y un subsistema de postprocesado (122). El subsistema de preparacion de la alimentacion (110) recibe biomasa en su forma bruta, prepara ffsicamente la biomasa para usarla como materia 15 prima por los procedimientos corriente abajo (p. ej., reduce el tamano y homogeneiza la biomasa), y almacena la biomasa tanto en su forma bruta como en forma de materia prima. La materia prima de biomasa con componentes celulosicos y lignocelulosicos significativos, o componentes amilaceos puede tener un peso molecular medio y cristalinidad altos, que pueden hacer diffcil el procesado de la materia prima en productos utiles (p. ej., fermentacion de la materia prima para producir etanol). Por ejemplo, otros han usado acidos, bases y enzimas para procesar 20 materias primas celulosicas, lignocelulosicas o amilaceas. Como se describe en la presente memoria, en algunas realizaciones, dichos tratamientos no son necesarios o son necesarios solo en cantidades pequenas o catalfticas.
El subsistema de pretratamiento (114) recibe la materia prima del subsistema de preparacion de la alimentacion
(110) y prepara la materia prima para usarla en los procedimientos de produccion primarios, por ejemplo reduciendo el peso molecular medio y la cristalinidad de la materia prima. El subsistema del procedimiento primario (118) recibe la materia prima pretratada del subsistema de pretratamiento (114) y produce productos utiles (p. ej., etanol, otros alcoholes, productos farmaceuticos y/o alimentos). En algunos casos, el producto del subsistema del procedimiento 5 primario (118) es util directamente pero, en otros casos, requiere el procesamiento adicional proporcionado por el subsistema de postprocesamiento (122). El subsistema de postprocesamiento (122) proporciona procesamiento adicional a corrientes de producto del sistema del procedimiento primario (118) que lo requieran (p. ej., destilacion y desnaturalizacion del etanol) asf como tratamiento para corrientes residuales de otros subsistemas. En algunos casos, los coproductos de los subsistemas (114, 118, 122) tambien pueden ser utiles directa o indirectamente como 10 subproductos y/o para aumentar la eficacia general del subsistema (100). Por ejemplo, el subsistema de postprocesamiento (122) puede producir agua tratada para ser reciclada para usar como agua del procedimiento en otros subsistemas y/o puede producir residuo incinerable que se puede usar como combustible para calderas que producen vapor y/o electricidad.
15 El tamano optimo de las instalaciones de conversion de biomasa esta afectado por factores que incluyen la econoirna de escala y el tipo y disponibilidad de biomasa usada como materia prima. Los tamanos crecientes de instalaciones tienden a aumentar la economfa de escala asociada con los procedimientos de la instalacion. Sin embargo, aumentar el tamano de la instalacion tambien tiende a aumentar los costes (p. ej., costes de transporte) por unidad de materia prima. Los estudios que analizan estos factores sugieren que el tamano adecuado para las 20 instalaciones de conversion de biomasa puede estar en el intervalo de 2000 a 10.000 toneladas secas de materia prima por dfa, dependiendo de al menos en parte el tipo de materia prima usada. El tipo de materia prima tambien puede tener impacto en los requisitos de almacenamiento de la instalacion, requiriendo las instalaciones disenadas principalmente para procesar materia prima cuya disponibilidad vana estacionalmente (p. ej., rastrojo de mafz), mas almacenamiento de materia prima dentro o fuera, que las instalaciones disenadas para procesar materia prima cuya 25 disponibilidad es relativamente constante (p. ej., papel residual).
Preparacion fisica
En algunos casos, los metodos de procesado empiezan con una preparacion ffsica de la materia prima, p. ej., 30 reduccion de tamano de los materiales brutos de la materia prima, tal como por corte, trituracion, cizalladura o picado. En algunos casos, se prepara materia prima (p. ej., papel reciclado, materiales amilaceos, o mijo) por cizalladura o desmenuzado. Se pueden usar tamices y/o imanes para separar objetos de tamano excesivo o indeseados tales como, por ejemplo, piedras o clavos de la corriente de alimentacion.
35 Los sistemas de preparacion de la alimentacion se pueden configurar para producir corrientes de alimentacion con caractensticas espedficas tales como, por ejemplo, tamanos maximos espedficos, relacion longitud a anchura espedfica, o relaciones de superficies espedficas. Como parte de la preparacion de la alimentacion, se puede controlar la densidad aparente de las materias primas (p. ej., aumentar o disminuir).
40 Reduccion de tamano
En algunas realizaciones, el material que se va a procesar esta en forma de un material fibroso que incluye fibras proporcionadas por la cizalladura de una fuente de fibra. Por ejemplo, la cizalladura se puede llevar a cabo con una cortadora de cuchillas rotativas.
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Por ejemplo, y con referencia a la figura 2, una fuente de fibra (210) se cizalla, p. ej., en una cortadora de cuchillas rotativas, para proporcionar un primer material fibroso (212). El primer material fibroso (212) se pasa por un primer tamiz (214) que tiene un tamano medio de aberturas de 1,59 mm o menor (1/16 pulgadas, 0,0625 pulgadas) para proporcionar un segundo material fibroso (216). Si se desea, la fuente de fibra se puede cortar antes de la 50 cizalladura, p. ej., con una desmenuzadora. Por ejemplo, cuando se usa papel como la fuente de fibra, el papel primero se corta en tiras que tienen, p. ej., de 1/4 a 1/2 pulgadas de ancho, usando una desmenuzadora, p. ej., una desmenuzadora de tornillo contrarrotatorio, tal como el fabricado por Munson (Utica, N.Y.). Como una alternativa al desmenuzado, el papel se puede reducir de tamano cortandolo al tamano deseado usando una cortadora de guillotina. Por ejemplo, la cortadora de guillotina se puede usar para cortar el papel en hojas que tienen, p. ej., 10 55 pulgadas de ancho por 12 pulgadas de largo.
En algunas realizaciones, la cizalladura de la fuente de fibra y el paso del primer material fibroso resultante a traves del primer tamiz se hacen simultaneamente. La cizalladura y el paso tambien se pueden llevar a cabo en un procedimiento de tipo discontinuo.
Por ejemplo, se puede usar una cortadora de cuchillas rotativas para cizallar la fuente de fibra y cribar el primer material fibroso simultaneamente. En relacion con la figura 3, una cortadora de cuchillas rotativas (220) incluye una tolva (222) que se puede cargar con una fuente de fibra desmenuzada (224) preparada desmenuzando la fuente de fibra. La fuente de fibra desmenuzada se cizalla entre las cuchillas estacionarias (230) y las cuchillas rotativas (232) 5 para proporcionar un primer material fibroso (240). El primer material fibroso (240) pasa por el tamiz (242), y el segundo material fibroso resultante (244) es capturado en el tanque (250). Para ayudar a recoger el segundo material fibroso, el tanque puede tener una presion inferior a la presion atmosferica nominal, p. ej., al menos 10 por ciento inferior a la presion atmosferica nominal, p. ej., al menos 25 por ciento inferior a la presion atmosferica nominal, al menos 50 por ciento inferior a la presion atmosferica nominal, o al menos 75 por ciento inferior a la 10 presion atmosferica nominal. En algunas realizaciones, se usa una fuente de vado (252) para mantener el tanque por debajo de la presion atmosferica nominal.
La cizalladura puede ser ventajosa para “abrir” y “tensar” los materiales fibrosos, haciendo que la celulosa de los materiales sea mas susceptible a la escision de cadena y/o reduccion de cristalinidad. Los materiales abiertos 15 tambien pueden ser mas susceptibles a la oxidacion cuando se irradian.
La fuente de fibra se puede cizallar en un estado seco, un estado deshidratado (p. ej., teniendo hasta 10 por ciento en peso de agua absorbida), o en un estado humedo, p. ej., teniendo entre aproximadamente 10 por ciento y aproximadamente 75 por ciento en peso de agua. La fuente de fibra se puede cizallar incluso mientras esta parcial o 20 totalmente sumergida bajo un lfquido, tal como agua, etanol, isopropanol.
La fuente de fibra tambien se puede cizallar bajo un gas (tal como una corriente o atmosfera de gas distinto del aire), p. ej., oxfgeno o nitrogeno, o vapor.
25 Otros metodos para hacer los materiales fibrosos incluyen, p. ej., trituracion con muela abrasiva, corte o desgarro mecanico, trituracion por rectificadora, o molienda por abrasion con aire.
Si se desea, los materiales fibrosos se pueden separar, p. ej., de forma continua o en lotes, en fracciones segun su longitud, anchura, densidad, tipo de material o alguna combinacion de estas caractensticas.
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Por ejemplo, los materiales ferrosos se pueden separar de cualquiera de los materiales fibrosos pasando un material fibroso que incluye un material ferroso por un iman, p. ej., un electroiman, y despues pasando el material fibroso resultante a traves de una serie de tamices, teniendo cada tamiz aberturas de diferentes tamanos.
35 Los materiales fibrosos tambien se pueden separar, p. ej., usando un gas a alta velocidad, p. ej., aire. En dicho procedimiento, los materiales fibrosos se separan extrayendo diferentes fracciones, que se pueden caracterizar de forma fotonica, si se desea. Se describe dicho aparato de separacion en Lindsey et al, patente de EE. UU. n° 6.883.667.
40 Los materiales fibrosos se pueden irradiar inmediatamente despues de su preparacion, o se pueden hacer secar, p. ej., a aproximadamente 105 °C durante 4-18 horas, de modo que el contenido de humedad sea, p. ej., menor de aproximadamente 0,5% antes de usar.
Si se desea, se puede separar la lignina de cualquiera de los materiales fibrosos que incluyen lignina. Tambien para 45 ayudar a la rotura de los materiales que incluyen celulosa, el material se puede tratar antes de la irradiacion con calor, un producto qmmico (p. ej., acido mineral, base o un oxidante fuerte tal como hipoclorito sodico) y/o una enzima.
En algunas realizaciones, el tamano medio de abertura del primer tamiz es menor que 0,79 mm (1/32 pulgadas, 50 0,03125 pulgadas), p. ej., menor que 0,51 mm (1/50 pulgadas, 0,02000 pulgadas), menor que 0,40 mm (1/64 pulgadas, 0,015625 pulgadas), menor que 0,23 mm (0,009 pulgadas), menor que 0,20 mm (1/128 pulgadas, 0,0078125 pulgadas), menor que 0,18 mm (0,007 pulgadas), menor que 0,13 mm (0,005 pulgadas), o incluso menor que menor que 0,10 mm (1/256 pulgadas, 0,00390625 pulgadas). El tamiz se prepara trenzando monofilamentos que tienen un diametro adecuado para dar el tamano de aberturas deseado. Por ejemplo, los monofilamentos 55 pueden estar hechos de un metal, p. ej., acero inoxidable. A medida que el tamano de las aberturas se hace menor, pueden hacerse mayores los requisitos estructurales de los monofilamentos. Por ejemplo, para tamanos de aberturas menores de 0,40 mm, puede ser ventajoso hacer los tamices de monofilamentos hechos de un material distinto del acero inoxidable, p. ej., titanio, aleaciones de titanio, metales amorfos, mquel, tungsteno, rodio, renio, materiales ceramicos o vidrio. En algunas realizaciones, el tamiz esta hecho de una placa, p. ej., una placa metalica, 60 que tiene aberturas, p. ej., cortadas en la placa usando un laser. En algunas realizaciones, el area de aberturas de la
malla es menor que 52%, p. ej., menor que 41%, menor que 36%, menor que 31%, menor que 30%.
En algunas realizaciones, el segundo material fibroso se cizalla y pasa a traves del primer tamiz, o un tamiz de
tamano diferente. En algunas realizaciones, el segundo material fibroso se pasa por un segundo tamiz que tiene un 5 tamano medio de aberturas igual o menor que el primer tamiz.
En relacion con la figura 4, se puede preparar un tercer material fibroso (220) a partir del segundo material fibroso (216) por cizalladura del segundo material fibroso (216) y pasando el material resultante por un segundo tamiz (222) que tiene un tamano medio de aberturas menor que el primer tamiz (214).
10
En general, las fibras de los materiales fibrosos pueden tener una relacion media de longitud a diametro
relativamente grande (p. ej., mayor que de 20 a 1), incluso si se han cizallado mas de una vez. Ademas, las fibras de
los materiales fibrosos descritos en la presente memoria, pueden tener una distribucion de longitudes y/o relaciones de longitud a diametro relativamente estrechas.
15
Como se usa en la presente memoria, las anchuras medias de las fibras (es decir, diametros) son las determinadas opticamente por seleccion aleatoria de aproximadamente 5.000 fibras. Las longitudes medias de las fibras son longitudes ponderadas corregidas. Las superficies espedficas BET (Brunauer, Emmet y Teller) son superficies espedficas de multipuntos, y las porosidades son las determinadas por porosimetna de mercurio.
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La relacion media de longitud a diametro del segundo material fibroso (14) puede ser, p. ej., mayor que 8/1, p. ej., mayor que 10/1, mayor que 15/1, mayor que 20/1, mayor que 25/1, o mayor que 50/1. Una longitud media del segundo material fibroso (14) puede ser, p. ej., entre aproximadamente 0,5 mm y 2,5 mm, p. ej., entre aproximadamente 0,75 mm y 1,0 mm, y una anchura media (es decir, diametro) del segundo material fibroso (14) 25 puede ser, p. ej., entre aproximadamente 5 pm y 50 pm, p. ej., entre aproximadamente 10 pm y 30 pm.
En algunas realizaciones, una desviacion estandar de la longitud del segundo material fibroso (14) es menor que 60 por ciento de una longitud media del segundo material fibroso (14), p. ej., menor que 50 por ciento de la longitud media, menor que 40 por ciento de la longitud media, menor que 25 por ciento de la longitud media, menor que 10 30 por ciento de la longitud media, menor que 5 por ciento de la longitud media, o incluso menor que 1 por ciento de la longitud media.
En algunas realizaciones, un area superficial BET del segundo material fibroso mayor que 0,1 m2/g, por ejemplo, mas del 0,25 m2/g, mayor que 0,5 m2/g, mayor que 1,0 m2/g, mayor que 1,5 m2/g, mayor que 1,75 im^/g, mayor que 35 5,0 m2/g, mayor que 10 m2/g, mayor que 25 m2/g, mayor que 35 m2/g, mayor que 50m2/g, mayor que 60m2/g, mayor que 75 m2/g, mayor que 100 m2/g, mayor que 150 m2/g, mayor que 200 m2/g, o aun mayor que 250 m2/g. Una porosidad del segundo material fibroso (14) puede ser, p. ej., mayor que 20 por ciento, mayor que 25 por ciento, mayor que 35 por ciento, mayor que 50 por ciento, mayor que 60 por ciento, mayor que 70 por ciento, p. ej., mayor que 80 por ciento, mayor que 85 por ciento, mayor que 90 por ciento, mayor que 92 por ciento, mayor que 94 por 40 ciento, mayor que 95 por ciento, mayor que 97,5 por ciento, mayor que 99 por ciento, o incluso mayor que 99,5 por ciento.
En algunas realizaciones, una relacion de la relacion media de longitud a diametro del primer material fibroso a la relacion media de longitud a diametro del segundo material fibroso es, p. ej., menor que 1,5, p. ej., menor que 1,4, 45 menor que 1,25, menor que 1,1, menor que 1,075, menor que 1,05, menor que 1,025, o incluso sustancialmente igual a 1.
En realizaciones particulares, el segundo material fibroso se cizalla de nuevo y el material fibroso resultante se pasa por un segundo tamiz que tiene un tamano medio de aberturas menor que el primer tamiz para proporcionar un 50 tercer material fibroso. En dichos casos, una relacion de la relacion media de longitud a diametro del segundo material fibroso a la relacion media de longitud a diametro del tercer material fibroso, puede ser, p. ej., menor que 1,5, p. ej., menor que 1,4, menor que 1,25, o incluso menor que 1,1.
En algunas realizaciones, el tercer material fibroso se pasa por un tercer tamiz para producir un cuarto material 55 fibroso. El cuarto material fibroso se puede pasar, p. ej., por un cuarto tamiz para producir un quinto material fibroso. Se pueden repetir procedimientos de cribado similares tantas veces como se desee para producir el material fibroso deseado que tenga las propiedades deseadas.
Densificacion
Los materiales densificados se pueden procesar por cualquiera de los metodos descritos en la presente memoria, o cualquier material descrito en la presente memoria, p. ej., cualquier material fibroso descrito en la presente memoria, 5 se puede procesar por uno cualquiera o mas de los metodos descritos en la presente memoria, y despues densificar como se describe en la presente memoria.
Un material, p. ej., un material fibroso, que tiene una densidad aparente baja, se puede densificar a un producto que tenga una densidad aparente mas alta. Por ejemplo, una composicion de material que tiene una densidad aparente 10 de 0,05 g/cm3, se puede densificar sellando el material fibroso en una estructura relativamente impermeable a gas, p. ej., una bolsa hecha de polietileno o una bolsa hecha de capas alternantes de polietileno y un nailon, y despues evacuando el gas atrapado, p. ej., aire, de la estructura. Despues de evacuar el aire de la estructura, el material fibroso puede tener, p. ej., una densidad aparente mayor que 0,3 g/cm3, p. ej., 0,5 g/cm3, 0,6 g/cm3, 0,7 g/cm3 o mas, p. ej., 0,85 g/ cm3. Despues de densificar, el producto se puede procesar por cualquiera de los metodos descritos en 15 la presente memoria, p. ej. irradiar, p. ej. con radiacion gamma. Esto puede ser ventajoso cuando se desea transportar el material a otro sitio, p. ej., una instalacion de fabricacion remota, donde la composicion de material fibroso se puede anadir a una solucion, p. ej., para producir etanol. Despues de perforar la estructura sustancialmente impermeable a gas, el material fibroso densificado se puede devolver practicamente a su densidad aparente inicial, p. ej., mayor que 60 por ciento de su densidad inicial, p. ej., 70 por ciento, 80 por ciento, 85 por 20 ciento o mas, p. ej., 95 por ciento de su densidad inicial. Para reducir la electricidad estatica en el material fibroso, se puede anadir un agente antiestatico al material.
En algunas realizaciones, la estructura, p. ej., bolsa, esta formada de un material que se disuelve en un lfquido tal como agua. Por ejemplo, la estructura puede estar formada de un alcohol polivimlico de modo que se disuelve 25 cuando se pone en contacto con un sistema basado en agua. Dichas realizaciones permiten anadir estructuras densificadas directamente a soluciones que incluyen un microorganismo, sin liberar primero el contenido de la estructura, p. ej., mediante corte.
En relacion con la figura 5, un material de biomasa se puede combinar con cualesquiera aditivos deseados y un 30 aglutinante, y posteriormente densificar por aplicacion de presion, p. ej., pasando el material por la lmea de contacto definida entre rodillos de presion contrarrotatorios o pasando el material por un molino de pelets. Durante la aplicacion de presion, se puede aplicar opcionalmente calor para ayudar a la densificacion del material fibroso. El material densificado se puede irradiar.
35 In En algunas realizaciones, el material antes de densificar tiene una densidad aparente menor que 0,25 g/cm3, e.g., 0,20 g/cm3, 0,15 g/cm3, 0,10 g/cm3, 0,05 g/cm3 o menos, p. ej., 0,025 g/cm3. La densidad aparente se determina usando el metodo ASTM D1895B. Brevemente, el metodo implica llenar un tubo graduado de volumen conocido con una muestra y obtener el peso de la muestra. La densidad aparente se calcula dividiendo el peso de la muestra en gramos entre el volumen conocido del cilindro en metros cubicos.
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Los aglutinantes preferidos incluyen aglutinantes que son solubles en agua, se hinchan con el agua, o que tienen una temperatura de transicion vftrea menor que 25 °C, determinada por calorimetna diferencial de barrido. Por aglutinantes solubles en agua, se entiende aglutinantes que tienen una solubilidad de al menos aproximadamente 0,05 por ciento en peso en agua. Por aglutinantes que se hinchan con el agua, se entiende aglutinantes que 45 aumentan de volumen en mas de 0,5 por ciento tras exposicion al agua.
En algunas realizaciones, los aglutinantes que son solubles o se hinchan en agua incluyen un grupo funcional que es capaz de formar un enlace, p. ej., un enlace de hidrogeno, con las fibras del material fibroso, p. ej., material fibroso celulosico. Por ejemplo, el grupo funcional puede ser un grupo acido carboxflico, un grupo carboxilato, un grupo 50 carbonilo, p. ej., un aldehfdo o una cetona, un grupo acido sulfonico, un grupo sulfonato, un grupo acido fosforico, un grupo fosfato, un grupo amida, un grupo amina, un grupo hidroxilo, p. ej., de un alcohol, y combinaciones de estos grupos, p. ej., un grupo acido carboxflico y un grupo hidroxilo. Los ejemplos monomericos espedficos incluyen glicerina, glioxal, acido ascorbico, urea, glicina, pentaeritritol, un monosacarido o un disacarido, acido dtrico y acido tartarico. Los sacaridos adecuados incluyen glucosa, sacarosa, lactosa, ribosa, fructosa, manosa, arabinosa y 55 eritrosa. Los ejemplos polimericos incluyen poliglicoles, oxido de polietileno, acidos policarboxflicos, poliamidas, poliaminas y polisulfonatos, acidos polisulfonicos. Los ejemplos polimericos espedficos incluyen polipropilenglicol (PPG), polietilenglicol (PEG), oxido de polietileno), p. ej., POLYOx®, copolfmeros de oxido de etileno y oxido de propileno, acido poliacnlico) (PAA), poliacrilamida, polipeptidos, polietilenimina, polivinilpiridina, poli(4- estirenosulfonato sodico) y poli(acido 2-acrilamido-metil-1-propanosulfonico).
En algunas realizaciones, el aglutinante incluye un poftmero que tiene una temperatura de transicion vftrea menor que 25 °C. Los ejemplos de dichos poftmeros incluyen elastomeros termoplasticos (TPE). Los ejemplos de TPE incluyen polieter-amida en bloques, tales como los disponibles con el nombre comercial PEBAX®, elastomeros de poliester, tales como los disponibles con el nombre comercial HYTREL®, y copoftmeros estirenicos de bloques, tales 5 como los disponibles con el nombre comercial KRATON®. Otros poftmeros adecuados que tiene una temperatura de transicion vftrea menor que 25 °C incluyen copoftmero de etileno y acetato de vinilo (EVA), poliolefinas, p. ej., polietileno, polipropileno, copoftmeros de etileno-propileno, y copoftmeros de etileno y alfa-olefinas, p. ej., 1-octeno, tal como los disponibles con el nombre comercial ENGAGE®. En algunas realizaciones, p. ej., cuando el material es un papel polirrevestido fibrizado, el material se densifica sin la adicion separada de un poftmero de temperatura de 10 transicion vftrea baja.
En una realizacion particular, el aglutinante es una lignina, p. ej., una lignina natural o sinteticamente modificada.
Una cantidad adecuada de aglutinante anadida al material, calculada basado en el peso seco es, p. ej., de 15 aproximadamente 0,01 por ciento a aproximadamente 50 por ciento, p. ej., 0,03 por ciento, 0,05 por ciento, 0,1 por
ciento, 0,25 por ciento, 0,5 por ciento, 1,0 por ciento, 5 por ciento, 10 por ciento o mas, p. ej., 25 por ciento, basado
en el peso total del material densificado. El aglutinante se puede anadir al material como un ftquido solo puro, o como un ftquido que tiene el aglutinante disuelto en el mismo, como un polvo seco del aglutinante o como pelets del aglutinante.
20
El material fibroso densificado se puede hacer en un molino de pelets. En relacion con la figura 6, un molino de pelets 300 tiene una tolva 301 para contener el material no densificado 310 que incluye un material que contiene hidratos de carbono, tales como celulosa. La tolva esta comunicada con un tornillo sinfm (312) que es accionado por un motor de velocidad variable (314), de modo que el material no densificado puede ser transportado a una zona de 25 acondicionamiento (320) que agita el material no densificado con palas (322) que son giradas por el motor de acondicionamiento (330). Otros aditivos, p. ej. cualquiera de los aditivos y/o cargas descritas en la presente memoria, se pueden anadir en la entrada (332). Si se desea, se puede anadir calor mientras el material fibroso esta en la zona de acondicionamiento. Despues del acondicionamiento, el material pasa de la zona de acondicionamiento a traves de un tubo de vaciado (340), y a otro tornillo sinfm (342). El tubo de vaciado, controlado por el accionador
30 (344), permite el paso sin obstruccion del material desde la zona de acondicionamiento al tornillo sinfm. El tornillo
sinfm es girado por el motor (346), y controla la alimentacion del material fibroso a la boquilla y conjunto de rodillos (350). Espedficamente, el material se introduce en una boquilla ciftndrica hueca (352), que rota sobre un eje horizontal y que tiene agujeros de boquilla que se extienden radialmente (250). La boquilla (352) es rotada sobre el eje por el motor (360), que incluye un indicador de potencia, que indica la potencia total consumida por el motor. El 35 material densificado (370), p. ej., en forma de pelets, cae del tubo de descarga (372) y es capturado y procesado, tal como por irradiacion.
El material, despues de densificacion, puede estar convenientemente en forma de pelets o astillas que tienen una variedad de formas. Los pelets despues se pueden irradiar. En algunas realizaciones, los pelets o pequenos trozos 40 son de forma cilindrica, por ejemplo, con una dimension transversal maxima por ejemplo, de 1 mm o mas, por ejemplo, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm, 15 mm o mas, por ejemplo, 25 mm. Otras formas convenientes incluyen pelets o pequenos trozos con una forma similar a placas, por ejemplo, con un espesor de 1 mm o mas, por ejemplo, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 8 mm,10 mm o mas, por ejemplo, 25 mm; un ancho por ejemplo, de 5 mm o mas, por ejemplo, 10 mm, 15 mm, 25 mm, 30 mm o mas, por ejemplo, 50 mm; y una longitud de 5 mm o mas, por ejemplo, 10 mm, 15 45 mm, 25 mm, 30 mm o mas, por ejemplo, 50 mm.
En relacion ahora con las figuras 7A-7D, los pelets se pueden hacer de modo que tengan un interior hueco. Como se muestra, el hueco en general puede estar alienado con el centro del pelet (figura 7B) o no estar alineado con el centro del pelet (figura 7C). El hacer el pelet hueco en el interior puede aumentar la tasa de disolucion en un ftquido 50 despues de irradiacion.
En relacion ahora con la figura 7D, el pelet puede tener, p. ej., una forma transversal que es multilobular, p. ej. trilobular como se muestra, o tetralobular, pentalobular, hexalobular o decalobular. El hacer los pelets con dichas formas transversales tambien puede aumentar la tasa de disolucion en una solucion despues de irradiacion.
Alternativamente, el material densificado puede estar en cualquier otra forma deseada, p. ej., el material densificado puede tener forma de una estera, rollo o bala.
Ejemplos
En un ejemplo, se puede usar como materia prima 0,5 galones de cartones de zumo hechos de carton Kraft blanco no impreso que tiene una densidad aparente de 20 lb/ft3 Los cartones pueden estar doblados planos y entonces 5 alimentar a una desmenuzadora para producir un material de tipo confeti que tiene una anchura entre 0,1 pulgadas y 0,5 pulgadas, una longitud de entre 0,25 pulgadas y 1 pulgada y un espesor equivalente al del material de partida (aproximadamente 0,075 pulgadas). El material de tipo confeti se puede alimentar a una cortadora de cuchillas rotativas, que cizalla los trozos de tipo confeti, desgarrando los trozos y liberando material fibroso.
10 En algunos casos, se pueden disponer multiples trenes de desmenuzadora-cizalladora en serie con la salida. En una realizacion, se pueden disponer dos trenes de desmenuzadora-cizalladora en serie con la salida de la primera cizalladora alimentada como entrada a la segunda desmenuzadora. En otra realizacion, se pueden disponer tres trenes de desmenuzadora-cizalladora en serie con la salida de la primera cizalladora alimentada como entrada a la segunda desmenuzadora y la salida de la segunda cizalladora alimentada como entrada en la tercera 15 desmenuzadora. Se preve que multiples pasos por trenes de desmenuzadora-cizalladora aumenten la reduccion del tamano de partfculas y aumenten la superficie espedfica general en la corriente de alimentacion.
En otro ejemplo, se puede tratar material fibroso producido en el desmenuzado y cizalladura de cartones de zumo para aumentar su densidad aparente. En algunos casos, el material fibroso se puede pulverizar con agua o una 20 solucion madre diluida de POLYOX™ WSR N10 (oxido de polietileno) preparada en agua. El material fibroso humectado despues se puede procesar a traves de un molino de pelets que trabaja a temperatura ambiente. El molino de pelets puede aumentar la densidad aparente de la corriente de alimentacion en mas de un orden de magnitud.
25 Pretratamiento
La materia prima preparada ffsicamente se puede pretratar para utilizarla en procesos de produccion primaria, por ejemplo, reduciendo el peso molecular promedio y la cristalinidad de la materia prima y/o aumentando el area superficial y/o la porosidad de la materia prima. En algunas realizaciones, el material celulosico y/o lignocelulosico 30 incluye una primera celulosa que tiene un primer peso molecular medio numerico y el hidrato de carbono resultante incluye una segunda celulosa que tiene un segundo peso molecular medio numerico menor que el primer peso molecular medio numerico. Por ejemplo, el segundo promedio de pesos moleculares en numero es menor que el primer promedio de pesos moleculares en numero en mas de aproximadamente 25 por ciento, por ejemplo, una reduccion de 2x, 3x, 5x, 7x, 10x, 25x e incluso 100x.
35
En algunas realizaciones, la primera celulosa tiene una primera cristalinidad y la segunda celulosa tiene una segunda cristalinidad menor que la primera cristalinidad, como por ejemplo menor que aproximadamente 2, 3, 5, 10, 15 o 25 por ciento menor.
40 En algunas realizaciones, la primera celulosa tiene un primer nivel de oxidacion y la segunda celulosa tiene un segundo nivel de oxidacion mayor que el primer nivel de oxidacion, tal como 2, 3, 4, 5, 10 o incluso 25% mas.
Los procesos de pretratamiento pueden incluir uno o mas de irradiacion, tratamiento con ultrasonidos, oxidacion, pirolisis, y explosion con vapor. Los diferentes sistemas de preparacion pueden ser usados en combinaciones de de 45 dos, tres o incluso cuatro de estas tecnologfas.
Combinaciones de pretratamientos
En algunas realizaciones, la biomasa se puede tratar aplicando dos o mas de cualquiera de los procesos que se 50 describen en la presente memoria, como por ejemplo dos, tres, cuatro o mas de radiacion, tratamiento con ultrasonidos, oxidacion, pirolisis y explosion con vapor con o sin una preparacion de la materia prima segun se describe aqrn ya sea anterior, en una etapa intermedia, o subsiguiente. Los procesos se pueden aplicar a la biomasa en cualquier orden o de manera concurrente. Por ejemplo, un hidrato de carbono se puede preparar aplicando radiacion, tratamiento con ultrasonidos, oxidacion, pirolisis, y, opcionalmente, explosion con vapor a un material 55 celulosico y/o lignocelulosico (en cualquier orden o de manera concurrente). El material provisto que contiene hidrato de carbono se puede convertir luego mediante uno o mas microorganismos, como por ejemplo bacterias, levaduras, o mezclas de levaduras y bacterias, a diversos productos deseables, tal como se describe en la presente memoria. Los procesos multiples pueden proveer materiales que pueden ser utilizados mas facilmente por una variedad de microorganismos debido a su menor peso molecular, menor cristalinidad, y/o solubilidad mejorada. Los 60 procesos multiples pueden proveer sinergia y reducir la entrada total de energfa necesaria en comparacion con
cualquier proceso unico.
Por ejemplo, en algunas realizaciones, se proveen materias primas que incluyen un hidrato de carbono que se produce mediante un proceso que incluye irradiacion, tratamiento con ultrasonidos, oxidacion y pirolisis, o irradiacion 5 y sometimiento a explosion con vapor (en cualquier orden o de manera concurrente) a un material celulosico y/o lignocelulosico. A continuacion, la materia prima provista se puede poner en contacto con un microorganismo con capacidad de convertir por lo menos una porcion, por ejemplo, por lo menos aproximadamente un 1 por ciento en peso, de la materia prima en el producto, tal como el combustible.
10 Condiciones de pretratamiento
En algunas realizaciones, el procedimiento no incluye hidrolizar el material celulosico y/o lignocelulosico, tal como con un acido o una base, p. ej., un acido mineral, tal como acido clorfndrico o sulfurico. Si se desea, parte o nada de la materia prima puede incluir un material hidrolizado. Por ejemplo, en algunas realizaciones, al menos 15 aproximadamente 70 por ciento en peso de la materia prima es un material no hidrolizado, p. ej. al menos 95 por ciento en peso de la materia prima es un material no hidrolizado. En algunas realizaciones, sustancialmente toda la materia prima es un material no hidrolizado.
Cualquier materia prima o cualquier reactor o fermentador cargado con una materia prima puede incluir un tampon, 20 tal como bicarbonato sodico, cloruro amonico o Tris; un electrolito, tal como cloruro potasico, cloruro sodico o cloruro calcico; un factor de crecimiento, tal como biotina y/o una pareja de base tal como uracilo o un equivalente del mismo; un tensioactivo, tal como Tween®1 o polietilenglicol; un mineral, tal como calcio, cromo, cobre, yodo, hierro, selenio o cinc; o un agente quelante, tal como etilendiamina, acido etilendiaminotetraacetico (EDTA) (o su forma da sal, p. ej. EDTA de sodio o potasio), o dimercaprol.
25
Cuando se usa radiacion, se puede aplicar a cualquier muestra que este seca o humeda, o incluso dispersa en un lfquido, tal como agua. Por ejemplo, la irradiacion se puede llevar a cabo en material celulosico y/o lignocelulosico en el que menos de aproximadamente 25 por ciento en peso del material celulosico y/o lignocelulosico tiene superficies mojadas con un lfquido, tal como agua. En algunas realizaciones, la irradiacion se lleva a cabo en material celulosico 30 y/o lignocelulosico en el que sustancialmente nada del material celulosico y/o lignocelulosico esta mojado con un lfquido, tal como agua.
En algunas realizaciones, cualquier procesado descrito en la presente memoria se produce despues de que el material celulosico y/o lignocelulosico permanezca seco como se ha adquirido o se ha secado, p. ej., usando calor 35 y/o presion reducida. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el material celulosico y/o lignocelulosico tiene menos de aproximadamente 5 por ciento en peso de agua retenida, medido a 25 °C y 50% de humedad relativa.
Si se desea, se puede usar un agente de hinchamiento, como se define en la presente memoria, en cualquier procedimiento descrito en la presente memoria. En algunas realizaciones, cuando el material celulosico y/o 40 lignocelulosico se procesa usando radiacion, menos de aproximadamente 25 por ciento en peso del material celulosico y/o lignocelulosico esta en un estado hinchado, caracterizandose el estado hinchado por tener un volumen de mas de aproximadamente 2,5 por ciento mayor que un estado no hinchado, p. ej., mas de 5,0, 7,5, 10 o 15 por ciento mayor que el estado no hinchado. En algunas realizaciones, cuando se usa radiacion en un material celulosico y/o lignocelulosico, sustancialmente nada del material celulosico y/o lignocelulosico esta en un estado 45 hinchado. En realizaciones espedficas, cuando se usa radiacion, el material celulosico y/o lignocelulosico incluye un agente de hinchamiento, y el material celulosico y/o lignocelulosico hinchado recibe una dosis menor de aproximadamente 10 Mrad.
Cuando se usa radiacion en cualquier procedimiento, se puede aplicar mientras el material celulosico y/o 50 lignocelulosico esta expuesto al aire, aire enriquecido con oxfgeno, o incluso al propio oxfgeno, o cubierto por una capa de un gas inerte tal como nitrogeno, argon o helio. Cuando se desea una oxidacion maxima, se usa un entorno oxidante, tal como aire u oxfgeno.
Cuando se usa radiacion, se puede aplicar a biomasa, tal como material celulosico y/o lignocelulosico, bajo una 55 presion que es mayor que aproximadamente 2,5 atmosferas, tal como mayor que 5, 10, 15, 20 o incluso mayor que aproximadamente 50 atmosferas.
Tratamiento de radiacion
60 Se pueden utilizar una o mas secuencias de tratamiento con irradiacion para tratar la materia prima en bruto
proveniente de una amplia variedad de diversas fuentes para extraer sustancias utiles de la materia prima, y para proveer materia organica parcialmente degradada que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales. La irradiacion puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad de la materia prima. En algunas realizaciones, se usa la energfa depositada en un material que libera un electron de su orbital atomico, para 5 irradiar los materiales. La radiacion se puede proporcionar mediante 1) partmulas cargadas pesadas, tales como partmulas alfa o protones, 2) electrones, producidos, por ejemplo, en la desintegracion beta o aceleradores de haces de electrones, o 3) radiacion electromagnetica, por ejemplo, rayos gamma, rayos x, o rayos ultravioleta. En un procedimiento, la radiacion producida por sustancias radiactivas se puede usar para irradiar la materia prima. En algunas realizaciones, se puede usar cualquier combinacion, en cualquier orden o simultaneamente de (1) a (3). En 10 otro procedimiento, se puede usar radiacion electromagnetica (p. ej., producida usando emisores de haces de electrones) para irradiar la materia prima. Las dosis aplicadas dependen del efecto deseado y de la materia prima particular. Por ejemplo, dosis altas de radiacion pueden romper enlaces qmmicos dentro de los componentes de la materia prima y dosis bajas de radiacion pueden aumentar los enlaces qmmicos (p. ej., reticulacion) dentro de los componentes de la materia prima. En algunos aspectos, cuando se desea la escision de cadenas y/o la 15 funcionalizacion de la cadena polimerica, se pueden usar partmulas mas pesadas que los electrones, tales como protones, nucleos de helio, iones de argon, iones de silicio, iones de neon, iones de carbono, iones de fosforo, iones de oxfgeno o iones de nitrogeno. Cuando se desea la escision de cadena con apertura de anillo, se pueden usar partmulas con carga positiva por sus propiedades de acido de Lewis para la escision de cadena con apertura de anillo potenciada. Por ejemplo, cuando se desean grupos funcionales que contienen oxfgeno, se puede llevar a cabo 20 la irradiacion en presencia de oxfgeno o incluso la irradiacion con iones de oxfgeno. Por ejemplo, cuando se desean grupos funcionales que contienen nitrogeno, se puede llevar a cabo la irradiacion en presencia de nitrogeno o incluso irradiacion con iones de nitrogeno.
En relacion con la figura 8, en un metodo de referencia, se irradia un primer material 2 que es o incluye celulosa que 25 tiene un primer peso molecular medio numerico (tMn-i), p. ej., por tratamiento con radiacion ionizante (p. ej., en forma de radiacion gamma, radiacion de rayos X, luz ultravioleta de 100 nm a 280 nm, un haz de electrones u otras partmulas cargadas) para proporcionar un segundo material 3 que incluye celulosa que tiene un segundo peso molecular medio numerico (tMn2) menor que el primer peso molecular medio numerico. El segundo material (o el primer y segundo material) se pueden combinar con un microorganismo (p. ej., una bacteria o una levadura) que 30 puede usar el segundo y/o primer material para producir un combustible (5) que es o incluye hidrogeno, un alcohol (p. ej., etanol o butanol, tal como n-, sec- o t-butanol), un acido organico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
Puesto que el segundo material 3 tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer 35 material, y en algunos aspectos, tambien una cristalinidad reducida, en general el segundo material es mas dispersable, hinchable y/o soluble en una solucion que contiene un microorganismo. Estas propiedades hacen que el segundo material (3) sea mas susceptible al ataque qmmico, enzimatico y/o biologico con respecto al primer material (2), lo cual puede mejorar mucho la tasa de produccion y/o el nivel de produccion de un producto deseado, p. ej., etanol. La radiacion tambien puede esterilizar los materiales.
40
En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio numerico (Mn2) es menor que el primer peso molecular medio numerico (tMn-i) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej., 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso mas de aproximadamente 75 por ciento.
45 En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (tC2) que es menor que la cristalinidad (tC-i) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (tC2) puede ser menor que (tC-i) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej. 15, 20, 25, 30, 35, 40, o incluso mas de aproximadamente 50 por ciento.
En algunas realizaciones, el mdice de cristalinidad inicial (antes de irradiacion) es de aproximadamente 40 a 50 aproximadamente 87,5 por ciento, p. ej., de aproximadamente 50 a aproximadamente 75 por ciento o de aproximadamente 60 a aproximadamente 70 por ciento, y el mdice de cristalinidad despues de irradiacion es de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 por ciento, p. ej., de aproximadamente 15 a aproximadamente 45 por ciento o de aproximadamente 20 a aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en algunas realizaciones, p. ej., despues de irradiacion extensa, se puede tener un mdice de cristalinidad menor que 5 por ciento. En algunas 55 realizaciones, el material despues de irradiacion es sustancialmente amorfo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio numerico inicial (antes de irradiacion) es de aproximadamente
200.000 a aproximadamente 3.200.000, p. ej., de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio numerico despues de irradiacion 60 de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, p. ej., de aproximadamente 60.000 a aproximadamente
150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, p. ej., despues de irradiacion extensa, se puede tener un peso molecular medio numerico menor que aproximadamente
10.000 o incluso menor que aproximadamente 5.000.
5 En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (TO2) que es mayor que el nivel de oxidacion (TOi) del primer material. Un nivel mayor de oxidacion del material puede ayudar a su dispersabilidad, hinchabilidad y/o solubilidad, potenciando ademas la susceptibilidad de los materiales al ataque qmmico, enzimatico o biologico. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la irradiacion se lleva a cabo en un entorno oxidante, p. ej., bajo una capa de aire u oxfgeno, 10 produciendo un segundo material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos aldetudo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que aumentan la hidrofilicidad.
Radiacion ionizante
15
Cada forma de radiacion ioniza la biomasa por interacciones particulares, determinadas por la energfa de la radiacion. Las partfculas cargadas pesadas ionizan principalmente por dispersion coulombiana; ademas, estas interacciones producen electrones energeticos que pueden ionizar mas la materia. Las partfculas alfa son identicas al nucleo de un atomo de helio y son producidas por la desintegracion alfa de diferentes nucleos radiactivos, tales 20 como isotopos de bismuto, polonio, astatina, radon, francio, radio, varios actmidos, tales como actinio, torio, uranio, neptunio, curio, californio, americio y plutonio.
Cuando se usan partfculas, pueden ser neutras (no cargadas), tener carga positiva o tener carga negativa. Cuando estan cargadas, las partfculas cargadas pueden llevar una sola carga positiva o negativa, o multiples cargas, p. ej., 25 1, 2, 3 o incluso 4 o mas cargas.
En aspectos en los que se desea la escision de cadena, pueden ser deseables partfculas con carga positiva, en parte debido a su naturaleza acida. Cuando se usan partfculas las partfculas pueden tener la masa de un electron en reposo, o mayor, p. ej., 500, 1000, 1500, o 2000 o mas veces la masa de un electron en reposo. Por ejemplo, las 30 partfculas que tienen una masa de aproximadamente 1 unidad atomica a aproximadamente 150 unidades atomicas, p. ej., de aproximadamente 1 unidad atomica a aproximadamente 50 unidades atomicas, o de aproximadamente 1 a aproximadamente 25, p. ej., 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 o 15 uma. Los aceleradores usados para acelerar las partfculas pueden ser electrostaticos DC, electrodinamicos DC, lineales RF, lineales de induccion magnetica o de onda continua. Por ejemplo, los aceleradores de tipo ciclotron estan disponibles en IBA, Belgica, tal como el sistema 35 Rhodotron®, mientras que los aceleradores de tipo DC estan disponibles en RDI, ahora IBA Industrial, tal como Dynamitroii®. Los iones y aceleradores de iones se describen en Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-Ion Beam Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 de marzo 2006, Iwata, Y. et al., "Alternating-Phase- Focused IH-DTL for Heavy-Ion Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgo, Escocia y Leitner, 40 C.M. et al., "Status of the Superconducting ECR Ion Source Venus", Proceedings of EPAC 2000, Viena, Austria.
Los electrones interaccionan por dispersion coulombiana y radiacion de frenado producida por cambios en la velocidad de los electrones. Los electrones se pueden producir mediante nucleos radiactivos que sufren desintegracion beta, tales como isotopos de yodo, cesio, tecnecio e iridio. Alternativamente, se puede usar una 45 pistola de electrones como fuente de electrones por emision termoionica.
La radiacion electromagnetica interactua mediante tres procesos: absorcion fotoelectrica, dispersion de Compton y produccion de pares. La interaccion dominante esta determinada por la energfa de la radiacion incidente y el numero atomico del material. La suma de las interacciones que contribuyen a la radiacion absorbida en el material celulosico 50 se puede expresar por el coeficiente de absorcion de masa.
La radiacion electromagnetica se subclasifica en rayos gamma, rayos x, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, microondas u ondas de radio, dependiendo de su longitud de onda.
55 Por ejemplo, se puede usar radiacion gamma para irradiar los materiales. En relacion con las figuras 9 y 10 (una
vista aumentada de la region R), un irradiador gamma (10) incluye fuentes de radiacion gamma (408), p. ej., pelets
de 55 * * * * 60Co, una mesa de trabajo (14) para soportar los materiales que se van a irradiar y almacenamiento (16), p. ej.,
hecho de una pluralidad de placas de hierro, los cuales estan todos albergados en una camara de contencion de
hormigon (camara aislada) (20) que incluye una puerta de entrada de laberinto (22) ademas de la puerta forrada de
60 plomo (26). El almacenamiento (16) incluye una pluralidad de canales (30), p. ej., 16 o mas canales, que permiten
que las fuentes de radiacion gamma pasen a traves del almacenamiento en su camino proximo a la mesa de trabajo.
En funcionamiento, la muestra que se va a irradiar se pone en una mesa de trabajo. El irradiador se configura para que suministre la dosis por unidad de tiempo deseada y el equipo de seguimiento esta conectado a un bloque 5 experimental (31). El operador entonces sale de la camara de contencion, pasando por la puerta de entrada de laberinto y por la puerta forrada de plomo. El operador dirige un panel de control (32), que da instrucciones a un ordenador (33) para subir las fuentes de radiacion (12) en la posicion de trabajo usando el cilindro (36) unido a una bomba hidraulica (40).
10 La radiacion gamma tiene la ventaja de una profundidad de penetracion significativa en una variedad de materiales en la muestra. Las fuentes de rayos gamma incluyen nucleos radiactivos, tales como isotopos de cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, kripton, samario, selenio, sodio, talio y xenon.
Las fuentes de rayos x incluyen colision de haz de electrones con objetivos metalicos, tales como tungsteno o 15 molibdeno o aleaciones, o fuentes de luz compactas, tales como las producidas comercialmente por Lyncean.
Las fuentes de radiacion ultravioleta incluyen lamparas de deuterio o cadmio.
Las fuentes de radiacion infrarroja incluyen lamparas ceramicas de ventana de zafiro, cinc, o selenuro.
20
Las fuentes para microondas incluyen fuentes de klistron, RF tipo Slevin, o fuentes de haces atomicos que usan hidrogeno, oxfgeno o nitrogeno gaseosos.
Se pueden usar varios otros dispositivos de irradiacion en los metodos descritos en la presente memoria, incluyendo 25 fuentes de ionizacion de campo, separadores de iones electrostaticos, generadores de ionizacion de campo, fuentes de emision termoionica, fuentes de iones de descarga de microondas, aceleradores de recirculacion o estaticos, aceleradores lineales dinamicos, aceleradores de van de Graaff, y aceleradores en tandem plegados. Dichos dispositivos se desvelan, por ejemplo, en US2009314487.
30 Haz de electrones
En algunas realizaciones, se usa un haz de electrones como la fuente de radiacion. Un haz de electrones tiene las ventajas de tasas de dosis altas (p. ej., 1, 5 o incluso 10 Mrad por segundo), alto rendimiento, menos contencion, y menos equipamiento de confinamiento. Los electrones tambien pueden ser mas eficaces en la produccion de 35 escision de cadena. Ademas, los electrones que tienen energfas de 4-10 MeV pueden tener una profundidad de penetracion de 5 a 30 mm o mas, tal como 40 mm.
Los haces de electrones se pueden generar, p. ej., mediante generadores electrostaticos, generadores de cascada, generadores transformadores, aceleradores de baja energfa con un sistema de barrido, aceleradores de baja 40 energfa con un catodo lineal, aceleradores lineales y aceleradores pulsados. Los electrones como una fuente de radiacion ionizante pueden ser utiles, p. ej., para pilas de materiales relativamente finas, p. ej., menores de 0,5 pulgadas, p. ej., menor de 0,4 pulgadas, 0,3 pulgadas, 0,2 pulgadas o menor de 0,1 pulgadas. En algunas realizaciones, la energfa de cada electron del haz de electrones es de aproximadamente 0,3 MeV a aproximadamente 2,0 MeV (millones de electronvoltios), p. ej., de aproximadamente 0,5 MeV a aproximadamente 45 1,5 MeV, o de aproximadamente 0,7 MeV a aproximadamente 1,25 MeV.
La figura 11A muestra un diagrama de flujo del procedimiento 3000 que incluye varias etapas en una secuencia de pretratamiento de la materia prima por irradiacion de haz de electrones. En la primera etapa 3010, se recibe un suministro de materia prima seca de una fuente de alimentacion. Como se ha descrito antes, la materia prima seca 50 de la fuente de alimentacion puede ser preprocesada antes del suministro a los dispositivos de irradiacion de haz de electrones. Por ejemplo, si la materia prima deriva de fuentes vegetales, se pueden separar determinadas partes del material vegetal antes de recoger el material vegetal y/o antes de suministrar el material vegetal mediante el dispositivo de transporte de materia prima. Alternativamente, o ademas, como se expresa en la etapa opcional (3020), la materia prima de biomasa se puede someter a procesamiento mecanico (p. ej., para reducir la longitud 55 media de las fibras en la materia prima) antes de suministrar a los dispositivos de irradiacion de haz de electrones.
En la etapa 3030, la materia prima seca se transfiere a un dispositivo de transporte de materia prima (p. ej., una cinta transportadora) y se distribuye sobre la anchura transversal del dispositivo de transporte de materia prima de manera uniforme en volumen. Esto se puede lograr, por ejemplo, manualmente o por induccion de un movimiento de 60 vibracion localizado en algun punto en el dispositivo de transporte de materia prima antes del procesamiento por
irradiacion de haz de electrones.
En algunas realizaciones, un sistema de mezcla introduce un agente qmmico 3045 en la materia prima en un procedimiento opcional 3040 que produce una suspension. La combinacion de agua con la materia prima procesada 5 en la etapa de mezcla 3040 crea una suspension acuosa de materia prima que se puede transportar, por ejemplo, por las tubenas en lugar de usar, por ejemplo, una cinta transportadora.
La siguiente etapa 3050 es un bucle que abarca exponer la materia prima (en forma seca o de suspension) a radiacion con haz de electrones por uno o mas (digamos, N) dispositivos de irradiacion de haz de electrones. La 10 suspension de materia prima se mueve por cada una de las N “duchas” de haces de electrones en la etapa 3052. El movimiento puede ser a una velocidad continua a traves y entre las duchas, o puede haber una pausa a traves de cada ducha, seguido de un movimiento repentino a la siguiente ducha. Una pequena rendija de la suspension de materia prima es expuesta en cada ducha durante algun tiempo de exposicion predeterminado en la etapa 3053.
15 Los dispositivos de irradiacion de haz de electrones se pueden obtener en el comercio de Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Belgica, o the Titan Corporation, San Diego, CA. Las energfas de electrones tfpicas pueden ser de 1 MeV, 2 MeV, 4,5 MeV, 7,5 MeV, o 10 MeV. La potencia del dispositivo de irradiacion de haz de electrones tfpica puede ser 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 50 kW, 100 kw, 250 kW, o 500 kW. La eficacia de la despolimerizacion de la suspension de materia prima depende de la energfa de electrones usada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo 20 de exposicion depende de la potencia y la dosis. Las dosis tfpicas pueden tener valores de 1 kGy, 5 kGy, 10 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 100 kGy o 200 kGy.
El compromiso cuando se consideran las especificaciones de potencia del dispositivo de irradiacion de haz de electrones incluye el coste de operar, costes de capital, depreciacion y espacio del dispositivo. El compromiso 25 cuando se consideran los niveles de dosis de la irradiacion de haz de electrones senan los costes energeticos y los problemas de entorno, seguridad y salud (ESH). El compromiso cuando se consideran las energfas de los electrones incluyen los costes energeticos; aqrn, una energfa de electrones baja puede ser ventajosa para potenciar la despolimerizacion de algunas suspensiones de materias primas (vease, por ejemplo, Bouchard, et al, Cellulose (2006) 13: 601-610). Normalmente, los generadores estan contenidos en una camara aislada, p. ej., de plomo, u 30 hormigon u hormigon forrado de plomo.
Puede ser ventajoso proporcionar un doble paso de irradiacion de haz de electrones con el fin de proporcionar un procedimiento de despolimerizacion mas eficaz. Por ejemplo, el dispositivo de transporte de materia prima dirigina la materia prima (en forma seca o de suspension) por debajo y en direccion inversa a su direccion de transporte inicial. 35 Los sistemas de doble paso pueden permitir procesar suspensiones de materia prima mas espesas y pueden proporcionar una despolimerizacion mas uniforme a traves del espesor de la suspension de materia prima.
El dispositivo de irradiacion de haz de electrones puede producir un haz fijo o un haz de barrido. Un haz de barrido puede ser ventajoso con longitudes de barrido grandes y velocidades de barrido altas, ya que esto sustituina 40 eficazmente una anchura de haz fijo grande. Ademas, estan disponibles anchuras de barrido de 0,5 m, 1m, 2 m o mas.
Una vez que se ha transportado una parte de la suspension de materia prima a traves de los N dispositivos de irradiacion de electrones, puede ser necesario en algunas realizaciones, como en la etapa 3060, separar 45 mecanicamente los componentes lfquidos y solidos de la suspension de materia prima. En estas realizaciones, una parte lfquida de la suspension de materia prima se filtra para las partfculas solidas residuales y se vuelve a reciclar a la etapa de preparacion de suspension (3040). Una parte solida de la suspension de materia prima despues se avanza a la siguiente etapa de procesamiento (3070) por el dispositivo de transporte de materia prima. En otras realizaciones, la materia prima se mantiene en forma de suspension para el procesamiento posterior.
50
Radiacion electromagnetica.
En realizaciones en las que la irradiacion se lleva a cabo con radiacion electromagnetica, la radiacion electromagnetica puede tener, p. ej., una energfa por foton (en electronvoltios), mayor que 102 eV, p. ej., mayor que 55 103, 104, 105, 106, o incluso mayor que 107 eV. En algunas realizaciones, la radiacion electromagnetica tiene una energfa por foton de entre 104 y 107, p. ej., entre 105 y 106 eV. The La radiacion electromagnetica puede tener una frecuencia de, p. ej., mayor que 1016 Hz, mayor que 1017 Hz, 1018,1019, 1020, o incluso mayor que 1021 Hz. En algunas realizaciones, la radiacion electromagnetica tiene una frecuencia de entre 1018 y 1022 Hz, p. ej., entre 1019 y 1021 Hz.
Dosis
En algunas realizaciones, la irradiacion (con cualquier fuente de radiacion o combinacion de fuentes) se lleva a cabo hasta que el material recibe una dosis de al menos 0,25 Mrad, por ejemplo, al menos 1,0, al menos 2,5 Mrad, al 5 menos 5,0 Mrad, o al menos 10,0 Mrad. En algunas realizaciones, la irradiacion se lleva a cabo hasta que el material recibe una dosis de entre 1,0 Mrad y 6,0 Mrad, por ejemplo, entre 1,5 Mrad y 4,0 Mrad.
En algunas realizaciones, la irradiacion se lleva a cabo con una dosis por unidad de tiempo entre 5,0 y 1500,0 kilorads/hora, p. ej., entre 10,0 y 750,0 kilorads/hora o entre 50,0 y 350,0 kilorads/hora.
10
En algunas realizaciones, se usan dos o mas fuentes de radiacion, tal como dos o mas radiaciones ionizantes. Por ejemplo, las muestras se pueden tratar, en cualquier orden, con un haz de electrones, seguido de radiacion gamma y luz UV que tiene longitudes de onda de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 280 nm. En algunas realizaciones, las muestras se tratan con tres fuentes de radiacion ionizante, tal como un haz de electrones, 15 radiacion gamma y luz UV energetica.
Alternativamente, en otro ejemplo, un material fibroso que incluye un material celulosico y/o lignocelulosico se irradia y, opcionalmente, se trata con energfa acustica, p. ej., ultrasonidos.
20 En un ejemplo del uso de radiacion como un pretratamiento, se usa como materia prima medio galon de cartones de zumo hechos de carton Kraft blanco polirrevestido no impreso, que tiene una densidad aparente de 20 lb/ft3). Los cartones se doblan planos y despues se alimentan a una secuencia de tres trenes de desmenuzadora-cizalladora dispuestos en serie con la salida de la primera cizalladora alimentada como entrada a la segunda desmenuzadora, y la salida de la segunda cizalladora alimentada como entrada a la tercera desmenuzadora. El material fibroso 25 producido por el tren de desmenuzadora-cizalladora se puede pulverizar con agua y procesar mediante un molino de pelets que trabaja a temperatura ambiente. Los pelets densificados se ponen en una ampolla de vidrio, que se evacua con alto vado y despues se vuelve a llenar con gas argon. La ampolla se sella bajo atmosfera de argon. Alternativamente, en otro ejemplo, la ampolla se sella en una atmosfera de aire. Los pelets de la ampolla se irradian con radiacion gamma durante aproximadamente 3 horas con una dosis por unidad de tiempo de aproximadamente 1 30 Mrad por hora para proporcionar un material irradiado en el que la celulosa tiene un peso molecular menor que el material de partida.
Aditivos para potenciar la reduccion de peso molecular durante la irradiacion
35 En algunas realizaciones, antes de la irradiacion, se pueden anadir diferentes materiales, p. ej., solidos o lfquidos, a la biomasa para potenciar la reduccion de peso molecular. En esos aspectos en que se usa un lfquido, el lfquido puede estar en contacto con las superficies externas de la biomasa y/o el lfquido puede estar en porciones interiores de la biomasa, por ejemplo, infundido dentro de la biomasa.
40 Por ejemplo, el material puede ser una base debil neutra, tal como alanina, amoniaco, mezcla de amoniaco/agua, p. ej., 25 por ciento en peso de amoniaco en agua, agua, metilamina, dimetilamina, trimetilamina, piridina o una base anionica, tal como una sal del acido acetico (p. ej., acetato sodico), carbonato sodico, bicarbonato sodico o una sal de un ion de sulfuro de hidrogeno (p. ej., hidrosulfuro sodico).
45 Alternativamente, el material puede ser un acido debil neutro, tal como acido formico, acido acetico, acido tricloroacetico, agua, sulfuro de hidrogeno o un acido cationico, tal como una sal de amonio.
Inactivacion y funcionalizacion controlada de la biomasa
50 Despues del tratamiento con una o mas radiaciones ionizantes, tales como radiacion fotonica (p. ej., rayos X o rayos gamma), radiacion de haz de electrones o partmulas mas pesadas que los electrones con carga positiva o negativa (p. ej., protones o iones de carbono), cualquiera de los materiales que contienen hidratos de carbono o mezclas descritas en la presente memoria son ionizadas, es decir, incluyen radicales en niveles que son detectables con un espectrometro de resonancia de espm electronico. El lfmite practico actual de la deteccion de los radicales es 55 aproximadamente 1014 espines a temperatura ambiente. Despues de ionizacion, cualquier material de biomasa que se ha ionizado puede reducir el nivel de radicales en la biomasa ionizada, p. ej. de modo que los radicales ya no sean detectables con el espectrometro de resonancia de espm electronico. Por ejemplo, los radicales se pueden inactivar por aplicacion de suficiente presion a la biomasa y/o usando un fluido en contacto con la biomasa ionizada, tal como un gas o lfquido, que reaccione (inactive) los radicales. El uso de un gas o lfquido para al menos ayudar a 60 la inactivacion de los radicales tambien permite que el operador controle la funcionalizacion de la biomasa ionizada
con una cantidad y tipo de grupos funcionales deseados, tales como grupos acido carboxflico, grupos enol, grupos aldetndo, grupos nitro, grupos nitrilo, grupos amino, grupo alquilamino, grupos alquilo, grupos cloroalquilo o grupos clorofluoroalquilo. En algunos aspectos, dicha inactivacion puede mejorar la estabilidad de algunos de los materiales de biomasa ionizados. Por ejemplo, la inactivacion puede mejorar la resistencia de la biomasa a la oxidacion. La 5 funcionalizacion mediante extincion tambien puede mejorar la solubilidad de cualquier biomasa descrita en la presente memoria, puede mejorar su estabilidad termica, que puede ser importante en la fabricacion de materiales compuestos y cartones descritos en la presente memoria, y puede mejorar la utilizacion de material por parte de diferentes microorganismos. Por ejemplo, los grupos funcionales impartidos al material de la biomasa por inactivacion pueden actuar como sitios receptores para la union por microorganismos, p. ej., para potenciar la 10 hidrolisis de la celulosa por diferentes microorganismos.
La figura 11B ilustra el cambio de una estructura molecular y/o supramolecular de una materia prima de biomasa por el pretratamiento de la materia prima de biomasa con radiacion ionizante, tal como con electrones o iones de suficiente energfa para ionizar la materia prima de biomasa, para proporcionar un primer nivel de radicales. Como se 15 muestra en la figura 11B, si la biomasa ionizada permanece en la atmosfera, se oxidara, en una medida en la que se generan grupos acido carboxflico por reaccion con el oxfgeno atmosferico. En algunos aspectos, con algunos materiales, dicha oxidacion es deseada porque puede ayudar a la posterior reduccion del peso molecular de la biomasa que contiene hidratos de carbono, y los grupos de oxidacion, p. ej., grupos acido carboxflico pueden ser utiles para la solubilidad y el uso por los microorganismos para algunos aspectos. Sin embargo, puesto que los 20 radicales pueden “vivir” durante algun tiempo despues de la irradiacion, p. ej., mas de 1 dfa, 5 dfas, 30 dfas, 3 meses, 6 meses o incluso mas de 1 ano, las propiedades del material pueden seguir cambiando a lo largo del tiempo, lo que en algunos casos, puede no ser conveniente. La deteccion de radicales en muestras irradiadas por espectroscopfa de resonancia de espm electronico y las vidas de los radicales en dichas muestras se describe en Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 y en Bartolotta et al., Radiation Protection 25 Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pags. 293-296 (1999). Como se muestra en la figura 11B, la biomasa ionizada se puede inactivar para funcionalizar y/o estabilizar la biomasa ionizada. En cualquier momento, p. ej., cuando el material esta “vivo”, “parcialmente vivo” o totalmente inactivado, la biomasa pretratada se puede convertir en un producto, p. ej., un combustible, un alimento o un material compuesto.
30 En algunas realizaciones, la inactivacion incluye una aplicacion de presion a la biomasa, tal como por deformacion mecanica de la biomasa, p. ej., comprimir directamente mecanicamente la biomasa en una, dos o tres dimensiones, o aplicar presion a un fluido en el que esta sumergido la biomasa, p. ej., presion isostatica. En dichos casos, la propia deformacion del material da radicales, que a menudo son atrapados en los dominios cristalinos, suficientemente proximos de modo que los radicales se pueden recombinar, o reaccionar con otro grupo. En algunos 35 aspectos, la presion se aplica junto con la aplicacion de calor, con una cantidad suficiente de calor para elevar la temperatura de la biomasa por encima del punto de fusion o punto de reblandecimiento de un componente de la biomasa, tal como la lignina, celulosa o hemicelulosa. El calor puede mejorar la movilidad molecular en el material polimerico, lo que puede ayudar a la inactivacion de los radicales. Cuando se usa presion para la inactivacion, la presion puede ser mayor que 1000 psi, tal como mayor que aproximadamente 1250 psi, 1450 psi, 3625 psi, 5075 40 psi, 7250 psi, 10000 psi o incluso mayor que 15000 psi.
En algunas realizaciones, la inactivacion incluye poner en contacto la biomasa con un fluido, tal como un lfquido o gas, p. ej., un gas capaz de reaccionar con los radicales, tal como acetileno o una mezcla de acetileno en nitrogeno, etileno, etilenos clorados o clorofluoroetilenos, propileno o mezclas de estos gases. En otras realizaciones 45 particulares, la inactivacion incluye poner en contacto la biomasa con un lfquido, p. ej., un lfquido soluble en, o al menos capaz de penetrar en la biomasa y reaccionar con los radicales, tal como un dieno, tal como 1,5- ciclooctadieno. En algunas realizaciones espedficas, la inactivacion incluye poner en contacto la biomasa con un antioxidante, tal como vitamina E. Si se desea, la materia prima de biomasa puede incluir un antioxidante disperso en la misma, y la inactivacion puede venir del contacto del antioxidante disperso en la materia prima de biomasa con 50 los radicales.
Son posibles otros metodos para la inactivacion. Por ejemplo, se puede usar cualquier metodo para inactivar radicales en materiales polimericos descritos en Muratoglu et al., publicacion de solicitud de patente de EE. UU. n° 2008/0067724 y Muratoglu et al., patente de EE. UU. n° 7.166.650, para inactivar cualquier material de biomasa 55 descrito en la presente memoria. Ademas, cualquier agente de inactivacion (descrito como un “agente sensibilizante” en las descripciones citadas antes de Muratoglu) y/o cualquier antioxidante descrito en cualquiera de las referencias de Muratoglu se puede usar para inactivar cualquier material de biomasa ionizado.
La funcionalizacion se puede potenciar usando iones pesados con carga, tal como cualquiera de los iones mas 60 pesados descritos en la presente memoria. Por ejemplo, si se desea potenciar la oxidacion, se pueden usar iones de
ox^geno cargados para la irradiacion. Si se desean grupos funcionales con nitrogeno, se pueden usar iones de nitrogeno o iones que incluyen nitrogeno. Igualmente, si se desean grupos funcionales con azufre o fosforo, se pueden usar iones de azufre o fosforo en la irradiacion.
5 En algunas realizaciones, despues la inactivacion, cualquiera de los materiales inactivados descritos en la presente memoria se puede tratar ademas con una o mas de radiacion, tal como radiacion ionizante o no ionizante, ultrasonidos, pirolisis y oxidacion para el cambio adicional de la estructura molecular y/o supramolecular.
En realizaciones particulares, los materiales funcionalizados descritos en la presente memoria se tratan con un 10 acido, base, nucleofilo o acido de Lewis, para el cambio adicional de estructura molecular y/o supramolecular, tal como reduccion adicional del peso molecular. Los ejemplos de acidos incluyen acidos organicos, tales como acido acetico y acidos minerales, tal como acido clortndrico, sulfurico y/o nftrico. Los ejemplos de bases incluyen bases minerales fuertes, tales como una fuente de iones hidroxido, iones basicos, tales como ion fluoruro, o bases organicas mas debiles, tales como aminas. Incluso el agua y bicarbonato sodico, p. ej., cuando se disuelve en agua, 15 puede realizar el cambio de estructura molecular y/o supramolecular, tal como la reduccion adicional de peso molecular.
Exposicion a haz de particulas en fluidos
20 En algunos casos, los materiales celulosicos o lignocelulosicos se pueden exponer a un haz de particulas en presencia de uno o mas fluidos adicionales (p. ej., gases y/o lfquidos). La exposicion de un material a un haz de particulas en presencia de uno o mas fluidos adicionales puede aumentar la eficacia del tratamiento.
En algunas realizaciones, el material se expone a un haz de particulas en presencia de un fluido tal como aire. Las 25 particulas aceleradas en uno cualquiera o mas de los tipos de aceleradores descritos en la presente memoria (u otro tipo de acelerador) se acoplan fuera del acelerador por un puerto de salida (p. ej., una membrana fina tal como una hoja metalica), pasan por un volumen de espacio ocupado por el fluido, y despues se hacen incidir en el material. Ademas de tratar directamente el material, algunas de las particulas generan especies qrnmicas adicionales interaccionando con particulas de fluido (p. ej., iones y/o radicales generados a partir de diferentes constituyentes del 30 aire, tales como ozono y oxidos de nitrogeno). Estas especies qrnmicas generadas tambien pueden interaccionar con el material, y pueden actuar como iniciadores para una variedad de diferentes reacciones de rotura de enlaces qmmicos en el material. Por ejemplo, cualquier oxidante producido puede oxidar el material, lo cual puede dar como resultado la reduccion de peso molecular.
35 En algunas realizaciones, se pueden introducir selectivamente fluidos adicionales en la ruta del haz de particulas antes de hacer incidir el haz en el material. Como se ha discutido antes, las reacciones entre las particulas del haz y las particulas de los fluidos introducidos pueden generar especies qrnmicas adicionales que reaccionan con el material y pueden ayudar a la funcionalizacion del material, y/o alterar selectivamente de otra manera algunas propiedades del material. El uno o mas fluidos adicionales se pueden dirigir a la ruta del haz desde un tubo de 40 suministro, por ejemplo. La direccion y el caudal del o de los fluidos que se introducen, se pueden seleccionar segun una tasa de exposicion deseada y/o direccion para controlar la eficacia del tratamiento general, incluyendo efectos que resultan tanto del tratamiento basado en particulas como de los efectos que se deben a la interaccion de especies generadas dinamicamente a partir del fluido introducido con el material. Ademas del aire, los fluidos de ejemplo que se pueden introducir en el haz de iones incluyen oxfgeno, nitrogeno, uno o mas gases nobles, uno o 45 mas halogenos e hidrogeno.
Irradiacion de materiales de biomasa de densidad aparente baja y enfriamiento de la biomasa irradiada
Durante el tratamiento de los materiales de biomasa con radiacion ionizante, en especial con dosis por unidad de 50 tiempo altas, tales como con dosis mayores de 0,15 Mrad por segundo, p. ej., 0,25 Mrad/s, 0,35 Mrad/s, 0,5 Mrad/s, 0,75 Mrad/s o incluso mayor que 1 Mrad/s, los materiales de la biomasa pueden retener cantidades significativas de calor de modo que se eleva la temperatura de los materiales de la biomasa. Aunque en algunas realizaciones temperaturas mas altas pueden ser ventajosas, p. ej., cuando se desea una velocidad de reaccion mas rapida, es ventajoso controlar el calentamiento de la biomasa para mantener el control sobre las reacciones qrnmicas iniciadas 55 por la radiacion ionizante, tales como la reticulacion, escision de cadenas y/o injerto, p. ej., para mantener el control del procedimiento. Los materiales de baja densidad aparente, tales como los que tienen una densidad aparente menor que aproximadamente 0,4 g/cm3, p. ej., menor que aproximadamente 0,35, 0,25 o menor que aproximadamente 0,15 g/cm3, en especial cuando se combinan con materiales que tienen perfiles transversales finos, tales como fibras que tienen dimensiones transversales pequenas, en general son mas faciles de enfriar. 60 Ademas, los fotones y las partfculas en general pueden penetrar mas dentro y a traves de los materiales que tienen
una densidad aparente relativamente baja, lo cual puede permitir el procesamiento de volumenes mayores de materiales con velocidades mayores, y puede permitir el uso de fotones y partfculas que tienen menores energfas, p. ej., 0:25 Mev, 0,5 MeV, 0,75 MeV o 1,0 MeV, que pueden reducir los requisitos de apantallamiento de seguridad. Por ejemplo, en un metodo de cambio de una estructura molecular y/o supramolecular de una materia prima de biomasa, 5 la biomasa se pretrata a una primera temperatura con radiacion ionizante, tal como fotones, electrones o iones (p. ej., cationes o aniones con una o multiples cargas), durante un tiempo suficiente y/o con una dosis suficiente para elevar la materia prima de biomasa a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura. La biomasa pretratada despues se enfna a una tercera temperatura inferior a la segunda temperatura. Finalmente, si se desea, la biomasa enfriada se puede tratar una o mas veces con radiacion, p. ej., con radiacion ionizante. Si se desea, se 10 puede aplicar enfriamiento a la biomasa despues y/o durante cada tratamiento de radiacion.
La materia prima de biomasa se puede preparar ffsicamente como se ha descrito antes, p. ej., reduciendo una o mas dimensiones de los trozos individuales de la materia prima de biomasa de modo que la materia prima pueda ser procesada mas eficazmente, p. ej., mas facilmente enfriada y/o mas facilmente penetrada por una radiacion 15 ionizante.
En algunas implementaciones, la radiacion ionizante se aplica con una dosis total menor que 25 Mrad o menor que 10 MRad , tal como menos de 5 Mrad o menos de 2,5 Mrad y a una velocidad de mas de 0,25 Mrad por segundo, tal como mas de 0,5, 0,75 o mayor que 1,0 Mrad/s, antes de enfriar la biomasa.
20
El pretratamiento de la materia prima de biomasa con radiacion ionizante se puede llevar a cabo cuando la materia prima de biomasa esta siendo transportada neumaticamente en un fluido, tal como en un gas, p. ej., nitrogeno o aire. Para ayudar a la reduccion del peso molecular y/o funcionalizacion de los materiales, el gas puede estar saturado con cualquier agente de hinchamiento descrito en la presente memoria y/o vapor de agua. Por ejemplo, se puede 25 usar vapor de agua acido. Para ayudar a la reduccion de peso molecular, el agua se puede acidificar con un acido organico, tal como acido formico, o acetico, o un acido mineral, tal como acido sulfurico o clorhndrico.
El pretratamiento de la materia prima de biomasa con radiacion ionizante se puede llevar a cabo cuando la materia prima de biomasa cae bajo la influencia de la gravedad. Este procedimiento puede reducir eficazmente la densidad 30 aparente de la materia prima de biomasa cuando esta siendo procesada y puede ayudar al enfriamiento de la materia prima de biomasa. Por ejemplo, la biomasa se puede transportar desde una primera cinta a una primera altura por encima del suelo y despues puede ser capturada por una segunda cinta en un segundo nivel por encima del suelo menor que el primer nivel. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el borde trasero de la primera cinta y el borde delantero de la segunda cinta definen un hueco. Ventajosamente, la radiacion ionizante, tal como un haz de 35 electrones, protones u otros iones, se puede aplicar en el hueco para evitar dano al sistema de transporte de biomasa.
El enfriamiento de la biomasa puede incluir poner en contacto la biomasa con un fluido, tal como un gas, a una temperatura inferior a la primera y segunda temperaturas, tal como nitrogeno gaseoso a o aproximadamente a 77K. 40 Se puede usar incluso agua, tal como agua a una temperatura inferior a la temperatura ambiente nominal (p. ej. 25 °C).
A menudo ventajosamente, la materia prima de biomasa tiene fibras internas, y antes de la irradiacion con la radiacion ionizante, la materia prima de biomasa se ha cizallado en una extension tal que sus fibras interiores estan 45 sustancialmente expuestas. Esta cizalladura puede proporcionar un material de densidad aparente baja que tiene dimensiones del corte transversal pequenas, lo que puede ayudar a la rotura y/o funcionalizacion de la biomasa. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la biomasa es o incluye fibras discretas y/o partfculas que tienen una dimension maxima de no mas de aproximadamente 0,5 mm, tal como no mas de aproximadamente 0,25 mm, no mas de aproximadamente 0,1 mm o no mas de aproximadamente 0,05 mm.
50
En algunas realizaciones, la materia prima de biomasa a la que se aplica la radiacion ionizante tiene una densidad aparente menor que aproximadamente 0,35 g/cm3, tal como menor que aproximadamente 0,3, 0,25, 0,20, o menor que aproximadamente 0,15 g/cm3 durante la aplicacion de la radiacion ionizante. En dichas realizaciones, la materia prima de biomasa se puede enfriar, y despues la radiacion ionizante se puede aplicar a la biomasa enfriada. En 55 algunas realizaciones ventajosas, la materia prima de biomasa es o incluye fibras discretas y/o partfculas que tienen una dimension maxima de no mas de aproximadamente 0,5 mm, tal como no mas de aproximadamente 0,25 mm, no mas de aproximadamente 0,1 mm, no mas de aproximadamente 0,05 mm, o no mas de aproximadamente 0,025 mm.
Sonicacion
Se pueden utilizar una o mas secuencias de tratamiento con ultrasonidos para tratar la materia prima en bruto proveniente de una amplia variedad de diversas fuentes para extraer sustancias utiles de la materia prima, y para 5 proveer materia organica parcialmente degradada que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales. La sonicacion puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad de la materia prima.
Con referencia nuevamente a la Figura 8, en un metodo, un primer material (2) que incluye celulosa con un primer promedio de pesos moleculares en numero (tMni) se dispersa en un medio, como por ejemplo agua, y se trata con 10 ultrasonidos y/o se cavita de otra manera, para proveer un segundo material (3) que incluye celulosa con un segundo promedio de pesos moleculares en numero (tMn2) menor que el primer promedio de pesos moleculares en numero. El segundo material (o el primer y segundo material en algunas realizaciones) se puede combinar con un microorganismo (p. ej., una bacteria o una levadura) que puede usar el segundo y/o primer material para producir un combustible (5) que es o incluye hidrogeno, un alcohol, un acido organico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera 15 de estos.
Puesto que el segundo material tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer material, y en algunos casos, tambien una cristalinidad reducida, en general el segundo material es mas dispersable, hinchable y/o soluble en una solucion que contiene el microorganismo, p. ej., en una concentracion de mas que 10° 20 microorganismos/ml. Estas propiedades hacen que el segundo material (3) sea mas susceptible al ataque qmmico, enzimatico y/o microbiano con respecto al primer material (2), lo cual puede mejorar mucho la tasa de produccion y/o el nivel de produccion de un producto deseado, p. ej., etanol. La sonicacion tambien puede esterilizar los materiales, pero no se debena utilizar mientras se suponga que los microorganismos esten vivos.
25 En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio numerico (tMn2) es menor que el primer peso molecular medio numerico (tMni) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej., 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso mas de aproximadamente 75 por ciento.
En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (tC2) que es menor que la 30 cristalinidad (tC-i) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (tC2) puede ser menor que (tC-i) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej. 15, 20, 25, 30, 35, 40, o incluso mas de aproximadamente 50 por ciento.
En algunas realizaciones, el mdice de cristalinidad inicial (antes de sonicacion) es de aproximadamente 40 a aproximadamente 87,5 por ciento, p. ej., de aproximadamente 50 a aproximadamente 75 por ciento o de 35 aproximadamente 60 a aproximadamente 70 por ciento, y el mdice de cristalinidad despues de sonicacion es de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 por ciento, p. ej., de aproximadamente 15 a aproximadamente 45 por ciento o de aproximadamente 20 a aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en determinadas realizaciones, p. ej., despues de sonicacion extensa, se puede tener un mdice de cristalinidad menor que 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de sonicacion es sustancialmente amorfo.
40
En algunas realizaciones, el peso molecular medio numerico inicial (antes de sonicacion) es de aproximadamente
200.000 a aproximadamente 3.200.000, p. ej., de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio numerico despues de sonicacion de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, p. ej., de aproximadamente 60.000 a aproximadamente
45 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, p. ej., despues de sonicacion extensa, se puede tener un peso molecular medio numerico menor que aproximadamente
10.000 o incluso menor que aproximadamente 5.000.
En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (t02) que es mayor que el nivel de 50 oxidacion (tO-i) del primer material. Un nivel mayor de oxidacion del material puede ayudar a su dispersabilidad, hinchabilidad y/o solubilidad, potenciando ademas la susceptibilidad de los materiales al ataque qmmico, enzimatico o microbiano. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la sonicacion se lleva a cabo en un entorno oxidante, produciendo un segundo material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos 55 aldehfdo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que aumentan la hidrofilicidad.
En algunas realizaciones, el medio de la sonicacion es un medio acuoso. Si se desea, el medio puede incluir un oxidante, como por ejemplo un peroxido (por ejemplo, peroxido de hidrogeno), un agente dispersante y/o un amortiguador. Los ejemplos de agentes dispersantes incluyen agentes dispersantes ionicos, por ejemplo, lauril 60 sulfato de sodio, y agentes dispersantes no ionicos, por ejemplo, polietilenglicol.
En otras realizaciones, el medio de la sonicacion no es acuoso. Por ejemplo, la sonicacion se puede llevar a cabo en un hidrocarburo, por ejemplo, tolueno o heptano, un eter, por ejemplo, dietil eter o tetrahidrofurano, o incluso en un gas licuado tal como argon, xenon, o nitrogeno.
Sin perseguir la limitacion de cualquier teona en particular, se cree que la sonicacion rompe las uniones en la celulosa creando burbujas en el medio que contiene la celulosa, que crecen y luego colapsan violentamente. Durante el colapso de la burbuja, que puede suceder en menos de un nanosegundo, la fuerza implosiva eleva la temperature local dentro de la burbuja hasta aproximadamente 5100 K (aun mayor en algunos casos; vease, por 10 ejemplo, Suslick et al., Nature 434, 52-55) y genera presiones de entre unos pocos cientos de atmosferas y mas de 1000 atmosferas o mas. Son dichas altas temperaturas y presiones las que rompen las uniones. Ademas, sin deseos de limitacion por ninguna teona en particular, se cree que la reduccion de la cristalinidad surge, por lo menos en parte, de las velocidades de enfriamiento extremadamente altas durante el colapso de la burbujas, que pueden ser mayores de aproximadamente 1011 K/segundo. Las altas velocidades de enfriamiento generalmente no permiten que 15 la celulosa se organice y cristalice, dando como resultado materiales que tienen una cristalinidad reducida. Los sistemas ultrasonicos y la sonoqmmica se exponen, por ejemplo, en Olli et al., Patente de EE. UU. n° 5.766.764; Roberts, Patente de Ee. UU. n° 5.828.156; Mason, Chemistry with Ultrasound, Elsevier, Oxford, (1990); Suslick (editor), Ultrasound: its Chemical, Physical and Biological Effects, VCH, Weinheim, (1988); Price, "Current Trends in Sonochemistry" Royal Society of Chemistry, Cambridge, (1992); Suslick et al., Ann Rev. Mater. Sci. 29, 295, (1999); 20 Suslick et al., Nature 353, 414 (1991); Hiller et al., Phys. Rev. Lett. 69, 1182 (1992); Barber et al., Nature, 352, 414 (1991); Suslick et al., J. Am. Chem. Soc., 108, 5641 (1986); Tang et al., Chem. Comm., 2119 (2000); Wang et al., Advanced Mater., 12, 1137 (2000); Landau et al., J. of Catalysis, 201, 22 (2001); Perkas et al., Chem. Comm., 988 (2001); Nikitenko et al., Angew. Chem. Inter. Ed. (December 2001); Shafi et al., J. Phys. Chem B 103, 3358 (1999); Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 121, 4196 (1999), and Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 122,4331 (2000).
25
Sistemas de ultrasonicos
La figura 12 muestra un sistema general donde se mezcla una corriente de material celulosico (1210) con una corriente de agua (1212) en un deposito (1214) para formar una corriente de proceso (1216). Una primera bomba 30 (1218) extrae la corriente de proceso (1216) del deposito (1214) y hacia una celda de flujo (1224). Un transductor ultrasonico (1226) transmite energfa ultrasonica a la corriente de proceso (1216) a medida que la corriente de proceso fluye a traves de la celda de flujo (1224). Una segunda bomba (1230) extrae la corriente de proceso (1216) de la celda de flujo (1224) y hacia el tratamiento subsiguiente.
35 El deposito (1214) incluye una primera admision (1232) y una segunda admision (1234) en comunicacion de fluidos con un volumen (1236). Un transportador (no se muestra) suministra la corriente de material celulosico (1210) al deposito (1214) a traves de la primera admision (1232). La corriente de agua (1212) entra al deposito (1214) a traves de la segunda admision (1234). En algunas realizaciones, la corriente de agua (1212) entra al volumen (1236) a lo largo de una tangente estableciendo un flujo en forma de remolino dentro del volumen (1236). En algunas 40 realizaciones, la corriente de material celulosico (1210) y la corriente de agua (1212) se pueden introducir al volumen (1236) a lo largo ejes opuestos para mejorar la mezcla dentro del volumen.
La valvula (1238) controla el flujo de la corriente de agua (1212) a traves de la segunda admision (1232) para producir una proporcion deseada de material celulosico a agua (por ejemplo, aproximadamente 10% de material 45 celulosico, peso en volumen). Por ejemplo, se pueden combinar 2000 toneladas/dfa de material celulosico con entre 1 millon y 1,5 millon de galones/dfa, por ejemplo, 1,25 millon de galones/dfa, de agua.
La mezcla de material celulosico y agua en el deposito (1214) esta controlada por la magnitud del volumen (1236) y los caudales de material celulosico y agua que entran al volumen. En algunas realizaciones, el volumen (1236) se 50 dimensiona para obtener un mmimo tiempo de residencia del material celulosico y el agua para que ocurra la mezcla. Por ejemplo, cuando estan fluyendo 2000 toneladas/dfa de material celulosico y 1,25 millon de galones/dfa de agua a traves del deposito 1214, el volumen 1236 puede ser de aproximadamente 32.000 galones para producir un mmimo tiempo de residencia de aproximadamente 15 minutos para que ocurra la mezcla.
55 El deposito (1214) incluye una mezcladora (1240) en comunicacion de fluidos con el volumen (1236). La mezcladora (1240) agita el contenido del volumen (1236) para dispersar el material celulosico a traves de toda el agua presente en el volumen. Por ejemplo, la mezcladora (1240) puede ser una pala rotativa dispuesta en el deposito (1214). En algunas realizaciones, la mezcladora (1240) dispersa el material celulosico de una manera sustancialmente uniforme a traves de toda el agua.
El deposito (1214) tambien incluye una salida (1242) en comunicacion de fluidos con el volumen (1236) y la corriente de proceso (1216). La mezcla de biomasa y agua en el volumen (1236) fluye hacia afuera del deposito (1214) a traves de la salida (1242). La salida (1242) esta dispuesta cerca del fondo del deposito (1214) para permitir que la gravedad impulse a la mezcla de biomasa y agua a salir del deposito (1214) y dentro de la corriente de proceso 5 (1216).
La primera bomba (1218) (por ejemplo, cualquiera de diversas bombas de vortice de rotor concavo que produce Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California) traslada a los contenidos de la corriente de proceso (1216) hacia la celda de flujo (1224). En algunas realizaciones, la primera bomba (1218) agita el contenido de la corriente del 10 proceso (1216) de modo que la mezcla de materia celulosica y agua sea sustancialmente uniforme en la entrada (1220) de la celda de flujo (1224). Por ejemplo, la primera bomba (1218) puede agitar la corriente del proceso (1216) para crear un flujo turbulento que persiste a traves de la corriente del proceso entre la primera bomba y la entrada (1220) de la celda de flujo (1224).
15 La celda de flujo (1224) incluye un volumen de reactor (1244) en comunicacion de fluidos con la admision (1220) y la salida (1222). En algunas realizaciones, el volumen de reactor (1244) es un tubo de acero inoxidable capaz de soportar altas presiones (por ejemplo, 10 bares). Ademas o como alternativa, el volumen de reactor (1244) incluye una seccion transversal rectangular.
20 La celda de flujo (1224) ademas incluye un intercambiador de calor (1246) en comunicacion termica con al menos una parte del volumen del reactor (1244). El fluido de enfriamiento (1248) (p. ej., agua) fluye al intercambiador de calor (1246) y absorbe el calor generado cuando la corriente del proceso (1216) se trata con ultrasonidos en el volumen de reactor (1244). En algunas realizaciones, la velocidad de flujo y/o la temperatura del fluido de enfriamiento (1248) al intercambiador de calor (1246) se controla para mantener una temperatura aproximadamente 25 constante en el volumen del reactor (1244). En algunas realizaciones, la temperatura en el volumen del reactor (1244) se mantiene en entre 20 y 50°C, por ejemplo, 25, 30, 35, 40, o 45 °C. Adicionalmente o como alternativa, el calor que se transfiere al fluido refrigerante (1248) desde el volumen del reactor (1244) se puede utilizar en otras partes del proceso total.
30 Una seccion adaptadora (1226) crea una comunicacion de fluidos entre el volumen del reactor (1244) y un reforzador (1250) acoplado (por ejemplo, acoplado mecanicamente usando una brida) al transductor ultrasonico (1226). Por ejemplo, la seccion adaptadora (1226) puede incluir un conjunto de brida y junta torica dispuesto para crear una conexion a prueba de fugas entre el volumen del reactor (1244) y el reforzador (1250). En algunas realizaciones, el transductor ultrasonico (1226) es un transductor ultrasonico de alta potencia que produce Hielscher Ultrasonics de 35 Teltow, Alemania.
Durante la operacion, un generador (1252) suministra electricidad a un transductor ultrasonico (1252). El transductor ultrasonico (1226) incluye un elemento piezoelectrico que convierte a la energfa electrica en sonido en el rango ultrasonico. En algunas realizaciones, los materiales se tratan con ultrasonidos usando sonido con una frecuencia 40 de entre aproximadamente 16 kHz y aproximadamente 110 kHz, por ejemplo, entre aproximadamente 18 kHz y aproximadamente 75 kHz o entre aproximadamente 20 kHz y aproximadamente 40 kHz (por ejemplo, sonido con una frecuencia de entre 20 kHz y 40 kHz). En ciertas formas de implementacion, se realiza un tratamiento con ultrasonidos, por ejemplo, con una frecuencia de entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 25 kHz, tal como entre aproximadamente 18 kHz y 22 kHz. En realizaciones espedficas, se puede realizar el tratamiento con 45 ultrasonidos utilizando un resonador de 1 KW o mayor, por ejemplo un resonador de 2, 3, 4, 5 o incluso 10 kW.
A continuacion, la energfa ultrasonica se suministra al medio de trabajo a traves del reforzador (1248). La energfa ultrasonica que viaja a traves del impulsor (1248) en el volumen del reactor (1244) crea una serie de compresiones y rarefacciones en la corriente del proceso (1216) con una intensidad suficiente para crear cavitacion en la corriente 50 del proceso (1216). La cavitacion disgrega el material celulosico disperso en la corriente de proceso (1216). La cavitacion tambien produce radicales libres en el agua de la corriente del proceso (1216). Estos radicales libres actuan para romper mas el material celulosico en la corriente del proceso (1216).
En general, se aplican entre 5 y 4000 MJ/m3, por ejemplo, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 o 3000 MJ/m3, 55 de energfa ultrasonica a la corriente de proceso (16) que fluye con una velocidad de aproximadamente 0,2 m3/s (aproximadamente 3200 galones/min). Despues de exposicion a energfa ultrasonica en el volumen del reactor (1244), la corriente del proceso (1216) sale de la celda de flujo (1224) a traves de la salida (1222). La segunda bomba (1230) traslada la corriente de proceso (1216) al tratamiento subsiguiente (por ejemplo, cualquiera de diversas bombas de vortice de rotor concavo que produce Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California).
Aunque se han descrito determinadas realizaciones, son posibles otras realizaciones.
Como ejemplo, aunque la corriente de proceso (1216) se ha descrito como una unica v^a de flujo, son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones por ejemplo, la corriente de proceso (1216) incluye multiples vfas de flujo 5 paralelas (por ejemplo, que fluyen con una velocidad de 10 galones/min). Ademas o como alternativa, las multiples vfas de flujo paralelas de la corriente de proceso (1216) fluyen dentro de celulas de flujo separadas y se tratan con ultrasonidos en paralelo (por ejemplo, usando varios transductores ultrasonicos de 16 kW),
Como otro ejemplo, aunque se ha descrito un unico transductor ultrasonico (1226) acoplado a una celda de flujo 10 (1224), son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones, en la celda de flujo (1224) hay dispuestos varios transductores ultrasonicos (1226) (por ejemplo, en una celda de flujo (1224) se pueden disponer diez transductores ultrasonicos). En algunas realizaciones, las ondas de sonido generadas por cada uno de los diversos transductores ultrasonicos (1226) estan sincronizadas (por ejemplo, sincronizadas fuera de fase entre sf) para mejorar la cavitacion que actua sobre la corriente de proceso (1216).
15
Como otro ejemplo, aunque se ha descrito una unica celda de flujo (1224), son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones, una segunda bomba (1230) traslada a la corriente de proceso hacia una segunda celda de flujo donde un segundo reforzador y transductor ultrasonico continua tratando con ultrasonidos la corriente de proceso (1216).
20
Como otro ejemplo, aunque el volumen del reactor (1244) se ha descrito como un volumen cerrado, en algunas realizaciones el volumen del reactor (1244) esta abierto en determinadas condiciones ambiente. En dichas realizaciones, el pretratamiento por ultrasonidos se puede llevar a cabo de manera sustancialmente simultanea con otras tecnicas de pretratamiento. Por ejemplo, se puede aplicar energfa ultrasonica a la corriente de proceso (1216) 25 en el volumen del reactor (1244) mientras simultaneamente se introducen haces de electrones a la corriente de proceso (1216).
Como otro ejemplo, aunque se ha descrito un proceso continuo, son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones, el tratamiento con ultrasonidos se puede llevar a cabo en un proceso por lotes. Por ejemplo, se puede 30 rellenar un volumen con una mezcla 10% (peso en volumen) de biomasa en agua y se puede exponer al sonido con una intensidad de entre aproximadamente 50 W/cm2 y aproximadamente 600 W/cm2, por ejemplo, entre aproximadamente 75 W/cm2 y aproximadamente 300 W/cm2 o entre aproximadamente 95 W/cm2 y aproximadamente 200 W/cm2. Adicionalmente o como alternativa, la mezcla en el volumen se puede tratar con ultrasonidos durante entre aproximadamente 1 hora y aproximadamente 24 horas, por ejemplo, entre 35 aproximadamente 1,5 horas y aproximadamente 12 horas, o entre aproximadamente 2 horas y aproximadamente 10 horas. En algunas realizaciones, el material se trata con ultrasonidos durante un tiempo predeterminado, y luego se deja en reposo durante un segundo tiempo predeterminado antes de volverlo reiniciar el tratamiento.
Con referencia a la figura 13, en algunas realizaciones, hay dos transductores electroacusticos acoplados
40 mecanicamente a un unico resonador. Segun se muestra, hay un par de transductores piezoelectricos (60 y 62)
acoplados a un resonador (64) que consiste en una barra con rendijas mediante respectivos resonadores de acoplamiento intermediarios (70 y 72), donde estos ultimos tambien se conocen como resonadores reforzadores. Las vibraciones mecanicas provistas por los transductores, en respuesta a la energfa electrica de alta frecuencia que se les aplica, son transmitidas a los respectivos resonadores de acoplamiento, que se pueden construir para proveer 45 una ganancia mecanica, como por ejemplo con una proporcion de 1 a 1,2. Los resonadores se proveen de
respectivas bridas de montaje (74 y 76) para sostener el conjunto de transductor y resonador en un alojamiento
estacionario.
Las vibraciones transmitidas desde los transductores a traves de los resonadores de acoplamiento o reforzadores se 50 acoplan a la superficie de entrada (78) del resonador y son transmitidas a traves del resonador a la superficie de salida (80) dispuesta en posicion opuesta, que, durante la operacion, esta acoplada de manera forzada con una pieza de trabajo (no se muestra) a la cual se aplican las vibraciones.
La energfa electrica de alta frecuencia provista por el suministro de energfa (82) se alimenta a cada uno de los 55 transductores, conectado electricamente en paralelo, a traves de un transformador simetrico/asimetrico (84) y un respectivo capacitor conectado en serie (86 y 90), un capacitor conectado en serie con la conexion electrica de cada uno de los transductores. El transformador simetrico/asimetrico es conocido tambien como “balun" por “unidad de balance”. El transformador simetrico/asimetrico incluye un nucleo magnetico (92) y un par de bobinados identicos (94 y 96), que tambien se denominan bobinado primario y bobinado secundario, respectivamente.
En algunas realizaciones, los transductores incluyen transductores piezoelectricos que se pueden obtener comercialmente, como por ejemplo los modelos (105 o 502) de Branson Ultrasonics Corporation, cada uno de los cuales esta disenado para operar a 20 kHz y una clasificacion de potencia maxima de 3 kW. El voltaje que suministra la energfa para proveer un maximo desplazamiento espacial en la superficie de salida del transductor es 5 de 930 V rms. El flujo de la corriente a traves de un transductor puede variar entre cero y 3,5 A, dependiendo de la impedancia de carga. A 930 V rms el desplazamiento a la salida es de aproximadamente 20 micrones. Por lo tanto, la maxima diferencia de voltaje terminal para la misma amplitud de movimiento, puede ser de 186 V. Dicha diferencia de voltaje puede originar una circulacion de grandes corrientes que fluyen entre los transductores. El transformador simetrico/asimetrico (430) asegura una condicion equilibrada proveyendo un flujo de corriente igual a traves de los 10 transductores, eliminando de esa manera la posibilidad de las corrientes de circulacion. El tamano del alambre de los bobinados se debe seleccionar para la corriente de carga completa que se menciono anteriormente y el maximo voltaje que aparece a traves de la entrada del bobinado es de 93 V.
Como una alternativa a la energfa ultrasonica, pueden utilizarse dispositivos de rotor-estator, de alta frecuencia. Este 15 tipo de dispositivo produce fuerzas de mcirocavitacion, de alto corte, las cuales pueden desintegrar la biomasa en contacto con tales fuerzas. Dos dispositivos de dispersion de rotor-estator, de alta frecuencia, comercialmente disponibles, son los dispositivos SupratonMR fabricados por Krupp Industrietechnik GmbH y comercializados por Dorr-Oliver Deutschland GmbH de Connecticut, y los dispositivos DispaxMR fabricados y comercializados por Ika- Works, Inc., de Cincinnati, Ohio. La operacion de tal dispositivo de microcavitacion se trata en Stuart, Patente de 20 EE. UU. n° 5.370.999.
Aunque el transductor ultrasonico (1226) se ha descrito incluyendo uno o mas elementos piezoelectricos activos para crear energfa ultrasonica, son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones, el transductor ultrasonico (1226) incluye elementos activos hechos de otros tipos de materiales magnetostrictivos (por ejemplo, metales 25 ferrosos). El diseno y la operacion de un transductor ultrasonico de alta potencia con dichas caractensticas se expone en Hansen et al., Patente de EE. UU. n° 6.624.539. En algunas realizaciones, la energfa ultrasonica se transfiere a la corriente de proceso (16) a traves de un sistema electrohidraulico.
Aunque se ha descrito que el transductor ultrasonico (1226) utiliza la respuesta electromagnetica de materiales 30 magnetorestrictivos para producir energfa ultrasonica, son posibles otras disposiciones. En algunas realizaciones, se puede aplicar energfa acustica en forma de una intensa onda de choque directamente a la corriente de proceso (16) usando una chispa bajo el lfquido. En algunas realizaciones, la energfa ultrasonica se transfiere a la corriente de proceso (16) a traves de un sistema termohidraulico. Por ejemplo, se pueden producir ondas acusticas de alta densidad de energfa aplicando potencia a traves de un volumen cerrado de electrolito, calentando de esa manera el 35 volumen cerrado y produciendo un aumento de presion que subsiguientemente se transmite a traves de un medio que propaga el sonido (por ejemplo, la corriente de proceso (1216)). El diseno y la operacion de un transductor termohidraulico con dichas caractensticas se expone en Hartmann et al., Patente de EE: UU. n° 6.383.152.
Pirolisis
40
Se pueden utilizar una o mas secuencias de procesamiento con pirolisis para tratar la materia prima en bruto proveniente de una amplia variedad de fuentes para extraer sustancias utiles de la materia prima, y para proveer materia organica parcialmente degradada que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales.
45
Con referencia nuevamente a la figura 8, en un metodo, un primer material (2) que incluye celulosa con un primer promedio de pesos moleculares en numero (tMn-i) se dispersa en un medio, como por ejemplo agua, y se trata con ultrasonidos y/o se cavita de otra manera, para proveer un segundo material (3) que incluye celulosa con un segundo promedio de pesos moleculares en numero (tMn2) menor que el primer promedio de pesos moleculares en 50 numero. El segundo material (o el primer y segundo material en determinadas realizaciones) se combina(n) con un microorganismo (p. ej., una bacteria o una levadura) que puede usar el segundo y/o primer material para producir un combustible (5) que es o incluye hidrogeno, un alcohol (p. ej., etanol o butanol, tal como n-, sec- o t-butanol), un acido organico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
55 Puesto que el segundo material tiene celulosa que tiene un peso molecular reducido con respecto al primer material, y en algunos casos, tambien una cristalinidad reducida, en general el segundo material es mas dispersable, hinchable y/o soluble en una solucion que contiene el microorganismo, p. ej., en una concentracion mayor que 106 microorganismos/ml. Estas propiedades hacen que el segundo material 3 sea mas susceptible al ataque qmmico, enzimatico y/o microbiano con respecto al primer material 2, lo cual puede mejorar mucho la tasa de produccion y/o 60 el nivel de produccion de un producto deseado, p. ej., etanol. La pirolisis tambien puede esterilizar el primer y
segundo materiales.
En algunas realizaciones, el segundo peso molecular medio numerico (tMn2) es menor que el primer peso molecular medio numerico (tMn-i) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej., 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por 5 ciento, o incluso mas de aproximadamente 75 por ciento.
En algunos casos, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (tC2) que es menor que la cristalinidad (TCi) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (tC2) puede ser menor que (TCi) en mas de aproximadamente 10 por ciento, p. ej. 15, 20, 25, 30, 35, 40, o incluso mas de aproximadamente 50 por ciento.
10
En algunas realizaciones, al cristalinidad inicial (antes de pirolisis) es de aproximadamente 40 a aproximadamente 87,5 por ciento, p. ej., de aproximadamente 50 a aproximadamente 75 por ciento o de aproximadamente 60 a aproximadamente 70 por ciento, y el mdice de cristalinidad despues de pirolisis es de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 por ciento, p. ej., de aproximadamente 15 a aproximadamente 45 por ciento o de 15 aproximadamente 20 a aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en determinadas realizaciones, p. ej., despues de pirolisis extensa, se puede tener un mdice de cristalinidad menor que 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de pirolisis es sustancialmente amorfo.
En algunas realizaciones, el peso molecular medio numerico inicial (antes de pirolisis) es de aproximadamente 20 200.000 a aproximadamente 3.200.000, p. ej., de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio numerico despues de pirolisis de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, p. ej., de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150.000 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, p. ej., despues de pirolisis extensa, se puede tener un peso molecular medio numerico menor que aproximadamente 25 10.000 o incluso menor que aproximadamente 5.000.
En algunas realizaciones, el segundo material puede tener un nivel de oxidacion (TO2) que es mayor que el nivel de oxidacion (TO1) del primer material. Un mayor nivel de oxidacion del material puede contribuir a su dispersibilidad, capacidad de hincharse y/o solubilidad, aumentando adicionalmente la susceptibilidad de los materiales al ataque 30 qmmico, enzimatico o microbiano. En algunas realizaciones, para aumentar el nivel de oxidacion del segundo material con respecto al primer material, la pirolisis se lleva a cabo en un entorno oxidante, produciendo un segundo material que esta mas oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener mas grupos hidroxilo, grupos aldetndo, grupos cetona, grupos ester o grupos acido carboxflico, que aumentan la hidrofilicidad.
35 En algunas realizaciones, la pirolisis de los materiales es continua. En otras realizaciones, el material se piroliza durante un tiempo predeterminado, y luego se deja enfriar durante un segundo tiempo predeterminado antes de volver a pirolizarlo.
Sistemas de pirolisis
40
La figura 14 muestra un diagrama de flujo del procedimiento (6000) que incluye varias etapas en un sistema de pretratamiento pirolftico de la materia prima. En la primera etapa (6010), se recibe un suministro de materia prima seca de una fuente de alimentacion.
45 Como se ha descrito antes, la materia prima seca de la fuente de alimentacion puede ser preprocesada antes del suministro a la camara de pirolisis. Por ejemplo, si la materia prima deriva de fuentes vegetales, se pueden separar determinadas partes del material vegetal antes de recoger el material vegetal y/o antes de suministrar el material vegetal mediante el dispositivo de transporte de materia prima. Alternativamente, o ademas, la materia prima de biomasa se puede someter a procesamiento mecanico (6020) (p. ej., para reducir la longitud media de las fibras en 50 la materia prima) antes antes del suministro a la camara de pirolisis.
Despues del procesamiento mecanico, la materia prima se somete a un paso de ajuste de humedad (6030). La naturaleza del paso de ajuste de humedad depende del contenido de humedad de la materia prima procesada mecanicamente. Generalmente, la pirolisis de la materia prima ocurre mas eficazmente cuando el contenido de 55 humedad de la materia prima se encuentra entre aproximadamente 10% y aproximadamente 30% (por ejemplo, entre 15% y 25%) en peso de materia prima. Si el contenido de humedad de la materia prima es mayor que aproximadamente 40% en peso, la carga calorica extra presentada 10 por el contenido de agua de la materia prima aumenta el consumo de energfa de los siguientes pasos de pirolisis.
60 En algunas realizaciones, si la materia prima tiene un contenido de humedad que es mayor que aproximadamente
30% en peso, se puede mezclar con material de materia prima mas seca (6220), que tiene un bajo contenido de humedad, creando una mezcla de materia prima en el paso (6030) con un contenido de humedad promedio que se encuentra en los Ifmites expuestos anteriormente. En algunas realizaciones, la materia prima con un alto contenido de humedad puede ser simplemente secada por dispersion de la materia prima en una cinta transportadora que cicla 5 el material celulosico a traves de una unidad de calentamiento en serie. La unidad de calentamiento evapora una porcion del agua presente en la materia prima.
En algunas realizaciones, si la materia prima del paso (6020) tiene un contenido de humedad que es muy bajo (por ejemplo, menor que aproximadamente 10% en peso), la materia prima procesada mecanicamente puede ser 10 procesada con material de materia prima mas humeda (6230) con un contenido mayor de humedad, tal como aguas residuales. Como alternativa, o adicionalmente, se puede agregar agua (6240) a la materia prima seca del paso (6020) para aumentar su contenido de humedad.
En el paso (6040), la materia prima - ahora con su contenido de humedad ajustado para entrar en lfmites adecuados 15 - se puede precalentar en un paso de precalentamiento opcional (6040). El paso de precalentamiento (6040) se puede usar para aumentar la temperatura de la materia prima a entre 75 °C y 150 °C en preparacion para la posterior pirolisis de la biomasa. Dependiendo de la naturaleza de la materia prima y del diseno particular de la camara de pirolisis, el precalentamiento del material celulosico puede asegurar que la distribucion de calor en la materia prima de biomasa se mantiene mas uniforme durante la pirolisis, y puede reducir la carga calorica en la 20 camara de pirolisis.
La materia prima se transporta posteriormente a una camara de pirolisis para ser sometida a pirolisis en el paso (6050). En algunas realizaciones, el transporte de la materia prima se asiste por agregado de uno o mas gases presurizados (6210) a la corriente de materia prima. Los gases crean un gradiente de presion en un conducto de 25 transporte de materia prima, propulsando la materia prima hacia la camara de pirolisis (e incluso a traves de la camara de pirolisis). En algunas realizaciones, el transporte de la materia prima ocurre mecanicamente; es decir, un sistema de transporte que incluye una cinta transportadora, tal como un sinfm, que transporta la materia prima a la camara de pirolisis.
30 Se pueden agregar otros gases (6210) a la materia prima antes de la camara de pirolisis. En algunas realizaciones, por ejemplo, se pueden agregar uno o mas gases catalizadores a la materia prima para ayudar a la descomposicion de la materia prima durante la pirolisis. En algunas realizaciones, se puede agregar uno o mas agentes de eliminacion a la materia prima para atrapar materiales volatiles liberados durante la pirolisis. Por ejemplo, durante la pirolisis se pueden liberar diferentes compuestos basados en azufre tales como sulfuros, y se puede agregar un 35 agente tal como gas hidrogeno a la materia prima para causar la desulfurizacion de los productos de pirolisis. El hidrogeno se combina con los sulfuros para formar gas sulfuro de hidrogeno, que se puede eliminar de la materia prima pirolizada.
La pirolisis de la materia prima en la camara puede incluir el calentamiento de la materia prima a temperaturas 40 relativamente altas para causar la descomposicion parcial de la materia prima. Generalmente, la materia prima es calentada a una temperatura en un rango entre 150 °C y 1100 °C. La temperatura a la cual se calienta la materia prima depende de varios factores, que incluyen la descomposicion de la materia prima, el tamano de partfcula promedio de la materia prima, el contenido de humedad, y los productos deseados de pirolisis. Para muchos tipos de materia prima de biomasa, por ejemplo, se usan temperaturas de pirolisis entre 300 °C y 550 °C.
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El tiempo de residencia de la materia prima en la camara de pirolisis generalmente depende de varios factores, que incluyen la temperatura de pirolisis, la composicion de la materia prima, el tamano de partfcula promedio de la materia prima, el contenido de humedad y los productos deseados de pirolisis. En algunas realizaciones, los materiales de materia prima son sometidos a pirolisis a una temperatura justo por encima de la temperatura de 50 descomposicion del material en una atmosfera inerte, por ejemplo, entre aproximadamente 2 °C por encima y aproximadamente 10 °C por encima de la temperatura de descomposicion o entre aproximadamente 3 °C por encima y aproximadamente 7 °C por encima de la temperatura de descomposicion. En dichas realizaciones, el material generalmente se mantiene a esta temperatura mas de 0,5 horas, por ejemplo, mas de 1,0 hora o mas de aproximadamente 2,0 horas. En otras realizaciones, los materiales se someten a pirolisis a una temperatura muy por 55 encima de la temperatura de descomposicion del material en una atmosfera inerte, por ejemplo, entre aproximadamente 75 °C por encima y aproximadamente 175 °C por encima de la temperatura de descomposicion o entre aproximadamente 85 °C por encima y aproximadamente 150 °C por encima de la temperatura de descomposicion. En dichas realizaciones, el material generalmente se mantiene a esta temperatura menos de 0,5 horas, por ejemplo, menos de 20 minutos, menos de 10 minutos, menos de 5 minutos o menos de 2 minutos. En aun 60 otras realizaciones, los materiales se someten a pirolisis a una temperatura extrema, por ejemplo, entre
aproximadamente 200 °C por encima y aproximadamente 500 °C por encima de la temperatura de descomposicion del material en un ambiente inerte o entre aproximadamente 250 °C por encima y aproximadamente 400 °C por encima de la temperatura de descomposicion. En dichas realizaciones, el material generalmente se mantiene a esta temperatura durante menos de 1 minuto, por ejemplo, menos de 30 segundos, 15 segundos, 10 segundos, 5 5 segundos, 1 segundo o menos de 500 milisegundos. Dichas realizaciones generalmente se refieren como pirolisis rapida.
En algunas realizaciones, la materia prima se calienta relativamente rapido a la temperatura de pirolisis seleccionada en la camara. Por ejemplo, la camara se puede disenar para calentar la materia prima a una velocidad de entre 500 10 °C/s y 11.000 °C/s, por ejemplo 500 °C/s y 1000 °C/s.
Un flujo turbulento de material de materia prima en la camara de pirolisis generalmente es ventajoso, ya que asegura una transferencia de calor relativamente eficaz al material de materia prima desde el subsistema de calentamiento. El flujo turbulento, por ejemplo, se puede lograr arrastrando el material de materia prima a traves de la camara 15 usando uno o mas gases vehfculo inyectados (6210). En general, los gases vetnculo son relativamente inertes para el material de materia prima, incluso a altas temperaturas en la camara de pirolisis. Los gases vetnculo ejemplificativos incluyen, por ejemplo, nitrogeno, argon, metano, monoxido de carbono y dioxido de carbono. Como alternativa, o adicionalmente, sistemas de transporte mecanico tales como sinfrn pueden transportar y hacer circular la materia prima en la camara de pirolisis para crear un flujo de materia prima turbulento.
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En algunas realizaciones, la pirolisis de la materia prima ocurre sustancialmente en la ausencia de oxfgeno y otros gases reactivos. El oxfgeno se puede eliminar de la camara de pirolisis por medio de purgas periodicas de la camara con nitrogeno a alta presion (por ejemplo, con presiones de nitrogeno de 2 bar o mas). Luego del purgado de la camara, una mezcla de gas presente en la camara de pirolisis (por ejemplo, durante la pirolisis de la materia prima) 25 puede incluir menos de 4 mol % de oxfgeno (por ejemplo, menos de 1 mol % de oxfgeno, e incluso menos de 0,5 mol % de oxfgeno). La ausencia de oxfgeno asegura que la ignicion de la materia prima no ocurra a las elevadas temperaturas de pirolisis.
En algunas realizaciones, se pueden introducir cantidades relativamente pequenas de oxfgeno en la materia prima y 30 que esten presentes durante la pirolisis. Dicha tecnica es referida como pirolisis oxidativa. Generalmente, la pirolisis oxidativa se lleva a cabo en etapas de calentamiento multiples. Por ejemplo, en una primera etapa de calentamiento, la materia prima se calienta en la presencia de oxfgeno para provocar la oxidacion parcial de la materia prima. Esta etapa consume el oxfgeno disponible en la camara de pirolisis. Posteriormente, en etapas posteriores de calentamiento, la temperatura de la materia prima se eleva mas. Sin embargo, con todo el oxfgeno consumido en la 35 camara, la combustion de la materia prima no ocurre, y ocurre la descomposicion pirolftica libre de combustion de la materia prima (por ejemplo, para generar productos hidrocarburos). En general, el proceso de calentamiento de la materia prima en la camara de pirolisis para iniciar la descomposicion es endotermico.
Sin embargo, en la pirolisis oxidativa, la formacion de dioxido de carbono por oxidacion de la materia prima es un 40 proceso exotermico. El calor liberado de la formacion de dioxido de carbono puede ayudar a las siguientes etapas de calentamiento de pirolisis, reduciendo de esta manera la carga calorica presentada por la materia prima.
En algunas realizaciones, la pirolisis ocurre en un ambiente inerte, tal como cuando los materiales de materia prima se cubren con gas argon o nitrogeno. En algunas realizaciones, la pirolisis puede ocurrir en un ambiente oxidante, tal 45 como en aire o argon enriquecido en aire.
En algunas realizaciones, la pirolisis se puede realizar en un ambiente reductor, tal como cuando los materiales de materia prima se cubren con gas hidrogeno. Para ayudar con la pirolisis, se pueden agregar diferentes agentes qrnmicos, tales como oxidantes, reductores, acidos o bases al material antes o durante la pirolisis. Por ejemplo, se 50 puede agregar acido sulfurico o se puede agregar un peroxido (por ejemplo, peroxido de benzoflo).
Tal como se expone anteriormente, se puede usar una variedad de condiciones de procesamiento, dependiendo de factores tales como la composicion de la materia prima y de los productos deseados de pirolisis. Por ejemplo, para material de materia prima que contienen celulosa, se pueden emplear condiciones de pirolisis relativamente suaves, 55 incluyendo temperaturas de pirolisis rapida entre 375 °C y 450 °C, y tiempos de residencia de menos de 1 segundo. Como otro ejemplo, para material de desecho solido organico tal como aguas residuales, generalmente se usan temperaturas de pirolisis rapida entre 500 °C y 650 °C, con tiempos de residencia de ente 0,5 y 3 segundos. En general, muchos de los parametros del proceso de pirolisis, incluyendo tiempo de residencia, temperatura de pirolisis, turbulencia de la materia prima, contenido de humedad, composicion de la materia prima, composicion del 60 producto de pirolisis, y composicion del gas agregado, se pueden regular automaticamente por un sistema de
reguladores y un sistema de control automatizado.
Despues del paso de pirolisis (6050), los productos de pirolisis sufren un paso de enfriamiento (6250) para reducir la temperatura de los productos antes del procesamiento adicional. Generalmente, el paso de enfriamiento (6250) 5 incluye el rociado de los productos de pirolisis con corrientes de agua refrigerante (6260). El agua refrigerante tambien forma una suspension que incluye material producto no disuelto, solido y diferentes productos disueltos. Tambien se encuentra presente en la corriente de producto una mezcla que incluye diferentes gases, incluyendo gases producto, gases vehnculo y otros tipos de gases de proceso.
10 La corriente de producto es transportada por medio de una tubena en serie hacia un separador de gas que lleva a cabo el paso de separacion de gas (6060), en donde se separan los gases productos y otros gases de la suspension formada por el enfriamiento de los productos de pirolisis. La mezcla de gas separada se opcionalmente dirige hacia un sistema de soplado (6130), el cual aumenta la presion del gas por soplado de aire en la mezcla. La mezcla de gas puede ser sometida a un paso de filtracion (6140), en el cual la mezcla de gas pasa a traves de uno o mas filtros 15 (por ejemplo, filtros de carbono activado) para eliminar partfculas y otras impurezas. En un paso posterior (6150), el gas filtrado puede ser comprimido y almacenado para el posterior uso. Como alternativa, el gas filtrado puede ser sometido a pasos de procesamiento adicionales (6160). Por ejemplo, en algunas realizaciones, el gas filtrado puede ser condensado para separar los diferentes compuestos gaseosos en la mezcla de gas. Los diferentes compuestos pueden incluir, por ejemplo, diferentes productos hidrocarburos (por ejemplo, alcoholes, alcanos, alquenos, alquinos, 20 eteres) producidos durante la pirolisis. En algunas realizaciones, el gas filtrado que contiene una mezcla de componentes hidrocarburos se puede combinar con gas vapor (6170) (por ejemplo, una mezcla de vapor de agua y oxfgeno) y ser sometido a un proceso de ruptura para reducir los pesos moleculares de los componentes hidrocarburos.
25 En algunas realizaciones, la camara de pirolisis incluye fuentes de calor que quema gases hidrocarburo tales como metano, propano, y/o butano para calentar la materia prima. Una porcion 6270 de los gases separados puede ser recirculada en la camara de pirolisis para la combustion, para generar calor de proceso para sustentar el proceso de pirolisis.
30 En algunas realizaciones, la camara de pirolisis puede recibir calor de proceso que se puede usar para aumentar la temperatura de los materiales de materia prima. Por ejemplo, la irradiacion de la materia prima con radiacion (por ejemplo, radiacion gamma, radiacion de haz de electrones, u otros tipos de radiacion) puede calentar los materiales de materia prima a temperaturas relativamente altas. Los materiales de materia prima calentados se pueden enfriar por medio de un sistema de intercambio de calor que elimina parte del exceso de calor de la materia prima irradiada. 35 El sistema de intercambio de calor se puede configurar para transportar parte de la energfa calorica hacia la camara de pirolisis para calentar (o precalentar) el material de materia prima, reduciendo de esta manera los costes de energfa para el proceso de pirolisis.
La suspension que contiene productos lfquidos y solidos de pirolisis puede ser sometida a un paso opcional de 40 extraccion de agua 6070, en el cual el exceso de agua puede ser eliminado de la suspension por medio de procesos tales como presion mecanica o evaporacion. El exceso de agua (6280) se puede filtrar y luego recircular para el posterior uso en el enfriamiento de los productos de descomposicion de pirolisis en el paso (6250).
La suspension deshidratada luego sufre un paso de separacion mecanica (6080), en la cual el material producto 45 solido (6110) se separa del material producto lfquido (6090) por medio de una serie de filtros cada vez mas finos. En el paso (6100), el material producto lfquido (6090) luego puede ser condensado (por ejemplo, por medio de evaporacion) para eliminar el agua de desecho (6190), y purificado por procesos tales como extraccion. La extraccion puede incluir el agregado de uno o mas disolventes organicos (6180), por ejemplo, para separar productos tales como aceites de productos tales como alcoholes. Los disolventes organicos adecuados incluyen, por 50 ejemplo, diferentes hidrocarburos y halohidrocarburos. Los productos lfquidos purificados (6200) posteriormente pueden ser sometidos a pasos de procesamiento adicionales. El agua de desecho (6190) puede ser filtrada si es necesario, y recirculada para el posterior uso en el enfriamiento de los productos de descomposicion de pirolisis en el paso (6250).
55 Despues de la separacion en el paso (6080), el material de producto solido (6110) se somete opcionalmente a un paso de secado (6120) que puede incluir la evaporacion de agua. El material solido (6110) puede ser entonces almacenado para su posterior uso, o sometido a pasos adicionales de tratamiento, como sea apropiado.
Los parametros del proceso de pirolisis expuestos anteriormente son ejemplificativos. En general, los valores de 60 estos parametros pueden variar ampliamente de acuerdo con la naturaleza de la materia prima y de los productos
deseados. Asimismo, se puede usar una gran variedad de diferentes tecnicas de pirolisis, incluyendo el uso de fuentes de calor tales como llama de hidrocarburos y/u hornos, laseres infrarrojos, calentadores de microondas, calentadores por induccion, calentadores por resistividad, y otros dispositivos y configuraciones de calentamiento.
5 Se puede usar una amplia variedad de diferentes camaras de pirolisis para descomponer la materia prima. En algunas realizaciones, por ejemplo, la pirolisis de la prima puede incluir el calentamiento del material usando un miembro calefactor por resistividad, tal como un filamento de metal o una cinta de metal. El calentamiento puede ocurrir por contacto directo entre el miembro calefactor por resistividad y el material.
10 En algunas realizaciones, la pirolisis puede incluir el calentamiento del material por induccion, tal como por uso de un pirolizador de punto Curie. En algunas realizaciones, la pirolisis puede incluir el calentamiento del material por la aplicacion de radiacion, tal como radiacion infrarroja. La radiacion puede ser generada por un laser, tal como un laser infrarrojo.
15 En algunas realizaciones, la pirolisis puede incluir el calentamiento del material con un calentador por conveccion. El calor por conveccion puede ser generado por una corriente de gas calentado que fluye. El gas calentado puede ser mantenido a una temperatura menor que aproximadamente 1200 °C, tal como a menos de 1000 °C, menos de 750 °C, menos de 600 °C, menos de 400 °C o incluso a menos de 300 °C. El gas calentado puede ser mantenido a una temperatura mayor que aproximadamente 250 °C. El calor por conveccion puede ser generado por un cuerpo 20 caliente rodeando el primer material, tal como en un horno.
En algunas realizaciones, la pirolisis puede incluir el calentamiento del material con una corriente a una temperatura por encima de aproximadamente 250 °C.
25 Una realizacion de una camara de pirolisis se muestra en la figura 15. La camara (6500) incluye una pared de camara aislada (6510) con una salida de ventilacion (6600) para los gases de escape, una variedad de quemadores (6520) que generan calor para el proceso de pirolisis, un conducto de transporte (6530) para transportar la materia prima a traves de la camara (6500), un sinfm (6590) para mover la materia prima a traves del conducto (6530) en un flujo turbulento, y un sistema de enfriamiento (6540) con un sinfm (6610) para el movimiento de los productos de 30 pirolisis, chorros de agua (6550) para rociar los productos de pirolisis con agua refrigerante, y un separador de gas para separar los productos gaseosos (6580) de una suspension (6570) que contiene productos solidos y lfquidos.
Otra realizacion de una camara de pirolisis se muestra en la figura 16 La camara (6700) incluye una pared de camara aislada (6710), un conducto de suministro de materia prima (6720, una pared interna de camara con declive 35 (6730), quemadores (6740) que generan calor para el proceso de pirolisis, una salida de ventilacion (6750) para los gases de escape, y un separador de gases (6760) para separar los productos gaseosos (6770) de los productos lfquidos y solidos (6780). La camara (6700) esta configurada para rotar en la direccion que se muestra por la flecha (6790) para asegurar el mezclado adecuado y el flujo turbulento de la materia prima en la camara.
40 Otra realizacion de una camara de pirolisis se muestra en la figura 17 El pirolizador con filamento (1712) incluye un soporte para muestra (1713) con un elemento de calentamiento por resistividad (1714) en la forma de un cable bobinado a traves del espacio abierto definido por el soporte para muestra (1713). Opcionalmente, el elemento calentador puede girar alrededor del eje (1715) (como lo indica la flecha (1716)) para hacer caer el material que incluye el material celulosico en soporte para muestra (1713). El espacio (1718) definido por las paredes (1719) se 45 mantiene a una temperatura por encima de la temperatura ambiente, por ejemplo, entre 200 y 250 °C. En un uso tfpico, un gas vehmulo, por ejemplo, un gas inerte, o un gas oxidante o reductor, atraviesa por el soporte para muestra (1713) mientras que el elemento de calentamiento por resistividad se hace rotar y se calienta a una temperatura deseada, por ejemplo, 325 °C. Despues de un tiempo apropiado, por ejemplo, entre 5 y 10 minutos, el material pirolizado se vacfa del soporte para muestra. El sistema que se muestra en la figura 17 puede ser 50 modificado a escala y convertirse en continuo. Por ejemplo, en lugar de un cable como miembro calefactor, el miembro calefactor puede ser un tornillo sinfm. El material puede caer continuamente en el soporte para muestra, golpeando un tornillo caliente que piroliza el material. Al mismo tiempo, el tornillo puede empujar el material pirolizado hacia afuera del soporte para muestra a fin de permitir la entrada de material nuevo sin pirolizar.
55 Otra realizacion de una camara de pirolisis se muestra en la figura 18, que presenta un pirolizador de punto Curie (1820) que incluye una camara para muestra (1821) que alberga una lamina de metal ferromagnetica (1822). Alrededor de la camara para muestra (1821) hay una bobina de RF 1823. El espacio (1824) definido por las paredes (1825) se mantiene a una temperatura por encima de la temperatura ambiente, por ejemplo, entre 200 y 250 °C. En un uso tfpico, un gas vehmulo atraviesa por la camara para muestra (1821) mientras que la lamina de metal (1822) 60 se calienta por induccion por medio de un campo aplicado de RF para pirolizar el material a la temperatura deseada.
Otra realizacion de una camara de pirolisis se muestra en la figura 19. El pirolizador con horno (130) incluye un soporte para muestra (131) que se puede desplazar y un horno (132). En un uso tipico, la muestra se baja (como lo indica la flecha (137)) a una zona caliente (135) del horno (132), mientras un gas vetuculo llena la caja (136) y 5 atraviesa por el soporte para muestra (131). La muestra se calienta hasta la temperatura deseada durante un tiempo deseado para proveer un producto pirolizado. El producto pirolizado se quita del pirolizador levantando el soporte para muestra (como lo indica la flecha 134).
En algunas realizaciones, como se muestra en la figura 20, un blanco celulosico (140) puede ser pirolizado por 10 tratamiento del blanco, que esta albergado en una camara de vado 141, con luz de un laser, por ejemplo, luz que tiene una longitud de onda de entre aproximadamente 225 nm y aproximadamente 1500 nm. Por ejemplo, el blanco puede ser vaporizado a 266 nm, usando el cuarto armonico de un laser Nd-YAG (Spectra Physics, GCR170, San Jose, California). La configuracion optica mostrada permite que se dirija la luz casi monocromatica (143) generada por el laser (142) usando los espejos (144) y (145) sobre en blanco luego de pasar a traves de una lente (146) en la 15 camara de vado (141). Generalmente, la presion en la camara de vado se mantiene menor que aproximadamente 10"6 mm Hg. En algunas realizaciones, se usa radiacion infrarroja, por ejemplo, radiacion de 1,06 micrones de un laser Nd-YAG. En dichas realizaciones, se puede combinar un indicador sensible a infrarrojo con el material celulosico para producir un blanco celulosico. El indicador infrarrojo puede potenciar el calentamiento del material celulosico. La vaporizacion con laser se describe por Blanchet-Fincher et al. en la Patente de EE. UU. n° 5.942.649.
20
En referencia a la figura 21, en algunas realizaciones, se puede pirolizar de forma rapida un material celulosico por recubrimiento de un filamento de tungsteno (150), tal como un filamento de tungsteno de entre 5 y 25 mil, con el material celulosico deseado al mismo tiempo que el material se encuentra albergado en una camara de vado (151). Para efectuar la pirolisis, la corriente se hace pasar a traves del filamento, la cual causa un rapido calentamiento del 25 filamento durante el tiempo deseado. Generalmente, el calentamiento se sigue durante unos segundos antes de permitir que se enfne el filamento. En algunas realizaciones, el calentamiento se realiza un numero de veces para producir la cantidad deseada de pirolisis.
En algunas realizaciones, el material de biomasa que contiene hidrato de carbono se puede calentar en ausencia de 30 oxfgeno en un reactor de lecho fluidizado. Si se desea, el material celulosico que contiene hidrato de carbono puede tener secciones transversales relativamente finas, y puede incluir cualquiera de los materiales fibrosos descritos en la presente memoria, para la transferencia eficaz de calor. El material se puede calentar por transferencia calorica desde un metal o ceramica caliente, tal como perlas de vidrio o arena en el reactor, y el lfquido o aceite resultante de la pirolisis puede ser transportado a una refinena central para hacer combustible inflamable u otros productos utiles. 35
Oxidacion
Se pueden utilizar una o mas secuencias de tratamiento con ultrasonidos para tratar la materia prima en bruto proveniente de una amplia variedad de diversas fuentes para extraer sustancias utiles de la materia prima, y para 40 proveer materia organica parcialmente degradada que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales.
En referencia nuevamente a la figura 8, se oxida un primer material (2) que incluye celulosa que tiene un promedio de peso molecular en numero inicial (tMn-i) y que tiene un contenido de oxfgeno (TO-i) inicial, por ejemplo, por 45 calentamiento del primer material en un horno con tubo en corriente de aire o aire enriquecido con oxfgeno, para proveer un segundo material (3) que incluyen celulosa que tiene un segundo promedio de peso molecular en numero (tMn2) y que tiene un segundo contenido de oxfgeno (TO2) mas alto que el contenido de oxfgeno inicial (TO-i). El segundo material (o el primer y segundo material en algunas realizaciones) puede ser, por ejemplo, combinado con una resina, tal como una resina termoplastica fundida o un microorganismo, para proveer una combinacion (4) que 50 tiene propiedades mecanicas deseables o un combustible (5).
Dichos materiales tambien pueden ser combinados con un solido y/o un lfquido. Por ejemplo, el lfquido puede estar en la forma de una solucion y el solido puede tener forma particulada. El lfquido y/o solido pueden incluir un microorganismo, por ejemplo, una bacteria, y/o una enzima. Por ejemplo, la bacteria y/o enzima pueden trabajar 55 sobre el material celulosico o lignocelulosico para producir un combustible, tal como etanol, o un subproducto, tal como una protema. Los combustibles y subproductos se describen en FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, USSN 11/453.951, presentada el 15 de Junio de 2006.
En algunas realizaciones, el segundo no es mas del 97 por ciento mas bajo del primer promedio de peso molecular 60 en numero, por ejemplo, no mas del 95 por ciento, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12,5, 10,0, 7,5,
5.0, 4,0, 3,0, 2,5, 2,0 o no mas del 1,0 por ciento mas bajo que el primer promedio de peso molecular en numero. La cantidad de reduccion del peso molecular dependera de la aplicacion
En algunas realizaciones en las que los materiales se usan para hacer un combustible o un coproducto, el peso 5 molecular medio numerico inicial (antes de oxidacion) es de aproximadamente 200.000 a aproximadamente
3.200.000, p. ej., de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 1.000.000 o de aproximadamente 250.000 a aproximadamente 700.000, y el peso molecular medio numerico despues de oxidacion de aproximadamente 50.000 a aproximadamente 200.000, p. ej., de aproximadamente 60.000 a aproximadamente 150,0 o de aproximadamente 70.000 a aproximadamente 125.000. Sin embargo, en algunas realizaciones, p. ej., despues de oxidacion extensa,
10 se puede tener un peso molecular medio numerico menor que aproximadamente 10.000 o incluso menor que aproximadamente 5.000.
En algunas realizaciones, el segundo contenido de oxfgeno es al menos aproximadamente cinco por ciento mayor que el primer contenido de oxfgeno, por ejemplo, 7,5 por ciento mayor, 10,0 por ciento mayor, 12,5 por ciento mayor, 15 15,0 por ciento mayor o 17,5 por ciento mayor. En algunas realizaciones preferidas, el segundo contenido de oxfgeno es al menos aproximadamente 20,0 por ciento mayor que el contenido de oxfgeno del material inicial. El contenido de oxfgeno se mide por analisis elemental mediante pirolisis de una muestra en un horno que trabaja a 1300 °C o superior. Un analizador de elementos adecuado es el analizador LECO CHNS-932 con un horno de alta temperatura de pirolisis VTF-900.
20
En algunas realizaciones, la oxidacion del primer material 200 no da como resultado un cambio sustancial en la cristalinidad de la celulosa. Sin embargo, en algunos casos, por ejemplo, luego de la oxidacion extrema, el segundo material tiene celulosa que tiene una cristalinidad (TC2) que es mas baja que la cristalinidad (TC-i) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (TC2) puede ser menor que (TC-i) por mas de aproximadamente 5 por ciento, por 25 ejemplo, 10, 15, 20 o incluso 25 por ciento. Esto puede ser deseable para mejorar la solubilidad de los materiales en un lfquido, tal como un lfquido que incluye bacterias y/o una enzima.
En algunas realizaciones, el mdice de cristalinidad inicial (antes de oxidacion) es de aproximadamente 40 a aproximadamente 87,5 por ciento, p. ej., de aproximadamente 50 a aproximadamente 75 por ciento o de 30 aproximadamente 60 a aproximadamente 70 por ciento, y el mdice de cristalinidad despues de oxidacion es de aproximadamente 30 a aproximadamente 75,0 por ciento, p. ej., de aproximadamente 35,0 a aproximadamente 70,0 por ciento o de aproximadamente 37,5 a aproximadamente 65,0 por ciento. Sin embargo, en determinadas realizaciones, p. ej., despues de oxidacion extensa, se puede tener un mdice de cristalinidad menor que 5 por ciento. En algunas realizaciones, el material despues de oxidacion es sustancialmente amorfo.
35
Sin el deseo de estar ligado a ninguna teona en particular, se cree que la oxidacion aumenta el numero de grupos con puentes de hidrogeno en la celulosa, tal como grupos hidroxilos, grupos aldehudos, grupos cetona, grupos acido carboxflicos o grupos anhndridos, que pueden aumentar su dispersibilidad y/o su solubilidad (por ejemplo, en un lfquido). Para mejorar aun mas la dispersibilidad en una resina, la resina puede incluir un componente que incluya 40 grupos con puentes de hidrogeno, tal como uno o mas grupos antndridos, grupos carboxflicos, grupos hidroxilo, grupos amida, grupos amina o mezclas de cualquiera de estos grupos. En algunas realizaciones preferidas, el componente incluye un polfmero copolimerizado con y/o injertado con anhndrido maleico. Dichos materiales estan disponibles de DuPont bajo el nombre comercial FUSABOND®.
45 Generalmente, la oxidacion del primer material (200) ocurre en un ambiente oxidante. Por ejemplo, la oxidacion se puede afectar o ser ayudada por la pirolisis en un ambiente oxidante, tal como en aire o argon enriquecido en aire. Para ayudar en la oxidacion, se pueden agregar diferentes agentes qrnmicos, tales como oxidantes, acidos o bases al material antes o durante la oxidacion. Por ejemplo, se puede agregar un peroxido (por ejemplo, peroxido de benzoflo) antes de la oxidacion.
50
Sistemas de oxidacion
La figura 22 muestra un diagrama de flujo del procedimiento (5000) que incluye varias etapas de un sistema de pretratamiento oxidativo de materia prima. En la primera etapa (5010), se recibe un suministro de materia prima seca 55 de una fuente de alimentacion. La fuente de alimento puede incluir, por ejemplo, un lecho o contenedor de almacenamiento que se conecta a un reactor de oxidacion en serie a traves de una cinta transportadora u otro dispositivo de transporte de materia prima.
Como se ha descrito antes, la materia prima seca de la fuente de alimentacion puede ser preprocesada antes del 60 suministro al reactor de oxidacion. Por ejemplo, si la materia prima deriva de fuentes vegetales, se pueden separar
determinadas partes del material vegetal antes de recoger el material vegetal y/o antes de suministrar el material vegetal mediante el dispositivo de transporte de materia prima. Alternativamente, o ademas, la materia prima de biomasa se puede someter a procesamiento mecanico (p. ej., para reducir la longitud media de las fibras en la materia prima) antes del suministro al reactor de oxidacion.
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Despues del tratamiento mecanico (5020), la materia prima (5030) es transportada a un sistema de mezclado que introduce agua (5150) en la materia prima en un proceso de mezclado mecanico. La combinacion del agua con la materia prima procesada en el paso de mezclado (5040) crea una suspension de materia prima acuosa (5050), que despues se puede tratar con uno o mas agentes oxidantes.
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Generalmente, se agrega un litro de agua a la mezcla por cada entre 0,02 kg y 1,0 kg de materia prima seca. La relacion de materia prima y agua en la mezcla depende de la fuente de la materia prima y de los agentes oxidantes espedficos usados luego en el proceso completo. Por ejemplo, en las secuencias de tratamiento industrial tfpicas para biomasa lignocelulosica, la suspension de materia prima acuosa (5050) incluye entre aproximadamente 0,5 kg y 15 aproximadamente 1,0 kg de biomasa seca por litro de agua.
En algunas realizaciones, tambien se pueden agregar uno o mas aditivos protectores de fibra 5170 a la suspension de materia prima en el paso de mezclado de la materia prima 5040. Los aditivos protectores de fibra ayudan a reducir la degradacion de ciertos tipos de fibras de biomasa (por ejemplo, fibras de celulosa) durante la oxidacion de 20 la materia prima. Los aditivos protectores de fibra que se pueden usar, por ejemplo, si un producto deseado del tratamiento de una materia prima lignocelulosica incluye fibras de celulosa. Los aditivos protectores de fibra ejemplificativos incluyen compuestos de magnesio tales como hidroxido de magnesio. Las concentraciones de los aditivos protectores de fibra en la suspension de materia prima (5050) pueden estar entre 0,1% y 0,4% del peso seco de la materia prima de biomasa, por ejemplo.
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En algunas realizaciones, la suspension de materia prima acuosa (5050) puede ser sometida a una extraccion adicional (5180) con un disolvente organico para eliminar sustancias insolubles en agua de la suspension. Por ejemplo, con la extraccion de suspension (5050) con uno o mas disolventes organicos se obtiene una suspension purificada y una corriente de desecho organico (5210) que incluye materiales insolubles en agua tales como grasas, 30 aceites, y otras sustancias no polares, basadas en hidrocarburos. Los disolventes adecuados para realizar la extraccion de la suspension (5050) incluyen diferentes alcoholes, hidrocarburos, y halohidrocarburos, por ejemplo.
En algunas realizaciones, la suspension de materia prima acuosa (5050) puede ser sometida a un tratamiento termico opcional (5190) para preparar adicionalmente la materia prima para la oxidacion. Un ejemplo de un 35 tratamiento termico incluye el calentamiento de la suspension de materia prima en presencia de vapor presurizado. En la materia prima de biomasa fibrosa, el vapor presurizado hincha las fibras, exponiendo una fraccion mas grande de superficie de la fibra al disolvente acuoso y a los agentes oxidantes que se introducen en los pasos de tratamiento posteriores.
40 En algunas realizaciones, la suspension de materia prima acuosa (5050) puede ser sometida a un tratamiento opcional con agentes basicos (5200). El tratamiento con uno o mas agentes basicos puede ayudar a separar lignina de la celulosa en la materia prima de biomasa lignocelulosica, mejorando de esta manera la posterior oxidacion de la materia prima. Los agentes basicos ejemplificativos incluyen hidroxidos alcalinos y alcalinoterreos tales como hidroxido de sodio, hidroxido de potasio, e hidroxido de calcio. En general, se pueden usar una variedad de agentes 45 basicos, generalmente en concentraciones entre aproximadamente 0,01% y aproximadamente 0,5% del peso de la materia prima seca.
La suspension de materia prima acuosa (5050) es transportada (por ejemplo, por un sistema de tubenas en serie) hacia una camara, que puede ser una camara de pretratamiento de oxidacion o un reactor de oxidacion. En el paso 50 de pre-tratamiento de oxidacion (5060), se agregan uno o mas agentes oxidantes (5160) a la suspension de materia prima (5050) para formar un medio oxidante. En algunas realizaciones, por ejemplo, los agentes oxidantes (5160) pueden incluir peroxido de hidrogeno. El peroxido de hidrogeno se puede agregar a la suspension (5050) como una solucion acuosa, y en proporciones que vanan en un rango entre 3% y entre 30% y 35% en peso de suspension (5050). El peroxido de hidrogeno tiene varias ventajas como agente oxidante. Por ejemplo, la solucion acuosa de 55 peroxido de hidrogeno es relativamente poco costosa, relativamente estable qmmicamente y no es particularmente peligrosa en relacion con otros agentes oxidantes (y por lo tanto no requiere procedimientos complicados de manejo ni equipamiento de seguridad caro). Asimismo, el peroxido de hidrogeno se descompone para formar agua durante la oxidacion de la materia prima, de modo que la limpieza de la corriente de desecho es relativamente sencilla y barata.
En algunas realizaciones, los agentes oxidantes (5160) pueden incluir oxfgeno (por ejemplo, gas oxfgeno) solo, o en combinacion con peroxido de hidrogeno. El gas oxfgeno puede ser burbujeado en la suspension (5050) en proporciones que vanan en un rango entre 0,5% y 10% en peso de suspension (5050). Como alternativa, o adicionalmente, el gas oxfgeno tambien puede ser introducido en una fase gaseosa en equilibrio con la suspension 5 (5050), por ejemplo, una cabeza de vapor por encima de la suspension (5050). El gas oxfgeno puede ser introducido en una camara de pretratamiento de oxidacion o en un reactor de oxidacion (o en ambos), dependiendo de la configuracion del sistema de tratamiento oxidante. Generalmente, por ejemplo, la presion parcial de oxfgeno en el vapor por encima de la suspension (5050) es mayor que en la presion ambiente de oxfgeno, y vana en un rango entre 0,5 bar y 35 bar, dependiendo de la naturaleza de la materia prima.
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El gas oxfgeno puede ser introducir en forma pura, o se puede mezclar con uno o mas gases vetnculo. Por ejemplo, en algunas realizaciones, aire con alta presion provee el oxfgeno en el vapor. En algunas realizaciones, el gas oxfgeno puede ser provisto continuamente a la fase vapor para asegurar que permanece una concentracion de oxfgeno en el vapor dentro de ciertos lfmites predeterminados durante el tratamiento de la materia prima. En algunas 15 realizaciones, puede ser introducido inicialmente gas oxfgeno en una concentracion suficiente para oxidar la materia prima, y luego la materia prima puede ser transportada a un recipiente cerrado y presurizado (por ejemplo, un reactor de oxidacion) para el proceso.
En algunas realizaciones, los agentes oxidantes (5160) pueden incluir oxfgeno naciente (por ejemplo, radicales de 20 oxfgeno). Generalmente, el oxfgeno naciente se produce a medida que se lo necesita en un reactor de oxidacion o en una camara con comunicacion fluida con un reactor de oxidacion por una o mas reacciones de descomposicion. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el oxfgeno naciente puede ser producido a partir de una reaccion entre NO y O2 en una mezcla de gas o en solucion. En algunas realizaciones, el oxfgeno naciente puede ser producido a partir de la descomposicion de HOCI en solucion. Otros metodos por los cuales se puede producir oxfgeno naciente 25 incluyen por medio de la generacion electroqmmica en una solucion de electrolitos, por ejemplo.
En general, el oxfgeno naciente es un agente oxidante eficaz debido a la relativamente alta reactividad del radical oxfgeno. Sin embargo, el oxfgeno naciente tambien puede ser un agente oxidante relativamente selectivo. Por ejemplo, cuando la materia prima lignocelulosica es tratada con oxfgeno naciente, la oxidacion selectiva de la lignina 30 se produce con preferencia respecto a otros componentes de la materia prima tal como celulosa. Como resultado, la oxidacion de la materia prima con oxfgeno naciente provee un metodo para la eliminacion selectiva de la fraccion lignina en ciertas materias primas. Generalmente, se usan concentraciones de oxfgeno naciente de entre aproximadamente 0,5% y 5% del peso seco de la materia para provocar una oxidacion eficaz.
35 Sin el deseo de estar ligado a cualquier teona, se cree que el oxfgeno naciente reacciona con la materia prima lignocelulosica de acuerdo con al menos dos mecanismos diferentes. En un primer mecanismo, el oxfgeno naciente sufre una reaccion de adicional con la lignina, que da como resultado una oxidacion parcial de la lignina, el cual solubiliza la lignina en solucion acuosa. Como resultado, la lignina solubilizada puede ser eliminada del resto de la materia prima por medio de lavado. En un segundo mecanismo, el oxfgeno naciente afecta los enlaces de butano y/o 40 abre los anillos aromaticos que estan conectados a traves de los enlaces de butano. Como resultado, aumenta la solubilidad de la lignina en solucion acuosa, facilitando la separacion de la fraccion lignina del resto de la materia prima por medio de lavado.
En algunas realizaciones, los agentes oxidantes (5160) incluyen ozono (O3). El uso de ozono puede introducir 45 muchas consideraciones del manejo qrnmico en la secuencia de tratamiento de oxidacion. Si se calienta muy vigorosamente, una solucion acuosa de ozono se puede descomponer violentamente, con consecuencias potencialmente adversas para los operarios humanos del sistema y para el equipamiento del sistema. Por consiguiente, el ozono generalmente es generado en un recipiente aislado termicamente, de paredes gruesas separado del recipiente que contiene la suspension de materia prima, y se transporta al mismo en la etapa apropiada 50 del proceso.
Sin el deseo de estar ligado por la teona, se cree que el ozono se descompone en oxfgeno y radicales de oxfgeno, y que los radicales de oxfgeno (por ejemplo, oxfgeno naciente) son los responsables de las propiedades oxidantes del ozono del modo que se expone mas arriba. El ozono generalmente oxida preferentemente la fraccion lignina en los 55 materiales lignocelulosicos, dejando la fraccion celulosa relativamente sin alterar.
Las condiciones para la oxidacion basada en ozono de la materia prima de biomasa generalmente dependen de la naturaleza de la biomasa. Por ejemplo, para materia primas celulosicas y/o lignocelulosicas, las concentraciones de ozono de entre 0,1 g/m3 y 20 g/m3 de materia prima seca proveen una eficaz oxidacion de la materia prima. 60 Generalmente, el contenido de agua en la suspension (5050) es entre 10% en peso y 80% en peso (por ejemplo,
entre 40% en peso y 60% en peso).
Durante la oxidacion en base a ozono, la temperature de la suspension (5050) puede mantenerse entre 0 °C y 100 °C para evitar la descomposicion violenta del ozono.
En algunas realizaciones, la suspension de materia prima (5050) puede ser tratada con una solucion acuosa, alcalina que incluye uno o mas hidroxidos alcalinos o alcalinoterreos tales como hidroxido de sodio, hidroxido de potasio, e hidroxido de calcio, y entonces tratada luego con un gas que contiene ozono en un reactor de oxidacion. Se ha observado que este proceso aumenta significativamente la descomposicion del material celulosico en 10 suspension (5050). Generalmente, por ejemplo, una concentracion de iones hidroxido en la solucion alcalina esta entre 0,001% y 10% en peso de suspension (5050). Despues de que la materia prima ha sido mojada por medio del contacto con la solucion alcalina, el gas que contiene ozono se introduce en el reactor de oxidacion, donde se pone en contacto y oxida la materia prima.
15 Los agentes oxidantes (5160) tambien pueden incluir otras sustancias. En algunas realizaciones, por ejemplo, los agentes oxidantes basados en halogenos tales como cloro y agentes de oxicloro (por ejemplo, hipoclorito) se pueden introducir en la suspension (5050). En algunas realizaciones, las sustancias oxidantes que contienen nitrogeno se pueden introducir en la suspension (5050). Las sustancias oxidantes que contienen nitrogeno ejemplificativas incluyen NO y NO2, por ejemplo. Los agentes que contienen nitrogeno tambien pueden ser combinados con oxfgeno 20 en la suspension (5050) para crear agentes oxidantes adicionales. Por ejemplo, NO y NO2 se combinan con oxfgeno en la suspension (5050) para formar compuestos nitrato, que son eficaces agentes oxidantes para la materia prima de biomasa. Los agentes oxidantes en base a halogeno y nitrogeno pueden, en algunas realizaciones, causar el blanqueamiento de la materia prima de biomasa, dependiendo de la naturaleza de la materia prima. El blanqueamiento puede ser deseable para ciertos productos derivados de biomasa que son extrafdos en pasos de 25 tratamiento posteriores.
Otros agentes oxidantes pueden incluir, por ejemplo, diferentes peroxiacidos, acidos peroxiaceticos, persulfatos, percarbonatos, permanganatos, tetroxido de osmio y oxidos de cromo.
30 Siguiendo al paso de pretratamiento de oxidacion (5060), la suspension de materia prima (5050) es oxidada en el paso (5070). Si los agentes oxidantes (5160) se agregan a la suspension (5050) en un reactor de oxidacion, entonces la oxidacion procede en el mismo reactor. Como alternativa, si los agentes oxidantes (5160) fueron agregados a la suspension (5050) en una camara de pretratamiento, entonces la suspension (5050) es transportada a un reactor de oxidacion a traves de un sistema de tubenas en serie. Una vez dentro del reactor de oxidacion, la 35 oxidacion de la materia prima de biomasa procede bajo un conjunto de condiciones ambientales controladas. Generalmente, por ejemplo, el reactor de oxidacion es un recipiente cilindrico que esta cerrado al medio ambiente externo y presurizado. Tanto la operacion en lote asf como la continua es posible, a pesar que las condiciones ambientales son generalmente mas faciles de controlar en una operacion de tratamiento en lote en serie.
40 La oxidacion de la suspension de materia prima (5050) generalmente ocurre a temperaturas elevadas en el reactor de oxidacion. Por ejemplo, la temperatura de la suspension (5050) en el reactor de oxidacion generalmente se mantiene por encima de 100 °C, por ejemplo en un rango entre 120 °C y 240 °C. Para muchos tipos de materia prima de biomasa, la oxidacion es particularmente eficaz si la temperatura de la suspension (5050) se mantiene entre 150 °C y 220 °C. La suspension (5050) puede ser calentada usando una variedad de dispositivos de 45 transferencia termica. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el reactor de oxidacion esta en contacto con un bano de calentamiento que incluye aceite o sales fundidas. En algunas realizaciones, una serie de tubenas de intercambio de calor rodea y esta en contacto con el reactor de oxidacion, y la circulacion de fluido caliente en las tubenas calienta la suspension (5050) en el reactor. Otros dispositivos de calentamiento que se pueden usar para calentar la suspension (5050) incluyen elementos de calentamiento por resistividad, calentadores por induccion, y fuentes de 50 microondas, por ejemplo.
El tiempo de residencia de la suspension de materia prima (5050) en el reactor de oxidacion puede ser variado tal como se desee para procesar la materia prima. Generalmente, la suspension (5050) pasa entre 1 minuto y 60 minutos sometida a la oxidacion en el reactor. Para materiales de biomasa relativamente blandos tales como materia 55 lignocelulosica, el tiempo de residencia en el reactor de oxidacion puede ser entre 5 minutos y 30 minutos, por ejemplo, a una presion de oxfgeno de entre 3 y 12 bar en el reactor, y a una temperatura de la suspension de entre 160 °C y 210 °C. Para otros tipos de materia prima, sin embargo, los tiempos de residencia en el reactor de oxidacion pueden ser mayores, por ejemplo, tan largos como 48 horas. Para determinar los tiempos de residencia apropiados para la suspension (5050) en el reactor de oxidacion, se pueden extraer alfcuotas de la suspension 60 desde el reactor a intervalos espedficos y ser analizados para determinar las concentraciones de productos
particulares de interes tales como sacaridos complejos. La informacion sobre el aumento en las concentraciones de ciertos productos en suspension (5050) como una funcion del tiempo se puede usar para determinar los tiempos de residencia para clases particulares de material de materia prima.
5 En algunas realizaciones, durante la oxidacion de la suspension de materia prima (5050), se puede realizar el ajuste del pH de la suspension por introduccion de uno o mas agentes qmmicos en el reactor de oxidacion. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la oxidacion ocurre mas eficazmente en un rango de pH de entre aproximadamente 9 y 11. Para mantener el pH en este rango, se pueden introducir en el reactor de oxidacion agentes tales como hidroxidos alcalinos y alcalinoterreos, carbonatos, amomaco, y soluciones amortiguadoras alcalinas.
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La circulacion de la suspension (5050) durante la oxidacion puede ser importante para asegurar el contacto suficiente entre los agentes oxidantes (5160) y la materia prima. La circulacion de la suspension se puede lograr usando diferentes tecnicas. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se puede implementar un aparato de agitacion mecanica que incluye aspas impulsoras o una rueda hidraulica de paletas en el reactor de oxidacion. En algunas 15 realizaciones, el reactor de oxidacion puede ser un reactor en ciclo, en el cual el disolvente acuoso en el que la materia prima esta suspendida, se drena simultaneamente del fondo del reactor y se recircula en el ciclo del reactor por medio de bombeo, asegurando de esta manera que la suspension se mezcla de nuevo continuamente y no se estanca en el reactor.
20 Despues de completarse la oxidacion de la materia prima, la suspension es transportada a un aparato de separacion en donde se produce un paso de separacion mecanica (5080). Generalmente, el paso de separacion mecanica (5080) incluye una o mas etapas de filtrado cada vez mas fino de la suspension para separar mecanicamente los constituyentes solidos y lfquidos.
25 La fase lfquida (5090) se separa de la fase solida 5100, y las dos fases son procesadas independientemente mas tarde. La fase solida (5100) puede sufrir opcionalmente un paso de secado (5120) en un aparato de secado, por ejemplo. El paso de secado (5120) puede incluir, por ejemplo, la dispersion mecanica del material solido material sobre una superficie de secado, y la evaporacion del agua de la fase solida (5100) por calentamiento suave del material solido. Seguidamente al paso de secado (5120), o como alternativa, sin someterla al paso de secado 30 (5120), la fase solida (5100) es transportada para los pasos de tratamiento adicionales (5140).
La fase lfquida (5090) puede opcionalmente sufrir un paso de secado (5110) para reducir la concentracion de agua en la fase lfquida. En algunas realizaciones, por ejemplo, el paso de secado (5110) puede incluir la evaporacion y/o destilacion y/o extraccion de agua de la fase lfquida (5090) por calentamiento suave del lfquido. Como alternativa, o 35 adicionalmente, se pueden usar uno o mas agentes de secado qmmico para eliminar agua de la fase lfquida (5090). Seguidamente al paso de secado (5110), o como alternativa, sin someterla al paso de secado (5110), la fase lfquida (5090) es transportada para los pasos de tratamiento posteriores (5130), que pueden incluir una variedad de pasos de tratamiento qmmicos y biologicos tales como hidrolisis qmmica y/o enzimatica.
40 El paso de secado (5110) crea una corriente de desecho (5220), una solucion acuosa que puede incluir agentes qmmicos disueltos tales como acidos y bases en concentraciones relativamente bajas. El tratamiento de la corriente de desecho (5220) puede incluir, por ejemplo, la neutralizacion del pH con uno o mas acidos o bases minerales. Dependiendo de la concentracion de sales disueltas en la corriente de desecho (5220), la solucion puede ser parcialmente desionizada (por ejemplo, por pasaje de la corriente de desecho a traves de un sistema de intercambio 45 ionico). Luego, la corriente de desecho, que incluye principalmente agua, puede ser recirculada en el proceso completo, por ejemplo, como agua (5150), desviada a otro proceso, o descargada.
Generalmente, para materias primas de biomasa lignocelulosicas despues del paso de separacion (5070), la fase lfquida (5090) incluye una variedad de poli y oligosacaridos solubles, que luego pueden ser separados y/o reducidos 50 a sacaridos de cadena pequena por medio de pasos adicionales de tratamiento. La fase solida (5100) generalmente incluye principalmente celulosa, por ejemplo, con cantidades menores de productos derivados de hemicelulosa y lignina.
En algunas realizaciones, la oxidacion se puede llevar a cabo a temperatura elevadas en un reactor tal como una 55 camara de pirolisis. Por ejemplo, en referencia nuevamente a la figura 17, los materiales de materia prima pueden ser oxidados en un pirolizador de filamento (1712). En un uso tfpico, un gas vehfculo oxidante, por ejemplo, aire o una mezcla de aire/argon, atraviesa por el soporte para muestra (1713) mientras que el elemento de calentamiento por resistividad rota y es calentado a una temperatura deseada, por ejemplo, 325 °C. Despues de un tiempo apropiado, por ejemplo, entre 5 y 10 minutos, el material oxidado se vacfa del soporte para muestra. El sistema que 60 se muestra en la figura 17 puede ser modificado a escala y convertirse en continuo. Por ejemplo, en lugar de un
cable como miembro calefactor, el miembro calefactor puede ser un tornillo sinfm. El material puede caer continuamente en el soporte para muestra, golpeando un tornillo caliente que piroliza el material. Al mismo tiempo, el tornillo puede empujar el material oxidado por fuera del soporte para muestra para permitir la entrada de nuevo material no oxidado.
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Los materiales de materia prima tambien pueden ser oxidados en cualquiera de los sistemas de pirolisis mostrados en las figuras 18 a 20 y descritos anteriormente en la seccion Sistemas de pirolisis
En referencia nuevamente a la figura 21, los materiales de materia prima pueden ser facilmente oxidados por
10 recubrimiento de un filamento de tungsteno (150), junto con un oxidante, tal como un peroxido, con el material
celulosico deseado al mismo tiempo que el material es albergado en una camara de vado (151). Para efectuar la oxidacion, la corriente se hace pasar a traves del filamento, la cual causa un rapido calentamiento del filamento durante el tiempo deseado. Generalmente, el calentamiento se sigue durante unos segundos antes de permitir que se enfne el filamento. En algunas realizaciones, el calentamiento se realiza un numero de veces para producir la 15 cantidad deseada de oxidacion.
En referencia nuevamente a la figura 12, en algunas realizaciones, los materiales de materia prima pueden ser
oxidados con la ayuda de sonido y/o cavitacion. Generalmente, para efectuar la oxidacion, los materiales son
tratados con ultrasonidos en un ambiente oxidante, tal como agua saturada con oxfgeno u otro oxidante qrnmico, tal 20 como hidrogeno peroxido.
En referencia nuevamente a las figuras 9 y 10, en algunas realizaciones, se usa radiacion ionizante para ayudar en la oxidacion de materiales de materia prima. Generalmente, para efectuar la oxidacion, los materiales son irradiados en un ambiente oxidante, tal como aire u oxfgeno. Por ejemplo, se puede usar radiacion gamma y/o de haz de 25 electrones para irradiar los materiales.
Otros procesos
La explosion de vapor se puede usar sola o con cualquiera de los procesos descritos en la presente memoria, o en 30 combinacion con cualquiera de los procesos descritos en la misma.
La figura 23 muestra una vista general del proceso entero de conversion de una fuente de fibra o materia prima (400) en un producto (450), tal como etanol, por un proceso que incluye corte y explosion de vapor para producir un material fibroso (401), que luego es hidrolizado y, por ejemplo, fermentado, para generar el producto. La fuente de 35 fibra puede ser transformada en el material fibroso (401) por medio de un numero de metodos posibles, que incluyen al menos un proceso de corte y al menos un proceso de explosion de vapor.
Por ejemplo, una opcion incluye cortar la fuente de fibra, seguido de paso(s) opcional(es) de tamizado y paso(s) opcional(es) de corte adicional(es) para producir una fuente de fibra cortada (402), que entonces se puede hacer 40 explotar con vapor para producir el material fibroso (401). El proceso de explosion de vapor es opcionalmente seguido por un proceso de recuperacion de fibra para eliminar lfquidos o el “licor” (404), resultante del proceso de explosion de vapor. El material resultante de la explosion de vapor de la fuente de fibra cortada puede ser cortado adicionalmente por medio de un paso o pasos opcionales de corte adicional y/o paso o pasos opcionales de tamizado.
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En otro metodo, el material fibroso (401) primero es explotado con vapor para producir una fuente de fibra explotada con vapor 410. La fuente de fibra explotada con vapor es sometida posteriormente a un proceso opcional de recuperacion de fibra para eliminar lfquidos, o el licor. La fuente de fibra explotada con vapor resultante puede luego ser cortada para producir el material fibroso. La fuente de fibra explotada con vapor tambien puede ser sometida a 50 uno o mas pasos opcionales de tamizado y/o uno o mas pasos opcionales de corte adicionales. El proceso de corte y explosion de vapor de la fuente de fibra para producir el material fibroso cortado y explotado con vapor sera expuesto adicionalmente mas adelante.
La fuente de fibra puede ser cortada en pedazos o tiras de material tipo papel picado antes del corte o explosion de 55 vapor. Los procesos de corte pueden llevarse a cabo con el material en estado seco (por ejemplo, que tiene menos de 0,25 por ciento en peso de agua absorbida), estado hidratado, o incluso cuando esta parcialmente o completamente sumergido en un lfquido, tal como agua o isopropanol. El proceso tambien puede incluir opcionalmente pasos de secado de la salida despues de la explosion de vapor o corte para permitir los pasos adicionales de corte en seco o explosion de vapor. Los pasos de corte, tamizado, y explosion de vapor pueden tener 60 lugar con o sin la presencia de diferentes soluciones qrnmicas.
En un proceso de explosion de vapor, la fuente de fibra o la fuente de fibra cortada se pone en contacto con vapor bajo alta presion, y el vapor difunde por dentro de las estructuras de la fuente de fibra (por ejemplo, las estructuras lignocelulosicas). El vapor luego se condensa bajo alta presion "mojando” de este modo la fuente de fibra. La 5 humedad en la fuente de fibra puede hidrolizar cualquier grupo acetilo en la fuente de fibra (por ejemplo, los grupos acetilo en las fracciones de hemicelulosa), formando acidos organicos tales como acidos acetico y uronico. Los acidos, por otro lado, pueden catalizar la despolimerizacion de la hemicelulosa, liberando xilano y cantidades limitadas de glucano. La fuente de fibra “mojada” (o fuente de fibra cortada, etc.) es luego “explotada” cuando se libera la presion. La humedad condensada instantaneamente se evapora debido a la disminucion subita en la 10 presion y la expansion del vapor de agua ejerce una fuerza de corte (o fuente de fibra cortada, etc.). Una fuerza de corte suficiente causara la ruptura mecanica de las estructuras internas (por ejemplo, las estructuras lignocelulosicas) de la fuente de fibra.
El material fibroso cortado y explotado con vapor es luego convertido en un producto util, tal como etanol. En 15 algunas realizaciones, el material fibroso es convertido en un combustible. Un metodo para convertir el material fibroso en un combustible es por hidrolisis para producir azucares fermentables (412), que posteriormente se fermentan para producir el producto.
Tambien pueden usarse otros metodos conocidos y desconocidos para convertir los materiales fibrosos en 20 combustibles.
En algunas realizaciones, antes de la combinacion con el microorganismo, el material fibroso cortado y explotado con vapor (401) se esteriliza para matar cualquier microorganismo competitivo que pudiese estar en el material fibroso. Por ejemplo, el material fibroso se puede esterilizar por exposicion del material fibroso a radiacion, tal como 25 radiacion infrarroja, radiacion ultravioleta, o una radiacion ionizante, tal como radiacion gamma. Los microorganismos tambien pueden ser matados usando esterilizantes qmmicos, tales como lejfa (por ejemplo, hipoclorito de sodio), clorhexidina, u oxido de etileno.
Un metodo para hidrolizar el material fibroso cortado y explotado con vapor es por el uso de celulasas. Las celulasas 30 son un grupo de enzimas que actuan sinergfsticamente para hidrolizar celulosa. Tambien se puede usar el complejo de enzimas Accellerase® 1000 disponible comercialmente, el cual contiene un complejo de enzimas que reduce el material de biomasa lignocelulosica en azucares fermentables.
Segun el entendimiento actual, los componentes de celulasa incluyen endoglucanasas, exoglucanasas 35 (celobiohidrolasas), y b-glucosidasas (celobiasas). El sinergismo entre los componentes de celulasa existe cuando la hidrolisis por una combinacion de dos o mas componentes excede la suma de las actividades expresadas por los componentes individuales. El mecanismo de accion generalmente aceptado de un sistema celulasa (particularmente de T. longibrachiatum) sobre celulosa cristalina es: que la endoglucanasa hidroliza los enlaces internos p-1,4- glicosfdicos de las regiones amorfas, aumentando de este modo el numero de extremos no reductores expuestos. 40 Las exoglucanasas luego cortan las unidades de celobiosa de los extremos no reductores, que por otra lado son hidrolizados a unidades de glucosa individuales por b-glucosidasas. Hay varias configuraciones de endo y exoglucanasas que difieren en las estereoespecificidades. En general, la accion sinergfstica de los componentes en diferentes configuraciones se requiere para la optima hidrolisis de la celulosa. Las celulasas, sin embargo, son mas propensas a hidrolizar las regiones amorfas de celulosa. Existe una relacion linear entre la cristalinidad y la velocidad 45 de hidrolisis en donde un mayor mdice de cristalinidad se corresponde con menores velocidades de hidrolisis enzimatica. Las regiones amorfas de la celulosa se hidrolizan al doble de velocidad que las regiones cristalinas. La hidrolisis del material fibroso cortado y explotado con vapor se puede llevar a cabo por cualquier proceso de hidrolisis de biomasa.
50 La explosion de vapor de biomasa algunas veces causa la formacion de subproductos, por ejemplo, toxicos, que son inhibitorios para las actividades microbianas y enzimaticas. El proceso de convertir el material fibroso cortado y explotado con vapor en un combustible puede por lo tanto incluir opcionalmente un paso de tratamiento con hidroxido de calcio antes de la fermentacion para precipitar parte de los toxicos. Por ejemplo, el pH del material fibroso cortado y explotado con vapor se puede aumentar para exceder el pH de 10 por agregado de hidroxido de 55 calcio (Ca(OH)2) seguido por un paso de disminucion de pH y aproximadamente 5 por agregado de H2SO4. El material fibroso tratado puede luego ser usado como si no tuviese la eliminacion de precipitados. Como se muestra en la figura 23, el paso opcional de tratamiento con hidroxido de calcio ocurre justo antes del paso de hidrolisis del material fibroso cortado y explotado con vapor, pero tambien se contempla la realizacion del paso de tratamiento con hidroxido de calcio luego del paso de hidrolisis y antes del paso de fermentacion.
La figura 24 describe un ejemplo de un aparato de explosion de vapor (460). El aparato de explosion de vapor (460) incluye una camara de reaccion (462), en la cual la fuente de fibra y/o el material fibroso colocado a traves de una entrada de fuente de fibra (464). La camara de reaccion se sella por cerrado de la valvula de entrada de la fuente de fibra (465). La camara de reaccion ademas incluye una entrada de vapor presurizada (466) que incluye una valvula 5 de vapor (467). La camara de reaccion ademas incluye una salida de despresurizacion explosiva (468) que incluye una valvula de salida (469) en comunicacion con el ciclon (470) a traves de la tubena de conexion (472). Una vez que la camara de reaccion contiene la fuente de fibra y/o la fuente de fibra cortada y se sella por cerrado de las valvulas (465, 467 y 469), el vapor se envfa dentro de la camara de reaccion (462) por apertura de la valvula de entrada de vapor (467) permitiendo que el vapor viaje a traves de la salida de vapor (466). Una vez que la camara de 10 reaccion alcanza la temperatura blanco, que puede tomar aproximadamente entre 20 y 60 segundos, comienza el tiempo de retencion. La camara de reaccion se mantiene a la temperatura blanco durante el tiempo de retencion deseado, que generalmente dura entre aproximadamente 10 segundos y 5 minutos. Al final del penodo de tiempo de retencion, se abre la valvula de salida para permitir que ocurra la despresurizacion explosiva. El proceso de despresurizacion explosiva impulsa los contenidos de la camara de reaccion (462) hacia afuera de la salida de 15 despresurizacion explosiva (468), a traves de la tubena de conexion (472) y dentro del ciclon (470). La fuente de fibra explotada con vapor o material fibroso entonces sale del ciclon en una forma de sedimento fangoso hacia el deposito de recoleccion (474) tanto como el vapor remanente sale del ciclon hacia la atmosfera a traves de la salida de ventilacion (476). El aparato de explosion de vapor ademas incluye la salida de lavado (478) con una valvula de salida de lavado (479) en comunicacion con la tubena de conexion (472). La valvula de salida de lavado (479) esta 20 cerrada durante el uso del aparato de explosion de vapor (460) para la explosion de vapor, pero abierta durante el lavado de la camara de reaccion (462).
El objetivo de temperatura de la camara de reaccion (462) esta preferentemente entre 180 y 240 grados Celsius o entre 200 y 220 grados Celsius. El tiempo de retencion esta preferentemente entre 10 segundos y 30 minutos, o 25 entre 30 segundos y 10 minutos, o entre 1 minuto y 5 minutos.
Debido a que el proceso de explosion de vapor da como resultado un sedimento fangoso de material fibroso explotado con vapor, el material fibroso explotado con vapor puede opcionalmente incluir un proceso de recuperacion de fibra en donde se separa el “licor” del material fibroso explotado con vapor. Este paso de 30 recuperacion de fibra es util ya que permite los procesos de corte y/o tamizado adicionales y puede permitir la conversion del material fibroso en un combustible. El proceso de recuperacion de fibra ocurre por medio del uso de una tela de malla para separar las fibras del licor. Tambien se pueden incluir otros procesos de secado para preparar el material fibroso o fuente de fibra explotada con vapor para el tratamiento posterior.
35 Irradiacion combinada, dispositivos de pirolisis. ultrasonidos y/u oxidacion
En algunas realizaciones, puede ser ventajoso combinar dos o mas dispositivos separados de irradiacion, ultrasonidos, pirolisis y/u oxidacion en una sola maquina hnbrida. Usando dicha maquina hforida, se pueden llevar a cabo multiples procedimientos en yuxtaposicion cercana o incluso simultaneamente, con el beneficio de produccion 40 creciente del pretratamiento y potenciales ahorros de coste.
Por ejemplo, considerense los procedimientos de irradiacion de haz de electrones y tratamiento de ultrasonidos. Cada procedimiento separado es eficaz para reducir el peso molecular medio del material celulosico en un orden de magnitud o mas, y en varios ordenes de magnitud cuando se lleva en serie.
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Los procedimientos tanto de irradiacion como de tratamiento con ultrasonidos se pueden aplicar usando un dispositivo hfbrido de haz de electrones/ultrasonido como se ilustra en la figura 25. El dispositivo hfbrido de haz de electrones/ultrasonido (2500) esta representado encima de una piscina poco profunda (profundidad ~3-5 cm) de una suspension de material celulosico (2550) disperso en un medio acuoso, oxidante, tal como peroxido de hidrogeno o 50 peroxido de carbamida. El dispositivo hforido (2500) tiene una fuente de energfa (2510), que acciona tanto el emisor de haz de electrones (2540) como los sonotrodos de ultrasonidos (2530).
El emisor de electrones (2540) genera haces de electrones, que pasan por un dispositivo que dirige el haz de electrones (2545) para que impacte en la suspension (2550) que contiene material celulosico. El dispositivo que 55 dirige el haz de electrones puede ser un escaner que hace un barrido de un haz a lo largo de un intervalo de hasta aproximadamente 6 pies en una direccion aproximadamente paralela a la superficie de la suspension (2550).
Al otro lado del emisor de haz de electrones (2540) estan los sonotrodos de ultrasonidos (2530), que suministran energfa de ondas ultrasonicas a la suspension (2550). Los sonotrodos de ultrasonidos (2530) terminan en una pieza 60 final desprendible (2535) que esta en contacto con la suspension (2550).
Los sonotrodos de ultrasonidos (2530) tienen riesgo de danarse por la exposicion residual a largo plazo de la radiacion de haz de electrones. Por lo tanto, los sonotrodos se pueden proteger con una pantalla estandar (2520), p. ej., hecha de plomo o una aleacion que contiene metal pesado, tal como metal de Lipowitz que sea impenetrable por 5 la radiacion de haz de electrones. Sin embargo, se debe tener precaucion de asegurarse que la energfa ultrasonica no es afectada por la presencia de la pantalla. Las piezas finales desprendibles (2535), que estan construidas del mismo material y unidas a los sonotrodos (2530), estan en contacto con el material celulosico (2550) durante el procesamiento y se preve que sean danadas. Por consiguiente, las piezas finales desprendibles (2535) estan construidas para que sean facilmente sustituibles.
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Un beneficio adicional de dicho procedimiento simultaneo de haz de electrones y ultrasonidos, es que los dos procedimientos tienen resultados complementarios. Con la irradiacion del haz de electrones solo, una dosis insuficiente puede dar como resultado reticulacion de algunos de los polfmeros en el material celulosico, lo que disminuye la eficacia del procedimiento de despolimerizacion general. Tambien se pueden usar dosis menores de
15 irradiacion de haz de electrones y/o radiacion de ultrasonidos, para lograr el mismo grado de despolimerizacion que se logra usando la irradiacion de haz de electrones y los ultrasonidos por separado. Un dispositivo de haz de electrones se puede combinar con uno o mas dispositivos de rotor-estator, de alta frecuencia, que se pueden usar como una alternativa a los dispositivos de tratamientos con ultrasonidos.
20 Tambien son posibles otras combinaciones de dispositivos. Por ejemplo, se puede combinar un dispositivo de radiacion ionizante que produce radiacion gamma emitida, p. ej., de pelets de 60Co, con una fuente de haz de electrones y/o una fuente de ondas ultrasonicas. Los requisitos de apantallamiento pueden ser mas exigentes en este caso.
25 Los dispositivos de radiacion para el pretratamiento de biomasa discutidos antes, tambien se pueden combinar con uno o mas dispositivos que realizan una o mas secuencias de procesamiento de pirolisis. Dicha combinacion puede tener de nuevo la ventaja de rendimiento mayor. No obstante, se debe tener precaucion, ya que puede haber requisitos en conflicto entre algunos procedimientos de radiacion y la pirolisis. Por ejemplo, los dispositivos de radiacion de ultrasonidos pueden requerir que la alimentacion se sumerja en un medio lfquido oxidante. Por otra
30 parte, como se ha descrito previamente, puede ser ventajoso para una muestra de alimentacion que se somete a pirolisis tener un contenido de humedad particular. En este caso, los nuevos sistemas miden automaticamente y supervisan un contenido particular de humedad y lo regulan. Ademas, algunos o todos los dispositivos anteriores, especialmente los dispositivos de pirolisis, se pueden combinar con un dispositivo de oxidacion como se expuso previamente.
35
Procedimientos primarios Fermentacion
40 En general, varios microorganismos pueden producir una variedad de productos utiles, tales como un combustible, al operar sobre, por ejemplo, fermentar los materiales. Por ejemplo, alcoholes, acidos organicos, hidrocarburos, hidrogeno, protemas o mezclas de cualquiera de estos materiales pueden producirse mediante fermentacion u otros procesos.
45 El microorganismo puede ser un microorganismo natural o un microorganismo geneticamente modificado. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, p.ej, una bacteria celulolttica, un hongo, p. ej., una levadura, una planta o un protista, p. ej., un alga, un protozoo o un protista de tipo hongo, p. ej., un moho del fango. Cuando los organismos son compatibles, se pueden usar mezclas de organismos.
50 Para ayudar a la ruptura de los materiales que incluye la celulosa, se pueden utilizar una o mas enzimas, por ejemplo, una enzima celulolftica. En algunas realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa son tratados primero con la enzima, por ejemplo, por combinacion del material y la enzima en una solucion acuosa. Este material puede ser luego combinado con el microorganismo. En otras realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa, se combinan con una o mas enzimas y el microorganismo al mismo tiempo, por ejemplo, por combinacion en una
55 solucion acuosa.
Tambien para ayudar a la rotura de los materiales que incluyen celulosa, los materiales se puede tratar despues de la irradiacion con calor, un producto qmmico (p. ej., acido mineral, base o un oxidante fuerte tal como hipoclorito sodico) y/o una enzima.
Durante la fermentacion, los azucares liberados por la hidrolisis celulolftica o la etapa de sacarificacion se fermentan, p. ej., en etanol, mediante un microorganismo de fermentacion tal como levadura. Los microorganismos de fermentacion adecuados tienen la capacidad de convertir hidratos de carbono, tales como glucosa, xilosa, arabinosa, manosa, galactosa, oligosacaridos o polisacaridos, en productos de fermentacion. Los microorganismos 5 fermentadores incluyen cepas del genero Sacchromyces spp., por ejemplo, Sacchromyces cerevisiae (levaduras de panadena), Saccharomyces distaticus, Saccharomyces uvarunr, del genero Kluyveromyces, por ejemplo, especies Kluyveromyces marxianus, y Kluyveromyces fragilis del genero Candida, por ejemplo, Candida pseudotropicalis, y Candida brassicae, Pichia stipitis (relacionada con Candida shehatae), del genero Clavispora, por ejemplo, especies Clavispora lusitaniae y Clavispora opuntiae del genero Pachysolen, por ejemplo, especies Pachysolen tannophilus, 10 del genero Bretannomyces, por ejemplo, especies Bretannomyces clausenii (Philippidis, G.P. 1996, Celulose Bioconversion Technology, en Handbook on Bioethanol: Production and Utilization, Wyman, C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212).
La levadura disponible en el comercio incluye, por ejemplo, Red Star®/Lesaffre Etanol Red (disponible en Red 15 Star/Lesaffre, eE. UU.) FALI® (disponible en Fleischmann's Yeast, una rama de Burns Philip Food Inc., EE. UU.), SUPERSTART® (disponible en Alltech), GERT STRAND® (disponible en Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL® (disponible en DSM Specialties).
Las bacterias que pueden fermentar biomasa en etanol y otros productos incluyen, p. ej., Zymomonas mobilis y 20 Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, vease antes). Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160) aislo una bacteria anaerobica, mesofflica, celulolftica del suelo de bosques, Clostridium phytofermentans sp. nov., que convierte celulosa a etanol.
La fermentacion de biomasa en etanol y otros productos, se puede llevar a cabo usando ciertos tipos de 25 microorganismos termofilos o geneticamente modificados, tal como especies de termoanaerobiobacterias, incluyendo T. mathranii, y especies de levaduras, tales como Pichia species. Un ejemplo de una cepa de T. Mathranii es A3M4 descrita en Sonne-Hansen et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541) o Ahring et al. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 114-119).
30 Se pueden usar levaduras y bacterias Zymomonas para la fermentacion o conversion. El pH optimo para la levadura es aproximadamente de pH 4 a 5, mientras que el pH optimo para Zymomonas es de aproximadamente pH 5 a 6. Los tiempos de fermentacion tfpicos son de aproximadamente 24 a 96 horas, con intervalos de temperatura en el intervalo de 26 °C a 40 °C, sin embargo, los microorganismos termofilos prefieren temperaturas mas altas.
35 Las enzimas que degradan biomasa, tal como celulosa, a materiales de menor peso molecular que contienen hidratos de carbono, tal como glucosa, durante la sacarificacion son referidas como enzimas celulolfticas o celulasas. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actuan en forma sinergica para degradar celulosa cristalina. Los ejemplos de enzimas celulolfticas incluyen: endoglucanasas, celobiohidrolasas y celobiasas (p- glucosidasas). Un sustrato celulosico es hidrolizado inicialmente por endoglucanasas en posiciones al azar 40 produciendo intermediarios oligomericos. Estos intermediarios son entonces sustratos para glucanasas de exohidrolisis tal como celobiohidrolasa para producir celobiosa de los extremos del poftmero de celulosa. La celobiosa es un dfmero de glucosa soluble en agua con union p-1,4. Finalmente la celobiasa rompe la celobiosa para producir glucosa.
45 Una celulasa tiene la capacidad de degradar biomasa y puede ser de origen fungico o bacteriano. Las enzimas adecuadas incluyen celulasas del genero Bacillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium y Trichoderma, e incluye 5 especies de Humicola, Coprinus, Thielavia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytaiidium, Penicillium o Aspergillus (vease, por ejemplo, EP 458162), especialmente aquellas producidas por una cepa seleccionada de las especies Humicola insolens (reclasificada 50 como Scytaiidium thermophilum, vease, por ejemplo, Patente de EE. UU. n° 4.435.307), Coprinus cinereus, Fusarium oxisporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp., Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum, y Acremonium furatum, preferentemente de las especies Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxisporum DSM 55 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117,65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478,94, Acremonium sp. CBS 265,95, Acremonium persicinum CBS 169,65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535,71, Acremonium brachypenium CBS 866,73, Acremonium dichromosporum CBS 683,73, Acremonium obclavatum CBS 311,74, Acremonium pinkertoniae CBS 157,70, Acremonium roseogriseum CBS 134,56, Acremonium incoloratum CBS 146,62, y Acremonium furatum CBS 299.70H. Las enzimas celulolfticas
tambien se pueden obtener de Chrysosporium, preferentemente una cepa de .Chrysosporium lucknowense. Adicionalmente, tambien se puede usar Trichoderma (particularmente Trichoderma viride, Trichoderma reesei y Trichoderma koningii), Bacillus alcalofflicos (vease, por ejemplo, Patente de EE. UU. n° 3.844.890 y EP 458162), y Streptomyces (vease, por ejemplo, EP 458162). La bacteria, Saccharophagus degradans, produce una mezcla de 5 enzimas con capacidad de degradar un rango de materiales celulosicos y se puede usar en este proceso.
Las bacterias celulolfticas anaerobicas tambien han sido aisladas del suelo, por ejemplo, una especie celulolfticas nueva de Clostiridium, Clostridium phytofermentans sp. nov. (vease Leschine et. al, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2002), 52, 1155-1160).
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Tambien se pueden usar las enzimas celulolfticas usando tecnologfa recombinante (vease, por ejemplo, WO 2007/071818 y WO 2006/110891).
Las enzimas celulolfticas usadas pueden ser producidas por fermentacion de las cepas microbianas mencionadas 15 anteriormente en un medio de nutricion que contiene fuentes adecuadas de carbono y nitrogeno y sales inorganicas, usando procedimientos en la tecnica (vease, por ejemplo, Bennett y LaSure, L. (eds.), More Gene Manipulations in Fungi, Academic Press, CA 1991). Los medios adecuados estan disponibles de proveedores comerciales o se pueden preparar de acuerdo con composiciones publicadas (por ejemplo, en catalogos de la American Type Culture Collection). Los rangos de temperatura y otras condiciones adecuadas para el crecimiento y produccion de celulasa 20 son conocidos en la tecnica (vease Bailey, J.E. y Ollis, D.F., Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, NY, 1986).
El tratamiento de celulosa con celulasa generalmente se lleva a cabo a temperaturas entre 30 °C y 65 °C. Las celulasas son activas en un rango de pH de aproximadamente entre 3 y 7. Un paso de sacarificacion puede durar 25 por ejemplo, hasta 120 horas. La dosificacion de enzima celulasa alcanza un nivel suficientemente alto de conversion de celulosa. Por ejemplo, una dosificacion de celulasa apropiada es generalmente entre 5,0 y 50 Unidades de Papel de Filtro (FPU o IU) por gramo de celulosa. La FPU es una medida estandar y se define y se mide de acuerdo a Ghose (1987, Pure and Appl. Chem. 59:257-268).
30 Se pueden usar fermentadores moviles, como se describe en la solicitud de patente provisional de EE. UU. n° de serie 60/832.735, ahora solicitud internacional publicada n° WO 2008/011598.
Gasificacion
35 Adicionalmente al uso de pirolisis para el pretratamiento de materia prima, tambien se puede usar la pirolisis para procesar la materia prima pretratada para extraer materiales utiles. En particular, se puede emplear una forma de pirolisis conocida como gasificacion para generar gases combustibles junto con otros productos gases, ftquidos y solidos. Para realizar la gasificacion, la materia prima pre tratada se introduce en la camara de pirolisis y se calienta a alta temperatura, generalmente 700 °C o mas. La temperatura usada depende de un numero de factores, 40 incluyendo la naturaleza de la materia prima y de los productos deseados.
Tambien se agregan cantidades de oxfgeno (por ejemplo, como gas oxfgeno puro y/o como aire) y vapor (por ejemplo, vapor supercalentado) a la camara de pirolisis para facilitar la gasificacion. Estos compuestos reaccionan con el material de materia prima que contiene carbono en una reaccion de multiples pasos para generar una mezcla 45 de gases llamada gas de smtesis (o “singas”). Esencialmente, durante la gasificacion, se introduce una cantidad limitada de oxfgeno en la camara de pirolisis para permitir que parte del material de materia prima entre en combustion para formar monoxido de carbono y generar calor de proceso. El calor de proceso puede ser luego usado para promover una segunda reaccion que convierte material de materia prima adicional a hidrogeno y monoxido de carbono.
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En un primer paso de la reaccion total, el calentamiento del material de materia prima produce un carbon que puede incluir una gran variedad de diferentes especies basadas en hidrocarburos. Ciertos materiales volatiles pueden ser producidos (por ejemplo, ciertos materiales hidrocarburos gaseosos), dando como resultado una reduccion del peso total del material de materia prima. Luego, en un segundo paso de la reaccion, parte del material volatil que se 55 produjo en el primer paso reacciona con oxfgeno en una reaccion de combustion para producir monoxido de carbono y dioxido de carbono. La reaccion de combustion libera calor, el cual promueve el tercer paso de la reaccion. En el tercer paso, el dioxido de carbono y el vapor (por ejemplo, agua) reaccionan con el carbon generado en el primer paso para formar monoxido de carbono y gas hidrogeno. El monoxido de carbono tambien puede reaccionar con el vapor, en una reaccion de desplazamiento de agua, para formar dioxido de carbono y gas hidrogeno adicional.
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La gasificacion se puede usar como un proceso principal para generar productos directamente a partir de materia prima pre-tratada para el posterior transporte y/o venta, por ejemplo. Como alternativa, o adicionalmente, la gasificacion se puede usar como un proceso auxiliar para la generacion de combustible para un sistema de tratamiento completo. El singas rico en hidrogeno que es generado por medio del proceso de gasificacion se puede 5 quemar, por ejemplo, para generar electricidad y/o calor de proceso que se puede dirigir para usar en otros 15 puntos del sistema de tratamiento. Como resultado, el sistema de tratamiento total puede ser al menos parcialmente autosustentable. Tambien se puede obtener una variedad de otros productos, incluyendo aceites de pirolisis y sustancias gaseosas en base a hidrocarburos, durante y/o luego de la gasificacion; estos pueden ser separados y almacenados o transportados como se desee.
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Una variedad de diferentes camaras de pirolisis son adecuadas para la gasificacion de la materia prima pre-tratada, incluyendo las camaras de pirolisis descritas en la presente memoria. En particular, los sistemas reactores de lecho fluidizado, en los cuales la materia prima pretratada es fluidizada en vapor y oxfgeno/aire, proveen un rendimiento relativamente alto y una recuperacion sencilla de productos. El carbon solido que permanece tras la gasificacion en 15 un sistema de lecho fluidizado (o en otras camaras de pirolisis) puede ser quemado para generar calor de proceso adicional para promover las reacciones de gasificacion posteriores.
POSTPROCESAMIENTO
20 Destilacion
Despues de la fermentacion, los fluidos resultantes se pueden destilar usando, por ejemplo, una “columna de cerveza” para separar el etanol y otros alcoholes de la mayona del agua y solidos residuales. El vapor que sale de la columna de cerveza puede ser, p. ej., 35% en peso de etanol y se puede alimentar a la columna rectificadora. Una 25 mezcla de etanol y agua casi azeotropica (92,5%) de la columna rectificadora se puede purificar a etanol puro (99,5%) usando tamices moleculares en fase de vapor. Las partes finales de la columna de cerveza se pueden enviar al primer efecto de un evaporador de tres efectos. El refrigerante de reflujo de la columna de rectificacion puede proporcionar calor para este primer efecto. Despues del primer efecto, se pueden separar los solidos usando una centnfuga y secar en secador rotatorio. Una parte (25%) del efluente de la centnfuga se puede reciclar a la 30 fermentacion y el resto enviar a un segundo y tercer efectos del evaporador. La mayor parte del condensado del evaporador se puede devolver al procedimiento como condensado bastante limpio, con una pequena porcion fraccionada al tratamiento de aguas residuales, para prevenir la acumulacion de compuestos de bajo punto de ebullicion.
35 Tratamiento de aquas de desecho
El tratamiento de aguas de desecho se usa para minimizar los requerimientos agua de compensacion de la planta por tratamiento del agua de proceso para el reuso en la planta. El tratamiento de agua de desecho tambien puede producir combustible (por ejemplo, sedimento fangoso y biogas) que se puede usar para mejorar la eficacia total del 40 proceso de produccion de etanol. Por ejemplo, como se describe con mayor detalle mas adelante, el sedimento fangoso y el biogas se pueden usar para crear vapor y electricidad que se pueden usar en diferentes procesos de la planta.
El agua de desecho es inicialmente bombeada a traves de una rejilla (por ejemplo, una rejilla de barras) para 45 eliminar partfculas grandes, que son recolectadas en una tolva. En algunas realizaciones, las partfculas grandes se envfan a un area de residuos. Adicionalmente o como alternativa, las partfculas grandes se queman para crear vapor y/o electricidad como se describe con en detalle mas adelante. En general, el espacio en la rejilla de barras es entre 1/4 de pulgada y 1 pulgada de separacion (por ejemplo, 1/2 pulgada de separacion).
50 El agua de desecho luego fluye hasta un tanque de estabilizacion, donde la concentracion organica del agua de desecho se equilibra durante un tiempo de retencion. En general, el tiempo de retencion es entre 8 horas y 36 horas (por ejemplo, 24 horas). Se dispone un mezclador en el tanque para agitar los contenidos del tanque. En algunas realizaciones, se usan mezcladores dispuestos a lo largo del tanque para agitar los contenidos del tanque. En algunas realizaciones, el mezclador sustancialmente mezcla los contenidos del tanque de estabilizacion de modo 55 que las condiciones (por ejemplo, concentracion y temperatura del agua de desecho) a traves del tanque sean uniformes.
Una primera bomba mueve el agua del tanque de estabilizacion a traves de un intercambiador de calor lfquido a lfquido. El intercambio de calor es controlado (por ejemplo, por control de la velocidad de flujo del fluido a traves del 60 intercambio de calor) de modo que el agua de desecho que sale del intercambiador de calor sea a una temperatura
deseada para el tratamiento anaerobico. Por ejemplo, la temperature deseada para el tratamiento anaerobico puede ser entre 40 °C y 60°C.
Luego de salir del intercambiador de calor intercambiador de calor, el agua de desecho entra a uno o mas reactores 5 anaerobicos. En algunas realizaciones, la concentracion de sedimento fangoso en cada reactor anaerobico es la misma que la concentracion total de sedimento fangoso en el agua de desecho. En otras realizaciones, el reactor anaerobico tiene una concentracion mas alta de sedimento fangoso que la concentracion total de sedimento fangoso en el agua de desecho.
10 Se mide y agrega una solucion nutriente que contiene nitrogeno y fosforo dentro de cada reactor anaerobico que contiene agua de desecho. La solucion nutriente reacciona con el sedimento fangoso en el reactor anaerobico para producir biogas el cual puede contener 50% de metano y tiene un valor termico de aproximadamente 12.000 unidades termicas britanica, o Btu, por libra). El biogas sale de cada reactor anaerobico a traves de una salida de ventilacion y fluye en un colector, donde varias corrientes de biogas se combinan en una unica corriente. Un 15 compresor mueve la corriente de biogas a una caldera o un motor de combustion como se describe en detalle mas adelante. En algunas realizaciones, el compresor tambien mueve la unica corriente de biogas a traves de un catalizador de desulfurizacion. Adicionalmente o como alternativa, el compresor puede mover la unica corriente de biogas a traves de un colector de sedimentos.
20 Una segunda bomba mueve el efluente anaerobico de los reactores anaerobicos a uno o mas reactores aerobicos (por ejemplo, reactores de sedimento fangoso activado). Un aireador se dispone en cada reactor aerobico para mezclar el efluente anaerobico, sedimento fangoso, y oxfgeno (por ejemplo, oxfgeno contenido en aire). En cada reactor aerobico, la oxidacion de material celular en el efluente anaerobico produce dioxido de carbono, agua, y amornaco.
25
El efluente aerobico se mueve (por ejemplo, por gravedad) a un separador, donde se separa el sedimento fangoso del agua tratada. Parte del sedimento fangoso se hace regresar a uno o mas reactores aerobicos para crear un sedimento fangoso de concentracion elevada en los reactores aerobicos, facilitando de este modo la ruptura aerobica del material celular en el agua de desecho. Una cinta transportadora elimina el exceso de sedimento 30 fangoso del separador. Como se describe en detalle mas adelante, el sedimento fangoso exceso se usa como combustible para crear vapor y/o electricidad.
El agua tratada se bombea del separador a un deposito de deposicion. Los solidos disperses en el agua tratada se deposita en el fondo del deposito de deposicion y son eliminados posteriormente. Tras el penodo de deposicion, el 35 agua tratada se bombea del tanque de deposicion a traves de un filtro fino para eliminar cualquier solido adicional remanente en el agua. En algunas realizaciones, se agrega cloro al agua tratada para matar las bacterias patogenas. En algunas realizaciones, se usan una o mas tecnicas de separacion ffsico-qmmicas para purificar el agua tratada. Por ejemplo, el agua tratada puede ser bombeada a traves de un reactor de adsorcion a carbono. Como otro ejemplo, el agua tratada se puede bombear a traves de un reactor de osmosis reversa.
40
En los procesos descritos en la presente memoria, siempre que se use agua en cualquier proceso, puede ser agua residuales domesticas, por ejemplo, aguas residuales municipales, aguas negras. En algunas realizaciones, las aguas residuales o negras se esterilizan antes del uso. La esterilizacion puede realizarse por cualquier tecnica deseada, por ejemplo por irradiacion, vapor, o esterilizacion qrnmica.
45
Combustion de residuos
La produccion de alcohol a partir de biomasa puede dar como resultado la produccion de diferentes corrientes subproductos utiles para la generacion de vapor y electricidad para ser usado en otras partes de la planta. Por 50 ejemplo, el vapor generado del quemado de la corriente de subproductos se puede usar en el proceso de destilacion. Como otro ejemplo, la electricidad generada del quemado de las corrientes de subproductos se puede usar para alimentar los generadores de haz de electrones y transductores ultrasonicos usados en pre-tratamiento.
Los subproductos usados para generar vapor y electricidad son derivados de un numero de fuentes a traves del 55 proceso. Por ejemplo, la digestion anaerobica del agua de desecho produce un biogas con alto contenido de metano y una pequena cantidad de biomasa de desecho (sedimento fangoso). Como otro ejemplo, los solidos postdestilado (por ejemplo, lignina no convertida, celulosa, y hemicelulosa remanentes del pretratamiento y procesos principales) se pueden usar como combustible.
60 El biogas se desvfa a un motor de combustion conectado a un generador electrico para producir electricidad. Por
ejemplo, el biogas se puede usar como fuente de combustible para un motor de gas natural encendido por chispa. Como otro ejemplo, el biogas se puede usar como fuente de combustible para un motor de gas natural de inyeccion directa. Como otro ejemplo, el biogas se puede usar como fuente de combustible para una turbina de combustion. Adicionalmente o como alternativa, el motor de combustion se puede configurar con una configuracion de 5 cogeneracion. Por ejemplo, el calor de desecho del motor de combustion se puede usar para proveer agua caliente o vapor a traves de la planta.
El sedimento fangoso y los solidos post-destilado se queman para calentar agua que fluye a traves de un intercambiador de calor. En algunas realizaciones, el agua que fluye a traves del intercambiador de calor se evapora 10 y se supercalienta hasta vapor. En algunas realizaciones, el vapor se usa en el reactor de pre-tratamiento y en el intercambio de calor en los procesos de destilacion y evaporacion. Adicionalmente o como alternativa, el vapor se expande para alimentar una turbina de vapor de etapas multiples conectada a un generador electrico. El vapor que sale de la turbina de vapor se condensa con agua refrigerante y regresa al intercambiador de calor para el recalentamiento del vapor. En algunas realizaciones, la velocidad de flujo de agua a traves del intercambiador de 15 calor se controla para obtener una salida de electricidad blanco de la turbina de vapor conectada a un generador electrico. Por ejemplo, el agua se puede agregar al intercambiador de calor para asegurar que la turbina de vapor esta trabajando por encima de las condiciones umbrales (por ejemplo, la turbina gira lo suficientemente rapido para girar el generador electrico).
20 Aunque se han descrito determinadas realizaciones, son posibles otras realizaciones.
Como un ejemplo, aunque el biogas se describe como siendo desviado hacia una turbina de combustion conectada a un generador electrico, en algunas realizaciones, puede pasar a traves de un mejorador de combustible para producir hidrogeno. A continuacion, el hidrogeno es convertido a electricidad por medio de una celda de combustible. 25
Como otro ejemplo, aunque el biogas se describe como siendo quemado aparte del sedimento fangoso y de los solidos postdestilado, en algunas realizaciones, todos los subproductos de desecho pueden ser quemados juntos para producir vapor.
30 PRODUCTOS / COPRODUCTOS
Alcoholes
El alcohol producido puede ser un alcohol monohidroxflico, p. ej., etanol o un alcohol polihidroxflico, p. ej., etilenglicol 35 o glicerina. Los ejemplos de alcoholes que se pueden producir incluyen metanol, etanol, propanol, isopropanol, butanol, p. ej., n-, sec- o t-butanol, etilenglicol, propilenglicol, 1,4-butanodiol, glicerina, o mezclas de estos alcoholes.
Cada uno de los alcoholes producido por la instalacion tiene valor comercial como materia prima industrial. Por ejemplo, el etanol se puede usar en la fabricacion de barnices y perfumes. Como otro ejemplo, el metanol se puede 40 usar como un disolvente usado como un componente en lfquido limpiaparabrisas. Como otro ejemplo mas, se puede usar butanol en plastificantes, resinas, lacas y lfquidos de frenos.
El bioetanol producido por la instalacion es valioso como un ingrediente usado en la industria de alimentacion y bebidas. Por ejemplo, el etanol producido por la instalacion se puede purificar a alcohol de calidad alimentaria y usar 45 como un ingrediente principal en bebidas alcoholicas.
El bioetanol producido en la instalacion tambien tiene valor comercial como un combustible para el transporte. El uso de etanol como un combustible para el transporte se puede implementar con inversion de capital relativamente pequena a partir de fabricantes y propietarios de motores de encendido por chispa (p. ej., cambios en el tiempo de 50 inyeccion, relacion de combustible a aire, y componentes del sistema de inyeccion de combustible). Muchos fabricantes de automoviles actualmente ofrecen vehfculos de combustible flexible, capaces de trabajo con mezclas de etanol/gasolina de hasta 85% en volumen de etanol (p. ej., equipamiento estandar en un Chevy Tahoe 4 x 4).
El bioetanol producido por esta instalacion se puede usar como un combustible de motor para mejorar las 55 condiciones ambientales y economicas mas alla de la ubicacion de la instalacion. Por ejemplo, el etanol producido por esta instalacion se puede usar como un combustible para reducir las emisiones de gas invernadero de fuentes hechas por el hombre (p. ej., de fuentes de transporte). Como otro ejemplo, el etanol producido por esta instalacion y usado como un combustible de motor tambien puede desplazar el consumo de gasolina refinada procedente del petroleo.
60
El bioetanol tiene un numero de octanos mayor que la gasolina convencional, y por lo tanto, se puede usar para mejorar el rendimiento (p. ej., permitir mayores relaciones de compresion) de motores de encendido por chispa. Por ejemplo, pequenas cantidades (p. ej., 10% en volumen) de etanol se pueden mezclar con gasolina para actuar como un potenciador de octanos para combustibles usados en los motores de encendido por chispa. Como otro ejemplo, 5 se pueden mezclar cantidades mayores (p. ej., 85% en volumen) de etanol con gasolina para aumentar mas el numero de octanos del combustible y desplazar volumenes mayores de gasolina.
Las estrategias del bioetanol se describen, p. ej., por DiPardo en Journal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand (EIA Forecasts), 2002; Sheehan en Biotechnology Progress, 15:8179, 1999; Martin en Enzyme 10 Microbes Technology, 31:274, 2002; Greer en BioCycle, 61-65, Abril 2005; Lynd en Microbiology and Molecular Biology Reviews, 66:3, 506-577, 2002; Ljungdahl et al. en la patente de EE. UU. n° 4.292.406; y Bellamy en la patente de EE. UU. n° 4.094.742.
Acidos organicos
15
Los acidos organicos producidos pueden incluir acidos monocarboxflicos o policarboxflicos. Los ejemplos de acidos organicos incluyen acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butmco, acido valerico, acido caproico, acido palmftico, acido estearico, acido oxalico, acido malonico, acido succmico, acido glutarico, acido oleico, acido linoleico, acido glicolico, acido lactico, acido Y-hidroxibutmco, o mezclas de estos acidos.
20
Productos alimenticios
En algunas realizaciones, toda o una porcion del proceso de fermentacion puede ser interrumpido antes de que el material celulosico es completamente convertido a etanol. Los productos intermediarios de la fermentacion incluyen 25 altas concentraciones de azucar e hidratos de carbono. Los productos intermediarios de la fermentacion pueden ser usados en la preparacion de alimentos para consumo humano o animal. En algunas realizaciones, el pretratamiento de irradiacion del material celulosico dara productos intermedios esteriles de la fermentacion (por ejemplo, adecuado para consumo humano). En algunas realizaciones, los productos de intermedios de fermentacion requeriran procesamiento posterior previo a su uso como alimento. Por ejemplo, un secador puede ser usado para remover 30 humedad de los productos intermedios de la fermentacion para facilitar su almacenamiento, manejo y vida util de almacenamiento. Adicionalmente o alternativamente, los productos intermedios de la fermentacion pueden molerse a un tamano de partfcula en un molino de laboratorio de acero inoxidable para producir una substancia similar a harina.
35 Alimentacion animal
Los granos de destilacion y los solubles pueden convertirse en subproductos valiosos del proceso de destiladon- deshidratacion. Despues del proceso de destilacion-deshidratacion, los granos de destilacion y los solubles pueden secarse para mejorar la capacidad de almacenar y manejar el material. Los granos de destilador secos resultantes y
40 solubles (DDGS) son bajos en almidon, altos en grasa, altos en protema, altos en fibra y altos en fosforo. Asf, por ejemplo, los DDGS pueden ser valiosos como fuente de alimentacion animal (por ejemplo, como fuente de alimentacion de ganado diaria). Los DDGS pueden ser subsecuentemente combinados con aditivos nutritivos para alcanzar los requerimientos espedficos de categonas de animales (por ejemplo, para equlibrar lfsina y fosforo digerible para dietas porcinas).
45
Productos farmaceuticos
Los procesos de pretratamiento discutidos anteriormente pueden ser aplicados a plantas con propiedades medicinales. En algunas realizaciones, los ultrasonidos pueden estimular la bioactividad y/o biodisponibilidad de los 50 componentes medicinales de las plantas con propiedades medicinales. Adicional o alternativamente, la irradiacion estimula la bioactividad y/o la biodisponibilidad de los componentes medicinales de las plantas con propiedades medicinales. Por ejemplo, el tratamiento con ultrasonidos y la irradiacion pueden combinarse en el pretratamiento de la corteza de sauce para estimular la produccion de salicina.
55 Nutriceuticos
En algunas realizaciones, los productos intermedios de la fermentacion (por ejemplo, productos que incluyen altas concentraciones de azucar e hidratos de carbono) pueden ser suplementados para crear un nutriceutico. Por ejemplo, los productos intermedios de la fermentacion pueden ser suplementados con calcio para crear un 60 nutriceutico que provee energfa y ayuda a mejorar o mantener la fortaleza de los huesos.
Coproductos
Residuo de lignina
5
Tal como se describe anteriormente, los residuos que contienen lignina de los procesos primarios y de pretratamiento tienen un valor como un combustible de energfa alta/media y se pueden usar para generar potencia y vapor para el uso en procesos de la planta. Sin embargo, dichos residuos de lignina son un nuevo tipo de combustibles solidos y hay poca demanda por ellos fuera de los lfmites de la planta, y los costes de secarlos para el 10 transporte solo restan su valor potencial. En algunos casos, la gasificacion de los residuos de lignina puede convertirlo a un producto con mayor valor con menores costes.
Otros subproductos
15 La materia celular, furfural y acido acetico han sido identificados como subproductos potenciales de las instalaciones de tratamiento de biomasa a combustible. La materia celular intersticial podna ser valiosa, pero podna requerir una purificacion significativa. Los mercados para furfural y acido acetico existen, a pesar que es improbable que sean lo suficientemente grandes para consumir la produccion de una industria de lignocelulosa a etanol completamente comercializada.
20
EJEMPLOS
Los siguientes ejemplos se pretende que ilustren y no limiten las ensenanzas de esta descripcion.
25 Ejemplo de referencia 1 - Preparacion de material fibroso a partir de papel polirrevestido
Se obtuvo una carga de 1500 libras de cartones de zumo de 0,5 galones hechos de carton Kraft blanco polirrevestido no impreso que tema una densidad aparente de 20 lb/ft3, de International Paper. Cada carton se doblo plano, y despues se alimento a una desmenuzadora 3 hp Flinch Baugh a una velocidad de aproximadamente 15 a 30 20 libras por hora. La desmenuzadora estaba equipada con dos palas rotatorias de 12 pulgadas, dos palas fijas y un tamiz de descarga de 0,30 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se ajusto a 0,10 pulgadas. El resultado de la desmenuzadora pareda confeti que tema una anchura entre 0,1 pulgadas y 0,5 pulgadas, una longitud de entre 0,25 pulgadas y 1 pulgada y un espesor equivalente al del material de partida (aproximadamente 0,075 pulgadas).
35
El material de tipo confeti se alimento a una cortadora de cuchillas rotativas Munson, modelo SC30. El modelo SC30 esta equipado con 4 palas rotatorias, 4 palas fijas y un tamiz de descarga que tema aberturas de 1/8 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se establecio en 0,020 pulgadas. La cortadora de cuchillas rotativas desmenuzo los trozos de tipo confeti por los bordes de las cuchillas, desgarrando y liberando un material fibroso a 40 una velocidad de aproximadamente 1 libra por hora. El material fibroso tema una superficie espedfica BET de 0,9748 m2/g +/- 0,0167 m2/g, una porosidad de 89,0437 por ciento y una densidad aparente (@0,53 psia)) de 0,1260 g/ml. Una longitud media de las fibras era 1,141 mm y una anchura media de las fibras era 0,027 mm, dando una relacion L/D media de 42:1. Se muestra una micrograffa electronica de barrido del material fibroso en la figura 26 con 25 X aumentos.
45
Ejemplo 2 - Preparacion de material fibroso a partir de carton Kraft blanqueado
Se obtuvo una carga de 1500 libras de carton Kraft blanco blanqueado virgen que tema una densidad aparente de 30 lb/ft3, de International Paper. El material se doblo plano, y despues se alimento a una desmenuzadora 3 hp Flinch 50 Baugh a una velocidad de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. La desmenuzadora estaba equipada con dos palas rotatorias de 12 pulgadas, dos palas fijas y un tamiz de descarga de 0,30 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se ajusto a 0,10 pulgadas. El resultado de la desmenuzadora pareda confeti que tema una anchura entre 0,1 pulgadas y 0,5 pulgadas, una longitud de entre 0,25 pulgadas y 1 pulgada y un espesor equivalente al del material de partida (aproximadamente 0,075 pulgadas). El material de tipo confeti se alimento a 55 una cortadora de cuchillas rotativas Munson, modelo SC30. El tamiz de descarga tema aberturas de 1/8 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se establecio en 0,020 pulgadas. La cortadora de cuchillas rotativas desmenuzo los trozos de tipo confeti, liberando un material fibroso a una velocidad de aproximadamente 1 libra por hora. El material fibroso tema una superficie espedfica BET de 1,1346 m2/g +/- 0,0103 m2/g, una porosidad de 88,3285 por ciento y una densidad aparente (@ 0,53 psia) de 0,1497 g/ml. Una longitud media de las fibras era 60 1,063 mm y una anchura media de las fibras era 0,0245 mm, dando una relacion L/D media de 43:1. Se muestra una
micrograffa electronica de barrido del material fibroso en la figura 27 con 25 X aumentos.
Ejemplo 3 - Preparacion de material fibroso desmenuzado dos veces a partir de carton Kraft blanqueado
5 Se obtuvo una carga de 1500 libras de carton Kraft blanco blanqueado virgen que tema una densidad aparente de 30 lb/ft3, de International Paper. El material se doblo plano, y despues se alimento a una desmenuzadora 3 hp Flinch Baugh a una velocidad de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. La desmenuzadora estaba equipada con dos palas rotatorias de 12 pulgadas, dos palas fijas y un tamiz de descarga de 0,30 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se ajusto a 0,10 pulgadas. El resultado de la desmenuzadora pareda confeti (como antes). El 10 material de tipo confeti se alimento a una cortadora de cuchillas rotativas Munson, modelo SC30. El tamiz de descarga tema aberturas de 1/16 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se establecio en 0,020 pulgadas. La cortadora de cuchillas rotativas desmenuzo los trozos de tipo confeti, liberando un material fibroso a una velocidad de aproximadamente 1 libra por hora. El material resultante de la primera cizalladura se volvio a alimentar al mismo inicio descrito antes y se desmenuzo de nuevo. El material fibroso resultante tema una superficie 15 espedfica BET de 1,4408 m2/g +/- 0,0156 m2/g, una porosidad de 90,8997 por ciento y una densidad aparente (@ 0,53 psia) de 0,1298 g/ml. Una longitud media de las fibras era 0,891 mm y una anchura media de las fibras era 0,026 mm, dando una relacion L/D media de 34:1. Se muestra una micrograffa electronica de barrido del material fibroso en la figura 28 con 25 X aumentos.
20 Ejemplo 4 - Preparacion de material fibroso desmenuzado tres veces a partir de carton Kraft blanqueado
Se obtuvo una carga de 1500 libras de carton Kraft blanco blanqueado virgen que tema una densidad aparente de 30 lb/ft3, de International Paper. El material se doblo plano, y despues se alimento a una desmenuzadora 3 hp Flinch Baugh a una velocidad de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. La desmenuzadora estaba equipada con dos 25 palas rotatorias de 12 pulgadas, dos palas fijas y un tamiz de descarga de 0,30 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se ajusto a 0,10 pulgadas. El resultado de la desmenuzadora pareda confeti (como antes). El material de tipo confeti se alimento a una cortadora de cuchillas rotativas Munson, modelo SC30. El tamiz de descarga tema aberturas de 1/8 pulgadas. El hueco entre las palas rotatorias y las fijas se establecio en 0,020 pulgadas. La cortadora de cuchillas rotativas desmenuzo los trozos de tipo confeti por los bordes de las cuchillas. El 30 material resultante de la primera cizalladura se volvio a alimentar a la misma disposicion y el tamiz se sustituyo con un tamiz de 1/16 pulgadas. Este material se desmenuzo. El material resultante de la segunda cizalladura se volvio a alimentar en la misma disposicion y el tamiz se sustituyo por un tamiz de 1/32 pulgadas. Este material se desmenuzo. El material fibroso resultante tema una superficie espedfica BET de 1,6897 m2/g +/- 0,0155 m2/g, una porosidad de 87,7163 por ciento y una densidad aparente (@ 0,53 psia) de 0,1448 g/ml. Una longitud media de las 35 fibras era 0,824 mm y una anchura media de las fibras era 0,0262 mm, dando una relacion L/D media de 32:1. Se muestra una micrograffa electronica de barrido del material fibroso en la figura 29 con 25 X aumentos.
Ejemplo 5 - Preparacion de material fibroso densificado a partir de carton Kraft blanqueado sin aglutinante anadido
40
Se preparo material fibroso de acuerdo con el ejemplo 2. Se pulverizaron aproximadamente 0,454 kg (1 libra) de agua sobre cada uno de 4,54 kg (10 libras) de material fibroso. Se densifico el material fibroso usando un molino para pelet California 1100 que operaba a 75 °C. Se obtuvo pelet con una densidad en masa en el rango entre aproximadamente 7 lb/ft3 y aproximadamente 15 lb/ft3.
45
Ejemplo 6 - Preparacion de material fibroso densificado a partir de carton Kraft blanqueado con aglutinante
Se preparo material fibroso de acuerdo con el ejemplo 2.
50 Se preparo una solucion madre al 2 por ciento en peso de POLYOX™ WSRN10 (oxido de polietileno) en agua.
Se pulverizo aproximadamente 1 lb de solucion madre sobre cada 10 libras de material fibroso. Se densifico el material fibroso usando un molino para pelet California 1100 que operaba a 75 °C. Se obtuvo un pelet con una densidad en masa en el rango entre aproximadamente 15 lb/ft3 y aproximadamente 40 lb/ft3 55
Ejemplo 7 - Reduccion del peso molecular de la celulosa en papel Kraft fibroso por radiacion gamma con oxidacion minima
Se preparo material fibroso de acuerdo con el ejemplo 4. El papel Kraft fibroso se densifica de acuerdo con el 60 ejemplo 5.
Los pelets densificados se ponen en una ampolla de vidrio que tiene una capacidad maxima de 250 ml. La ampolla de vidrio se vada con alto vado (10-5 torr) durante 30 min, y despues se vuelve a llenar con gas argon. La ampolla se sella bajo atmosfera de argon. Los pelets en la ampolla se irradian con radiacion gamma durante 5 aproximadamente 3 horas con una dosis por unidad de tiempo de 1 Mrad por hora, para proporcionar un material irradiado en el que la celulosa tiene un peso molecular menor que el material de partida Kraft fibroso.
Ejemplo 8 - Reduccion del peso molecular de la celulosa en papel Kraft fibroso por radiacion gamma con oxidacion maxima
10
Se preparo material fibroso de acuerdo con el ejemplo 4. El papel Kraft fibroso se densifica de acuerdo con el ejemplo 5.
Los pelets densificados se ponen en una ampolla de vidrio que tiene una capacidad maxima de 250 ml. La ampolla 15 de vidrio se cierra hermeticamente bajo atmosfera de aire. Los pelets en la ampolla se irradian con radiacion gamma durante aproximadamente 3 horas con una dosis por unidad de tiempo de 1 Mrad por hora, para proporcionar un material irradiado en el que la celulosa tiene un peso molecular menor que el material de partida Kraft fibroso.
Ejemplo 9 - Procesamiento con haz de electrones
20
Las muestras se trataron con haz de electrones usando un acelerador de ondas continuas Rhodotron® TT200 en camara aislada que suministra electrones a 5 MeV a 80 kW de potencia de salida. La tabla 1 describe los parametros usados. La tabla 2 describe la dosis nominal usada para el ID de muestra (en Mrad) y la correspondiente dosis suministrada a la muestra (en kgy).
25
Tabla 1. Parametros Rhodotron® TT200
Haz
Haz producido:
Electrones acelerados
Energfa de haz:
Nominal (fija): 10 MeV (+0 keV-250 keV)
Dispersion de energfa a 10 Mev:
Mitad de maximo de ancho completo (FWHM) 300 keV
Potencia de haz a 10 Mev:
Rango de operacion garantizado 1 a 80 kW
Consumo de potencia
Condicion en reposo (vado y enfriamiento encendido):
<15 kW
A 50 kW de potencia de haz:
<210 kW
A 80 kW de potencia de haz:
<260 kW
Sistema de RF
Frecuencia:
107,5 ±1 MHz
Tipo de tetrodo:
Thomson TH781
Resonador de barrido
Longitud de barrido nominal (medida a 25-35 cm de la ventana):
120 cm
Rango de barrido:
De 30% a 100% de longitud de barrido nominal
Frecuencia de barrido nominal (a longitud de barrido maxima):
100 Hz ± 5%
Uniformidad de barrido (a traves de 90% de longitud de barrido nominal)
±5%
Tabla 2. Dosis entregadas a muestras
30
Dosis total (Mrad) (numero asociado a la dosis entregada a
ID de muestra (kgy)1
1
9,9
3
29,0
5
50,4
7
69,2
10
100,0
15
150,3
20
198,3
30
330,9
50
529,0
70
695,9
100
993,6
1Por ejemplo, se suministraron 9,9 kgy en 11 segundos con una corriente de haz de 5 mA y una velocidad lineal de 12,9 pies/min. El tiempo de enfriamiento entre tratamientos era aproximadamente 2 minutes.
5 Ejemplo 10 - Metodos de determinacion del peso molecular de materiales celulosicos y lignocelulosicos por cromatografia de gel permeable
Los materiales celulosicos y lignocelulosicos para analizar se trataron de acuerdo con el ejemplo 4. Los materiales de muestra presentados en las siguientes tablas incluyen papel Kraft (P), paja de trigo (WS), alfalfa (A), celulosa (C), 10 mijo (SG), hierbas (G) y almidon (ST) y sacarosa (S). El numero “132” del ID de muestra se refiere al tamano de partteulas del material despues de cizalladura a traves de un tamiz de 1/32 pulgadas. El numero despues del guion se refiere a la dosis de radiacion (MRad) y “US” se refiere al tratamiento con ultrasonidos. Por ejemplo, un ID de muestra “P132-10” se refiere a papel Kraft que se ha cizallado a un tamano de partteulas de malla 132 y se ha irradiado con 10 Mrad.
15
Para las muestras que se irradiaron con haz de electrones, el numero despues del guion se refiere a la cantidad de energfa suministrada a la muestra. Por ejemplo, una muestra con ID “P-100e” se refiere a papel Kraft al que se ha suministrado una dosis de energfa de aproximadamente 100 MRad o aproximadamente 1000 kgy (tabla 2).
20 Tabla 3. Peso molecular promedio pico de papel Kraft irradiado
Fuente de muestra
ID de muestra Dosis1 (Mrad) Ultrasonido2 MW promedio ± desv. est.
Papel Kraft
P132 0 No 32853±10006
P132-10
10 “ 61398±2468**
P132-100
100 “ 8444 ± 580
P132-181
181 “ 6668 ± 77
P132-US
0 Sf 3095±1013
**La dosis baja de radiacion parece que aumenta el peso molecular de algunos materiales 1Dosis por unidad de tiempo = 1 Mrad/h
25 2Tratamiento durante 30 minutos con ultrasonidos a 20 kHz usando un sonotrodo de 1000 W en condiciones de recirculacion con el material disperso en agua.
Tabla 4. Peso molecular promedio pico de papel Kraft irradiado con haz E
Fuente de muestra
ID de muestra Dosis (Mrad) MW promedio ± desv. est.
Papel Kraft
P-1e 1 63489 ± 595
P-5e
5 56587 ± 536
P-10e
10 53610±327
P-30e
30 38231±124
P-70e
70 12011±158
P-100e
100 9770 ± 2
Tabla 5. Peso molecular promedio pico de materiales irradiados gamma
5
ID de muestra
Pico n° Dosis1 (Mrad) Ultrasonido2 MW promedio ± desv. est.
WS132
1 0 No 1407411 ±175191
2 “ 39145± 3425
3 “ 2886±177
WS132-10*
1 10 26040 ± 3240
WS132-100*
1 100 23620 ± 453
A132
1 0 1604886 ±151701
2 “ 37525 ± 3751
3 u 2853 ± 490
A132-10*
1 10 50853±1665
2 “ 2461 ±17
A132-100*
1 100 38291 ± 2235
2 “ 2487 ±15
SG132
1 0 1557360± 83693
2 “ 42594±4414
3 “ 3268 ± 249
SG132-10*
1 10 60888± 9131
SG132-100*
1 100 22345 ± 3797
SG132-10-US
1 10 Sf 86086±43518
2 “ 2247 ± 468
SG132-100-US
1 100 4696±1465
*Coalescencia de picos despues de tratamiento
**La dosis baja de radiacion parece que aumenta el peso molecular de algunos materiales 1Dosis por unidad de tiempo = 1 Mrad/h
10 2Tratamiento durante 30 minutos con ultrasonidos a 20 kHz usando un sonotrodo de 1000 W en condiciones de recirculacion con el material disperso en agua.
Tabla 6. Peso molecular promedio pico de material irradiado con haz E
ID de muestra
Pico n° Dosis MW promedio ± desv. est.
1 1004783± 97518
A-1e
2 1 34499 ± 482
3 2235 ± 1
A-5e
1 5 38245 ± 346
2 2286 ± 35
A-10e
1 10 44326 ± 33
2 2333 ±18
A-30e
1 30 47366 ± 583
2 2377 ± 7
A-50e
1 50 32761±168
2 2435 ± 6
1 447362± 38817
G-1e
2 1 32165± 779
3 3004 ± 25
G-5e
1 5 62167±6418
3 2444 ± 33
G-10e
1 10 72636 ± 4075
2 3065 ± 34
G-30e
1 30 17159± 390
G-50e
1 50 18960±142
ST
1 0 923336±1883
2 150265±4033
ST-1e
1 1 846081 ± 5180
2 131222±1687
ST-5e
1 5 90664±1370
ST-10e
1 10 98050 ± 255
ST-30e
1 30 41884±223
ST-70e
1 70 9699 ± 31
ST-100e
1 100 8705 ± 38
La cromatograffa de permeabilidad en gel (GPC) se usa para determinar la distribucion de pesos moleculares de poKmeros. Durante el analisis de GPC, una solucion de la muestra de polfmero se pasa por una columna empaquetada con un gel poroso que atrapa moleculas pequenas. La muestra se separa basandose en el tamano 5 5 molecular, eluyendo las moleculas mas grandes mas pronto que las moleculas mas pequenas. El tiempo de retencion de cada componente se detecta lo mas a menudo por el mdice de refraccion (Rl), dispersion de luz evaporativa (ELS) o ultravioleta, y se compara con una curva de calibracion. Despues, los datos resultantes se usan para calcular la distribucion de pesos moleculares para la muestra.
10 Se usa mas bien la distribucion de pesos moleculares que un peso molecular unico, para caracterizar polfmeros sinteticos. Para caracterizar esta distribucion, se usan medias estadfsticas. La mas comun de estas medias son el “peso molecular medio numerico” (Mn) y el “peso molecular medio ponderado” (Mw).
El Mn es similar a la media aritmetica estandar asociada con un grupo de numeros. Cuando se aplica a polfmeros, 15 Mn se refiere al peso molecular medio de las moleculas en el polfmero. El Mn se calcula dando la misma cantidad de importancia a cada molecula independientemente de su peso molecular individual. El Mn medio se calcula por la siguiente formula donde Ni es el numero de moleculas con una masa molar igual a Mi. i
i
20
Mw es otro descriptor de la distribucion de pesos moleculares que pone mayor enfasis en moleculas mas grandes que en moleculas mas pequenas en la distribucion. La siguiente formula muestra el calculo estadfstico del peso molecular medio ponderado.
imagen4
imagen5
El mdice de polidispersidad o PI se define como la relacion de Mw/Mn. Cuanto mayor es el PI, mas ancha o mas dispersa es la distribucion. El menor valor de un PI puede ser 1. Este representa una muestra monodispersa, es decir, un polfmero con todas las moleculas en la distribucion que son del mismo peso molecular.
5 El valor del peso molecular en el pico (Mp) es otro descriptor definido como el modo de la distribucion de pesos moleculares. Significa el peso molecular que es el mas abundante en la distribucion. Este valor tambien da comprension de la distribucion de pesos moleculares.
La mayona de las mediciones de GPC se hacen con respecto a diferentes patrones de polfmeros. La precision de 10 los resultados depende de como de cerca se corresponden las caractensticas del polfmero que se analiza con la de los patrones estandar. El error esperado en reproducibilidad entre diferentes series de determinaciones, calibradas por separado, es aproximadamente 5-10% y es caractenstico de la precision limitada de las determinaciones por GPC. Por lo tanto, los resultados de GPC son mas utiles cuando se hace una comparacion entre las distribuciones de pesos moleculares de diferentes muestras durante la misma serie de determinaciones.
15
Las muestras lignocelulosicas requenan preparacion de la muestra antes del analisis por GPC. Primero, se preparo una solucion saturada (8,4% en peso) de cloruro de litio (LiCl) en dimetilacetamida (DMAc). Se anadieron aproximadamente 100 mg de la muestra a aproximadamente 10 g de solucion de LiCl/DMAc saturada recien preparada, y la muestra se calento a aproximadamente 150 °C-170 °C con agitacion durante 1 hora. Las soluciones 20 resultantes en general eran de color amarillo de claro a oscuro. La temperatura de las soluciones se disminuyo a aproximadamente 100 °C y se calento durante 2 horas adicionales. Las temperaturas de las soluciones despues se disminuyeron a aproximadamente 50 °C y la solucion de muestra se calento durante aproximadamente 48 a 60 horas. Hay que indicar que las muestras irradiadas a 100 MRad eran solubilizadas mas facilmente comparadas con sus homologas no tratadas. Adicionalmente, las muestras cizalladas (indicadas por el numero 132) teman pesos 5 25 moleculares medios ligeramente inferiores comparadas con las muestras no cortadas.
Las soluciones de muestra resultante se diluyeron 1:1 usando DMAc como disolvente y se filtraron a traves de un filtro de PTFE de 0,45 pm. Las soluciones de muestras filtradas despues se analizaron por GPC usando los parametros descritos en la tabla 7. Los pesos moleculares medios de los picos (Mp) de las muestras, determinados 30 por cromatograffa en gel permeable (GPC) se resumen en las tablas 3-6. Cada muestra se preparo por duplicado y cada preparacion de la muestra se analizo por duplicado (dos inyecciones) para un total de 4 inyecciones por muestra. Los patrones de poliestireno EasiCal® PS1A y PS1B se usaron para generar una curva de calibracion de escala de peso molecular de aproximadamente 580 a 7.500.00 Daltons.
35 Tabla 7. Condiciones de Analisis por GPC
Instrumento:
Waters Alliance GPC 2000
Plgel 10p Mixed-B
Columnas (3):
NS: 10M-MB-148-83; 10M-MB-
148-84; 10M-MB-174-129
Fase movil (disolvente):
0,5% LiCI en DMAc (1,0 ml/min)
Temperatura de columna/detector:
70 °C
Temperatura de inyector:
70 °C
Tamano de bucle de muestra:
323,5 pl
Ejemplo 11. Analisis de superficie por espectrometria de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo (ToF-SIMS)
40
La espectroscopfa de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo (ToF-SIMS) es una espectroscopfa sensible a la superficie que usa un haz de iones pulsado (Cs o Ga microcentrado) para eliminar moleculas de la superficie muy externa de la muestra. Las partfculas se eliminan de monocapas atomicas en la superficie (iones secundarios). Despues, estas partfculas se aceleran en un “tubo de vuelo” y se determina su masa midiendo el tiempo exacto al 45 que llegan al detector (es decir, el tiempo de vuelo). ToF-SIMS proporciona informacion elemental y molecular detallada sobre la superficie, capas finas, interfaces de la muestra, y da un analisis tridimensional completo. El uso esta extendido, incluyendo semiconductores, polfmeros, pinturas, recubrimientos, vidrio, papel, metales, materiales ceramicos, biomateriales y tejido organico. Puesto que ToF-SIMS es una tecnica de exploracion, se detectan todos los elementos de la tabla periodica, incluyendo H. Los datos de ToF-SIMS se presentan en las tablas 8-11. Los 50 parametros usados se dan en la tabla 12.
Tabla 8. Intensidades promedio normalizadas de varios iones positivos de interes (normalizados en relacion a cuentas de iones totales x 1000)
P132 P132-10 P132-100
m/z
especie Media a Media a Media a
23
Na 257 28 276 54 193 36
27
Al 647 43 821 399 297 44
28
Si 76 45,9 197 89 81,7 10,7
15
CH3 77,9 7,8 161 26 133 12
27
C2H3 448 28 720 65 718 82
39
C3H3 333 10 463 37 474 26
41
C3H5 703 19 820 127 900 63
43
C3H7 657 11 757 162 924 118
115
C9H7 73 13,4 40,3 4,5 42,5 15,7
128
C10H8 55,5 11,6 26,8 4,8 27,7 6,9
73
C3H9SP 181 77 65,1 18,4 81,7 7,5
147
C5H15OSi2* 72,2 33,1 24,9 10,9 38,5 4
207
C5H15O3Si3* 17,2 7,8 6,26 3,05 7,49 1,77
647
C42H64PO3 3,63 1,05 1,43 1,41 10,7 7,2
5 Tabla 9. Intensidades promedio normalizadas de varios iones negativos de interes (normalizados en relacion a cuentas de iones totales x 1000)
P132 P132-10 P132-100
m/z
especie Media a Media a Media a
19
F 15,3 2,1 42,4 37,8 19,2 1,9
35
Cl 63,8 2,8 107 33 74,1 5,5
13
CH 1900 91 1970 26 1500 6
25
C2H 247 127 220 99 540 7
26
CN 18,1 2,1 48,6 30,8 43,9 1,4
42
CNO 1,16 0,71 0,743 0,711 10,8 0,9
46
NO2 1,87 0,38 1,66 1,65 12,8 1,8
Tabla 10. Intensidades promedio normalizadas de varios iones positivos de interes (normalizados en 10 relacion a cuentas de iones totales x 1000)
P-1e P-5e P- 10e P- 30e P-70e P- 100e
m/z
especie Media a Media a Media a Media a Media a Media a
23
Na 232 56 370 37 241 44 518 57 350 27 542 104
27
Al 549 194 677 86 752 371 761 158 516 159 622 166
28
Si 87,3 11,3 134 24 159 100 158 32 93,7 17,1 124 11
15
CH3 114 23 92,9 3,9 128 18 110 16 147 16 141 5
27
C2H3 501 205 551 59 645 165 597 152 707 94 600 55
39
C3H3 375 80 288 8 379 82 321 57 435 61 417 32
41
C3H5 716 123 610 24 727 182 607 93 799 112 707 84
43
C3H7 717 121 628 52 653 172 660 89 861 113 743 73
115
C9H7 49,9 14,6 43,8 2,6 42,2 7,9 41,4 10,1 27,7 8 32,4 10,5
128
C10H8 38,8 13,1 39,2 1,9 35,2 11,8 31,9 7,8 21,2 6,1 24,2 6,8
73
C3H9SP 92,5 3,0 80,6 2,9 72,3 7,7 75,3 11,4 63 3,4 55,8 2,1
147
C5H15OSi2* 27,2 3,9 17,3 1,2 20,4 4,3 16,1 1,9 21,7 3,1 16,3 1,7
207
C5H15O3Si3* 6,05 0,74 3,71 0,18 4,51 0,55 3,54 0,37 5,31 0,59 4,08 0,28
647
C42H64PO3 1,61 1,65 1,09 1,30 0,325 0,307 ND 0,868 1,31 0,306 0,334
Tabla 11. Intensidades promedio normalizadas de varios iones negativos de interes (normalizados en relacion a cuentas de iones totales x 1000)
P-1e P-5e P-10e P-30e P-70e P-
100e
m/z
especie Media a Media a Media a Media a Media a Media a
13
F 1950 72 1700 65 1870 91 1880 35 2000 46 2120 102
25
Cl 154 47 98,8 36,3 157 4 230 17 239 22 224 19
19
CH 25,4 1 24,3 1,4 74,3 18,6 40,6 14,9 25,6 1,9 21,5 2
35
C2H 39,2 13,5 38,7 3,5 46,7 5,4 67,6 6,2 45,1 2,9 32,9 10,2
26
CN 71,9 18,9 6,23 2,61 28,1 10,1 34,2 29,2 57,3 28,9 112 60
42
CNO 0,572 0,183 0,313 0,077 0,62 0,199 1,29 0,2 1,37 0,55 1,38 0,28
46
NO2 0,331 0,057 0,596 0,255 0,668 0,149 1,44 0,19 1,92 0,29 0,549 0,1
Tabla 12. Parametros ToF-SIMS
Condiciones del instrumento:
Instrumento:
PHI TRIFT II
Fuente de iones primarios:
69Ga
Potencial de haz de iones primarios:
12 kV + iones
18 kV + iones
Corriente de iones primarios (DC):
2 na para muestras P#E
600 pA para muestras P132
Filtro de energia/CD:
Fuera/fuera
Masas con manto:
Ninguna
Compensacion de carga:
Activada
5 ToF-SIMS usa un haz de partfculas pulsadas, enfocadas (tfpicamente Cs o Ga) para desalojar especies qmmicas sobre la superficie de materiales. Las partfculas producidas mas cerca del sitio de impacto tienden a ser iones disociados (positivos o negativos). Las partfculas secundarias generadas mas lejos del sitio de impacto tienden a ser compuestos moleculares, tipicamente fragmentos de macromoleculas organicas mucho mayores. Despues, las partfculas son aceleradas en una ruta de vuelo en su camino hacia un detector. Debido a que se puede medir el 10 “tiempo de vuelo” de las partfculas desde el momento del impacto al detector en una escala de nanosegundos, se puede producir una resolucion de masa tan fina como 0,00X unidades de masa atonica (es decir, una parte en mil en la masa de un proton). En condiciones de operacion tfpicas, los resultados del analisis de ToF-SIMS incluyen: un espectro de masas que explora todas las masas atomicas a lo largo de un intervalo de 0-10.000 uma, los rastros de los haces producen mapas de cualquier masa de interes en una escala de submicrometros, y se producen perfiles 15 de profundidad por eliminacion de las capas de superficie por pulverizacion catodica bajo el haz de iones. El analisis de iones negativos mostraba que el polfmero tema cantidades crecientes de grupos CNO, CN y NO2.
Ejemplo 12. Espectroscopia fotoelectronica de rayos X (XPSVespectroscopia electronica para analisis quimico (ESCA)
20
La espectroscopia fotoelectronica de rayos X (XPS) (a veces llamada “ESCA”) mide la composicion qmmica de los 5 nanometros superiores de la superficie; la XPS usa energfa de fotoionizacion y analisis por energfa dispersiva de los fotoelectrones emitidos, para estudiar la composicion y el estado electronico de la region de la superficie de una muestra. La espectroscopia fotoelectronica de rayos X se basa en un solo foton entra/electron sale. Los rayos X 25 blandos estimulan la eyeccion de fotoelectrones cuya energfa cinetica se mide mediante un analizador de energfa electronica electrostatica. Se producen pequenos cambios en la energfa por estados de valencia qmmicamente cambiados de los atomos de los cuales son eyectados los electrones; por lo tanto, la medicion proporciona informacion qmmica sobre la superficie de la muestra.
30 Tabla 13. Concentraciones atomicas (en %)a,b
ID de muestra
Atomo
C O Al Si
P132(Area 1)
57,3 39,8 1,5 1,5
P132 (Area 2)
57,1 39,8 1,6 1,5
P132-10 (Area 1)
63,2 33,5 1,7 1,6
P132-10 (Area 2)
65,6 31,1 1,7 1,7
P132-100 (Area 1)
61,2 36,7 0,9 1,2
P132-100 (Area 2)
61 36,9 0,8 1,3
Tabla 14. Tabla de estado quimico de carbono (en % C)
5
C-C, C-H C-O C=O O-C=O
ID de muestra
P132(Area 1)
22 49 21 7
P132 (Area 2)
25 49 20 6
P132-10 (Area 1)
34 42 15 9
P132-10 (Area 2)
43 38 14 5
P132-100 (Area 1)
27 45 15 9
P132-100 (Area 2)
25 44 23 9
Tabla 15. Concentraciones atomicas (en %)a,b
ID de muestra
Atomo
C O Al Si Na
P-1e (Area 1)
59,8 37,9 1,4 0,9 ~
P-1e (Area 2)
58,5 38,7 1,5 1,3 ~
P-5e (Area 1)
58,1 39,7 1,4 0,8 ~
P-5e (Area 2)
58,0 39,7 1,5 0,8 ~
P-10e (Area 1)
61,6 36,7 1,1 0,7 ~
P-10e (Area 2)
58,8 38,6 1,5 1,1 ~
P-50e (Area 1)
59,9 37,9 1,4 0,8 <0,1
P-50e (Area 2)
59,4 38,3 1,4 0,9 <0,1
P-70e (Area 1)
61,3 36,9 1,2 0,6 <0,1
P-70e (Area 2)
61,2 36,8 1,4 0,7 <0,1
P-100e (Area 1)
61,1 37,0 1,2 0,7 <0,1
P-100e (Area 2)
60,5 37,2 1,4 0,9 <0,1
10 a Normalizadas a 100% de los elementos detectados. Los XPS no detectan H o He.
b Menos del sfmbolo “<” indica que no puede hacerse una cuantificacion precisa debido a intensidad de senal debil.
Tabla 16. Tabla de estado quimico de carbono (en % C)
C-C, C-H C-O C=O O-C=O
ID de muestra
P-1e (Area 1)
29 46 20 5
P-1e (Area 2)
27 49 19 5
P-5e (Area 1)
25 53 18 5
P-5e (Area 2)
28 52 17 4
P-10e (Area 1)
33 47 16 5
P-10e (Area 2)
28 51 16 5
P-50e (Area 1)
29 45 20 6
P-50e (Area 2)
28 50 16 5
P-70e (Area 1)
32 45 16 6
P-70e (Area 2)
35 43 16 6
P-100e (Area 1)
32 42 19 7
P-100e (Area 2)
30 47 16 7
15
Tabla 17. Parametros analiticos
Instrumento:
PHI Quantum 2000
Fuente de rayos X:
Alka monocromado 1486,6 eV
Angulo de aceptacion:
±23°
Angulo de despegue:
45°
Area de analisis:
1400x300 pm
Los espectros de XPS se obtienen por irradiacion de un material con un haz de rayos X de aluminio o magnesio mientras se mide simultaneamente la ene^a cinetica (KE) y el numero de electrones que escapan de la parte superior de 1 a 10 nm del material que se esta analizando (vease los parametros analfticos, tabla 17). La tecnica de 5 XPS es muy espedfica de superficie debido al corto rango de fotoelectrones que son excitados del solido. La energfa de los fotoelectrones que salen de la muestra se determina usando un analizador hemisferico concentrico (CHA) y esto da un espectro con una serie de picos de fotoelectrones. La energfa de union de los picos es caractenstica de cada elemento. Las areas de los picos se pueden usar (con factores de sensibilidad adecuados) para determinar la composicion de la superficie de los materiales. La forma de cada pico y la energfa de union 10 pueden ser alteradas ligeramente por el estado qrnmico del atomo que emite. Por lo tanto, los XPS pueden proporcionar informacion de enlaces qmmicos tambien. XPS no es sensible a hidrogeno o helio, pero puede detectar todos los demas elementos. XPS requiere condiciones de ultravado (UHV) y se usa habitualmente para el analisis de superficie de polfmeros, recubrimientos, catalizadores, fibras, materiales ceramicos, productos farmaceuticos/materiales medicos, y materiales de origen biologico. Los datos de XPS se describen en las tablas 1315 16.
Ejemplo 13. Analisis Raman
Los espectros de Raman se adquirieron de la superficie de fibras de las muestras: P132, PI32-100, P-1e y P-100e. 20 Las mediciones se realizaron usando un espectrometro "LabRam" J-Y. Se usaron para las mediciones un laser HeNe (longitud de onda 632,8 nm) y rejilla de 600 gr/mm. Las mediciones se realizaron de forma confocal usando geometna de retrodispersion (180°) bajo un microscopio Olympus BX40. Las muestras teman un espectro Raman tfpico de celulosa.
25 Ejemplo 14. Analisis de superficie por microscopia de sonda de barrido (SPM) usando un microscopio de fuerza atomica (AFM)
El proposito de este analisis era obtener imagenes de microscopio de fuerza atomica (AFM) de las muestras en las tablas 18 y 19 para medir la rugosidad.
30
La microscopfa de sonda de barrido (SPM) es una rama de la microscopfa que forma imagenes de las superficies usando una sonda ffsica que barre la muestra. Se obtiene una imagen de la superficie moviendo mecanicamente la sonda en una trama de barrido de la muestra, lmea por lmea, y registrando la interaccion de sonda-superficie en funcion de la posicion. El microscopio de fuerza atomica (AFM) o microscopio de fuerza de barrido (SFM) es un tipo 35 de microscopio de sonda de barrido de resolucion muy alta, con resolucion demostrada de fracciones de un nanometro, mas de 1000 veces mejor que el lfmite de difraccion optica. La sonda (o la muestra bajo una sonda estacionaria) en general se mueve mediante un tubo piezoeletrico. Dichos escaneres se disenan para ser movidos con precision en cualquiera de los tres ejes perpendiculares (x,y,z). Siguiendo el patron de la trama, los datos del detector forman una imagen de la interaccion de sonda-superficie. Se usa la retroalimentacion desde el detector para 40 mantener la sonda a una fuerza o distancia constante desde la superficie del objeto. Para la microscopfa de fuerza atomica, el detector es un fotodetector sensible a la posicion que registra el angulo de reflexion desde un haz laser centrado en la parte superior del cantilever.
Tabla 18. Resultados de aspereza para muestras gamma irradiadas
ID de muestra
RMS (A) Ra (A) Rmax (A)
P132
927,2 716,3 8347,6
P132-10
825,7 576,8 11500
P132-100
1008 813,5 7250,7
Tabla 19. Resultados de aspereza para muestras irradiadas con haz E
ID de muestra
RMS (A) Ra (A) Rmax (A)
P-1e
1441,2 1147,1 8955,4
P-5e
917,3 727,5 6753,4
P-10e
805,6 612,1 7906,5
P-30e
919,2 733,7 6900
P-70e
505,8 388,1 5974,2
P-100e
458,2
367,9
3196,9
Las imagenes de AFM fueron obtenidas mediante un NanoScope III Dimension 5000 (Digital Instruments, Santa Barbara, California, EE. UU.). El instrumento se calibre frente a patron trazable de NIST con una precision mejor de 2%. Se usaron puntas de silicio con nanosondas. Se usaron procedimientos de procesamiento de imagenes que 5 implicaban autoaplanado, ajuste de plano o convolucion.
Se genero una imagen de un area de 5 pm x 5 pm en un sitio aleatorio en la parte superior de una sola fibra. Se incluyen vistas en perspectiva (3-D) de estas superficies con exageraciones verticales indicadas en las graficas (figuras 29A-29F). Se llevaron a cabo los analisis de rugosidad y se expresan en: (1) Rugosidad media cuadratica, 10 RMS; (2) Rugosidad media, Ra; y (3) Altura maxima (Pico a valle), Rmax. Los resultados se resumen en las tablas 18 y 19.
Ejemplo 15 - Determinacion de la cristalinidad de materiales irradiados por difraccion de rayos X
15 La difraccion de rayos X (XRD) es un metodo por el cual se irradia una muestra cristalina con rayos X monoenergeticos. La interaccion de la estructura cristalina de la muestra con estos rayos X se registra y proporciona informacion sobre la estructura cristalina que se esta irradiando. La “huella dactilar” caractenstica resultante permite la identificacion de los compuestos cristalinos presentes en la muestra. Usando un analisis de ajuste de patron completo (el refinamiento de Rietvelt), se pueden llevar a cabo analisis cuantitativos en muestras que contienen mas 20 de un compuesto cristalino.
Tabla 20. Datos de XRD icluyendo tamano de dminio y % de cistalinidad
ID de muestra
Tamano de Dominio (A) % de cristalinidad
P132
55 55
P132-10
46 58
P132-100
50 55
P132-181
48 52
P132-US
26 40
A132
28 42
A132-10
26 40
A132-100
28 35
WS132
30 36
WS132-10
27 37
WS132-100
30 41
SG132
29 40
SG132-10
28 38
SG132-100
28 37
SG132-10-US
25 42
SG132-100-US
21 34
25 Cada muestra se puso en un soporte de base cero y se puso en un difractometro Phillips PW1800 usando radiacion de Cu. Despues se realizaron barridos a lo largo del intervalo de 5° a 50° con un tamano de paso de 0,05°, y un 5 tiempo de recuento de 2 horas cada uno.
Una vez obtenidos los patrones de difraccion, las fases se identificaron con ayuda del Fichero de difraccion de polvo 30 publicado por el Centro Internacional para los Datos de Difraccion. En todas las muestras, la fase cristalina identificada era celulosa -Ia, que tiene una estructura triclmica.
La caractenstica distintiva entre las 20 muestras es la anchura de pico, que esta relacionada con el tamano del dominio cristalino. La anchura del pico experimental se uso para computar el tamano del dominio y el porcentaje de 35 cristalinidad, que se describen en la tabla 4.
El porcentaje de cristalinidad (Xc%) se mide como una relacion del area cristalina al area total bajo los picos de difraccion de rayos X,
donde
imagen6
Ac = Area de la fase cristalina 5 Aa = Area de la fase amorfa
Xc = porcentaje de cristalinidad
Para determinar el porcentaje de cristalinidad para cada muestra era necesario extraer primero la cantidad de la fase amorfa. Esto se hace calculando el area de cada patron de difraccion que se puede atribuir a la fase cristalina 10 (representado por los picos mas agudos) y la fase no cristalina (representado por los hombros anchos debajo del patron y centrados a 22° y 38°).
Se uso un procedimiento sistematico para minimizar el error en estos calculos debido a los picos cristalinos anchos asf como a la intensidad base alta. Primero, se aplico una base lineal y despues se elimino. Segundo, dos picos 15 Gaussianos centrados a 22° y 38° con anchuras de 10-12° se ajusto cada uno a los hombros debajo de los picos cristalinos. Tercero, se determinaron el area bajo los dos picos Gaussianos anchos y el resto del patron. Finalmente, se calculo el porcentaje de cristalinidad dividiendo el area bajo el pico cristalino entre la intensidad total (despues de restar la base). El tamano del dominio y el % de cristalinidad de las muestras determinados por difraccion de rayos X (XRD) se presentan en la tabla 20.
20
Ejemplo 16 -Analisis de porosimetria de materiales irradiados
El analisis de tamano de poros y volumen de poros con mercurio (tabla 21) se basa en forzar mercurio (un Kquido no humectante) en una estructura porosa bajo presiones estrechamente controladas. Puesto que el mercurio no moja la 25 mayoria de las sustancias y no penetrara los poros espontaneamente por accion capilar, debe ser forzado en los huecos de la muestra aplicando presion externa. La presion requerida para llenar los huecos es inversamente proporcional al tamano de los poros. Solo se requiere una cantidad pequena de fuerza o presion para llenar huecos grandes, mientras que se requiere mas presion para llenar huecos de poros muy pequenos.
30 Tabla 21. Distribucion del tamano y volumen de poros por porosimetria de mercurio
ID de muestra
Volumen de intrusion total (ml/g) Area de poro total (m2/g Diametro de poro de mediana (volumen) (Mm) Diametro de poro de mediana (area) (Mm) Diametro de poro promedio (4V/A) (Mm) Densidad volumetrica @ 0,50 psia (g/ml) Densidad aparente (esqueletica) (g/ml) Porosidad (%)
P132
6,0594 1,228 36,2250 13,7278 19,7415 0,1448 1,1785 87,7163
P132-10
5,5436 1,211 46,3463 4,5646 18,3106 0,1614 1,5355 89,4875
P132 100
5,3985 0,998 34,5235 18,2005 21,6422 0,1612 1,2413 87,0151
P132 181
3,2866 0,868 25,3448 12,2410 15,1509 0,2497 1,3916 82,0577
P132-US
6,0005 14,787 98,3459 0,0055 1,6231 0,1404 0,8894 84,2199
A132
2,0037 11,759 64,6308 0,0113 0,6816 0,3683 1,4058 73,7990
A132-10
1,9514 10,326 53,2706 0,0105 0,7560 0,3768 1,4231 73,5241
A132- 100
1,9394 10,205 43,8966 0,0118 0,7602 0,3760 1,3889 72,9264
SG132
2,5267 8,265 57,6958 0,0141 1,2229 0,3119 1,4708 78,7961
SG132- 10
2,1414 8,643 26,4666 0,0103 0,9910 0,3457 1,3315 74,0340
SG132- 100
2,5142 10,766 32,7118 0,0098 0,9342 0,3077 1,3590 77,3593
SG132- 10-US
4,4043 1,722 71,5734 1,1016 10,2319 0,1930 1,2883 85,0169
SG132-
4,9665 7,358 24,8462 0,0089 2,6998 0,1695 1,0731 84,2010
100-US
WS132
2,9920 5,447 76,3675 0,0516 2,1971 0,2773 1,6279 82,9664
WS132- 10
3,1138 2,901 57,4727 0,3630 4,2940 0,2763 1,9808 86,0484
WS132- 100
3,2077 3,114 52,3284 0,2876 4,1199 0,2599 1,5611 83,3538
A-1e
1,9535 3,698 25,3411 0,0810 2,1130 0,3896 1,6299 76,0992
A-5e
1,9697 6,503 29,5954 0,0336 1,2117 0,3748 1,4317 73,8225
A-10e
2,0897 12,030 45,5493 0,0101 0,6948 0,3587 1,4321 74,9545
A-50e
2,1141 7,291 37,0760 0,0304 1,1599 0,3577 1,4677 75,6264
G-le
2,4382 7,582 58,5521 0,0201 1,2863 0,3144 1,3472 76,6610
G-5e
2,4268 6,436 44,4848 0,0225 1,5082 0,3172 1,3782 76,9831
G-10e
2,6708 6,865 62,8605 0,0404 1,5562 0,2960 1,4140 79,0638
G-50e
2,8197 6,798 56,5048 0,0315 1,6591 0,2794 1,3179 78,7959
P-le
7,7692 1,052 49,8844 22,9315 29,5348 0,1188 1,5443 92,3065
P-5e
7,1261 1,212 46,6400 12,3252 23,5166 0,1268 1,3160 90,3644
P-10e
6,6096 1,113 41,4252 17,4375 23,7513 0,1374 1,4906 90,7850
P-50e
6,5911 1,156 40,7837 15,9823 22,7974 0,1362 1,3302 89,7616
P-100e
5,3507 1,195 35,3622 10,7400 17,9063 0,1648 1,3948 88,1840
S
0,4362 0,030 102,8411 42,5047 57,8208 0,9334 1,5745 40,7160
S-le
0,3900 0,632 90,6808 0,0041 2,4680 0,9772 1,5790 38,1140
S-5e
0,3914 0,337 97,1991 0,0070 4,6406 0,9858 1,6052 38,5847
S-10e
0,4179 0,349 113,4360 0,0042 4,7873 0,9469 1,5669 39,5678
S-30e
0,4616 5,329 102,0559 0,0042 0,3464 0,9065 1,5585 41,8388
S-50e
0,5217 7,162 137,2124 0,0051 0,2914 0,8521 1,5342 44,4582
S-100e
0,8817 15,217 76,4577 0,0053 0,2318 0,6478 1,5105 57,1131
St
0,6593 17,631 4,2402 0,0053 0,1496 0,7757 1,5877 51,1438
St-le
0,6720 18,078 4,3360 0,0052 0,1487 0,7651 1,5750 51,4206
St-5e
0,6334 19,495 4,2848 0,0051 0,1300 0,7794 1,5395 49,3706
St-10e
0,6208 16,980 4,3362 0,0056 0,1462 0,7952 1,5703 49,3630
St-30e
0,6892 18,066 4,4152 0,0050 0,1526 0,7475 1,5417 51,5165
St-50e
0,6662 18,338 4,3759 0,0054 0,1453 0,7637 1,5548 50,8778
St-100e
0,6471 23,154 5,4032 0,0048 0,1118 0,7229 1,3582 46,7761
El AutoPore 9520 puede alcanzar una presion maxima de 414 MPa o 60.000 psia. Hay cuatro estaciones de presion baja para la preparacion de muestra y recoleccion de datos de macroporos de 0,2 psia a 50 psia. Hay dos camaras de alta presion, que recogen datos de 25 psia a 60.000 psia. La muestra se pone en un aparato de tipo copa llamado 5 un penetrometro, que esta unido a un vastago capilar de vidrio recubierto de metal. Cuando el mercurio invade los huecos en y alrededor de la muestra, se mueve hacia abajo del vastago capilar. La perdida de mercurio del vastago capilar produce un cambio en la capacitancia electrica. El cambio en la capacitancia durante el experimento se convierte en el volumen de mercurio conociendo el volumen del vastago del penetrometro que se usa. Estan disponibles una variedad de penetrometros con diferentes tamanos de copa (muestra) y capilares para acomodar la 10 mayor parte de los tamanos y configuraciones. La siguiente tabla 22 define algunos de los parametros clave calculados para cada muestra.
Tabla 22. Definicion de parametros
Parametro
Descripcion
Volumen de intrusion total:
El volumen total de mercurio intrusionado durante un experimento. Puede incluir carga intersticial entre pequenas partfculas, porosidad de muestra y volumen de compresion de muestra.
Area de poro total:
El volumen de intrusion total convertido en un area que supone poros de forma cilindrica.
Diametro de poro de mediana (volumen):
El tamano en el percentil 50 en el grafico de volumen acumulativo.
Diametro de poro de mediana (area):
El tamano en el percentil 50 en el grafico de area acumulativa.
Diametro de poro
El volumen de poro total dividido por el area de poro total (4V/A).
promedio:
Densidad volumetrica:
La masa de la muestra dividida por el volumen volumetrico. El volumen volumetrico se determina en la presion de carga, normalmente 0,5 psia.
Densidad aparente:
La masa de muestra dividida por el volumen de la muestra medida a la presion mas alta, normalmente 60,000 psia.
Porosidad:
(Densidad volumetrica / densidad aparente) x 100%
Ejemplo 17 -Analisis del tamano de particulas de materiales irradiados
La tecnica de medicion del tamano de particulas por dispersion de luz estatica se basa en la teona de Mie (que 5 tambien abarca la teona de Fraunhofer). La teona de Mie predice la relacion de la intensidad frente al angulo como una funcion del tamano para particulas de dispersion esfericas con la condicion de que se conozcan
otras variables del sistema y se mantengan constantes. Estas variables son la longitud de onda de la luz incidente y el mdice de refraccion relativo del material de muestra. La aplicacion de la teona de Mie proporciona la informacion 10 detallada del tamano de partfculas. La tabla 23 resume el tamano de partfculas usando la mediana del diametro, diametro medio y diametro modal como parametro.
Tabla 23. Tamano de particula mediante dispersion de luz laser (dispersion de muestra seca)
ID de muestra
Diametro de mediana (pm) Diametro promedio (pm) Diametro modal (pm)
A132
380,695 418,778 442,258
A132-10
321,742 366,231 410,156
A132-100
301,786 348,633 444,169
SG132
369,400 411,790 455,508
SG132-10
278,793 325,497 426,717
SG132-100
242,757 298,686 390,097
WS132
407,335 445,618 467,978
WS132-10
194,237 226,604 297,941
WS132-100
201,975 236,037 307,304
15
El tamano de partfcula de determino mediante dispersion de luz laser (dispersion de muestra seca) usando un Malvern Mastersizer 2000, usando las siguientes condiciones:
Velocidad de alimentacion: 35%
Presion de dispersion: 4 bar
Modelo Optico: (2,610, 1,000i), 1,000
Se introdujo una cantidad apropiada de muestra en una bandeja rotatoria. Se ajustaron la velocidad de alimentacion y la presion de aire para asegurar que las partfculas eran dispersadas adecuadamente. El componente clave es seleccionar una presion de aire que rompera aglomeraciones, pero no compromete la integridad de la muestra. La cantidad de muestra necesaria vana dependiendo del tamano de las partfculas. En general, las muestras con partfculas finas requieren menor material que las muestras con partfculas gruesas.
Ejemplo 18 - Analisis de la superficie especifica de materiales irradiados
Se analizo la superficie espedfica de cada muestra usando un sistema de superficie espedfica acelerada y porosimetna ASAP 2420. Las muestras se prepararon primero desgasificando durante 16 horas a 40 °C. Despues, se calcula el espacio libre (tanto caliente como fno) con helio y despues el tubo de muestra se extrae de nuevo para eliminar el helio. La recoleccion de datos empieza despues de esta segunda extraccion y consiste en presiones objetivo definidas que controlan cuanto gas se administra a la muestra. A cada presion objetivo, se determinan y registran la cantidad de gas adsorbida y la presion real. La presion dentro del tubo de muestra se mide con un transductor de presion. Continuaran dosis adicionales de gas hasta que se logra la presion objetivo y se deja equilibrar. La cantidad de gas adsorbido se determina sumando las multiples dosis en la muestra. La presion y cantidad definen una isoterma de adsorcion de gas y se usan para calcular una serie de parametros, incluyendo la superficie espedfica BET (Tabla 24).
30
35
20
25
Tabla 24. Resumen de la superficie especifica por adsorcion de gas
ID de muestra
Area de superficie de unico punto (m2/g) Area de superficie BET (m2/g)
P132
@ P/Po=0,250387771 1,5253 1,6897
P132-10
@ P/Po=0,239496722 1,0212 1,2782
P132-100
@ P/Po=0,240538100 1,0338 1,2622
P132-181
@ P/Po=0,239166091 0,5102 0,6448
P132-US
@ P/Po=0,217359072 1,0983 1,6793
A132
@ P/Po=0,240040610 0,5400 0,7614
A132-10
@ P/Po=0,211218936 0,5383 0,7212
A132-100
@ P/Po=0,238791097 0,4258 0,5538
SG132
@ P/Po=0,237989353 0,6359 0,8350
SG132-10
@ P/Po=0,238576905 0,6794 0,8689
SG132-100
@ P/Po=0,241960361 0,5518 0,7034
SG132-10-US
@ P/Po=0,225692889 0,5693 0,7510
SG132-100-US
@ P/Po=0,225935246 1,0983 1,4963
G-10-US
0,751
G100-US
1,496
G132-US
1,679
WS132
@ P/Po=0,237823664 0,6582 0,8663
WS132-10
@ P/Po=0,238612476 0,6191 0,7912
WS132-100
@ P/Po=0,238398832 0,6255 0,8143
A-1e
@ P/Po=0,238098138 0,6518 0,8368
A-5e
@ P/Po=0,243184477 0,6263 0,7865
A-10e
@ P/Po=0,243163236 0,4899 0,6170
A-50e
@ P/Po=0,243225512 0,4489 0,5730
G-1e
@ P/Po=0,238496102 0,5489 0,7038
G-5e
@ P/Po=0,242792602 0,5621 0,7086
G-10e
@ P/Po=0,243066031 0,5021 0,6363
G-50e
@ P/Po=0,238291132 0,4913 0,6333
P-1e
@ P/Po=0,240842223 1,1413 1,4442
P-5e
@ P/Po=0,240789274 1,0187 1,3288
P-10e
@ P/Po=0,240116967 1,1015 1,3657
P-50e
@ P/Po=0,240072114 1,0089 1,2593
P-100e
@ P/Po=0,236541386 0,9116 1,1677
S
@ P/Po=0,225335038 0,0147 0,0279
S-1e
@ P/Po=0,217142291 0,0193 0,0372
S-5e
@ P/Po=0,133107838 0,0201 0,0485
S-10e
@ P/Po=0,244886517 0,0236 0,0317
S-30e
@ P/Po=0,237929400 0,0309 0,0428
S-50e
@ P/Po=0,245494494 0,0262 0,0365
S-100e
@ P/Po=0,224698551 0,0368 0,0506
St
@ P/Po=0,238324949 0,3126 0,4013
St-1e
@ P/Po=0,238432726 0,3254 0,4223
St-5e
@ P/Po=0,238363587 0,3106 0,4071
St-10e
@ P/Po=0,238341099 0,3205 0,4268
St-30e
@ P/Po=0,238629889 0,3118 0,4189
St-50e
@ P/Po=0,244630980 0,3119 0,3969
St-100e
@ P/Po=0,238421621 0,2932 0,3677
El modelo BET para isotermas es una teona ampliamente usada para calcular la superficie espedfica. El analisis 5 implica determinar la capacidad de monocapa de la superficie de la muestra calculando la cantidad necesaria para 5 cubrir la superficie entera con una sola capa de kripton densamente empaquetada. La capacidad de la monocapa se multiplica por el area transversal de una molecula de gas sonda para determinar el area superficial total. La superficie espedfica es el area superficial de la parte alfcuota de muestra dividido entre la masa de la muestra.
Ejemplo 19 - Determinacion de la longitud de fibra de materiales irradiados
El ensayo de la distribucion de la longitud de fibra se llevo a cabo por triplicado en las muestras enviadas usando el sistema Techpap MorFi LB01. La longitud y anchura de fibra media se describen en la tabla 25.
5
Tabla 25. Resumen de los datos de longitud y anchura de la fibra lignocelulosica
ID de muestra
Promedio aritmetico (mm) Longitud promedio ponderada en longitud (mm) Longitud promedio estadisticamente corregida ponderada en longitud (mm) Ancho (micrometros) (pm)
P132-10
0,484 0,615 0,773 24,7
P132-100
0,369 0,423 0,496 23,8
P132-181
0,312 0,342 0,392 24,4
A132-10
0,382 0,423 0,650 43,2
A132-100
0,362 0,435 0,592 29,9
SG132-10
0,328 0,363 0,521 44,0
SG132-100
0,325 0,351 0,466 43,8
WS132-10
0,353 0,381 0,565 44,7
WS132-100
0,354 0,371 0,536 45,4
Ejemplo 20 - Tratamiento ultrasonico de mijo irradiado y no irradiado
10
El mijo se cizallo de acuerdo con el ejemplo 4. El mijo se trato mediante ultrasonidos solo o irradiacion con 10 Mrad o 100 MRad de rayos gamma y despues ultrasonidos. Los materiales resultantes corresponden a G132-BR (no irradiado), G132-10-BR (10 Mrad y ultrasonidos) y G132-100-BR (100 Mrad y ultrasonidos), como se presenta en la tabla 1. El tratamiento por ultrasonidos se llevo a cabo en cada muestra durante 30 min usando ultrasonidos de 20 15 kHz de un sonotrodo a 1000 W en condiciones de recirculacion. Cada muestra se disperso en agua en una concentracion de aproximadamente 0,10 g/ml.
Las figuras 30 y 31 muestran el aparato usado para los ultrasonidos. El aparato 500 incluye un convertidor 502 conectado a un impulsor 504 que comunica con un sonotrodo 506 fabricado de titanio o una aleacion de titanio. El 20 sonotrodo, que tiene una junta 510 hecha por VITON® de aproximadamente su penmetro en su lado de procesamiento, forma un cierre hermetico a fiquidos con una celda de procesamiento 508. El lado de procesamiento del sonotrodo esta sumergido en un lfquido, tal como agua, que tiene dispersa en la misma la muestra que se va a tratar con ultrasonidos, La presion en la celda se controla con un manometro 512. Cuando esta en funcionamiento, cada muestra es movida mediante la bomba 517 desde el deposito 516 a traves de la celda de procesamiento y 25 recibe los ultrasonidos. Despues de sonicacion, la muestra es capturada en el deposito 520. El procedimiento se puede invertir en cuanto que el contenido del deposito 520 se puede mandar a traves de la celda de procesamiento y capturar en el deposito 516. Este procedimiento se puede repetir una serie de veces hasta que se suministra a la muestra el nivel deseado de procesamiento.
30 Ejemplo 21 - Micrografias electronicas de barrido de mijo no radiado en comparacion con mijo irradiado e irradiado y tratado con ultrasonidos
Las muestras de mijo para las micrografias electronicas de barrido se aplicaron a cinta de carbono y se recubrieron por pulverizacion catodica con oro (70 segundos). Las imagenes se tomaron con un microscopio electronico de 35 barrido de emision de campo JOEL 6500.
La figura 32 es una micrografia de barrido electronica a 1000 X aumentos de un material fibroso producido de cizallado de mijo en una cortadora de cuchillas rotativas y despues pasando el material cizallado a traves de un tamiz de 0,79 mm (1/32 pulgadas).
40
Las figuras 33 y 34 son micrografias electronicas de barrido del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con rayos gamma de 10 Mrad y 100 Mrad, respectivamente, con 1000 X aumentos.
La figura 35 es una micrografia de barrido electronica del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con 10 45 Mrad y tratamiento con ultrasonidos, con 1000 X aumentos.
La figura 36 es una micrograffa de barrido electronica del material fibroso de la figura 32 despues de irradiar con 100 Mrad y tratamiento con ultrasonidos, con 1000 X aumentos.
5 Ejemplo 22 - Espectro de infrarrojos de transformada de Fourier (FT-IR) de papel Kraft irradiado y no irradiado
El analisis de FT-IR se llevo a cabo en un Nicolet/Impact 400. Los resultados indican que las muestras P132, P13210, P132-100, P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e, y P-l00e, estan de acuerdo con un material basado en celulosa.
10
La figura 37 es un espectro de infrarrojos de papel carton Kraft cizallado de acuerdo con el ejemplo 4, mientras que la figura 38 es un espectro de infrarrojos del papel Kraft de la figura 37 despues de irradiacion con 100 Mrad de radiacion gamma. La muestra irradiada muestra un pico adicional en la region A (centrada a aproximadamente 1730 cm-1) que no se encuentra en el material no irradiado. Hay que indicar que se detecto un aumento en la cantidad de 15 una absorcion de carbonilo a ~-1650 cm-1 cuando se pasaba de P132 a P132-10 a P132-100. Se observaron resultados similares de las muestras P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e, y P-100e.
Ejemplo 23 - Espectros de resonancia magnetica nuclear de proton y carbono-13 (RMN 1H y RMN 13C) de papel Kraft irradiado y no irradiado.
20
Preparacion de las muestras
Las muestras P132, P132-10, PI32-100, P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e, y P-100e se prepararon para el analisis por disolucion en DMSO-d6 con fluoruro de tetrabutilamonio trihidrato al 2%. Las muestras que se habfan sometido a 25 niveles menores de radiacion eran significativamente menos solubles que las muestras de mayor radiacion. Las muestras no irradiadas formaban un gel en esta mezcla de disolvente, pero calentando a 60 °C se resolvfan los picos en los espectros de RMN. Las muestras que se habfan sometido a mayores niveles de radiacion eran solubles en una concentracion de 10% en p/p.
30 Analisis
Los espectros de RMN 1H de las muestras con 15 mg/ml mostraban un pico de resonancia muy ancho aparente centrado en 16 ppm (figuras 38A-38J). Este pico es caractenstico de un proton de -OH intercambiable para un enol y se confirmo mediante una “agitacion con d2O”. Se analizaron compuestos modelo (acetiacetona, acido glucuronico y 35 acido cetogluconico) y hace que sea un caso convincente que este pico era realmente un proton de enol intercambiable. Este pico de enol propuesto era muy sensible a los efectos de la concentracion, y los autores de la invencion no pudieron concluir si esta resonancia se debfa a un enol o posiblemente a un acido carboxflico.
Las resonancias de proton de acidos carboxflicos de compuestos modelo eran similares a lo que se observo para las 40 muestras de celulosa tratadas. Estos compuestos modelo se desplazaban a campo alto a ~5-6 ppm La preparacion de P-100e en mayores concentraciones (~10% en p/p) condujo al notable desplazamiento a campo bajo donde se encontraban las resonancias de acido carboxflico de los compuestos modelo (~6 ppm) (figura 38N). Los resultados condujeron a la conclusion de que esa resonancia no es fiable para la caracterizacion de este grupo funcional, sin embargo, los datos sugieren que el numero de hidrogenos intercambiables aumenta con el aumento de irradiacion 45 de la muestra. Ademas, no se detectaron protones vimlicos.
Los espectros de RMN de 13C de las muestras confirman la presencia de un carbonilo de un acido carboxflico o un derivado de acido carboxflico. Este nuevo pico (a 168 ppm) no esta presente en las muestras no tratadas (figura 38K). Un espectro de RMN 13C con un retraso grande permitio la cuantificacion de la senal para P-100e (figuras 38L- 50 38M). La comparacion de la integracion de la resonancia del carbonilo con las resonancias a aproximadamente 100 ppm (las senales de C1) sugiere que la relacion del carbono carbomlico a C1 es de 1:13,8 o aproximadamente 1 carbonilo cada 14 unidades de glucosa. El desplazamiento qmmico a 100 ppm se correlaciona bien con el acido glucuronico.
55 Valoracion
Las muestras P-100e y P132-100 (1 g) se suspendieron en agua desionizada (25 ml). Se anadio el indicador amarillo de alizarina a cada muestra con agitacion. P-100e era mas diffcil de mojar. Ambas muestras se valoraron con una solucion de NaOH 0,2 M. El punto final era muy sutil y se confirmo usando un papel de pH. El pH inicial de las 60 muestras era ~4 para ambas muestras. P132-100 necesito 0,4 miliequivalentes de hidroxido, lo que da un peso
molecular para el acido carboxflico de 2500 uma. Si se usa 180 uma para un monomero, esto sugiere que hay un grupo acido carboxflico para 13,9 unidades de monomero. Igualmente, P-100e necesitaba 3,2 miliequivalentes de hidroxido, que se calcula que es un grupo acido carboxflico por cada 17,4 unidades de monomero.
5 Conclusiones
Parece que el carbono C-6 de la celulosa se oxida al acido carboxflico (un derivado de acido glucuronico), y esta oxidacion es sorprendentemente espedfica. Esta oxidacion esta de acuerdo con la banda de IR que crece con la irradiacion a ~1740 cm-1, que corresponde a un acido carboxflico alifatico. Los resultados de la valoracion estan de 10 acuerdo con la RMN de 13C cuantitativa. La mayor solubilidad de la muestra con los niveles mas altos de irradiacion se correlaciona bien con el numero creciente de protones de acido carboxflico. Se proporciona a continuacion un mecanismo propuesto para la degradacion de la “celulosa oxidada en C-6” Esquema 1
15
Esquema 1
imagen7
Ejemplo 24 - Combinacion de pretratamiento con haz de electrones y ultrasonidos
20 Se usa mijo como materia prima y se cizalla con una cortadora de cuchillas rotativas Munson en un material fibroso. El material fibroso despues se distribuye uniformemente sobre una bandeja abierta compuesta de estano con un area mayor de aproximadamente 500 pulgadas2. El material fibroso se distribuye de modo que tenga una profundidad de aproximadamente 1-2 pulgadas en la bandeja abierta. El material fibroso se puede distribuir en bolsas de plastico con dosis mas bajas de irradiacion (por debajo de 10 Mrad), y dejar sin cubrir en la bandeja 25 metalica con dosis de radiacion mas altas.
Despues, muestras separadas del material fibroso se exponen a dosis sucesivas de radiacion de haz de electrones para lograr una dosis total de 1 Mrad, 2 Mrad, 3, Mrad, 5 Mrad, 10 Mrad, 50 Mrad, y 100 Mrad. Algunas muestras se mantienen en las mismas condiciones que las muestras restantes, pero no se irradian, para servir de control. 30 Despues de enfriar, el material fibroso irradiado se manda adelante para el posterior procesamiento a traves de un dispositivo de ultrasonidos.
El dispositivo de ultrasonidos incluye un convertidor conectado a un impulsor que comunica con un sonotrodo fabricado de titanio o una aleacion de titanio. El sonotrodo, que tiene una junta hecha por VITON® de 35 aproximadamente su penmetro en su lado de procesamiento, forma un cierre hermetico a lfquidos con una celda de procesamiento. El lado de procesamiento del sonotrodo esta sumergido en un lfquido, tal como agua, en el que se sumerge el material fibroso que se va a irradiar. La presion en la celda se controla con un manometro de presion. Cuando esta en funcionamiento, cada muestra es movida mediante la bomba a traves de la celda de procesamiento
y recibe los ultrasonidos.
Para preparar el material fibroso irradiado para los ultrasonidos, el material fibroso irradiado se retira de cualquier recipiente (p. ej., bolsas de plastico) y se dispersa en agua en una concentracion de aproximadamente 0,10 g/ml. Se 5 lleva a cabo el tratamiento con ultrasonidos en cada muestra durante 30 min usando ultrasonidos de 20 kHz desde un sonotrodo a 1000 W en condiciones de recirculacion. Despues del tratamiento con ultrasonidos, el material fibroso irradiado se captura en un deposito. Este procedimiento se puede repetir una serie de veces hasta alcanzar un nivel de procesamiento deseado, basandose en el control de los cambios estructurales en el mijo. De nuevo, algunas muestras irradiadas se mantienen en las mismas condiciones que el resto de las muestras, pero no se 10 tratan con ultrasonidos, de nuevo para servir como controles. Ademas, algunas muestras que no se irradiaron se sonican, otra vez para servir como controles. Por lo tanto, algunos controles no son procesados, algunos son solo irradiados, y algunos son solo tratados con ultrasonidos.
Ejemplo 25 - Ensayo microbiano de biomasa pretratada
15
Se analiza en los materiales lignocelulosicos espedficos previamente tratados como se describe en la presente memoria, la toxicidad para cepas comunes de levaduras y bacterias usadas en la industria de los biocombustibles para la etapa de fermentacion en la produccion de etanol. Ademas, se examina el contenido de azucar y la compatibilidad
20
con enzimas celulasa para determinar la viabilidad del procedimiento de tratamiento. El ensayo de los materiales previamente tratados se lleva a cabo en dos fases como sigue.
Fase 1: Toxicidad y contenido de azucar
25
La toxicidad de las hierbas previamente tratadas y materias primas de papel se mide en levaduras Saccharomyces cerevisiae (levadura del vino) y Pichia stipitis (ATCC 66278) asf como en las bacterias Zymomonas mobilis (ATCC 31821) y Clostridium thermocellum (ATCC 31924). Se lleva a cabo un estudio de crecimiento con cada uno de los organismos para determinar el tiempo optimo de incubacion y toma de muestra.
30
Despues, se incuba cada una de las materias primas, por duplicado con S. cerevisiae, P. stipitis, Z. mobilis, y C. thermocellum en un medio microbiologico estandar para cada organismo. Se usa caldo YM para las dos cepas de levadura, S. cerevisiae y P. stipitis. Se usa medio rM para Z. Mobilis y medio CM4 para C. thermocellum. Se usa un control positivo con azucar puro anadido, pero sin materia prima, para la comparacion. Durante la incubacion, se 35 toman un total de 5 muestras a lo largo de un periodo de tiempo de 12 horas, a las 0, 3, 6, 9 y 12 horas y se analiza la viabilidad (recuentos de placa para Z. mobilis y recuentos directos para S. cerevisiae) y la concentracion de etanol.
El contenido de azucar de las materias primas se mide usando cromatograffa lfquida de alto rendimiento (HPLC) equipada con una columna Shodex™ Sugar SP0810 o Biorad Aminex® HPX-87P. Cada una de las materias primas 40 (aproximadamente 5 g) se mezcla con agua de osmosis inversa (RO) durante 1 hora. Se separa la parte lfquida de la mezcla y se analiza el contenido de glucosa, galactosa, xilosa, manosa, arabinosa y celobiosa. El analisis se lleva a cabo de acuerdo con el protocolo del Centro Nacional de Bioenergfa Determinacion de hidratos de carbono estructurales y lignina en biomasa.
45 Fase 2: Compatibilidad de celulasa
Se ensayan materias primas, por duplicado, con Accellerase™ 1000 disponible en el comercio, que contiene un complejo de enzimas que reduce la biomasa lignocelulosica a azucares fermentables, a la temperatura y concentracion recomendados en un matraz de Erlenmeyer. Los matraces se incuban con agitacion moderada a 50 aproximadamente 200 rpm durante 12 horas. Durante ese tiempo se toman muestras cada tres horas a los tiempos 0, 3, 6, 9, y 12 horas para determinar la concentracion de azucares reductores (Hope y Dean, Biotech J., 1974, 144:403) en la porcion lfquida de los frascos.
Ejemplo 26 - Analisis de la concentracion de azucar usando HPLC
55
Se analizaron 13 muestras para la concentracion de azucar (HPLC) y la toxicidad contra 3 microorganismos (Pichia stipitis, Saccharomyces cerevisiae, y Zymomonas mobilis). La tabla 26 cita el equipamiento usado para estos experimentos. Las tablas 27 y 28 proporcionan una lista de azucares (incluyendo el proveedor y numeros de lotes) usados para preparar el patron de HPLC y el protocolo usado para preparar el patron de HPLC, respectivamente.
Tabla 26. Equipo utilizado en experimentos
Equipo
Frabricante, nombre
Medidor de pH
Orion
Agitadores (2)
B. Braun Biotech, Certomat BS-1
HPLC
Waters, 2690 HPLC Module
Espectrofotometro
Unicam, UV300
YSI Biochem Analyzer
Interscience, YSI
Tabla 27. Azucares usados en el analisis de HPLC
5
Azucar
Fabricante N° referencia N° lote
glucosa
49140 1284892
xilosa
95731 1304473 51707231
celobiosa
BioChemika 22150 1303157 14806191
arabinosa
10840 1188979 24105272
manosa
63582 363063/1 22097
galactosa
48259 46032/1 33197
Tabla 28. Preparacion de estandares de HPLC
Conc. deseada (mg/ml)
Volumen de solucion de azucar Vol. de agua nanopura (ml) Volumen total (ml)
4
50 ml de 4 mg/ml 0 50
2
25 ml de 4 mg/ml 25 50
1
25 ml de 2 mg/ml 25 50
0,5
25 ml de 1 mg/ml 25 50
0,1
5 ml de 1 mg/ml 20 25
Estandar verificacion 1,5 mg/ml
18,75 ml de 4 mg/ml 31,25 50
10 Analisis
Cada muestra (1 gramo) se mezclo con agua por osmosis inversa a 200 rpm y 50 °C toda la noche. El pH de la muestra se ajusto a entre 5 y 6 y se filtro a traves de un filtro de jeringa de 0,2 pm. Las muestras se almacenaron a - 20 °C antes del analisis para mantener la integridad de las muestras. Las observaciones hechas durante la 15 preparacion de las muestras se presentan en la tabla 29.
Tabla 29. Observaciones durante la preparacion de la muestra de HPLC
Muestra
Cantidad usada (g) Agua anadida (ml) pH Observaciones
P132
1 30 5,38 Esponjosa, diffcil de mezclar
P132-10
1 25 6,77 Esponjosa, diffcil de mezclar
P132-100
1 20 3,19 pH bajo, diffcil de llevar a 5,0, se uso 10 N NaOH
P132-US
0,3 5 6,14
A132
1 15 5,52
A132-10
1 15 4,9
A132-100
1 15 5,39
SG132
1 15 5,59
SG132-10
1 15 5,16
SG132-100
1 15 4,7
SG132-10-US
0,3 5 5,12
SG132-100-US
0,3 5 4,97
WS132
1 15 5,63
WS132-10
1 15 5,43
WS132-100
1 15 5,02
*El pH de estas muestras se ajusto al pH usando NaOH 1 N
Se prepararon patrones recientes a partir de una solucion madre de 4 mg/ml de los 6 azucares combinados, glucosa, 5 xilosa, celobiosa, arabinosa, manosa y galactosa. La solucion madre se preparo disolviendo 0,400 gramos de cada azucar en 75 ml de agua nanopura (filtrada a traves de 0,3 micrometros). Una vez disuelta, la solucion patron se diluyo a 100 ml usando un matraz volumetrico y se conservo a -20 ”C. Las soluciones de trabajo estandares de 0,1, 0,5, 1, 2, y 4 mg/ml se prepararon por dilucion seriada de la solucion patron con agua nanopura. Ademas, tambien se preparo un patron de verificacion de 1,5 mg/ml a partir de la solucion madre.
10
Las concentraciones de azucar se analizaron de acuerdo con el protocolo Determination of Structural Carbohydrates in Biomass (NREL Biomass Program, 2006). Se uso una columna SHODEX SUGAR SP0810 con un detector de dispersion de luz evaporativo. Se analizo un patron de verificacion (1,5 mg/ml del patron) cada 8 inyecciones para asegurar que se manteman la integridad de la columna y del detector durante el experimento. El coeficiente de 15 variacion de la curva patron (valor de R2) era al menos 0,989 y la concentracion de los patrones de verificacion estaba dentro del 10% de la concentracion real. Las condiciones de HPLC eran las siguientes:
Tabla 30. Parametros de HPLC
Volumen de inyeccion:
20 Ml
Fase movil:
agua nanopura*, 0,45 Mm filtrada y desgasificada
Caudal:
0,5 ml/min
Temperatura de columna:
85 °C
Detector de temperatura:
Temperatura de evaporador 110°C, temperatura de nebulizador 90 °C
*Pruebas iniciales indicaron que se observo la mejor separacion cuando se utiliza agua nanopura que 15/85 acetonitrilo:agua en la fase movil (el fabricante no recomienda usar mas de 20% de acetonitrilo con esta columna).
Resultados
25
Los resultados del analisis de HPLC se muestran en las tablas 31. 32 y 33.
Tabla 31. Concentracion de azucar expresada como mg/ml y mg/g del extracto
ID de muestra
Xilosa mW ~150 C5H10O5 Mono Arabinosa mW ~150 C5H10O5 Mono Glucosa mW ~180 C6H12O6 Mono Galactosa (vease gluc.) mg/ml:mg/g Manosa(vease gluc.) mg/ml:mg/g Glucosa mW ~342 C12H22O11 Disacc
mg/ml mg/g mg/ml mg/g mg/ml mg/g mg/ml mg/g mg/ml mg/g mg/ml mg/g
P
P-132
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
P-132 10
0,00 0,00 0,00 0,00 0,34 6,60 0,00 0,00 0,00 0,00 0,33
P-132 100
0,35 7,04 0,00 0,00 0,34 6,14 0,00 0,00 0,00 0,00 0,36
P-132- BR
0,35 5,80 0,43 7,17 0,34 5,62 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
G
G-132
0,39 5,88 0,38 5,73 0,84 12,66 0,34 5,04 0,92 13,76 0,00
G-132- 10
0,50 7,50 0,41 6,18 1,07 16,04 0,35 5,19 0,98 14,66 0,00
G-132- 100
0,00 0,00 0,37 5,54 0,41 6,14 0,00 0,00 0,55 8,28 0,45
G-132-
0,34 5,73 0,39 6,45 0,33 5,43 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
10-US
G-132- 100-US
0,00 0,00 0,37 622 0,35 5,90 0,33 5,43 0,40 6,70 0,39
A
A-132
1,36 20,39 0,00 0,00 1,08 16,22 0,39 5,84 1,07 16,02 0,00
A-132- 10
1,19 17,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,37 5,52 0,00
A-132- 100
1,07 16,11 0,00 0,00 0,35 5,18 0,00 0,00 0,00 0,00 0,81
WS
WS-132
0,49 7,41 0,41 6,15 0,39 5,90 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
WS- 132-10
0,57 8,49 0,40 5,99 0,73 10,95 0,34 5,07 0,50 7,55 0,00
WS- 132 100
0,43 6,39 0,37 5,51 0,36 5,36 0,00 0,00 0,36 5,33 0,35
Tabla 32. Concentracion de azucar expresada en % de papel
Concentracion de azucar(% de muestra seca)
P132 P132-10 P132-100 P132-US
celobiosa
0,00 0,81 0,72 0,00
glucosa
0,00 0,86 0,67 0,56
xilosa
0,00 0,00 0,70 0,58
galactosa
0,00 0,00 0,00 0,00
arabinosa
0,00 0,00 0,00 0,72
manosa
0,00 0,00 0,00 0,00
5
Tabla 33. Concentracion de azucar expresada en % de muestra total
Concentracion de azucar(% de muestra seca)
A132 A132- 10 A132- 100 SG132 SG132- 10 SG132- 100 SG132- 10-US SG132- 100-US WS132 WS132- 10
celobiosa
0,00 0,00 1,22 0,00 0,00 0,67 0,00 0,65 0,00 0,00
glucosa
1,62 0,00 0,52 1,27 1,60 0,61 0,54 0,59 0,59 1,10
xilosa
2,04 1,79 1,61 0,59 0,75 0,00 0,57 0,00 0,74 0,85
galactosa
0,58 0,00 0,00 0,50 0,52 0,00 0,00 0,54 0,00 0,51
arabinosa
0,00 0,00 0,00 0,57 0,62 0,55 0,65 0,62 0,62 0,60
manosa
1,60 0,55 0,00 1,38 1,47 0,83 0,00 0,67 0,00 0,76
Ejemplo 27 - Estudio de toxicidad
5
Se analizo la toxicidad de 12 muestras frente a un panel de tres cultivos productores de etanol. En este estudio, se anadio glucosa a las muestras con el fin de distinguir entre desnutricion de los cultivos y la toxicidad de las muestras. Se ensayo en una decimotercera muestra la toxicidad contra Pichia stipitis. Se cita en la tabla 32 un resumen del protocolo usado. Se da en las tablas 34-36 una descripcion de los productos qmmicos y el equipamiento usado en el 10 ensayo de toxicidad.
Tabla 34. Condiciones para analisis de toxicidad
Variable
Organismo
Zymomonas mobilis ATCC 31821 Saccharomyces cerevesiae ATCC 24858 Pichia stipitis NRRL Y- 7124
Repeticion de prueba
Duplicado
Volumen de inoculacion (ml)
1 0,1 1
Temperatura de incubacion
O o O CO o o LO CM o o LO CM
Velocidad de agitador (rpm)
125 200 125
Volumen de matraz Erlenmeyer
250 ml 500 ml 250 ml
Volumen medio
100 ml 100 ml 100 ml
Tiempo de incubacion total (horas)
36 36 48
Analisis de etanol (horas)
24, 30, 36 24, 30, 36 24, 36, 48
Recuentos de celulas (horas)
24, 36 24, 36 24, 48
__________________
0 horas 0 horas 0 horas
15 Tabla 35. Reactivos usados para prueba de toxicidad
Componente de medio
Fabricante N° referencia N° lote
Urea
ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
Base de nitrogeno de levadura
Becton Dickinson 291940 7128171
Peptona
Becton Dickinson 211677 4303198
Xilosa
Fluka 95731 1304473 51707231
Glucosa
Sigma G-5400 107H0245
Extracto de levadura (usado para S. cerevisiae)
Becton Dickinson 288620 4026828
Extracto de levadura (usado para P. stipitis y Z. mobilis)
Becton Dickinson 212750 7165593
MgSO4 7H2O
Sigma M5921 034K0066
(NH4)2SO4
Sigma A4418 117K5421
KH2PO4
Sigma P5379 074K0160
Caldo YM
Becton Dickinson 271120 6278265
Tabla 36. Componentes de YSI usados en el estudio de matraz de agitacion
Componente
N° catalogo N° lote
Membrana de etanol YSI
2786 07L100153
Estandar de etanol YSI (3,2 g/l)
2790 012711040
Tampon de etanol YSI
2787 07M1000053, 07100215
5 El ensayo se llevo a cabo usando los tres microorganismos como se describe a continuacion.
Saccharomyces cerevisiae ATCC 24858 (American Type Culture Collection)
Se preparo un cultivo inclinado de S. cerevisiae a partir de un cultivo liofilizado rehidrato obtenido de la ATCC. Una 10 porcion del material del cultivo sesgado se coloco en estnas en un caldo YM +20 g/l de agar (pH 5,0) y se incubo a 30 °C durante 2 dfas. Un matraz Erlenmeyer de 250 ml que contema 50 ml de medio (glucosa 20 g/l, extracto de levadura 3 g/l y peptona 5,0 g/l, pH 5,0) se inoculo con una colonia de la placa de YM y se incubo durante 24 horas a 25 °C y 200 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz 15 (llamado el matraz de siembra) con una DO de 14,8 y tincion de Gram transparente para inocular todos los matraces de ensayo.
Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 500 ml que conteman 100 ml de medio esteril descrito antes. Todos los matraces se trataron en autoclave a 121 °C y 15 psi antes de la adicion de los materiales de 20 ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras. Las muestras de ensayo se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron como se ha descrito antes durante 36 horas.
25 Pichia stipitis NRRL Y-7124 (ARS Culture Collection)
Se preparo un cultivo inclinado de P. stipitis a partir de cultivo liofilizado rehidratado de ARS Culture Collection. Una parte del material inclinado se sembro en estnas sobre un caldo YM + agar 20 g/l (pH 5,0) y se incubo a 30 °C durante 2 dfas. Un matraz Erlenmeyer de 250 ml que contema 100 ml de medio (glucosa 40 g/l, base nitrogenada de 30 levadura 1,7 g/l, urea 2,27 g/l, peptona 6,56 g/l, xilosa 40 g/l, pH 5,0) se inoculo con una pequena cantidad del material inclinado y se incubo durante 24 horas a 25 °C y 125 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO de 5,23 y tincion 5 de Gram transparente para inocular todos los matraces de ensayo.
35
Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 250 ml que conteman 100 ml de medio esteril descrito antes. Todos los matraces se trataron en autoclave vados a 121 °C y 15 psi y se anadio medio filtrado esterilizado (filtro de 0,22 pm) a los matraces antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras y la esterilizacion por 40 filtracion no es adecuada para la esterilizacion de solidos. Las muestras de ensayo se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron como se ha descrito antes durante 48 horas.
45 Zymomonas mobilis ATCC 31821 (American Type Culture)
Se preparo un cultivo inclinado de Z. mobilis a partir de un cultivo liofilizado rehidratado obtenido de la ATTC. Una parte del material inclinado se sembro en estnas en placas DYE (glucosa 20 g/l, extracto de levadura 10 g/l, agar 20 g/l, pH 5,4) y se incubo a 30 °C y 5% de CO2 durante 2 dfas. Un tubo de ensayo con tapon de rosca de 20 ml que 50 contema 15 ml de medio (glucosa 25 g/l, extracto de levadura 10 g/l, MgSO4 7H2O 1 g/l, (NH4)2SO4 1 g/l, KH2PO4 2 g/l, pH 5,4) se inoculo con una colonia y se incubo durante 24 horas a 30 °C sin agitacion. Despues de 23 horas de
crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un tubo (DO 1,96) para inocular el segundo matraz de siembra. El segundo matraz de siembra era un matraz de 125 ml que contema 70 ml de medio descrito antes y se inoculo con 700 pl (1% en v/v) y se incubo durante 24 horas a 30 °C sin agitacion. Despues de 23 horas de 5 crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO de 3,72 para inocular todos los matraces de ensayo.
Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 250 ml que conteman 100 ml de medio esteril descrito 10 antes, con excepcion del extracto de levadura de 5 g/l. Todos los matraces se trataron en autoclave vados a 121 °C y 15 psi y se anadio medio filtrado esterilizado (filtro de 0,22 pm) a los matraces antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras y la esterilizacion por filtracion no es adecuada para la esterilizacion de solidos. Las muestras de ensayo se anadieron en el momento de la inoculacion para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las 15 muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron como se ha descrito antes durante 36 horas.
Analisis
20 Se analizaron dos muestras para determinar concentracion celular (usando extension en placa para Z. mobilis y recuentos directos (hemocitometro y microscopio para S. cerevisiae y P. stipitis). Muestras adecuadamente diluidas de Z. mobilis se extendieron en placas de dextrosa-extracto de levadura (glucosa 20 g/l, extracto de levadura 10 g/l, agar 20 g/l, pH 5,4) y se incubaron a 30 °C y 5% de CO2 durante 2 dfas, y se conto el numero de colonias. Muestras adecuadamente diluidas de S. cerevisiae y P. stipitis se mezclaron con azul de Trypan al 0,05%, se cargaron en un 25 hemocitometro Neubauer. Las celulas se contaron bajo 40 X aumentos.
Se analizo en tres muestras la concentracion de etanol usando el analizador bioqmmico YSI basado en el ensayo de la alcohol deshidrogenasa (YSI, Interscience). Las muestras se centrifugaron a 14.000 rpm durante 20 min y el lfquido sobrenadante se almaceno a -20 °C para conservar la integridad. Las muestras se diluyeron a entre 0-3,2 g/l 30 de etanol antes del analisis. Se analizo un patron de etanol de 3,2 g/l aproximadamente cada 30 muestras para asegurar que se mantema la integridad de la membrana durante el analisis. La densidad optica (600 nm) de las muestras no se da porque las muestras de ensayo solidas interfenan con la medicion de absorbancia aumentando la turbidez de las muestras y no son precisas.
35 Resultados del analisis de etanol
El rendimiento se uso para comparar cada muestra con el control para cada microorganismo (tablas 37-39). Sin embargo, el % de rendimiento no se puede usar para comparar entre cepas. Cuando se comparan cepas, debena usarse la concentracion total de etanol. Cuando se analizan los datos un % de rendimiento menor de 80% puede 40 indicar toxicidad cuando va acompanado de numero bajo de celulas. La ecuacion usada para determinar el % de rendimiento es:
% de rendimiento = (etanol en la muestra/etanol en el control) x 100 45 Tabla 37. Concentracion de etanol y % de rendimiento usando Saccharomyces
24 horas 30 horas 36 horas
N° de muestra
Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento
P132
4,0 140 5,2 127 3,26 176
P132-10
4,2 147 5,1 125 3,86 209
P132-100
4,3 149 5,6 136 3,47 187
A132
5,5 191 6,5 160 5,24 283
A132-10
1,9 67 6,3 153 5,54 299
A132-100
4,4 154 5,6 137 4,04 218
G132
5,3 186 6,0 146 3,99 215
G132-10
5,2 180 6,4 156 4,63 250
G132-100
5,5 191 6,3 155 4,60 248
WS132
4,8 168 6,3 155 4,51 244
WS132-10
4,9 172 6,0 146 4,55 246
WS132-100
4,9 170 5,7 140 4,71 254
Control
2,9 100 4,1 100 1,85 100
Tabla 38. Concentracion de etanol y % de rendimiento usando Pichia stipitis
24 horas 36 horas 48 horas
N° de muestra
Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento
P132
2,8 130 3,4 188 8,1 176
P132-10
7,3 344 11,9 655 15,8 342
P132-100
5,2 247 8,6 472 13,3 288
A132
12,2 575 14,7 812 14,9 324
A132-10
15,1 710 18,7 1033 26,0 565
A132-100
10,9 514 16,7 923 22,2 483
G132
8,0 375 12,9 713 13,3 288
G132-10
10,1 476 16,0 884 22,3 485
G132-100
8,6 406 15,2 837 21,6 470
WS132
9,8 460 14,9 820 17,9 389
WS132-10
7,8 370 16,1 890 19,3 418
NS132-100
9,1 429 15,0 829 15,1 328
Muestra A*
13,2 156 19,0 166 20,6 160
Control
2,1 100 1,8 100 4,6 100
5
Las muestras en negrita fueron los mas altos productores de etanol, sobre 20 g/l y similares a las concentraciones en hidrolizados de madera (H.K. Sreenath and T.W. Jeffries Bioresource Technology 72 (2000) 253-260).
* Analizadas en el experimento de matraz de agitacion posterior.
10 Tabla 39. Concentracion de etanol y % de rendimiento usando Zymomonas mobilis
24 horas 30 horas 36 horas
N° de muestra
Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento Concentracion de etanol (g/l) % de rendimiento
P132
7,5 85 6,8 84 7,5 93
P132-10
7,5 85 4,8 59 6,8 84
P132-100
7,3 83 6,2 77 7,1 88
A132
9,6 109 8,3 103 9,1 112
A132-10
9,2 105 8,4 105 8,8 109
A132-100
8,2 93 7,6 94 7,6 93
WS132
7,9 89 7,1 88 7,7 94
WS132-10
8,2 93 6,8 85 7,3 90
NS132-100
8,7 98 6,9 86 8,3 102
G132
8,7 99 7,1 88 8,1 99
G132-10
7,8 88 7,0 88 7,3 90
G132-100
8,6 98 7,8 98 8,3 102
Control
8,8 100 8,0 100 8,1 100
Resultados del analisis de concentracion de celulas
15 El % de celulas se uso para comparar cada muestra con el control para cada organismo (tablas 40-42). Sin embargo, el % de celulas no se puede usar para comparar entre cepas. Cuando se comparan cepas, debena usarse la concentracion total de celulas. Cuando se analizan los datos un % de rendimiento menor de 70% puede indicar toxicidad cuando va acompanado de una concentracion baja de etanol. La ecuacion usada para determinar el % de rendimiento es:
% celulas = (numero de celulas en la muestra/numero de celulas de control) x 100
Tabla 40. Resultados del analisis de concentracion celular para Saccharomyces cerevisiae
24 horas 36 horas
N° de muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas
P132
1,99 166 2,51 83
P132-10
2,51 209 1,91 63
P132-100
1,35 113 1,99 66
A132
3,80 316 2,59 85
A132-10
1,73 144 3,90 129
A132-100
3,98 331 2,51 83
G132
2,14 178 3,12 103
G132-10
2,33 194 2,59 85
G132-100
3,57 298 2,66 88
WS132
4,10 341 2,66 88
WS132-10
2,63 219 2,81 93
WS132-100
2,29 191 2,40 79
Control
1,20 100 3,03 100
5
Tabla 41. Resultados del analisis de concentracion celular para Pichia stipitis
24 horas 48 horas
N° de muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas
P132
16,4 108 20,3 87
P132-10
11,5 76 9,5 41
P132-100
6,5 43 17,8 76
A132
7,1 47 10,2 44
A132-10
12,7 84 9,3 40
A132-100
11,8 78 18,3 78
G132
4,5 30 4,8 21
G132-10
22,8 151 9,8 42
G132-100
10,1 67 21,7 93
WS132
17,6 117 8,2 35
WS132-10
5,3 35 10,8 46
WS132-100
9,3 62 10,7 46
Control
15,1 100 23,4 100
10
Tabla 42. Resultados del analisis de concentracion celular para Zymomonas mobilis
24 horas 36 horas
N° de muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas Concentracion de celulas (x 108/ml) % celulas
P132
7,08 86 2,97 66
P132-10
21,80 264 4,37 98
P132-100
4,50 54 3,35 75
A132
6,95 84 1,99 44
A132-10
6,13 74 4,05 91
A132-100
9,60 116 4,20 94
G132
7,48 90 3,84 86
G132-10
14,75 178 2,89 65
G132-100
6,00 72 2,55 57
WS132
9,70 117 4,55 102
WS132-10
13,20 160 4,32 97
WS132-100
5,15 62 2,89 65
Control
8,27 100 4,47 100
Ejemplo 28 - Fermentacion en matraces agitados de muestras de celulosa usando P. stipitis
5 Resumen
Se ensayaron 13 muestras para la produccion de etanol en cultivo de P. stipitis sin azucar anadido. Se ensayaron en presencia y ausencia de celulasa (complejo enzimatico Accellerase 1000®, Genencor). El equipamiento y los reactivos usados para el experimento se citan a continuacion en las tablas 43-45.
10
Tabla 43. Equipamiento y frecuencia de mantenimiento
Equipo
Fabricante Frecuencia de mantenimiento
Agitadores (2)
B. Braun Biotech, Certomat BS-1 Trimestral
Espectrofotometro
Unicam, UV300 Semestral
YSI Biochem Analyzer
Interscience, YSI Mensual
Tabla 44. Componentes de YSI usados en el estudio de matraz de agitacion
15
Componente
N° catalogo N° lote
Membrana de etanol YSI
2786 07L100153
Estandar de etanol YSI (3,2 g/l)
2790 012711040
Tampon de etanol YSI
2787 07M1000053, 07100215
Tabla 45. Productos quimicos usados para la fermentacion en matraz de agitacion
Componente de medio
Fabricante N° referencia N° lote
Urea
ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
Base de nitrogeno de levadura
Becton Dickinson 291940 7128171
Peptona
Becton Dickinson 211677 4303198
Caldo YM
Becton Dickinson 271120 6278265
Complejo enzimatico Accellerase®
Genencor Accellerase® 1000 1600794133
Xilosa
BioChemika 95731 1304473 51707231
Glucosa
Sigma G-5400 107H0245
20 Se preparo un cultivo inclinado de P. stipitis NRRL Y-7124 a partir de cultivo liofilizado rehidratado de ARS Culture Collection. Una parte del material inclinado se sembro por estnas en caldo para hongos y levaduras (YM) + agar 20 g/l (pH 5,0) y se incubo a 30 °C durante 2 dfas. Un matraz Erlenmeyer de 250 ml que contema 100 ml de medio (glucosa 40 g/l, base nitrogenada de levadura 1,7 g/l, urea 2,27 g/l, peptona 6,56 g/l, xilosa 40 g/l, pH 5,0) se inoculo con una colonia y se incubo durante 24 horas a 25 °C y 100 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una 25 muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO de 6,79 y tincion de Gram transparente para inocular todos los matraces de ensayo.
Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 250 ml que conteman 100 ml de medio (base nitrogenada 30 de levadura 1,7 g/l, urea 2,27 g/l, peptona 6,56 g/l). No se anadio azucar (glucosa o xilosa) al medio de crecimiento del matraz. Todos los matraces se trataron en autoclave vados a 121 °C y 15 psi y se anadio medio filtrado esterilizado (filtro de 0,22 pm) a los matraces antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras y la esterilizacion por filtracion no es adecuada para la esterilizacion de solidos. Las muestras de ensayo (listadas en la 35 tabla 46) se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces que conteman la muestra P132-100 requenan la adicion de 0,4 ml de NaOH 1 M para llevar el pH a 5,0. Los matraces se incubaron a 30 °C y 150 rpm durante 96 horas.
Un conjunto de matraces duplicados por materia prima conteman el complejo enzimatico Accellerase® (1,25 ml por matraz, la dosis mas alta recomendada es 0,25 ml por gramo de biomasa, Genencor) para intentar la sacarificacion y fermentacion simultaneas (SSF).
5 El otro conjunto de matraces duplicados no contema el complejo enzimatico Accellerase®. Se analizo un total de 52 matraces.
Tambien se analizaron 6 matraces de control. Los matraces de control positivo conteman celulosa en polvo SolkaFloc 200 NF (lote n° UA158072, International Fiber Corporation) en una concentracion de 2,5 gramos por 10 matraz de 100 ml (25 gramos por litro) con o sin adicion del complejo enzimatico Accellerase®. Ademas, tambien se uso un control que contema solo azucares (glucosa y xilosa).
Tabla 46. La cantidad de cada carga de alimentacion agregada a cada 15 matraz
Numero de Xyleco
Cantidad agregada al matraz (g/100 ml)
P132
2,5
P132-10
2,5
P132-100
2,5
A132
5
A132-10
5
A132-100
5
G132
5
G132-10
5
G132-100
5
WS132
5
WS132-10
5
WS132-100
5
Muestra A
5
15
Analisis
Se analizo la concentracion de etanol de las muestras (tablas 47, 48 y 49) usando el analizador bioqmmico YSI basado en el ensayo de la alcohol deshidrogenasa (YSI, Interscience). Las muestras se centrifugaron a 14.000 rpm 20 durante 20 minutos y el sobrenadante se conservo a -20 °C. Las muestras se diluyeron entre 0- 3,2 g/l de etanol antes del analisis. Se analizo un patron de etanol de 2,0 g/l aproximadamente cada 30 muestras para asegurar que se mantema la integridad de la membrana durante el analisis.
Resultados
25
Tabla 47. Resultados de los matraces de control
Control
Concentracion de etanol (g/l)
24 horas 36 horas 48 horas 96 horas
Que contiene glucosa, no celulosa, no enzima
13,20 19,00 20,60 21,60
Que contiene celulosa cristalina (Solka Floc), no azucar, no enzima
0,00 0,00 0,00 0,00
Que contiene celulosa cristalina (Solka Floc) a 25 g/l, no azucar, Accellerase® agregada
6,56 7,88 9,80 8,65
Tabla 48. Resultados de los matraces de agitacion sin complejo enzimatico Accellerase® 1000
Numero de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
24 horas 36 horas 48 horas 96 horas
P132
0,09 0,00 0,00 0,12
P132-10
0,02 0,01 0,02 0,17
P132-100
0,09 0,01 0,00 0,02
A132
1,74 1,94 2,59 3,70
A132-10
1,82 2,36 2,30 2,96
A132-100
0,30 0,73 1,31 2,38
G132
0,40 0,09 0,24 0,42
G132-10
0,69 0,42 0,22 0,24
G132-100
0,19 0,05 0,05 0,21
WS132
0,47 0,50 0,68 0,65
WS132-10
0,47 0,49 0,34 0,92
WS132-100
0,14 0,07 0,08 0,22
Muestra A
1,88 1,89 2,30 3,28
Tabla 49. Resultados de los matraces de agitacion con complejo enzimatico Accellerase® 1000
Numero de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
24 horas 36 horas 48 horas 96 horas
P132
7,04 8,72 9,30 5,80
P132-10
4,22 4,48 4,49 1,24
P132-100
3,18 4,28 4,70 3,35
A132
2,79 2,91 2,03 4,30
A132-10
3,31 1,62 2,11 2,71
A132-100
2,06 1,92 1,02 1,47
G132
0,87 0,40 0,32 0,44
G132-10
1,38 1,04 0,63 0,07
G132-100
2,21 2,56 2,34 0,12
WS132
1,59 1,47 1,07 0,99
WS132-10
1,92 1,18 0,73 0,23
WS132-100
2,90 3,69 3,39 0,27
Muestra A
2,21 2,35 3,39 2,98
5 Ejemplo 29 - Ensayo de celulasa
Resumen
Se ensayo en 13 muestras la susceptibilidad a la celulasa usando una celulasa industrial (Accellerase® 1000, 10 Genencor) en condiciones optimas de temperatura y pH.
Protocolo
El protocolo es una modificacion del NREL "Laboratory Analytical Procedure LAP-009 Enzymatic Saccharification of 15 Lignocellulosic Biomass". Se anadio una muestra de material a 10 ml de tampon de citrato sodico 0,1 M (pH 4,8) y tetraciclina 40 mg/ml (para prevenir el crecimiento de bacterias) en un tubo de 50 ml por duplicado. La cantidad de muestra anadida a cada tubo se cita en la tabla 50. Algunas muestras eran diffciles de mezclar (P132, P132-10, P132-100), por lo tanto se anadieron a una menor concentracion. Tambien se incluyeron un control positivo de 0,2 gramos de celulosa en polvo SolkaFloc 200 NF (lote n° UA158072, International Fiber Corporation) y un control 20 negativo (sin muestra). Se anadio a los tubos suficiente agua de osmosis inversa (RO) para llevar el volumen a un total de 20 ml. Tanto el tampon de citrato sodico como el agua se calentaron a 50 °C antes de usar.
La enzima Accellerase® 1000 se anadio a cada tubo con una dosis de 0,25 ml por gramo de biomasa (la dosis mas alta recomendada por Genencor). Los tubos se incubaron en un angulo de 45° a 150 rpm y 50 °C (recomendado por 25 Genencor) durante 72 horas. Se tomaron muestras a 0, 3, 6, 9, 12, 18, 24, 48 y 72 horas (tablas 52 y 53), se centrifugaron a 14.000 rpm durante 20 minutos y el sobrenadante se congelo a -20 °C. La concentracion de glucosa en las muestras se analizo usando el analizador YSI Biochem (Interscience) en las condiciones descritas en la tabla 51. Se preparo un patron de glucosa de 2,5 g/l disolviendo 2,500 gramos de glucosa (Sigma n° de cat. G7528-5KG,
Lote n°: 107H0245) en agua destilada. Una vez disuelta, el volumen total se llevo a 1 litro con agua destilada en un matraz aforado. El patron se preparo de nuevo cada semana y se almaceno a 4 °C.
Tabla 50. Cantidad de cada muestra agregada
5
Numero de Xyleco
Cantidad agregada al tubo (g/20 ml)
P132
0,5
P132-10
0,5
P132-100
0,5
A132
0,75
A132-10
0,75
A132-100
0,75
G132
0,75
G132-10
0,75
G132-100
0,75
WS132
0,75
WS 132-10
0,75
WS132-100
0,75
Muestra A
0,75
SolkaFloc 200NF (Control)
0,2
Control negativo
0
Tabla 51. Componentes de YSI usados en el estudio de matraz de agitacion
Componente
N° catalogo N° lote
Membrana de glucosa YSI
2365 07D100124
Tampon de glucosa YSI
2357 014614A
10 Resultados
Tabla 52. Resultados del ensayo de celulasa
Numero de muestra
Concentracion de glucosa (mg/ml) en el momento de la incubacion (horas)
0 3 6 9 12 18 24 48 72
P132
0,59 4,19 7,00 8,72 9,70 10,95 12,19 15,10 15,65
P132-10
0,36 3,37 5,08 6,39 6,98 7,51 8,99 11,25 11,65
P132-100
0,91 3,86 5,67 7,31 8,08 9,47 10,70 12,70 13,80
A132
0,39 1,51 1,92 2,40 2,64 3,04 3,30 3,90 4,06
A132-10
0,42 1,80 2,27 2,63 2,86 3,16 3,43 4,02 4,14
A132-100
0,46 2,09 2,72 3,16 3,43 3,78 4,09 4,84 5,26
G132
0,40 1,16 1,35 1,52 1,60 1,67 1,85 2,10 2,21
G132-10
0,34 1,34 1,64 1,95 2,03 2,09 2,36 2,77 3,02
G132-100
0,61 1,84 2,32 2,89 3,14 3,52 3,97 4,81 5,44
WS132
0,35 1,48 1,81 2,14 2,26 2,50 2,70 3,18 3,26
WS132-10
0,44 1,77 2,22 2,60 2,76 2,61 3,15 3,62 3,82
WS132- 100
0,70 2,76 3,63 4,59 4,78 5,29 5,96 6,99 7,43
Muestra A
0,42 1,09 1,34 1,55 1,69 1,66 2,17 2,96 3,71
Control negativo (no muestra)
0,03 0,03 0,01 0,01 0,02 0,01 0,02 0,02 0,02
Control
0,17 2,38 3,65 4,71 5,25 5,98 7,19 9,26 9,86
positivo (SolkaFloc)
Grafica 1- Concentracion de glucosa (4 mejores productores)
imagen8
5 La cantidad de celulosa digerida en el tubo se calculo de la siguiente manera:
g/mL de glucosa x 20 ml (volumen de muestra) x 0,9 (para corregir la molecula de agua agregada despues de
la hidrolisis de celulosa)
10 El porcentaje de la muestra total liberada como glucosa (en la tabla 53 siguiente) se calculo como sigue:
g de celulosa digerida/g de muestra agregada (vease la tabla 5 para detalles) * 100
Tabla 53. Resultados del ensayo de celulasa
15
Numero de muestra
Porcentaje de muestra total liberada como glucosa (%) en el tiempo de incubacion (h)
0 3 6 9 12 18 24 48 72
P132
2,02 14,98 25,16 31,36 34,85 39,38 43,81 54,29 56,27
P132-10
1,19 12,02 18,25 22,97 25,06 27,00 32,29 40,43 41,87
P132-100
3,17 13,79 20,38 26,28 29,02 34,06 38,45 45,65 49,61
A132
0,86 3,55 4,58 5,74 6,29 7,27 7,87 9,31 9,70
A132-10
0,94 4,25 5,42 6,29 6,82 7,56 8,18 9,60 9,89
A132-100
1,03 4,94 6,50 7,56 8,18 9,05 9,77 11,57 12,58
G132
0,89 2,71 3,22 3,62 3,79 3,98 4,39 4,99 5,26
G132-10
0,74 3,14 3,91 4,66 4,82 4,99 5,62 6,60 7,20
G132-100
1,39 4,34 5,54 6,91 7,49 8,42 9,48 11,50 13,01
WS132
0,77 3,48 4,32 5,11 5,38 5,98 6,43 7,58 7,78
WS132-10
0,98 4,18 5,30 6,22 6,58 6,24 7,51 8,64 9,12
WS132- 100
1,61 6,55 8,69 10,99 11,42 12,67 14,26 16,73 17,78
Muestra A
0,94 2,54 3,19 3,70 4,01 3,96 5,16 7,06 8,86
Control positivo (SolkaFloc)
1,29 21,15 32,72 42,30 47,07 53,73 64,53 83,16 88,56
Ejemplo 30- Fermentacion en matraz de agitacion usando Pichia stipitis
Resumen
5 Se llevo a cabo la fermentacion en matraces agitados usando Pichia stipitis usando cuatro materiales celulosicos que teman el mayor % de rendimiento de la tabla 36.
Protocolo
10 Los experimentos se llevaron a cabo bajo los parametros senalados en las tablas 54-56.
Tabla 54. Equipamiento y frecuencia de mantenimiento
Equipo
Frabricante, nombre Frecuencia de mantenimiento
Agitadores (2)
B. Braun Biotech, Certomat BS-1 Trimestral
Espectrofotometro
Unicam, UV300 Semestral
YSI Biochem Analyzer
Interscience, YSI Mensual
15 Tabla 55. Componentes de YSI usados en el estudio de matraz de agitacion
Componente
N° referencia N° lote
Membrana de etanol YSI
2786 07M100361
Estandar de etanol YSI (3,2 g/l)
2790 1271040
Tampon de etanol YSI
2787 07J100215
Tabla 56. Productos quimicos usados para la fermentacion en matraz de agitacion
Componente de medio
Fabricante N° referencia N° lote
Urea
ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
Base de nitrogeno de levadura
Becton Dickinson 291940 7128171
Peptona
Becton Dickinson 211677 4303198
Caldo YM
Becton Dickinson 271120 6278265
Xilosa
Alfa Aesar A10643 10130919
Glucosa
Fisher Scientific BP350-1 030064
20
Desarrollo de la siembra
Para los siguientes experimentos en matraces agitados, se prepararon los matraces de siembra usando el siguiente procedimiento.
25
Se preparo un banco de celulas de trabajo de P. stipitis NRRL Y-7124 a partir de cultivo liofilizado rehidratado de ARS Culture Collection. Crioviales que conteman cultivo de P. stipitis en glicerol al 15% en v/v se almacenaron a -75 °C. Una parte del banco de celulas de trabajo congelado se sembro por estnas en caldo para hongos y levaduras (YM) + agar 20 g/l (pH 5,0) y se incubo a 30 °C durante 2 dfas. Las placas se mantuvieron durante 2 dfas a 4 °C 30 antes de usar. Un matraz Erlenmeyer de 250 ml que contema 100 ml de medio (glucosa 40 g/l, base nitrogenada de levadura 1,7 g/l, urea 2,27 g/l, peptona 6,56 g/l, xilosa 40 g/l, pH 5,0) se inoculo con una colonia y se incubo durante 24 horas a 25 °C y 100 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO entre 4 y 8 y con una tincion de Gram transparente 35 para inocular todos los matraces de ensayo.
Se llevaron a cabo tres experimentos usando las muestras A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100. En el experimento n° 1 se ensayo la concentracion de etanol en estas cuatro muestras en concentraciones variables de xilosa y con concentraciones constantes de glucosa. En el experimento n° 2 se ensayo la concentracion de etanol en 40 estas cuatro muestras con el doble de concentracion de materia prima que la usada en los experimentos de la tabla 36. Finalmente, en el experimento n° 3 se ensayo la concentracion de etanol en estas cuatro muestras mientras se variaba tanto la concentracion de xilosa como la de glucosa, simultaneamente.
Se ensayaron 4 muestras celulosicas (A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100) en concentraciones variables de xilosa citadas en la siguiente tabla 57.
Tabla 57. Composicion del medio de los matraces del experimento n° 1
Tratamiento
Concentracion de xilosa (g/l) Concentracion de glucosa (g/l)
100 % xilosa
40,0 40,0
50 % xilosa
20,0 40,0
25 % xilosa
10,0 40,0
10 % xilosa
4,0 40,0
0 % xilosa
0,0 40,0
Los recipientes de ensayo (un total de 40 matraces Erlenmeyer de 250 ml) conteman 100 ml de medio. Se 10 prepararon 5 tipos diferentes de medio con la cantidad de xilosa y glucosa indicadas en la tabla 57. Ademas, el medio contema base nitrogenada de levadura 1,7 g/l (Becton Dickinson n° 291940), urea 2,27 g/l (ScholAR Chemistry n° 9472706) y peptona 6,56 g/l (Becton Dickinson n° 211677). Todos los matraces se trataron en autoclave vados a 121 °C y 15 psi y se anadio medio esterilizado por filtracion (filtro de 0,22 pm) a los matraces antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los matraces se mantuvieron a temperatura ambiente durante 4 15 dfas y se inspecciono la contaminacion (turbidez) antes de usar. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras y la esterilizacion por filtracion no es adecuada para la esterilizacion de solidos. Las muestras de ensayo (A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100 a 5 g por 100 mL) se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del 20 matraz de siembra. Los matraces se incubaron a 30 °C y 150 rpm durante 72 horas.
Desgraciadamente, un matraz (muestra A132-100 con 100% de xilosa) se rompio durante el ensayo. Por lo tanto, todos los resultados pasadas las 24 horas de incubacion se describen como un solo matraz. Despues de 72 horas de incubacion, se anadio 100% de la cantidad original del material celulosico (5,0 g) a los matraces de xilosa al 25 100% (7 matraces en total, un matraz que contema muestra A-132-100 se rompio) y se incubaron como antes durante 48 horas adicionales.
Tabla 58. Adicion de materia prima a matraces con xilosa al 100% en el tiempo de incubacion de 72 horas
Materia prima
Agregado a 72 horas (gramos)
A132-10
5
A132-100
5
G132-10
5
G132-100
5
30
Analisis
Se tomaron muestras de los 40 matraces de ensayos en los tiempos de incubacion de 0, 6, 12, 24, 36, 48 y 72 horas. Ademas, se tomaron muestras a las 24 y 48 horas despues de adicion de la segunda cantidad de materia 35 prima en los matraces de xilosa al 100% (vease la tabla 58).
Se analizo en un total de 292 muestras la concentracion de etanol usando un analizador bioqmmico YSI basado en el ensayo de la alcohol deshidrogenasa (YSI, Interscience). Las muestras se centrifugaron a 14.000 rpm durante 20 minutos y el sobrenadante se conservo a -20 °C. Las muestras se diluyeron a entre 0-3,2 g/l de etanol antes del 40 analisis. Se analizo un patron de etanol 2,0 g/l aproximadamente cada 30 muestras para asegurar que se mantema la integridad de la membrana.
Se analizo en un total de 47 muestras el recuento celular. Las muestras se tomaron a las 72 horas de incubacion y 48 horas despues de la adicion de mas material celulosico. Las muestras diluidas de forma adecuada se mezclaron 45 con azul de Trypan al 0,05% y se cargaron en un hemocitometro Neubauer. Las celulas se contaron bajo 40 X aumentos.
Los recipientes de ensayo (un total de 8 matraces Erlenmeyer de 250 ml) conteman 100 ml de medio. El medio contema glucosa 40 g/l, xilosa 40 g/l, base nitrogenada de levadura 1,7 g/l (Becton Dickinson n° 291940), urea 2,27 5 g/l (ScholAR Chemistry n° 9472706), y peptona 6,56 g/l (Becton Dickinson n° 211677). Los matraces se prepararon como en el experimento n° 1. Las muestras de ensayo (A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100, con 10 g por 100 ml) se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron a 30 °C y 150 rpm durante 72 horas.
10
Analisis
Las muestras eran de los 8 matraces de ensayo a un tiempo de incubacion de 0, 6, 12, 24, 36, 48 y 72 horas. El analisis de etanol de las 56 muestras se llevo a cabo como para el experimento n° 1 y se dan en la tabla 59. Se llevo 15 a cabo un recuento celular en la muestra de 72 horas como para el experimento n° 1 y se presenta en la tabla 60.
Tabla 59. Concentracion de etanol en los matraces con doble de materia prima
Tiempo de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
A132-10 A132-100 G132-10 G132-100
0
1,38 0,26 0,12 0,11
6
1,75 0,21 0,20 0,10
12
2,16 0,73 0,69 0,31
24
19,05 15,35 16,55 12,60
36
21,75 17,55 18,00 15,30
48
26,35 23,95 24,65 20,65
72
26,95 27,35 28,90 27,40
20 Tabla 60. Concentracion celular a las 72 horas de tiempo de incubacion en matraces con doble de materia prima
Muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml)
A132-10
4,06
A132-100
5,37
G132-10
5,18
G132-100
4,47
Experimento n° 3- Concentraciones variadas de xilosa y glucosa 25
Se ensayaron 4 muestras celulosicas (A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100) en concentraciones variables de xilosa y glucosa citadas en la siguiente tabla 60.
Tabla 61. Composicion del medio de los matraces del experimento n° 3
30
Tratamiento
Concentracion de xilosa (g/l) Concentracion de glucosa (g/l)
50 % azucar
20,0 20,0
25 % azucar
10,0 10,0
10 % azucar
4,0 4,0
0 % azucar
0,0 0
Los recipientes de ensayo (un total de 32 matraces Erlenmeyer de 250 ml) conteman 100 ml de medio. Se prepararon 4 tipos diferentes de medio con la cantidad de xilosa y glucosa indicada en la tabla 61. Ademas, el medio contema base nitrogenada de levadura 1,7 g/l (Becton Dickinson n° 291940), urea 2,27 g/l (ScholAR Chemistry n° 35 9472706), y peptona 6,56 g/l (Becton Dickinson n° 211677). Los matraces se prepararon como en el experimento n° 1. Las muestras de ensayo (A132-10, A132-100, G132-10 y G132-100) se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron a 30 °C y 150 rpm durante 72 horas.
Analisis
Las muestras se tomaron de los 32 matraces de ensayo en un tiempo de incubacion de 0, 6, 12, 24, 36, 48 y 72 5 horas (vease las tablas 62-65). Se analizo en un total de 224 muestras la concentracion de etanol usando un analizador bioqmmico YSI basado en el ensayo de la alcohol deshidrogenasa (YSI, Interscience). Las muestras se centrifugaron a 14.000 rpm durante 20 minutos y el sobrenadante se conservo a -20 °C. Cabe destacar, que algunas de las muestras requirieron centrifugacion y luego filtracion a traves de un filtro jeringa de 0,45 pm Las muestras se diluyeron a entre 0-3,2 g/l de etanol antes del analisis. Se analizo un patron de etanol de 2,0 g/l aproximadamente 10 cada 30 muestras para asegurar que se mantema la integridad de la membrana YSI.
Tabla 62. Muestra resultados etanol A132-10
Tiempo de muestra
Concentracion de etanol (q/l)
0 % xilosa 10 % xilosa 25 % xilosa 50 % xilosa 100 % xilosa 0 % azucares* 10 % azucares* 25 % azucares* 50 % azucares*
0
0,43 0,42 0,42 0,41 0,39 0,53 0,57 0,56 0,56
6
1,16 1,16 1,15 1,16 1,12 0,93 0,91 0,83 0,88
12
1,72 1,86 1,71 1,79 1,90 1,21 2,13 2,47 2,32
24
15,55 15,90 17,05 17,05 16,95 1,02 4,88 9,77 13,35
36
17,10 17,40 20,25 21,35 20,25 1,29 4,27 9,99 17,55
48
16,40 17,05 19,70 23,00 26,80 1,47 3,03 8,33 16,60
72
15,15 15,55 19,25 21,85 28,00 1,14 1,52 5,08 14,20
24 horas tras la adicion
23,15
48 horas tras la adicion
21,55
15 * Analisis del experimento n° 3
Tabla 63. Muestra resultados etanol A132-100
Tiempo de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
0 % xilosa 10 % xilosa 25 % xilosa 50 % xilosa 100 % xilosa 0 % azucares* 10 % azucares* 25 % azucares* 50 % azucares*
0
0,11 0,09 0,17 0,20 0,18 0,12 0,14 0,09 0,13
6
0,13 0,15 0,15 0,15 0,14 0,10 0,11 0,11 0,13
12
0,88 1,00 1,18 1,25 0,89 0,18 1,58 1,55 1,57
24
15,90 15,70 16,50 16,05 14,60** 0,18 3,33 7,99 11,15
36
16,00 17,90 16,90 19,45 17,80** 0,21 2,85 8,37 16,10
48
15,75 16,70 19,30 22,15 27,00** 0,54 1,47 7,54 15,60
72
14,85 15,35 18,55 21,30 28,50** 0,78 0,51 4,47 12,90
24 horas tras la adicion
24,80**
48 horas tras la adicion
23,60**
* Analisis del experimento n° 3
** Todos los resultados estan basados en el analisis de un matraz.
Tabla 64. Muestra resultados etanol G132-10
5
Tiempo de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
0 % xilosa 10 % xilosa 25 % xilosa 50 % xilosa 100 % xilosa 0 % azucares* 10 % azucares* 25 % azucares* 50 % azucares*
0
0,09 0,08 0,08 0,08 0,08 0,05 0,05 0,05 0,06
6
0,14 0,13 0,14 0,14 0,13 0,11 0,12 0,11 0,12
12
1,01 0,96 1,00 0,87 1,14 0,48 1,60 1,79 1,71
24
15,90 15,70 16,30 16,05 14,60 0,13 3,96 8,54 11,10
36
15,10 17,45 16,80 18,75 22,15 0,09 3,02 8,69 16,55
48
15,95 16,90 19,25 21,10 24,00 0,07 2,05 8,10 16,50
72
13,50 15,80 18,55 21,25 26,55 0,09 0,11 5,55 14,15
24 horas tras la adicion
24,95
48 horas tras la adicion
24,20
* Analisis del experimento n° 3
Tabla 65. Muestra resultados etanol G132-100
10
Tiempo de muestra
Concentracion de etanol (g/l)
0 % xilosa 10 % p/v xilosa 25 % p/v xilosa 50 % p/v xilosa 100 % p/v xilosa 0 % azucares* 10 % azucares* 25 % azucares* 50 % azucar*
0
0,04 0,04 0,04 0,04 0,05 0,05 0,05 0,05 0,06
6
0,07 0,07 0,08 0,08 0,07 0,04 0,05 0,05 0,06
12
0,60 0,56 0,67 0,58 0,71 0,13 1,37 1,48 1,44
24
13,05 14,45 14,90 13,95 12,05 0,03 3,67 7,62 10,55
36
15,10 17,10 18,25 18,20 19,25 0,01 3,09 8,73 16,10
48
14,40 17,00 19,35 22,55 24,45 0,01 1,91 7,76 15,85
72
14,70 15,40 18,45 22,10 27,55 0,03 0,01 5,08 14,30
24 horas tras la adicion
25,20
48 horas tras la adicion
24,60
* Analisis del experimento n° 3
15 Las muestras se tomaron a las 72 horas de incubacion para los recuentos celulares (vease las tablas 66-67). Las muestras diluidas de forma adecuada se mezclaron con azul de Trypan al 0,05% y se cargaron en un hemocitometro Neubauer. Las celulas se contaron bajo 40 X aumentos.
Resultados
Un matraz de siembra se uso para inocular todos los matraces de ensayo de los experimented n° 1 y n° 2. La densidad optica (600 nm) del matraz de siembra medida era 5,14 y la concentracion celular era 4,65 x 108 celulas/ml 5 (tablas 65-66). Por lo tanto, la concentracion inicial de las celulas en los matraces de ensayo era aproximadamente 4,65 x 106 celulas/ml.
Un segundo matraz de siembra se uso para inocular los matraces del experimento n° 3. La densidad optica (600 nm) del matraz de siembra era 5,78 y la concentracion celular era 3,75 x 108 celulas/ml. Por lo tanto, la concentracion 10 inicial de las celulas en los matraces de ensayo era aproximadamente 3,75 x 106 celulas/ml.
Tabla 66. Recuentos celulares en el tiempo de incubacion de 72 horas
Muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml)
0 % xilosa 10 % xilosa 25 % xilosa 50 % xilosa 100 % xilosa 0 % azucar 10 % azucar 25 % azucar 50 % azucar
A132-10
0,37 0,63 3,72 4,92 4,05 0,26 0,22 0,26 1,54
A132- 100
0,99 1,07 0,99 0,78 1,97 0,03* 0,33 0,44 1,81
G132-10
0,95 4,50 2,67 2,67 3,82 0,01* 0,17 0,49 1,92
G132- 100
6,53 4,02 4,84 4,47 5,29 0,01* 0,33 0,89 2,22
15 *Las muestras estaban muy contaminadas despues de 72 horas de crecimiento. Esto se espera porque Pichia no creda bien sin azucar anadido, y los contaminantes (de las muestras no esteriles) son capaces de crecer mas que Pichia.
Tabla 67. Recuentos celulares en el tiempo de incubacion de 48 horas despues de adicion (100% de xilosa y 20 glucosa)
Muestra
Concentracion de celulas (x 108/ml)
A132-10
10,17
A132-100
3,38
G132-10
3,94
G132-100
6,53
Ejemplo 31 - Ensayo de toxicidad de muestras lignocelulosicas contra P. stipitis y S. cerevisiae
25 Resumen
Se analizo en 37 muestras la toxicidad contra dos cultivos productores de etanol, Saccharomyces cerevesiae y Pichia stipitis. En este estudio, se anadio glucosa a las muestras con el fin de distinguir entre desnutricion de los cultivos y la toxicidad de las muestras.
30
Tabla 68. Condiciones para analisis de toxicidad
Variable
Organismo
Saccharomyces cerevesiae ATCC 24858 Pichia stipitis NRRL Y-7124
Volumen de inoculacion (ml)
0,5-1 (objetivo 6-7 * 105 celulas/ml) 1 (objetivo 3-4 * 106 celulas/ml)
Repeticion de prueba
Matraces simples
Temperatura de incubacion (± 1 °C)
25 °C 25 °C
Velocidad de agitador (rpm)
200 125
Tipo de recipiente
Matraz Erlenmeyer 500 ml Matraz Erlenmeyer 250 ml
Volumen medio
100 ml 100 ml
Tiempo de incubacion total (horas)
72 72
Analisis de etanol (horas)
0, 6, 12, 24, 36, 48, 72 0, 6, 12, 24, 36, 48, 72
Recuentos de celulas (horas)
24, 72 24, 72
_________________________
0 horas 0 horas
Protocolo
Se cita en la tabla 68 un resumen del protocolo usado. Se indica una descripcion de los productos qmmicos usados 5 en el ensayo de toxicidad en la tabla 69. Se realizaron dos matraces de control (sin muestra anadida) para cada microorganismo para cada semana de ensayo. Se analizo un total de 82 matraces.
Durante los experimentos, no aparecio etanol ni celulas en los matraces de P. stipitis que conteman las muestras C, C-1e, C-5e, y C-10e en las primeras 24 horas de incubacion. Con el fin de confirmar los resultados, se repitio el 10 ensayo. El segundo ensayo confirmo algo de inhibicion del crecimiento de P. stipitis cuando las muestras C, C1E, C5E, y C10E se anadieron a los matraces.
Tabla 69. Productos qmmicos y materiales usados para analisis de toxicidad
Componente de medio
Fabricante N° referencia N° lote
Urea
ScholAR Chemistry 9472706 AD-7284-43
Base de nitrogeno de levadura
Becton Dickinson 291940 7128171
Peptona
Becton Dickinson 211677 4303198
Xilosa
Alfa Aesar A10643 10130919
Glucosa
Sigma G-5400 107H0245
Extracto de levadura
Becton Dickinson 288620 4026828
Caldo YM
Becton Dickinson 271120 6278265
15
Tabla 70. Componentes de YSI usados en el estudio de toxicidad
Componente
N° de catalogo
Membrana de etanol YSI
2786
Estandar de etanol YSI (3,2 g/l)
2790
Tampon de etanol YSI
2787
Muestras analfticas
20
Siete muestras de ensayo (todas con la designacion C) se molieron usando un molinillo de cafe para muestras pequenas. Las muestras se molieron hasta un tamano de partfculas uniforme (entre muestras) a simple vista. La muestra numero C-100e se molio facilmente a un tamano de partfculas pequeno.
25 Todas las muestras se anadieron a los matraces en una concentracion de 50 gramos por litro con la excepcion de las seis muestras P (25 gramos por litro). Estas muestras eran de color blanco a blanquecino y visualmente esponjosas y los matraces no se mezclaban adecuadamente (no hay suficiente lfquido libre) en la concentracion de 50 gramos por litro. Las muestras S se disolvieron facilmente y en el futuro se podnan anadir a los matraces en una concentracion mayor. Las muestras A y G se podnan anadir con 100 gramos por litro en el futuro.
30
Se llevaron a cabo ensayos usando los dos microorganismos como se describe a continuacion.
Saccharomyces cerevisiae ATCC 24858 (American Type Culture Collection)
35 Se preparo un banco de celulas de trabajo de S. cerevisiae ATCC 24858 a partir de un cultivo liofilizado rehidratado obtenido de la American Type Culture Collection. Crioviales que contienen cultivo de S. cerevisiae en glicerol al 15% en v/v se almacenan a -75 °C. Una parte del material del banco de trabajo congelado se sembrara en estnas sobre un caldo para hongos (YM) + agar 20 g/l (pH 5,0) y se incubara a 30 °C durante 2 dfas.
Erlenmeyer de 250 ml que contema 50 ml de medio (glucosa 20 g/l, extracto de levadura 3 g/l y peptona 5,0 g/l, pH 40 5,0) se inoculo con una colonia de la placa de YM y se incubo durante 24 horas a 25 °C y 200 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO de 915 y tincion de Gram transparente para inocular todos los matraces de ensayo. Despues de 23 horas de cultivo, el matraz de siembra tema una DO baja (5,14) y recuento celular (1,35 x 108 celulas/ml). Hay que
indicar que la colonia tomada de la placa de siembra era menor de la habitual. Por lo tanto, se anadieron 0,5 ml de material de siembra (contrariamente a lo planeado de 0,1 ml) a cada recipiente de ensayo.
Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 500 ml que conteman 100 ml de medio esteril descrito 5 antes. Todos los matraces se trataron en autoclave a 121 °C y 15 psi antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras. Las muestras de ensayo se anadieron en el momento de la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadieron a cada matraz 0,5-1,0 ml (0,5-1,0% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron como se ha descrito antes durante 10 72 horas.
Pichia stipitis (ARS Culture Collection)
Se preparo un banco de celulas de trabajo de P. stipitis NRRL Y-7124 a partir de cultivo liofilizado rehidratado de 15 ARS Culture Collection. Crioviales que contienen cultivo de P. stipitis en glicerol al 15% en v/v se almacenan a -75 °C. Una parte del banco de celulas de trabajo congelado se sembro por estnas en caldo para hongos y levaduras (YM) + agar 20 g/l (pH 5,0) y se incubo a 30 °C durante 2 dfas. Las placas se mantuvieron durante 5 dfas a 4 °C antes de usar. Un matraz Erlenmeyer de 250 ml que contema 100 ml de medio (glucosa 40 g/l, base nitrogenada de levadura 1,7 g/l, urea 2,27 g/l, peptona 6,56 g/l, xilosa 40 g/l, pH 5,0) se inoculo con una colonia y se incubo durante 20 24 horas a 25 °C y 125 rpm. Despues de 23 horas de crecimiento, se tomo una muestra y se analizo la densidad optica (600 nm en un espectrofotometro de UV) y pureza (tincion de Gram). Basandose en estos resultados, se escogio un matraz (llamado el matraz de siembra) con una DO de 5-9 y con una tincion de Gram transparente para inocular todos los matraces de ensayo.
25 Los recipientes de ensayo eran matraces Erlenmeyer de 250 ml que conteman 100 ml de medio esteril descrito antes. Todos los matraces se trataron en autoclave vados a 121 °C y 15 psi y se anadio medio esterilizado por filtracion (filtro de 0,22 pm) a los matraces antes de la adicion de los materiales de ensayo. Los materiales de ensayo no se esterilizaron, ya que el tratamiento en autoclave cambiara el contenido de las muestras y la esterilizacion por filtracion no es adecuada para la esterilizacion de solidos. Las muestras de ensayo se anadieron en el momento de 30 la inoculacion (en lugar de antes de) para reducir la posibilidad de contaminacion. Ademas de las muestras de ensayo, se anadio a cada matraz 1 ml (1% en v/v) de material del matraz de siembra. Los matraces se incubaron como se ha descrito antes durante 72 horas.
Analisis
35
Se tomaron muestras de los matraces de siembra justo antes de inoculacion y de cada matraz de muestra a las 24 y 72 horas y se analizo la concentracion celular usando recuentos directos. Muestras adecuadamente diluidas de S. cerevisiae y P. stipitis se mezclaron con azul de Trypan al 0,05%, se cargaron en un hemocitometro Neubauer. Las celulas se contaron bajo 40 X aumentos.
40
Se tomaron muestras de cada matraz a las 0, 6, 12, 24, 36, 48 y 72 horas y se analizo la concentracion de etanol usando un analizador bioqmmico YSI basado en el ensayo de la alcohol deshidrogenasa (YSI, Interscience). Las muestras se centrifugaron a 14.000 rpm durante 20 minutos y el sobrenadante se conservo a -20 °C. Las muestras se diluyeron entre 0- 3,2 g/l de etanol antes del analisis. Se analizo un patron de etanol de 2,0 g/l aproximadamente 45 cada 30 muestras para asegurar que se mantema la integridad de la membrana durante el analisis.
Calculos
Se usaron los siguientes calculos para comparar los recuentos celulares y la concentracion de etanol con los 50 matraces de control.
% de rendimiento = (concentracion de etanol en el matraz de ensayo/etanol en el control)* 100% celulas = (numero de celulas en el matraz de ensayo/numero de celulas en el matraz de control)*100
55 Resultados
El matraz de siembra de S. cerevisiae tema una densidad optica (600 nm) de 5,14 y una concentracion celular de 1,35 x 108 celulas/ml. Una mitad del material del matraz de siembra se anadio a cada uno de los matraces de ensayo. Por lo tanto, la concentracion celular de partida en cada matraz era 6,75 x 105/ml. Durante la segunda 60 semana de ensayo, el matraz de siembra de S. cerevisiae tema una densidad optica (600 nm) de 4,87 y una
concentracion celular de 3,15 x 107 celulas/ml. Se anadio 1 ml del material del matraz de siembra a cada uno de los matraces de ensayo. Por lo tanto, la concentracion celular de partida en cada matraz era 6,30 x 105/ml. El pH de los matraces de S. cerevisiae en el tiempo de toma de muestra de 0 horas se presenta en la tabla 71. El pH del contenido de los matraces estaba dentro del pH optimo para el crecimiento de S. cerevisiae (pH 4-6). No se requena 5 ajuste del pH.
Tabla 71. pH de los matraces de S. cerevisiae en el tiempo de muestra de 0 horas
Numero de muestra
pH Numero de muestra pH
P
5,04 C 5,46
P1E
4,99 C1E 5,54
P5E
5,04 C5E 5,50
P10E
4,98 C10E 5,33
P50E
4,67 C30E 5,12
P100E
4,43 C50E 4,90
G
5,45 C100E 4,66
G1E
5,47 ST 5,11
G5E
5,46 ST1E 5,06
G10E
5,39 ST5E 4,96
G50E
5,07 ST10E 4,94
A
5,72 ST30E 5,68
A1E
5,69 ST50E 4,48
A5E
5,62 ST100E 4,23
A10E
5,61 control A 5,02
A50E
5,74 control B 5,04
S*
5,10
S1E
5,08
S5E
5,07
S10E
5,04
S30E
4,84
S50E
4,57
S100E
4,33
10 * "S" se refiere a sucrosa
* "C" se refiere a mafz
* "ST" se refiere a almidon
La concentracion de etanol y el rendimiento en los matraces de S. cerevisiae se presentan en las tablas 72 y 73. Las 15 mayores concentraciones de etanol eran las producidas por la serie S.
Tabla 72. Concentracion de etanol de los matraces con S. cerevisiae
Numero de muestra
Concentracion de etanol (g/l) en los siguientes tiempos (horas)
0 6 12 24 36 48 72
P
0,02 0,04 0,38 5,87 7,86 5,41 1,04
P1E
0,03 0,03 0,28 5,10 8,03 5,46 0,58
P5E
0,03 0,04 0,57 8,84 6,38 3,40 0,04
P10E
0,06 0,05 0,65 6,63 7,66 5,57 1,40
P50E
0,04 0,03 0,26 2,80 5,85 8,59 5,68
P100E
0,04 0,02 0,12 3,64 8,26 7,51 3,03
G
0,04 0,04 0,57 10,20 8,24 6,66 2,84
G1E
0,04 0,05 0,46 10,20 9,24 6,94 2,84
G5E
0,11 0,11 0,44 10,00 8,7 6,36 0,88
G10E
0,05 0,04 0,40 9,97 8,41 5,79 0,11
G50E
0,05 0,05 0,48 9,72 8,33 6,13 2,38
A
0,29 0,38 0,48 8,43 8,76 7,09 4,66
A1E
0,34 0,44 0,79 9,66 8,9 7,18 2,64
A5E
0,55 0,45 0,99 9,44 8,96 7,56 3,80
A10E
0,55 0,55 0,93 9,58 8,33 6,28 1,40
A50E
0,22 0,08 0,38 9,38 8,01 5,99 0,98
S
0,03 0,03 0,39 5,73 7,06 10,10 15,90
S1E
0,05 0,06 0,31 7,24 9,52 12,10 14,90
S5E
0,02 0,05 0,34 5,87 7,68 11,90 19,00
S10E
0,03 0,04 0,35 5,88 7,72 11,50 19,30
S30E
0,03 0,05 0,09 5,94 7,97 11,20 20,40
S50E*
0,13 0,19 0,47 5,46 7,96 13,00 18,30
S100E
0,11 0,10 0,21 7,00 10,6 13,80 12,70
C
0,01 0,04 0,32 8,47 7,57 5,48 6,40
C1E
0,00 0,06 0,37 8,93 7,86 5,99 1,37
C5E
0,03 0,05 0,48 9,32 7,92 5,69 1,41
C10E
0,02 0,04 0,52 9,14 7,67 5,34 0,35
C30E
0,02 0,05 0,28 9,15 8,15 5,84 2,47
C50E
0,03 0,06 0,44 9,31 7,79 5,78 1,79
C100E
0,03 0,06 0,58 9,06 6,85 5,95 1,09
ST
0,02 0,05 0,99 8,54 6,69 5,09 0,42
ST1E
0,03 0,04 0,70 8,87 7,29 4,81 1,04
ST5E
0,02 0,04 0,52 8,61 7,16 4,97 0,85
ST10E
0,02 0,05 0,33 8,97 7,05 5,26 0,68
ST30E
0,03 0,04 0,71 8,47 6,96 4,89 0,21
ST50E
0,04 0,07 0,34 8,46 8,19 7,04 3,20
ST100E
0,03 0,10 0,30 9,30 8,62 7,29 4,23
control A
0,01 0,07 0,85 5,92 8,18 7,81 6,26
control B
0,01 0,04 0,27 4,86 6,43 8,01 6,75
control A*
0,04 0,21 1,36 5,19 7,31 7,55 5,16
control B*
0,03 0,20 1,18 5,16 5,96 7,62 5,32
*analizado la semana 2
Vease la tabla 72 para la clave de numero de muestra 5
Tabla 73. Rendimiento en matraces de S. cerevisiae
Numero de muestra
Rendimiento (%) en los siguientes tiempos (horas)
24
36 48 72
P
108,9 107,6 68,4 16,0
P1E
94,6 109,9 69,0 8,9
P5E
164,0 87,3 43,0 0,6
P10E
123,0 104,9 70,4 21,5
P50E
51,9 80,1 108,6 87,3
P100E
67,5 113,1 94,9 46,5
G
189,2 112,8 84,2 43,6
G1E
189,2 126,5 87,7 43,6
G5E
185,5 119,1 80,4 13,5
G10E
185,0 115,1 73,2 1,7
G50E
180,3 114,0 77,5 36,6
A
156,4 119,9 89,6 71,6
A1E
179,2 121,8 90,8 40,6
A5E
175,1 122,7 95,6 58,4
A10E
177,7 114,0 79,4 21,5
A50E
174,0 109,7 75,7 15,1
S
106,3 96,6 127,7 244,2
S1E
134,3 130,3 153,0 228,9
S5E
108,9 105,1 150,4 291,9
S10E
109,1 105,7 145,4 296,5
S30E
110,2 109,1 141,6 313,4
S50E*
105,5 119,9 171,3 349,2
S100E
129,9 145,1 174,5 195,1
C
157,1 103,6 69,3 98,3
C1E
165,7 107,6 75,7 21,0
C5E
172,9 108,4 71,9 21,7
C10E
169,6 105,0 67,5 5,4
C30E
169,8 111,6 73,8 37,9
C50E
172,7 106,6 73,1 27,5
C100E
168,1 93,8 75,2 16,7
ST
158,4 91,6 64,3 6,5
ST1E
164,6 99,8 60,8 16,0
ST5E
159,7 98,0 62,8 13,1
ST10E
166,4 96,5 66,5 10,4
ST30E
157,1 95,3 61,8 3,2
ST50E
157,0 112,1 89,0 49,2
ST100E
172,5 118,0 92,2 65,0
control A
109,8 112,0 98,7 96,2
control B
90,2 88,0 101,3 103,7
control A*
100,3 110,1 99,5 98,5
control B*
99,7 89,8 100,4 101,5
*analizado la semana 2
La concentracion celular y el % de celulas en los matraces de S. cerevisiae se presentan en la tabla 74. Se 5 observaron altos recuentos celulares en todos los matraces; sin embargo, no todas las celulas parecen formar etanol.
Tabla 74. Recuentos de celulas S cerevisiae y % de celulas
Numero de muestra
Concentracion de celulas (celulas x 108/ml) % de celulas (recuento / control de recuento) *100
24 horas
72 horas 24 horas 72 horas
P
0,62 0,96 97,7 139,0
P1E
0,35 1,18 54,1 170,9
P5E
1,13 1,93 177,3 279,5
P10E
0,59 1,42 91,8 205,6
P50E
0,32 1,40 49,4 202,8
P100E
0,45 1,94 70,6 281,0
G
0,74 3,48 116,5 504,0
G1E
0,68 3,65 107,1 528,6
G5E
0,62 3,87 96,5 560,5
G10E
0,70 2,73 109,5 395,4
G50E
0,46 2,10 71,8 304,1
A
0,55 3,53 86,0 511,2
A1E
0,83 3,45 130,7 499,6
A5E
0,67 3,53 104,8 511,2
A10E
0,53 1,95 83,6 282,4
A50E
0,66 1,62 103,5 234,6
S
0,44 1,11 69,5 160,8
S1E
0,44 1,10 68,2 159,3
S5E
0,23 0,99 36,5 143,4
S10E
0,39 0,73 61,2 105,4
S30E
0,31 0,71 48,3 102,1
S50E*
0,44 0,90 86,5 196,5
S100E
0,53 0,84 82,4 121,7
C
0,45 1,81 70,6 262,1
C1E
0,71 2,40 110,6 347,6
C5E
0,53 2,33 83,6 337,4
C10E
0,77 1,55 120,0 224,5
C30E
0,75 1,80 117,6 260,7
C50E
0,64 1,70 100,1 246,2
C100E
0,81 1,51 127,1 218,7
ST
0,75 1,75 117,6 253,4
ST1E
0,57 1,36 89,4 197,0
ST5E
0,58 1,49 90,7 215,8
ST10E
0,61 1,32 95,4 191,2
ST30E
0,59 0,60 91,8 86,9
ST50E
0,59 1,30 91,8 188,3
ST100E
0,41 1,24 63,5 179,6
control A
0,81 0,79 127,1 114,1
control B
0,47 0,59 72,9 85,9
control A*
0,66 0,42 131,2 91,7
control B*
0,35 0,50 69,0 108,1
El matraz de siembra de P. stiptis tema una densidad optica (600 nm) de 5,01 y una concentracion celular de 3,30 x 108 celulas/ml. Se anadio 1 ml del material del matraz de siembra a cada uno de los matraces de ensayo. Por lo tanto, la concentracion celular de partida en cada matraz era 3,30 x 106/ml. Durante la segunda semana de ensayo, 5 el matraz de siembra de S. cerevisiae tema una densidad optica (600 nm) de 5,45 y una concentracion celular de 3,83 x 107 celulas/ml. Se anadio 1 ml del material del matraz de siembra a cada uno de los matraces de ensayo. Por lo tanto, la concentracion celular de partida en cada matraz era 3,83 x 106/ml. El pH de los matraces de siembra de P. stipitis en el tiempo de toma de muestra de 0 horas se presenta en la tabla 75. El pH del contenido de los matraces estaba dentro del pH optimo para el crecimiento de P. stipitis growth (pH 4-7). No se requena ajuste del 10 pH.
Tabla 75. pH de los matraces de P. stipitis en el tiempo de muestra de 0 horas
Numero de muestra
pH Numero de muestra pH
P
4,91 C 5,36
P1E
4,87 C1E 5,30
P5E
4,90 C5E 5,29
P10E
4,78 C10E 5,06
P50E
4,46 C30E 4,89
P100E
4,24 C50E 4,70
G
5,45 C100E 4,59
G1E
5,43 ST 4,93
G5E
5,48 ST1E 4,90
G10E
5,32 ST5E 4,81
G50E
4,99 ST10E 4,83
A
5,69 ST30E 4,91
A1E
5,66 ST50E 4,24
A5E
5,60 ST100E 4,07
A10E
5,58 control A 4,93
A50E
5,69 control B 4,91
S
5,00
S1E
4,94
S5E
4,86
S10E
4,78
S30E
4,51
S50E
4,27
S100E
4,08
15 La concentracion de etanol y el rendimiento en los matraces de P. stipitis se presentan en las tablas 76 y 77. Las mayores concentraciones de etanol eran de las series G y A. Los matraces C-30e, C-50e y C-100e tambien conteman concentraciones altas de etanol. La concentracion celular y el % de celulas en los matraces de P. stipitis
se presentan en la tabla 78. Se observaron concentraciones celulares bajas en los matraces con la designacion S. Tambien se observaron recuentos celulares bajos en los matraces que conteman las muestras C, C1E, C5E y C10E en el tiempo de toma de muestra de 24 horas.
5 Tabla 76. Concentracion de etanol en los matraces con P. stipitis
Numero de muestra
Concentracion de etanol (g/l) en los siguientes tiempos (horas)
0
6 12 24 36 48 72
P
0,01 0,05 0,26 4,98 8,57 14,10 17,00
P1E
0,02 0,03 0,04 4,24 9,03 12,40 17,30
P5E
0,02 0,03 0,42 6,72 12,40 15,60 18,60
P10E
0,02 0,02 0,01 1,38 8,69 13,00 17,00
P50E
0,01 0,02 0,02 0,03 3,77 10,50 16,90
P100E
0,02 0,03 0,02 3,75 10,50 15,60 18,80
G
0,02 0,08 0,20 10,80 17,70 19,40 25,40
G1E
0,04 0,12 0,50 12,20 19,60 23,80 28,60
G5E
0,07 0,14 0,73 12,50 19,10 24,50 27,50
G10E
0,04 0,19 0,42 10,20 19,10 22,90 28,20
G50E
0,05 0,22 0,25 8,73 18,40 22,20 28,00
A
0,13 0,28 0,82 16,10 19,40 19,30 18,60
A1E
0,22 0,59 1,08 16,10 22,40 27,60 27,70
A5E
0,32 0,43 0,43 10,60 22,10 27,10 28,10
A10E
0,33 0,61 1,15 14,90 22,00 27,10 27,90
A50E
0,30 0,10 0,47 13,40 20,20 24,80 27,10
S
0,01 0,01 0,26 3,68 7,50 10,20 13,30
S1E
0,02 0,02 0,22 4,98 9,22 11,60 14,20
S5E
0,02 0,02 0,19 4,25 8,50 11,70 14,70
S10E
0,03 0,02 0,17 2,98 8,87 11,90 14,70
S30E
0,08 0,05 0,03 2,96 8,73 12,60 16,50
S50E
0,08 0,05 0,04 2,24 6,13 7,95 12,50
S100E
0,11 0,10 0,08 3,36 7,82 10,50 13,90
C*
0,02 0,03 0,05 0,23 1,66 2,68 6,57
C1E*
0,03 0,03 0,03 0,07 0,95 1,85 10,20
C5E*
0,03 0,02 0,04 0,05 0,37 1,59 4,80
C10E*
0,03 0,04 0,04 0,05 3,91 15,20 28,30
C30E
0,01 0,03 0,60 12,30 21,20 26,00 27,20
C50E
0,02 0,02 0,45 12,30 19,50 23,80 29,20
C100E
0,05 0,04 0,38 11,40 18,70 22,90 27,70
ST
0,03 0,03 0,37 6,69 10,70 13,50 10,90
ST1E
0,01 0,00 0,48 5,24 9,37 12,50 15,70
ST5E
0,02 0,03 0,29 5,45 10,10 11,90 14,70
ST10E
0,02 0,02 0,42 5,60 9,44 12,20 14,90
ST30E
0,05 0,04 0,73 5,70 9,50 12,10 15,20
ST50E
0,02 0,05 0,19 5,16 9,47 12,70 15,20
ST100E*
0,07 0,15 0,11 4,98 10,70 15,40 18,80
control A
0,02 0,03 0,37 4,05 7,50 9,24 11,50
control B
0,02 0,02 0,30 4,22 7,44 9,44 11,50
control A*
0,02 0,05 0,69 4,86 8,69 11,10 16,40
control B*
0,02 0,05 0,74 5,96 10,80 13,00 14,00
*analizado la semana 2
10 Tabla 77. Rendimiento en los matraces con P. stipitis
Numero de muestra
Rendimiento (%) en los siguientes tiempos (horas)
24
36 48 72
P
120,3 114,7 151,0 147,8
P1E
102,4 120,9 132,8 150,4
P5E
162,3 166,0 167,0 161,7
P10E
33,3 116,3 139,2 147,8
P50E
0,7 50,5 112,4 147,0
P100E
90,6 140,6 167,0 163,5
G
260,9 236,9 207,7 220,9
G1E
294,7 262,4 254,8 248,7
G5E
301,9 255,7 262,3 239,1
G10E
246,4 255,7 245,2 245,2
G50E
210,9 246,3 237,7 243,5
A
388,9 259,7 206,6 161,7
A1E
388,9 299,9 295,5 240,9
A5E
256,0 295,9 290,1 244,3
A10E
359,9 294,5 290,1 242,6
A50E
323,7 270,4 265,5 235,7
S
88,9 100,4 109,2 115,7
S1E
120,3 123,4 124,2 123,5
S5E
102,7 113,8 125,3 127,8
S10E
72,0 118,7 127,4 127,8
S30E
71,5 116,9 134,9 143,5
S50E
54,1 82,1 85,1 108,7
S100E
81,2 104,7 112,4 120,9
C*
4,2 17,0 22,2 43,2
C1E*
1,4 9,7 15,4 67,1
C5E*
0,9 3,8 13,2 31,6
C10E*
0,9 40,1 126,1 246,1
C30E
297,1 283,8 278,4 236,5
C50E
297,1 261,0 254,8 253,9
C100E
275,4 250,3 245,2 240,9
ST
161,6 143,2 144,5 94,8
ST1E
126,6 125,4 133,8 136,5
ST5E
131,6 135,2 127,4 127,8
ST10E
135,3 126,4 130,6 129,6
ST30E
137,7 127,2 129,6 132,2
ST50E
124,6 126,8 136,0 132,2
ST100E*
120,3 109,7 127,8 123,7
control A
97,8 100,4 98,9 100,0
control B
101,9 99,6 101,1 100,0
control A*
89,8 89,1 92,1 107,9
control B*
110,2 110,8 107,9 92,1
*analizado en la semana 2
Tabla 78. Recuentos de celulas P. stipitis y % de celulas
5
Numero de muestra
Concentracion de celulas (celulas x 108/ml) % de celulas (recuento / control de recuento) *100
24 horas
72 horas 24 horas 72 horas
P
2,78 11,00 80,6 148,0
P1E
2,10 7,20 60,9 96,9
P5E
2,93 9,68 84,9 130,3
P10E
1,42 7,73 41,2 104,0
P50E
0,33 8,63 9,6 116,2
P100E
1,58 8,25 45,8 111,0
G
1,50 14,20 43,5 191,1
G1E
3,90 8,10 113,0 109,0
G5E
2,93 6,45 84,9 86,8
G10E
4,35 13,30 126,1 179,0
G50E
3,75 11,60 108,7 156,1
A
7,43 8,55 215,4 115,1
A1E
4,13 9,53 119,7 128,3
A5E
3,68 9,75 106,7 131,2
A10E
4,50 7,50 130,4 100,9
A50E
6,23 5,33 180,6 71,7
S
3,53 5,55 102,3 74,7
S1E
3,00 3,30 87,0 44,4
S5E
3,68 3,00 106,7 40,4
S10E
1,73 5,78 50,1 77,8
S30E
2,55 5,48 73,9 73,8
S50E
2,63 6,15 76,2 82,8
S100E
2,25 4,43 65,2 59,6
C*
0,00 0,26 0,00 7,2
C1E*
0,00 0,36 0,00 9,9
C5E*
0,00 0,08 0,00 2,1
C10E*
0,00 5,85 0,00 160,7
C30E
5,78 4,20 167,5 56,5
C50E
3,40 7,35 98,6 98,9
C100E
1,98 6,60 57,4 88,8
ST
2,55 7,65 73,9 103,0
ST1E
2,00 8,70 58,0 117,1
ST5E
1,85 6,75 53,6 90,8
ST10E
1,83 5,40 53,0 72,7
ST30E
2,78 6,15 80,6 82,8
ST50E
1,33 3,45 38,6 46,4
ST100E*
4,35 3,83 59,8 105,2
control A
3,60 7,13 104,3 96,0
control B
3,30 7,73 95,7 104,0
control A*
7,50 3,23 103,0 88,7
control B*
7,05 4,05 96,8 111,3
*analizado la semana 2
Resumen de los resultados de toxicidad celular
5
Zymomonas mobilis
Como se muestra en la grafica 1A, se observaron numeros elevados de celulas (p. ej. mayores que el control) en las muestras que conteman P-132-10, G-132-10 y WS-132-10 en el tiempo de medicion de 24 horas. Los numeros de 10 celulas en presencia de todas las demas muestras eran comparables con el control. Esta observacion indica que los sustratos no eran toxicos hacia Z. mobilis durante hasta 24 horas despues de la siembra.
En el tiempo de medicion de 36 horas, se observo una disminucion en el numero de celulas (p. ej., debido a una perdida de celulas o muerte celular) para todas las muestras, incluyendo el control. La mayor disminucion en el 15 numero de celulas se observo para aquellas muestras que conteman P-132-10, G-132-10. La causa probable de este efecto es comun a todas las muestras, incluyendo el control. Por lo tanto, la causa de este efecto no son los sustratos de ensayo, puesto que estos vanan en cada muestra, y no estan presentes en el control. Las posibles explicaciones para esta observacion incluyen las condiciones de cultivo inadecuadas (p. ej., temperatura, composiciones del medio) o concentraciones de etanol en la muestra.
20
Grafica 1A. Concentraciones de celulas para Z. mobilis
imagen9
Como se muestra en la grafica 1B, todas las celulas produdan cantidades comparables de etanol (p. ej., 5-10 g/l) en cada tiempo de medicion, independientemente del sustrato. De acuerdo con los datos del numero de celulas 5 presentados en la grafica 1A, la concentracion de etanol en cada muestra se hizo maxima en el tiempo de medicion de 24 horas. A diferencia de los datos del numero de celulas, la concentracion de etanol no disminuyo en los siguientes tiempos de medicion. Esto se esperaba puesto que el etanol no se elimino del sistema. Ademas, estos datos sugieren que la produccion de etanol en estas muestras puede haber sido resultado de la fermentacion de glucosa en los medios de cultivo. Ninguno de los sustratos ensayados pareda aumentar la produccion de etanol.
10
Grafica 1B. Concentraciones de celulas para Z. nwbilis
imagen10
15 Juntas, las graficas 1A y 1B sugieren que las concentraciones de etanol por encima de aproximadamente 6 g/l pueden ser toxicas para Z. mobilis. Este dato tambien se presenta como un porcentaje normalizado frente al control, como se muestra en la grafica 1C.
Grafica 1C. % crecimiento y produccion de etanol para Z. mobilis
imagen11
5 Pichia stipitis
Como se muestra en la grafica 2A, los numeros de celulas eran comparables con el control.
Ademas, aunque estaba presente un numero de celulas ligeramente reducido en las muestras que conteman G-132 10 y WS-132, no se observaron numeros de celulas reducidos para G-132-10, G-132-100, A-132-10 o A-132-100. Por lo tanto, no es probable que los sustratos G o A sean toxicos. Mas bien, es probable que los numeros de celulas reducidos observados para G-132 y WS-132 hayan sido causados por una anomalfa experimental o por la presencia de sustrato no procesado que impide de alguna forma el crecimiento celular. En conjunto, estos datos sugieren que la glucosa presente en el control y las muestras experimentales, es probable que sea suficiente para promover el 15 crecimiento optimo de P. stipitis, y que la presencia de un sustrato adicional en la muestra no aumente esta tasa de crecimiento. Estos resultados tambien sugieren que ninguna de las muestras es toxica para P. stipitis.
Grafica 2A. Concentraciones de celulas para P. stipitis
imagen12
Como se muestra en la grafica 2B, a pesar de los numeros de celulas similares dados en la grafica 2B, se observo una produccion de etanol muy aumentada en todas las muestras que conteman un sustrato experimental. Las concentraciones de etanol aumentaban a lo largo del tiempo para cada uno de los tres puntos de medicion ensayados. La mayor concentracion de etanol se observo para A-132-10 en el punto de medicion de 48 horas (p. ej., 5 aproximadamente 26,0 g/l). Comparando las concentraciones de sustrato con los niveles mas altos de produccion de etanol con los datos del numero de celulas presentados en la grafica 2B, puede verse que no parece que P. stipitis sea sensible a las concentraciones crecientes de etanol. Ademas, no parece que la produccion de etanol este relacionada con el numero de celulas, sino que mas bien parece que esta relacionada con el tipo de sustrato presente en la muestra.
10
Grafica 2B. Concentraciones de etanol para P. stipitis
imagen13
15 Juntos, los resultados presentados en las graficas 2A y 2B sugieren que los sustratos experimentales no producen aumento de crecimiento de P. stipitis, sin embargo, aumentan mucho la cantidad de etanol producida por este tipo de celula. Este dato tambien se presenta como un porcentaje normalizado frente al control, como se muestra en la grafica 2C.
20
imagen14
5 Saccharomyces cerevisiae
Como se muestra en la grafica 3A, G-132-100, A-132, A-132-10, A-132-100, y WS-132 proir^an ligeramente los numeros de celulas elevados comparados con el control. No se observaron reducciones significativas en el numero de celulas para ninguna muestra. Estos resultados sugieren que ninguna de las muestras es toxica en S. cerevisiae.
10
Grafica 3A. Concentraciones de celulas para S. cerevisiae
imagen15
15 Como se muestra en la grafica 3B, se observo produccion aumentada de etanol en las celulas tratadas con cada tipo celular comparado con el control. La comparacion de las muestras que conteman la mayor cantidad de etanol con los datos de numero de celulas presentados en la grafica 3A sugiere que las concentraciones de etanol de mas de 5 g/l han tenido un efecto adverso en el numero de celulas. Sin embargo, esta observacion no es el caso para todas las muestras.
20
imagen16
5 Este dato tambien se presenta como un porcentaje normalizado frente al control, como se muestra en la grafica 3C.
Grafica 3C. % crecimiento y produccion de etanol para S. cerevisiae
imagen17
10
En conclusion, ninguna de las muestras analizadas parecio ser toxica en Z. mobilis, P. stipitis y S. cerevisiae. Ademas, P. stipitis parecio ser el mas eficiente de los tres tipos celulares para producir etanol a partir de los sustratos experimentales analizados.
15 Ejemplo 32 - Produccion de alcohol usando pretratamiento de irradiacion-ultrasonidos
El tamano optimo de las instalaciones de conversion de biomasa esta afectado por factores que incluyen la economfa de escala y el tipo y disponibilidad de biomasa usada como materia prima. Los tamanos crecientes de instalaciones tienden a aumentar la econoirna de escala asociada con los procedimientos de la instalacion. Sin
20 embargo, el tamano de instalacion creciente tambien tiende a aumentar los costes (p. ej., costes de transporte) por unidad de materia prima de biomasa. Los estudios que analizan estos factores sugieren que el tamano adecuado para las instalaciones de conversion de biomasa puede estar en el intervalo de 2000 a 10.000 toneladas secas de materia prima de biomasa. La instalacion descrita a continuacion tiene un tamano para procesar 2000 toneladas de materia prima de biomasa seca al dfa.
25
La figura 39 muestra un procedimiento esquematica de un sistema de conversion de biomasa configurado para procesar mijo. El susbsistema de preparacion de la alimentacion procesa materia prima de biomasa bruta para separar objetos extranos y proporcionar partfculas de tamano regular para el procesamiento posterior. El subsistema de pretratamiento cambia la estructura molecular (p. ej., reduce el peso molecular medio y la cristalinidad) de la
materia prima de biomasa por irradiacion de la materia prima de biomasa, mezcla de la materia prima de biomasa irradiada con agua para formar una suspension, y aplicacion de ene^a ultrasonica a la suspension. La irradiacion y los ultrasonidos convierten los componentes celulosicos y lignocelulosicos de la materia prima de biomasa en materiales fermentables. El subsistema del procedimiento primario fermenta la glucosa y otros azucares de bajo 5 peso molecular presentes despues del pretratamiento para formar alcoholes.
Preparacion de la alimentacion
La tasa de alimentacion del modelo seleccionado para la instalacion es 2.000 toneladas secas al dfa de biomasa de 10 mijo. La alimentacion del modelo es mijo troceado y/o cizallado.
La materia prima de biomasa, en forma de balas de mijo, es recibida en la instalacion en remolques de camiones. Cuando se reciben los camiones, son pesados y descargados por carretillas elevadoras. Algunas balas son enviadas a almacenamiento en las instalaciones, mientras que otras son recogidas directamente por las cintas 15 transportadoras. Desde aqm, las balas son transportadas a un sistema de desembalado automatico que corta el plastico que envuelve y/o red que rodea las balas. La materia prima de biomasa despues es transportada para pasar un separador magnetico para separar fragmentos de metal, despues de lo cual es introducida en los trenes de desmenuzadora-cizalladora donde el material se reduce de tamano. Finalmente, la materia prima de biomasa es transportada al subsistema de pretratamiento.
20
En algunos casos, las balas de mijo estan envueltas con red de plastico para asegurar que no se rompen cuando se manipulan, y tambien pueden estar envueltas en pelfcula de plastico para proteger la bala de la intemperie. Las balas son cuadradas o redondas. Las balas se reciben en la instalacion desde almacenamiento fuera de la instalacion en grandes remolques de camiones.
25
Puesto que el mijo solo esta disponible de forma estacional, es necesario el almacenamiento a largo plazo para proporcionar alimentacion a la instalacion todo el ano. El almacenamiento a largo plazo probablemente consistira en 161,87- 202,34 hectareas (400-500 acres) de filas apiladas no cubiertas de balas en un sitio (o multiples sitios) razonablemente cerca de la instalacion de etanol. Se proporciona almacenamiento a corto plazo en la instalacion 30 equivalente a 72 horas de produccion en una zona de almacenamiento exterior. Las balas y los caminos de acceso a los alrededores asf como las cintas transportadores estaran en una losa de hormigon. Se usa una losa de hormigon debido al volumen del trafico requerido para suministrar la gran cantidad de materia prima de biomasa requerida. Una losa de hormigon minimizara la cantidad de agua estancada en la zona de almacenamiento, asf como reducira la exposicion de la materia prima de biomasa a la suciedad. El material almacenado proporciona un suministro a 35 corto plazo para fines de semana, vacaciones, y cuando se interrumpe el suministro directo normal del material al procedimiento.
Las balas son descargadas mediante carretillas elevadoras y se ponen directamente en cintas transportadoras de balas o en la zona de almacenamiento a corto plazo. Las balas tambien son recuperadas del almacenamiento a 40 corto plazo por carretillas elevadoras y son cargadas en las cintas transportadoras de balas.
Las balas viajan a una de las dos estaciones de desembalado de balas. Las balas desembaladas se rompen usando una barra esparcidora y despues son descargadas en una cinta transportadora, que pasa por un separador magnetico para separar el metal antes del troceado. Se proporciona un iman de partfculas de hierro para atrapar 45 metal magnetico suelto y un tamiz abierto separa el material de tamano grano y extrano delante de los multiples trenes de desmenuzadora-cizalladora, que reducen la materia prima de biomasa al tamano adecuado para el pretratamiento. Los trenes de desmenuzadora-cizalladora incluyen desmenuzadoras y cortadoras de cuchillas rotativas. Las desmenuzadoras reducen el tamano de la materia prima de biomasa bruta y alimentan el material resultante a las cortadoras de cuchillas rotativas. Las cortadoras de cuchillas rotativas cizallan simultaneamente la 50 materia prima de biomasa y criban el material resultante.
Los silos de almacenamiento se proporcionan para limitar el tiempo de parada del sistema en general debido al mantenimiento necesario de y/o irregularidades del equipamiento del subsistema de preparacion de la alimentacion. Cada silo puede contener aproximadamente 55.000 pies cubicos de materia prima de biomasa (~3 horas de 55 operacion de la instalacion).
Pretratamiento
Una cinta transportadora lleva la materia prima de biomasa desde el subsistema de preparacion de la alimentacion 60 110 al subsistema de pretratamiento (114). Como se muestra en la figura 40, en el subsistema de pretratamiento
(114), la materia prima de biomasa se irradia usando emisores de haces de electrones, se mezcla con agua para formar una suspension y se somete a la aplicacion de ene^a ultrasonica. Como se ha discutido antes, la irradiacion de la materia prima de biomasa cambia la estructura molecular (p. ej., reduce el peso molecular medio y la cristalinidad) de la materia prima de biomasa. La mezcla de la materia prima de biomasa irradiada en una 5 suspension y la aplicacion de energfa ultrasonica a la suspension cambia ademas la estructura molecular de la materia prima de biomasa. La aplicacion de la radiacion y ultrasonidos en secuencia puede tener efectos sinergicos en cuanto que parece que la combinacion de las tecnicas logra mayores cambios en la estructura molecular (p. ej., reduce el peso molecular medio y la cristalinidad) que pueda lograr por sf sola cualquiera de las tecnicas eficazmente. Sin querer estar ligados por la teona, ademas de reducir la polimerizacion de la materia prima de 10 biomasa rompiendo enlaces intramoleculares entre segmentos de los componentes celulosicos y lignocelulosicos de la materia prima de biomasa, la irradiacion puede hacer a la estructura ffsica de la materia prima de biomasa en conjunto mas quebradiza. Despues de mezclar la materia prima de biomasa quebradiza en una suspension, la aplicacion de energfa ultrasonica cambia mas la estructura molecular (p. ej., reduce el peso molecular medio y la cristalinidad) y tambien puede reducir el tamano de las partfculas de materia prima de biomasa.
15
Irradiacion con haz de electrones
La cinta transportadora (491) que lleva la materia prima de biomasa en el subsistema de pretratamiento distribuye la materia prima de biomasa en multiples corrientes de alimentacion (p. ej., 50 corrientes de alimentacion) dirigiendo 20 cada una a emisores de haces de electrones (492) separados. En esta realizacion, la materia prima de biomasa se irradia mientras esta seca. Cada corriente de alimentacion se lleva en una cinta transportadora separada a un emisor de haz de electrones asociado. Cada cinta transportadora de alimentacion de la irradiacion puede tener aproximadamente 1 metro de ancho. Antes de llegar al emisor de haz de electrones, se induce una vibracion localizada en cada cinta transportadora para distribuir uniformemente la materia prima de biomasa seca a lo largo de 25 la anchura de la seccion transversal de la cinta transportadora.
El emisor de haz de electrones (492) (p. ej., dispositivos de irradiacion de haz de electrones disponibles en el comercio en Titan Corporation, San Diego, CA) esta configurado para aplicar una dosis de 100 kiloGray de electrones aplicados con una potencia de 300 kW. Los emisores de haz de electrones son dispositivos de haces de 30 barrido con una anchura de barrido de 1 metro para que se corresponda con la anchura de la cinta transportadora. En algunas realizaciones, se usan emisores de haz de electrones con anchuras de haz fijas, grandes. Factores que incluyen la anchura de la cinta/haz, dosis deseada, densidad de la materia prima de biomasa y la potencia aplicada, gobiernan el numero de emisores de haz de electrones necesario para que la instalacion procese 2.000 toneladas al dfa de alimentacion seca.
35
Sonicacion
La materia prima de biomasa irradiada se mezcla con agua para formar una suspension antes de aplicar la energfa ultrasonica. Puede haber un sistema de ultrasonidos separado asociado con cada corriente de alimentacion de haz 40 de electrones o se pueden agregar varias corrientes de haces de electrones como alimentacion para un solo sistema de ultrasonidos.
En cada sistema de ultrasonidos, la materia prima de biomasa irradiada se alimenta a un deposito (1214) a traves de una primera tolva de alimentacion (1232) y se alimenta agua en el deposito (1214) a traves de una segunda tolva de 45 alimentacion (1234). Valvulas adecuadas (manuales o automaticas) controlan el flujo de materia prima de biomasa y el flujo de agua para producir una relacion deseada de materia prima de biomasa a agua (p. ej., 10% en volumen de material celulosico). Cada deposito (1214) incluye un mezclador (1240) para agitar el contenido del volumen (1236) y dispersar la materia prima de biomasa por toda el agua.
50 En cada sistema de ultrasonidos, la suspension se bombea (p. ej., usando una bomba de impulsor de vortice empotrado (1218) desde el deposito (1214) y a traves de la celda de flujo (1224) que incluye un transductor ultrasonico (1226). En algunas realizaciones, la bomba (1218) esta configurada para agitar la suspension (1216) de modo que la mezcla de materia prima de biomasa y agua sea sustancialmente uniforme en la entrada (1220) de la celda de flujo (1224). Por ejemplo, la bomba (1218) puede agitar la suspension (1216) para crear un flujo turbulento 55 que persiste a traves de las tubenas entre la primera bomba y la entrada (1220) de la celda de flujo (1224).
Dentro de la celda de flujo (1224), el transductor ultrasonico (1226) transmite energfa ultrasonica a la suspension (1216) cuando la suspension fluye a traves de la celda de flujo (1224). El transductor ultrasonico (1226) convierte la energfa electrica en energfa mecanica de alta frecuencia (p. ej., energfa ultrasonica), que despues es suministrada a 60 la suspension a traves del impulsor (48). Los transductores ultrasonicos estan disponibles en el comercio (p. ej., de
Hielscher USA, Inc. of Ringwood, New Jersey), que son capaces de suministrar una potencia continua de 16 kW.
La ene^a ultrasonica que viaja a traves del impulsor (1248) en el volumen del reactor (1244) crea una serie de compresiones y rarefacciones en la corriente del proceso (1216) con una intensidad suficiente para crear cavitacion 5 en la corriente del proceso (1216). La cavitacion disgrega los componentes de la materia prima de biomasa incluyendo, por ejemplo, el material celulosico y lignocelulosico disperso en la corriente del proceso 1216 (p. ej., suspension). La cavitacion tambien produce radicales libres en el agua de la corriente del proceso 1216 (p. ej., suspension). Estos radicales libres actuan para romper mas el material celulosico en la corriente del proceso (1216). En general, se aplican aproximadamente 250 MJ/m3 de energfa ultrasonica a la corriente del proceso (1216) que 10 contiene fragmentos de virutas de alamo. Se pueden aplicar otros niveles de energfa ultrasonica (entre aproximadamente 5 y aproximadamente 4000 MJ/m3, por ejemplo, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000, o 3000) sobre otras materias primas de biomasa. Despues de la exposicion a la energfa ultrasonica en el volumen de reactor (1244), la corriente de proceso (1216) sale de las celulas del flujo (24) por la salida (1222).
15 La celda de flujo (1224) tambien incluye un intercambiador de calor (1246) en comunicacion termica con al menos una parte del volumen del reactor (1244). El fluido de enfriamiento (1248) (p. ej., agua) fluye al intercambiador de calor (1246) y absorbe el calor generado cuando la corriente del proceso (1216) (p. ej., suspension) se trata con ultrasonidos en el volumen de reactor (1244). En algunas realizaciones, el flujo del fluido de enfriamiento (1248) al intercambiador de calor (1246) se controla para mantener una temperatura aproximadamente constante en el 20 volumen del reactor (1244). Ademas o alternativamente, la temperatura del fluido de enfriamiento (1248) que fluye al intercambiador de calor (1246) se controla o mantiene a una temperatura aproximadamente constante en el volumen del reactor (1244).
La salida (1242) de la celda de flujo (1224) esta dispuesta cerca de la parte inferior del deposito (1214) para inducir 25 una alimentacion por gravedad de la corriente del proceso (1216) (p. ej., suspension) fuera del deposito (1214) hacia la entrada de una segunda bomba (1230) que bombea la corriente del proceso (1216) (p. ej., suspension) hacia el subsistema del procedimiento primario.
Los sistemas de ultrasonidos pueden incluir un solo camino del flujo (como se ha descrito antes) o multiples caminos 30 de flujo paralelos, cada uno con una unidad de ultrasonidos individual asociada. Tambien se pueden disponer multiples unidades de ultrasonidos en serie para aumentar la cantidad de energfa ultrasonica aplicada a la suspension.
Procedimientos primarios
35
Un filtro de tipo tambor rotatorio de vacfo separa solidos de la suspension antes de la fermentacion. El lfquido del filtro es enfriado por bombeo antes de entrar en los fermentadores. Los solidos filtrados se hacen pasar por el sistema de postprocesamiento para procesarlos mas.
40 Los tanques de fermentacion son recipientes de acero inoxidable, de baja presion, grandes, con fondos conicos y agitadores de baja velocidad. Se pueden disponer en serie multiples tanques de fermentacion de la primera etapa. La temperatura en los tanques de fermentacion de la primera etapa se controla a 30 °C usando intercambiadores de calor externos. Se anade levadura al tanque de fermentacion de la primera etapa en la cabeza de cada serie de tanques y se lleva a traves de los otros tanques en la serie.
45
La fermentacion de la segunda etapa consiste en dos fermentadores continuos en serie. Ambos fermentadores son agitados continuamente con mezcladores mecanicos de baja velocidad. La temperatura se controla con agua enfriada en intercambiadores externos con recirculacion continua. Las bombas de recirculacion son de la cavidad progresiva debido a la alta concentracion de solidos.
50
El gas residual de los tanques de fermentacion y los fermentadores se combina y se lava en una columna de agua a contracorriente antes de ser ventilados a la atmosfera. El gas residual se lava para recuperar etanol en lugar de para controlar emisiones de aire.
55 Postprocesamiento
Destilacion
Se usan la destilacion y la adsorcion en tamices moleculares para recuperar etanol de la cerveza de fermentacion 60 bruta y producir 99,5% de etanol. La destilacion se lleva a cabo en dos columnas, la primera llamada la columna de
cerveza, separa el CO2 disuelto y la mayor parte del agua, y la segunda concentra el etanol a una composicion casi azeotropica.
Toda el agua de la mezcla casi azeotropica se separa por adsorcion en tamices moleculares en fase de vapor. La 5 regeneracion de las columnas de adsorcion requiere que se recicle una mezcla de etanol y agua a la destilacion para la recuperacion.
Las ventilaciones de la fermentacion (que contienen principalmente CO2, pero tambien algo de etanol) asf como la ventilacion de la columna de cerveza son depuradas en un depurador de agua, recuperando casi todo el etanol. El 10 efluente del depurador se alimenta a la primera columna de destilacion junto con la cerveza de fermentacion.
Las partes finales de la primera destilacion contienen todos los solidos insolubles no convertidos y disueltos. Los solidos insolubles se desaguan mediante un filtro con presion y se envfan a una camara de combustion. El lfquido del filtro de presion que no se recicla se concentra en un evaporador de efecto multiple usando calor residual de la 15 destilacion. El jarabe concentrado del evaporador se mezcla con los solidos que se van a enviar a la camara de combustion, y el condensado evaporado se usa como agua de reciclado relativamente limpia para el procedimiento.
Debido a que la cantidad de agua de los residuos de destilacion que se puede reciclar es limitada, se incluye un evaporador en el procedimiento. La cantidad total del agua del filtro de presion que se recicla directamente se ajusta 20 al 25%. Las sales organicas como el acetato o lactato de amonio, componentes del licor de maceracion no usados por el organismo, o compuestos inorganicos en la biomasa terminan en esta corriente. Reciclar demasiado este material puede producir niveles de fuerza ionica y presiones osmoticas que pueden ser perjudiciales para la eficacia del organismo fermentador. Para el agua que no se recicla, el evaporador concentra los solidos disueltos en un jarabe que se puede enviar a la camara de combustion, minimizando la carga de tratamiento de las aguas 25 residuales.
Tratamiento de las aguas residuales
La seccion de tratamiento de las aguas residuales trata el agua del procedimiento para volver a usarla para reducir 30 los requisitos de agua que componen la instalacion. Las aguas residuales inicialmente se criban para separar partfculas grandes que son recogidos en una tolva y se envfan a un vertedero. Al cribado le sigue la digestion anaerobia y digestion aerobia para digerir la materia organica en la corriente. La digestion anaerobia produce una corriente de biogas que es rica en metano que se alimenta a la camara de combustion. La digestion aerobia produce una corriente de agua relativamente limpia para volver a usar en el procedimiento, asf como un lodo que esta 35 compuesto principalmente de masas celulares. El lodo tambien se quema en la camara de combustion. Este esquema de cribado/digestion anaerobia/digestion aerobia es convencional dentro de la industria actual del etanol y se pueden obtener en el mercado de proveedores instalaciones en el intervalo de 1-5 millones de galones por dfa.
Camara de combustion, caldera y trubogenerador 40
El proposito del susbsistema de camara de combustion, caldera y turbogenerador es quemar diferentes corrientes de subproductos y la generacion de electricidad. Por ejemplo, algo de la lignina, celulosa y hemicelulosa permanece sin convertirse a traves del pretratamiento y procedimientos primarios. La mayor parte de las aguas residuales del procedimiento se concentran en un jarabe con alto contenido de solidos. La digestion anaerobia del agua residual 45 restante produce un biogas con alto contenido en metano. La digestion aerobia produce una pequena cantidad de biomasa residual (lodo). El quemado de estas corrientes de subproductos para generar vapor y electricidad permite que la instalacion sea autosuficiente en energfa, reduce los costes de desechar los residuos solidos y genera ingresos mediante la venta del exceso de electricidad.
50 Se alimentan tres corrientes de combustible primario (solidos posdestilados, biogas y jarabe del evaporador) a una camara de combustion de lecho fluidizado circulante. Tambien se envfa la pequena cantidad de biomasa residual (lodo) del tratamiento de las aguas residuales a la camara de combustion. Un ventilador mueve el aire en la camara de combustion. El agua tratada entra en el circuito intercambiador de calor en la camara de combustion y es evaporada y supercalentada a vapor a 510 °C (950°F) y 86 atm (1265 psia). El gas de combustion de la camara de 55 combustion precalienta el aire de combustion de entrada, despues entra en una camara de filtros para separar partfculas que van al vertedero. Este gas sale por un conducto de gases.
Se usan una turbina y generador de multiples etapas para generar electricidad. El vapor se extrae de la turbina en tres condiciones diferentes para la inyeccion en el reactor de pretratamiento y el intercambio de calor en la 60 destilacion y evaporacion. El vapor que queda se condensa con agua de enfriamiento y se devuelve al sistema de
agua alimentada a la caldera junto con el condensado de los diferentes intercambiadores de calor en el procedimiento. El agua bien tratada se usa como componente para sustituir el vapor usado en la inyeccion directa.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    I. Un procedimiento que comprende:
    5 la fermentacion de un azucar de bajo peso molecular que utiliza un microorganismo fermentativo, en presencia de biomasa fibrosa oxidada, para un producto que no sea un azucar, y donde el metodo comprende producir la biomasa fibrosa oxidada utilizando radiacion ionizante en un entorno oxidante, sonicacion en un entorno oxidante o pirolisis oxidativa antes de la mezcla con el azucar de bajo peso molecular.
    10 2. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa se ha sometido a radiacion ionizante y se ha
    enfriado o inactivado.
  2. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en donde la biomasa fibrosa se ha oxidado por la radiacion ionizante.
    15 4. El metodo de la reivindicacion 3, en el que la dosis total de radiacion se encuentra entre 1,0 Mrad y 6,0
    Mrad, o es al menos 5 Mrad, por ejemplo, donde la radiacion proporciona una dosis de radiacion de 10 Mrad a 150 Mrad.
  3. 5. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa fibrosa comprende grupos de acido carboxflico o
    20 carboxilato para la fijacion por el microorganismo y en el que los grupos se han introducido por anulacion despues de
    la radiacion ionizante.
  4. 6. El metodo de la reivindicacion 1, donde el producto es un acido organico tal como un acido organico
    seleccionado del grupo que consiste en acido butmco, acido lactico, acido acetico, acido propionico y acido
    25 succmico, preferiblemente en el que el acido organico es acido butmco o en el que el acido organico es acido lactico.
  5. 7. El metodo de la reivindicacion 1, donde el producto es un alcohol, tal como metanol, etanol, propanol, isopropanol o butanol.
    30 8. El metodo de la reivindicacion 1, donde el microorganismo es una bacteria o donde la biomasa fibrosa
    se ha oxidado mediante la irradiacion con radiacion ionizante.
  6. 9. El metodo de la reivindicacion 8, donde la irradiacion se lleva a cabo utilizando un haz de partfculas.
    35 10. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa fibrosa comprende material celulosico o
    lignocelulosico o donde la biomasa fibrosa se selecciona del grupo que consiste en papel, productos de papel, residuos de papel, madera, tableros de partfculas, serrrn, residuos agncolas, aguas residuales, ensilado, hierbas, cascaras de arroz, bagazo, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, rastrojo de mafz, mijos, alfalfa, heno, fibra de coco, algodon, algas marinas, algas, y mezclas de los mismos.
    40
    II. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa deriva de una materia prima de biomasa que tiene fibras internas, y que ha sido cortada hasta el punto de que sus fibras internas estan expuestas sustancialmente.
  7. 12. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa fibrosa tiene una porosidad mayor que 70% o que 45 comprende ademas la recuperacion del material de biomasa despues de la fermentacion y la reutilizacion del
    material.
  8. 13. El metodo de cualquiera de las anteriores reivindicaciones puede comprender ademas la preparacion ffsica de la biomasa, p.ej., por cizalladura, o reduciendo el tamano de la biomasa con muela abrasiva, corte o
    50 desgarro mecanico, trituracion por rectificadora, o molienda por abrasion con aire.
  9. 14. El metodo de la reivindicacion 1, donde la irradiacion ha sido realizada bajo un ambiente oxidante, donde el medio ambiente es una capa de aire o de oxfgeno.
    55 15. El metodo de la reivindicacion 1, donde la biomasa comprende fibras que han sido combinadas con
    una resina para formar un compuesto.
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