ES2913235T3 - Reducción drástica de la viscosidad en la biomasa - Google Patents
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Abstract
Un método no enzimático de preparación de una pasta de biomasa, en donde una biomasa comprende: - pectina, - lignina en una cantidad inferior al 10 % del contenido de materia seca, y - que presenta un valor de Fibra detergente neutra (FDN) inferior al 65 % del contenido de materia seca, según lo medido de acuerdo con el método de P.J. van Soest, 1963, en Use of detergents in the analysis of fibrous feeds, J. Assoc. Off. Anal. Chemistry 46: 825-829, es sometido a - una primera etapa de ajuste del pH, en la cual el pH es ajustado con una base a un pH de al menos 7,5 en un periodo de al menos 5 minutos, seguido de - una segunda etapa de ajuste del pH, en donde el pH de la pasta de biomasa se ajusta con un ácido a un pH en el intervalo de 1-6,5, obteniendo así una pasta de biomasa, y en donde la temperatura durante todo el método es de 1-40 °C.
Description
DESCRIPCIÓN
Reducción drástica de la viscosidad en la biomasa
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un método de preparación de una biomasa a una pasta de biomasa. En particular, la presente invención se refiere a un método de preparación de una pasta de biomasa mediante una combinación de etapas de ajuste del pH a una temperatura de 1 a 40 °C.
Antecedentes de la invención
La adaptación de la pasta de biomasa al almacenamiento a largo plazo, a la manipulación y al uso como materia prima en la alimentación de animales, así como sustrato para la producción de productos semielaborados, tales como el jugo de azúcar, se ha visto obstaculizada por la alta viscosidad de la pasta de biomasa y el bajo control en el proceso de fermentación en condiciones anaeróbicas. Estos dos factores combinados han supuesto un gran impedimento en las perspectivas de la pasta de biomasa como fuente de un alimento homogéneo y de productos semielaborados.
Los tratamientos combinados base-ácido a los que se hace referencia en la bibliografía, tal como la patente US 2008 102502, se refieren a una destrucción intensiva en energía de la biomasa lignocelulósica en la biomasa que comprende un alto contenido de lignina a temperaturas muy elevadas, a menudo en combinación con enzimas.
Por consiguiente, sería ventajoso un método de preparación de una pasta de biomasa de alta calidad de los alimentos que consuma menos energía. Por otra parte, sería ventajoso proporcionar una pasta de biomasa que tenga una viscosidad reducida.
Resumen de la invención
Por tanto, un objeto de la presente invención se refiere a un método de preparación de una pasta de biomasa.
En particular, puede considerarse como un objeto de la presente invención proporcionar un método y un producto de biomasa que resuelva los problemas mencionados anteriormente de la técnica anterior.
Por tanto, la invención se refiere a un método no enzimático como se define en la reivindicación 1
Otro aspecto de la presente invención concierne a una pasta de biomasa obtenida por el método.
Un aspecto adicional de la presente invención hace referencia al uso de dicha pasta de biomasa para la producción de alimento, biocombustible y otros productos industriales.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra un diagrama de flujo en uno de los muchos escenarios de una pasta de biomasa producida en granjas y las etapas subsiguientes de uso posterior. Por tanto, el diagrama de flujo ilustra un escenario práctico de entre muchas posibilidades.
Con el cultivo de remolacha como fuente de biomasa, las remolachas y las hojas se cosechan por separado. Las remolachas se limpian, se deshojan y se trituran y posteriormente se mezclan con las hojas trituradas. Posteriormente, esta pasta de biomasa es sometida a la primera etapa de ajuste del pH, seguido de la segunda etapa de ajuste del pH e inmediatamente después se bombea en una laguna, donde puede almacenarse desde cualquier opción intermedia desde unos pocos días a un año o más.
A continuación, diariamente o en otros intervalos de tiempo, la pasta de biomasa en la laguna puede ser bombeada al ganado, plantas de biogás o, alternativamente, a una unidad de separación, la cual separa la pasta de biomasa en jugo de azúcar y pulpa. La pulpa puede ser almacenada anaeróbicamente en una pila mientras que el jugo de azúcar será almacenado en un tanque o en un silo de torre hermético.
El diagrama de flujo ilustra las dos líneas de proceso que pueden seguirse. Algunos usuarios únicamente mejorarán la viscosidad de su masa de biomasa mediante la no fermentación y bombearán esta materia prima a su ganado o digestores de biogás, como se ilustra en la opción 1.
Otros usuarios quieren ampliar el uso de su pasta de biomasa separando el jugo de azúcar de la pasta. Mientras que el jugo de azúcar se vende en el mercado de los azúcares fermentables, la pulpa restante está destinada a alimentar al ganado, digestores de biogás o se vende como sustrato para la producción de gránulos de proteínas, tal como se ilustra en la opción 2.
Otro escenario podría basarse en un sistema por lotes en el cual el tratamiento químico es aplicado diariamente o a intervalos regulares de tiempo. En este escenario, las remolachas frescas, almacenadas en silos subterráneos, pueden ser la fuente diaria, con un almacenamiento anaeróbico limitado al jugo de azúcar.
A continuación, se describirá la presente invención en más detalle.
Descripción detallada de la invención
En un primer aspecto, la presente invención hace referencia a un método no enzimático de preparación de una pasta de biomasa, en donde una biomasa comprende:
- pectina,
- lignina en una cantidad inferior al 10 % del contenido de materia seca, y
- que tiene un valor de Fibra detergente neutra (FDN) inferior al 65 % del contenido de materia seca, según lo medido de acuerdo con el método de P.J. van Soest, 1963, en Use of detergents in the analysis of fibrous feeds, J. Assoc. Off. Anal. Chemistry 46: 825-829,
es sometida a
- una primera etapa de ajuste del pH, en la que el pH es ajustado con una base a un pH de al menos 7,5 en un periodo de al menos 5 minutos, seguido de
- una segunda etapa de ajuste del pH, en donde el pH de la pasta de biomasa es ajustado con un ácido a un pH en el intervalo de 1-6,5,
obteniendo así una pasta de biomasa, y
en donde la temperatura durante todo el método es de 1-40 °C.
El método puede comprender además una etapa de separación de la pasta de biomasa en (i) una fracción líquida y (ii) una fracción no líquida tras la segunda etapa de ajuste del pH. Tal separación puede ser realizada usando una prensa Vincent, una prensa de tornillo, una criba de tambor o una centrifugadora.
La fracción líquida puede ser un jugo mientras que la fracción no líquida puede ser una pulpa.
La biomasa puede ser seleccionada del grupo que consiste en alfalfa, alfalfa verde, maíz, hierba, trébol, remolachas, guisantes, judías, cereales de planta entera, sorgo dulce, sorgo, flores de girasol y mezclas de los mismos.
Las hierbas pueden ser hierbas de estación fría o tropicales y el trébol puede ser blanco, rojo, sueco u otros tréboles.
En una realización de la presente invención, la biomasa puede comprender lignina en una cantidad inferior al 10 % del contenido de materia seca, tal como inferior al 9 %, p. ej., inferior al 8 %, tal como inferior al 7 %, p. ej., inferior al 6 %, tal como inferior al 5 %, p. ej., inferior al 4 %, tal como inferior al 3 %, p. ej., inferior al 2,5 %, tal como inferior al 2 %, p. ej., inferior al 1,5 %, tal como inferior al 1 % del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 1-9 % del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 2-8 %, tal como en el intervalo de 3-7 %, p. ej., en el intervalo de 4-6 %, tal como en el intervalo de 5-8 % del contenido de materia seca. En una realización preferida, la biomasa comprende lignina en una cantidad inferior al 3,5 % del contenido de materia seca y, preferiblemente, en torno al 3 % del contenido de materia seca.
Es preferida la aplicación de una biomasa con un contenido bajo en lignina, ya que la lignina no puede ser usada por los animales (independientemente de si estos animales son rumiantes o no rumiantes). Por tanto, una biomasa o una pasta de biomasa con un contenido bajo en lignina comprende un mayor valor nutritivo en comparación con una biomasa o una pasta de biomasa con un contenido alto en lignina, tal como se ilustra en la tabla 8.
En una realización de la presente invención, la biomasa puede comprender un valor de Fibra detergente neutra (FDN) inferior al 65 % del contenido de materia seca, tal como inferior al 60 %, p. ej., inferior al 55 %, tal como inferior al 50 %, p. ej., inferior al 45 %, tal como inferior al 40 %, p. ej., inferior al 35 %, tal como inferior al 30 %, p. ej., inferior al 25 %, tal como inferior al 20 % del contenido de materia seca, tal como inferior al 15 %, p. ej., inferior al 10 %, tal como inferior al 5 % del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 5-65 % del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 10-60 %, tal como en el intervalo de 15-55 %, p. ej., en el intervalo de 20-50 %, tal como en el intervalo de 25-45 % del contenido de materia, p. ej., en el intervalo de 30-40 %, tal como en el intervalo de 35-40 % del contenido de materia seca.
En una realización de la presente invención, el pH en la primera etapa de ajuste del pH puede ajustarse con una base de 7,5 o más, tal como 8 o más, p. ej., 9 o más, tal como 10 o más, tal como 11 o más, p. ej., 12 o más, tal como 13 o más, p. ej., 14, tal como en el intervalo de 7,5-14, p. ej., en el intervalo de 8-13, tal como en el intervalo de 9-12, p. ej., en el intervalo de 10-11, tal como en el intervalo de 10-14.
En una realización de la presente invención, el pH en la primera etapa de ajuste del pH puede ajustarse con una base de 10 o más.
En una realización de la presente invención, el pH es ajustado con una base en la primera etapa de ajuste del pH en un periodo de al menos 5 minutos, tal como al menos 10 minutos, p. ej., al menos 20 minutos, tal como al menos 30 minutos, p. ej., al menos 40 minutos, tal como al menos 50 minutos, p. ej., al menos 60 minutos, tal como al menos 1 hora, p. ej., al menos 2 horas, tal como al menos 1 hora, p. ej., al menos 2 horas, tal como al menos 3 horas, p. ej., al menos 4 horas, tal como al menos 5 horas, p. ej., al menos 6 horas, tal como al menos 7 horas, p. ej., al menos 8 horas, tal como al menos 9 horas, p. ej., al menos 10 horas, tal como al menos 11 horas, p. ej., al menos 12 horas, tal como al menos 13 horas, p. ej., al menos 14 horas, tal como al menos 15 horas, p. ej., al menos 16 horas, tal como al menos 17 horas, p. ej., al menos 18 horas, tal como al menos 19 horas, p. ej., al menos 20 horas, tal como al menos 21 horas, p. ej., al menos 22 horas, tal como al menos 23 horas, p. ej., al menos 24 horas, tal como al menos 1 día, p. ej., al menos 2 días. La primera etapa de ajuste del pH puede durar en principio desde varios días a un año o varios años.
En una realización adicional de la presente invención, el pH en la segunda etapa de ajuste del pH puede ser ajustado con un ácido a un pH en el intervalo de 1-6,5, p. ej., en el intervalo de 2-5, tal como en el intervalo de 3-4.
En una realización preferida de la presente invención, el pH en la segunda etapa de ajuste del pH puede ser ajustado con un ácido a un pH en el intervalo de 3-6.
Esta combinación de etapas de ajuste del pH proporciona una masa de biomasa que no presenta actividad microbiana y, por lo tanto, una estabilidad mejorada cuando es almacenada en condiciones anaeróbicas y una ventana mejorada en el tiempo para mantener una materia prima de alta calidad en condiciones aeróbicas. Por tanto, aplicando el método de la presente invención es posible reducir las pérdidas durante el almacenamiento debido a la estabilidad anaeróbica mejorada y las pérdidas de alimentación debido a la estabilidad aeróbica. En granjas, esto puede ser útil, ya que la biomasa puede ser almacenada de una temporada de cultivo a otra, así como proporcionar una ventana de tiempo significativamente prolongada en la alimentación de la biomasa sin pérdidas de materia seca cuando se expone a condiciones aeróbicas.
En una realización de la presente invención, la temperatura durante todo el proceso puede ser de 1-40 °C, tal como en el intervalo de 2-39 °C, p. ej., de 3-38 °C, tal como en el intervalo de 4-37 °C, p. ej., de 3-38 °C, tal como en el intervalo de 4-37 °C, p. ej., de 5-36 °C, tal como en el intervalo de 6-35 °C, p. ej., de 7-34 °C, tal como en el intervalo de 8-33 °C, p. ej., de 9-32 °C, tal como en el intervalo de 10-31 °C, p. ej., de 11-30 °C, tal como en el intervalo de 12-29 °C, p. ej., de 13 28 °C, tal como en el intervalo de 14-27 °C, p. ej., de 15-26 °C, tal como en el intervalo de 16-25 °C, p. ej., de 17-24 °C, tal como en el intervalo de 18-23 °C, p. ej., de 19-24 °C, tal como en el intervalo de 20-23 °C, p. ej., de 21-22 °C, tal como por debajo de 40 °C, p. ej., por debajo de 39 °C, tal como por debajo de 38 °C, p. ej., por debajo de 37 °C, tal como por debajo de 36 °C, p. ej., por debajo de 35 °C, tal como por debajo de 34 °C, p. ej., por debajo de 33 °C, tal como por debajo de 32 °C, p. ej., por debajo de 31 °C, tal como por debajo de 30 °C, p. ej., por debajo de 29 °C, tal como por debajo de 28 °C, p. ej., por debajo de 27 °C, tal como por debajo de 26 °C, p. ej., por debajo de 25 °C, tal como por debajo de 24 °C, p. ej., por debajo de 23 °C, tal como por debajo de 22 °C, p. ej., por debajo de 21 °C, tal como por debajo de 20 °C, p. ej., por debajo de 19 °C, tal como por debajo de 18 °C, p. ej., por debajo de 17 °C, tal como por debajo de 16 °C, p. ej., por debajo de 15 °C, tal como por debajo de 14 °C, p. ej., por debajo de 13 °C, tal como por debajo de 12 °C, p. ej., por debajo de 11 °C, tal como por debajo de 10 °C, p. ej., por debajo de 9 °C, tal como por debajo de 8 °C, p. ej., por debajo de 7 °C, tal como por debajo de 6 °C, p. ej., por debajo de 5 °C, tal como por debajo de 4 °C, p. ej., por debajo de 3 °C, tal como por debajo de 2 °C, p. ej., por debajo de 1 °C
En una realización preferida de la presente invención, la temperatura durante todo el proceso puede ser de 5-25 °C.
Los inventores de la presente invención descubrieron que aplicando las dos etapas de ajuste del pH en combinación con temperaturas bajas (en comparación con la técnica anterior que usa temperaturas superiores a 100 °C) era posible obtener una pasta de biomasa que tuviera simultáneamente una baja viscosidad, una mejora de las propiedades de drenaje y una mejor homogeneización. La baja viscosidad se debe a la descomposición de la pectina y, por tanto, a la disminución de la cantidad de pectina en la pasta de biomasa de la presente invención (la pectina adsorbe simplemente menos líquido en la pasta de biomasa de la presente invención en comparación con los productos tradicionales de pasta de biomasa). La mejora del drenaje también es debida a la disminución de la cantidad de pectina en la pasta de biomasa de la presente invención, siguiendo la opción 2 de la figura 1, la pectina liga menos líquido en la pasta de biomasa, por tanto, aplicando el método de la presente invención, es posible aumentar la cantidad de jugo de azúcar obtenido con un menor aporte de
energía al separar la pasta de biomasa en jugo de azúcar y pulpa. La mejora de la homogeneización también es debida a la disminución de la cantidad de pectina, por tanto, la fuerza que se usa para homogeneizar la masa de biomasa antes de su uso disminuye en comparación con la fuerza que se debe usar cuando se homogeneiza una pasta de biomasa que tiene mayor viscosidad.
La biomasa puede ser pretratada mediante procesos mecánicos tales como, aunque sin limitación, molido, molienda, corte, prensado, rebanado, abrasión, compresión, trituración, formación de virutas, refinación y combinación de los mismos.
En una realización de la presente invención, la base puede ser seleccionada del grupo que consiste en hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de amonio (NH4OH), hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y mezclas de los mismos.
En una realización preferida, la base puede ser seleccionada del grupo que consiste en hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH) y mezclas de los mismos.
En una realización adicional, el ácido puede ser seleccionado del grupo que consiste en ácido nítrico (HNO3), ácido fosfórico (H3PO4), ácido clorhídrico (HCL), urea (CO(NH2)2) y mezclas de los mismos.
En una realización preferida, la base puede ser seleccionada del grupo que consiste en ácido nítrico (HNO3), urea (CO(NH2)2 ) y mezclas de los mismos.
La adición de ácido sulfúrico como ácido en la segunda etapa de ajuste del pH debe evitarse preferiblemente ya que el ácido sulfúrico cambiará el sabor de la pasta de biomasa obtenida, por tanto, si tal pasta de biomasa se destina a alimentar a animales de ganado, el sabor provocará una ingesta reducida de alimento.
En una realización, la presente invención hace referencia a una pasta de biomasa que comprende una viscosidad en el intervalo de 2-5 Centipose, p. ej., en el intervalo de 3-4 Centipose, tal como por debajo de 5 Centipose, p. ej., por debajo de 4 Centipose, tal como por debajo de 3 Centipose, p. ej., por debajo de 2 Centipose, tal como por debajo de 1 Centipose. En una realización de la presente invención, la biomasa comprende una viscosidad en el intervalo de 15-30 Centipose, p. ej., en el intervalo de 16-29 Centipose, tal como en el intervalo de 17-28 Centipose, p. ej., en el intervalo de 18-27 Centipose, tal como en el intervalo de 19-26 Centipose, p. ej., en el intervalo de 20-25 Centipose, tal como en el intervalo de 21-24 Centipose, p. ej., en el intervalo de 22-23 Centipose.
La viscosidad puede ser medida según el método divulgado en Eko Hidayanto et al, 2010 (3).
En una realización de la presente invención, la biomasa comprende pectina en una cantidad de 2-3 % del contenido de materia seca.
En una realización adicional de la presente invención, la pasta de biomasa comprende pectina en una cantidad inferior al 0,25 % del contenido de materia seca, tal como inferior al 0,2 %, p. ej., inferior al 0,15 %, tal como inferior al 0,1 %, p. ej., inferior al 0,05 % del contenido de materia seca. Como se ha mencionado previamente, es preferible que la pectina esté en cantidades bajas en la pasta de biomasa debido al efecto de la pectina en la viscosidad, por tanto, puede resultar preferido que la pasta de biomasa comprenda pectina en una cantidad del 0 % del contenido de materia seca.
La cantidad de pectina puede ser medida de acuerdo con el método divulgado en S. Okimasu, 2014 (4).
En una realización preferida, la presente invención hace referencia a una pasta de biomasa que comprende simultáneamente una viscosidad en el intervalo de 2-5 Centipose y pectina en una cantidad inferior al 0,25 % del contenido de materia seca.
En una realización adicional, la pasta de biomasa puede comprender como máximo un 3,5 % de lignina del contenido de materia seca, tal como, como máximo 3 %, p. ej., como máximo 2,5 %, tal como, como máximo 2 %, p. ej., como máximo 1,5 %, tal como, como máximo 1 % del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 0-3,5 % de lignina del contenido de materia seca, p. ej., en el intervalo de 0,5-3 %, tal como en el intervalo de 1-2,5, p. ej., en el intervalo de 1,5-2 % de lignina del contenido de materia seca.
En una realización preferida, la pasta de biomasa puede comprender como máximo un 2 % de lignina del contenido de materia seca.
En otra realización de la presente invención, la pasta de biomasa puede comprender una UFC log de 0/gramos de pasta de biomasa.
En aspecto adicional, la presente invención hace referencia al uso de la pasta de biomasa para la producción de alimento, biocombustible y otros productos industriales.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la fracción líquida puede usarse para la producción de alimento, biocombustible y otros productos industriales. En otra realización, la fracción no líquida puede ser usada para la producción de alimento. El alimento puede ser un alimento para animales.
En el presente contexto, la expresión pasta de biomasa puede denominarse ensilaje o ensilaje de biomasa si se almacena en condiciones anaeróbicas.
En el presente contexto, la expresión pasta de biomasa y el término pasta se usan en el presente documento de forma intercambiable.
La pasta de biomasa obtenida por la presente invención tiene una viscosidad, drenaje y potencial de homogeneización mejorados, un valor de pH de elección y pérdidas de almacenamiento reducidas por la mejora de la estabilidad aeróbica con el fin de optimizar las líneas de proceso en la bioenergía, alimento para animales y la producción industrial de bioproductos.
Esta invención trata dos cuestiones principales. En primer lugar, una homogeneización mejorada en granjas, almacenamiento a largo plazo y manipulación de la biomasa per se, como alimento para animales o materia prima en una planta de biogás como tal.
En segundo lugar, brindando la oportunidad, ya sea en granjas, en una fábrica o mediante una combinación de ambas, de dividir la biomasa en una fracción líquida (tal como, aunque de forma no limitada, un jugo) y no líquida (tal como, aunque de forma no limitada, una pulpa). Tal separación puede ser realizada tras la segunda etapa de ajuste del pH. Mientras que la fracción líquida servirá como sustrato de un producto semielaborado (p. ej., un jugo de azúcar) con fines industriales, la fracción no líquida restante es un valioso alimento para animales, respectivamente una fuente para la producción de proteínas o energía.
Los efectos secundarios de este método no enzimático tienen un efecto favorable en una multiplicidad de parámetros importantes de la biomasa per se, es decir, tanto en la fracción líquida como en la no líquida. Al no producirse la fermentación, los niveles de azúcar son mantenidos, las pérdidas de materia seca son reducidas al mejorar la estabilidad anaeróbica y aeróbica en ambas fracciones. Por otra parte, mejora la economía del proceso el hecho de que no sea necesario añadir enzimas ni calor al método de la presente invención ni a la pasta de biomasa obtenida.
Definiciones de biomasa:
La biomasa es un material biológico derivado de organismos vivos, o recientemente vivos. La mayoría de las veces se refiere a plantas o materiales derivados de plantas que se llaman específicamente biomasa de lignina celulósica. Como fuente de energía, la biomasa puede usarse directamente a través de combustión para producir calor y electricidad o indirectamente después de convertirla en diversas formas de bioenergía incluyendo biocombustible.
El concepto de biomasa en esta solicitud se refiere a materiales derivados de plantas y abarca, define y refleja el mismo entendimiento y alcance que el definido anteriormente, sin embargo, con un enfoque específico en la alimentación de animales de granja, la producción de aminoácidos y proteínas y/o productos semielaborados, tales como jugo de azúcar, para la producción de etanol, otras fuentes de energía o productos industriales de alto valor, entre los cuales, azúcar de cristal, plástico, enzimas, antibióticos, etc.
La calidad de la biomasa como materia prima para la mayoría de los fines se expresa como un porcentaje de lignina y/o de la Fibra detergente neutra (de forma abreviada FDN) de la materia seca. La lignina es la fibra no digerible sin valor energético para el animal. La FDN es una medida del contenido total de fibras de una materia prima/forraje, compuesto por celulosa, hemicelulosas, lignina y el contenido de cenizas restante.
Como se ilustra en la tabla 1 y en el contexto de la calidad, la biomasa en esta solicitud se define para los materiales orgánicos referidos anteriormente con un contenido de lignina inferior al 10 % y un valor de FDN inferior al 65 % de la materia seca, según lo medido por el análisis de P.J. van Soest (1).
En la biomasa, se seguirán las siguientes distinciones en esta invención. Se distingue la biomasa húmeda (de forma abreviada "pasta"), es decir, la pasta de biomasa que puede ser drenada en una fracción líquida (de forma abreviada "jugo de azúcar") y una fracción no líquida (de forma abreviada "pulpa").
Los bioproductos o productos de base biológica, a los que se hace referencia en esta solicitud, pueden ser materiales, productos químicos y energía derivados de Recursos biológicos renovables.
El cultivo de remolacha puede ser una opción de biomasa:
Esta invención tiene su origen en los trabajos sobre el cultivo de remolacha (Beta vulgaris). La remolacha es el principal productor de azúcar en la parte norte del hemisferio y se adapta a un amplio intervalo de condiciones climáticas. En términos de producción de energía por hectárea, un cultivo de remolacha supera a cualquier cultivo en este intervalo climático, en particular si se incluyen los cuellos de la remolacha en la ecuación.
Además de eso, como indica claramente la tabla 6, la remolacha puede ser una opción favorable de biomasa cuando se trata de la producción de sacarosa, así como alternativamente, de la cantidad de glucosa y fructosa por ha tras la hidrólisis de sacarosa. Como puede observarse en la tabla 7, el pH de la pasta de biomasa obtenida por la presente invención influye en las especies de azúcar presentes en la pasta de biomasa después del segundo ajuste del pH.
En el entendimiento general hasta ahora, las remolachas se usan bien para la producción industrial de azúcar o bien como materia prima en animales y plantas de biogás. A lo largo de la historia, esta distinción ha dado lugar al desarrollo de variedades de remolacha azucarera con alto contenido en materia seca, por un lado, y de variedades de remolacha para alimento con menor contenido en materia seca, por otro lado.
En cuanto a esta invención, todo el intervalo de variedades, desde la remolacha azucarera hasta la remolacha para alimento de bajo contenido en materia seca (de forma abreviada "remolacha") en la especie Beta vulgaris puede aplicarse como una biomasa adecuada, incluyendo los cuellos (de forma abreviada, "cultivo de remolacha", que abarca tanto la remolacha como el cuello de la remolacha). Por tanto, en una realización de la presente invención, la biomasa puede ser la remolacha y/o el cuello de la remolacha, preferentemente de la especie Beta vulgaris.
La validez de las observaciones sobre el cultivo de remolacha y las respectivas reivindicaciones al respecto, sin embargo, se aplican a otras fuentes de biomasa, como se ha definido anteriormente.
El almacenamiento de biomasa a corto y largo plazo, el estado de la técnica de almacenamiento a largo plazo de la biomasa, en general, es realizado hasta ahora mediante henificado o ensilaje. El ensilaje es el resultado de un almacenamiento anaeróbico, por medio del cual los azúcares, en parte o en su totalidad, como se demuestra en la tabla 3, son fermentados en ácidos orgánicos, los cuales, a su vez, son los vehículos en la conservación de la biomasa. Existen en el mercado aditivos de ensilaje para optimizar el proceso de fermentación en condiciones de cosecha desfavorables, tal como se ilustra en la tabla 5.
Actualmente, la mayoría de los agricultores están familiarizados con la producción de ensilaje, con una reducción de las pérdidas de fermentación tan bajas como 8-10 % de la materia seca en el "buen ensilaje" como consecuencia inmediata.
En el cultivo de remolacha se reconocen dos productos distintos, a saber, la remolacha y los cuellos. A lo largo de los últimos siglos, la atención se ha centrado en las remolachas ricas en energía, mientras que el uso de los cuellos ha ido perdiendo terreno en los últimos 50 años.
Almacenamiento y manipulación tradicionales de las remolachas frescas:
Tradicionalmente, las remolachas se almacenaban en silos subterráneos. El almacenamiento en silos subterráneos, sin embargo, a menudo se ha visto obstaculizado por importantes pérdidas de materia seca, ya sea por temperaturas por debajo del punto de congelación o superiores a los 10 °C. Particularmente, a causa de las altas pérdidas con el aumento de la temperatura, esta práctica fue limitada al periodo invernal y al principio de la primavera.
Particularmente en la parte norte de Europa, el trabajo de prevención de pérdidas importantes de materia seca en los silos subterráneos, así como la posterior alimentación de las remolachas suponía una gran carga de trabajo diario de elevados costes. Esto, a su vez, no armonizaba con el progresivo aumento de escala de las operaciones agrícolas de los últimos 50 años, reduciendo la remolacha como cultivo forrajero desde un máximo histórico (p. ej., 120,000 ha en Dinamarca en 1960) hasta niveles no vistos antes de superficie en acres en toda Europa (p. ej., 3,000 ha en Dinamarca en 2010).
Mientras que el ensilaje de los cuellos de remolacha junto con la paja picada se practicaba de forma limitada, en la mayoría de los casos este valioso alimento proteico se dejó en el campo y se aró, lo que ha llevado a una menor necesidad de fertilizantes en un cultivo sucesivo, pero también a una mayor lixiviación de NO3 en el otoño.
Desarrollos recientes en el almacenamiento y la manipulación de las remolachas:
En los últimos desarrollos, las remolachas son trituradas y bombeadas a una laguna para su uso diario mediante un almacenamiento a corto o largo plazo, desde 1 día hasta un año o más, en condiciones anaeróbicas, también como ensilaje. Este enfoque ha resuelto muchos de los problemas asociados al almacenamiento y la manipulación tradicionales, referidos anteriormente y ha dado lugar a un renovado interés por la remolacha en Alemania y Dinamarca.
Es importante tener en cuenta que, incluso el almacenamiento de la biomasa como pasta o líquido de corta duración, conduce, en parte o en su totalidad, a condiciones anaeróbicas.
Los problemas restantes en el almacenamiento y la manipulación de remolachas:
Mientras que estos desarrollos recientes abordan en gran medida el problema del almacenamiento y la manipulación, la elevada viscosidad, tabla 2 y la fermentación de los azúcares en grados variables de pH, ácidos orgánicos, etc., tal como se ilustra en la tabla 3, no se resuelven. De hecho, en comparación con las remolachas frescas, el ganado alimentado con los alimentos de la técnica anterior (es decir, ensilaje que carece de azúcar o especies de azúcar debido a la fermentación en condiciones anaeróbicas) también tiene que ser alimentado con suplementos proteicos como compensación por la falta de azúcar presente en el alimento. En cambio, la pasta de biomasa de la presente invención comprende azúcar o especies de azúcar (es decir, sacarosa, glucosa y/o fructosa), ya que estos azúcares no se degradan cuando la pasta de biomasa es almacenada en condiciones anaeróbicas.
La viscosidad de la pasta de biomasa es un factor importante en la eficiencia de la manipulación de la pasta de biomasa: Si bien la remolacha, respectivamente, el cultivo de remolacha tiene un porcentaje de materia seca de solo 15 a 25 %, dependiendo de la variedad, la pasta de la misma es un fluido "espeso", difícil y que requiere energía para remover y homogeneizar una materia prima de composición similar de un día a otro día. Para mantener una elevada producción diaria de leche, esta última es de gran importancia en la alimentación de las vacas de alto rendimiento, altamente dependientes, como de hecho sucede, de una ración consistente de un día para otro día.
Si se trata de separar el jugo de azúcar de la pasta, se observa una gran dificultad para hacerlo con los equipos actuales, tales como la prensa Vincent, los diferentes sistemas de cribado, etc. La capacidad de retención de agua de la biomasa es un inconveniente aparentemente importante para maximizar la fracción líquida.
Ya sea como materia prima en el biogás, en la producción de leche y carne o en la separación de la pasta en jugo de azúcar y pulpa, enfrentarse a este "espesor" de la masa tendrá efectos de largo alcance en las perspectivas económicas en cuanto al uso de la remolacha u otra biomasa en ese aspecto. En términos profesionales, el "espesor" del estado líquido es expresado en viscosidad, tal como se hace referencia en la tabla 2.
El producto comercial BC-Zym, que contiene enzimas, conduce a viscosidades más bajas y a una mejor fluidez de la biomasa. Los aditivos de ensilaje incluyendo las enzimas, suelen ser caros, sensibles a la temperatura y al pH, mientras que su uso efectivo es difícil de visualizar en lagunas de 10,000 m3 o más. El mayor inconveniente, sin embargo, es el hecho de que los tratamientos enzimáticos no detienen el proceso de fermentación con valores de pH incontrolados y, como resultado, la descomposición no deseada del azúcar.
Sin embargo, el objetivo y la característica de esta invención es la combinación de una viscosidad reducida y un potencial de drenaje mejorado, manteniendo también los niveles de azúcar deseados en condiciones de almacenamiento de cualquier duración
La pectina plantea el problema de la viscosidad en la tecnología actual:
El principal obstáculo para reducir la viscosidad de la biomasa es la pectina. La pectina es un heteropolisacárido estructural contenido en las paredes celulares primarias de las plantas y los frutos y puede ligar el agua hasta 15 veces su propio peso.
En un esfuerzo consciente, a temperaturas normales, para destruir la pectina elevando los niveles de pH de 7,5 a 14 mediante un tratamiento alcalino no enzimático, en una serie de experimentos en pasta de remolacha, respectivamente, del cultivo de remolacha, se observó una drástica reducción de la viscosidad de hasta un 70 % en la escala Cp, como se ilustra en la tabla 2.
Simultáneamente podía observarse una mejora significativa en la facilidad de la homogeneización de la pasta respectivamente en la separación del fluido de la pasta. Esto, a su vez, condujo a una mayor fracción líquida mediante un menor uso de energía.
Alternativamente, tanto las enzimas como las altas temperaturas por encima de los 80 grados C destruyen la pectina, pero a costa de costos financieros adicionales. Las enzimas son caras, mientras que las altas temperaturas son costosas en energía.
Los microorganismos plantean el problema de la fermentación en la tecnología actual:
El tratamiento alcalino al que se refiere esta invención tiene otro efecto de gran importancia. A niveles de pH de 7,5 o más, los microorganismos y presumiblemente sus esporas son destruidos y en contraste con los aditivos de ensilaje, tal como se ilustra en la tabla 5, no en función del proceso de fermentación.
Las bacterias y las levaduras son vehículos principales en el proceso de fermentación en condiciones anaeróbicas, así como en el proceso de respiración y putrefacción cuando se exponen al aire. Por consiguiente, la muerte general de los microorganismos, incluyendo los hongos implica tanto una fermentación significativamente reducida de azúcares como una mejor estabilidad aeróbica del ensilaje al exponer la pasta al aire, como se ilustra en la tabla 5.
La exposición al aire de la biomasa almacenada por los anaerobios conduce al desarrollo del calor y al aumento progresivo de las pérdidas. Estabilidad aeróbica, en este contexto, se refiere al número de días entre el inicio de la exposición de la biomasa al aire y el primer desarrollo de calor a una temperatura predefinida y está altamente correlacionada con la muerte bacteriana y fúngica.
En términos de manipulación de la biomasa, la estabilidad aeróbica proporciona flexibilidad y una mayor ventana de tiempo para operar en un entorno aeróbico sin pérdidas. La biomasa, particularmente del cultivo de remolacha, a menudo incluye contaminación del suelo y microbiana. El efecto bactericida o fungicida respectivamente del tratamiento alcalino, permite una ventana para la biomasa contaminada en los esfuerzos perseguidos.
Por tanto, el método proporciona una viscosidad de la pasta de biomasa la cual es reducida fuertemente con la mera aplicación de temperaturas diarias normales, esto, por otro lado, implica un sistema de almacenamiento local y rentable a largo plazo de la pasta de biomasa con bajas pérdidas de materia seca y un pH elegido.
El tratamiento ácido regula y controla el pH de la pasta:
un aspecto de la presente invención es la calidad del jugo de azúcar, es decir, en el disacárido sacarosa y los monosacáridos glucosa y fructosa, tal como se ilustra en la tabla 6.
Un tratamiento alcalino agresivo a elevadas temperaturas destruye fácilmente los monosacáridos, mientras que manteniendo un pH del jugo de azúcar, inferior a 5, convertirá la sacarosa en glucosa y fructosa. Dependiendo de la línea de proceso que se siga en el jugo de azúcar, diferentes calidades/especies/variedades de azúcar están a petición, cada una de ellas se mantiene a su pH óptimo.
En cuanto al mantenimiento de la sacarosa, se deben obtener niveles de pH de 5 a 6,5, mientras que en la producción de etanol se deben obtener niveles de pH de 4,5 a 5,5 del jugo de azúcar. En alimentación animal, los pH de 3-5 de la pulpa están a petición.
Para preservar este delicado equilibrio de sacarosa, fructosa y glucosa, el tratamiento alcalino de la biomasa se limita de 0,15 horas a algunos días y va seguido de un tratamiento ácido para reducir el pH a los niveles óptimos especificados anteriormente. Si el jugo de azúcar puede ser de menor calidad, el tratamiento alcalino puede prolongarse hasta un número ilimitado de días, todas las vías que esta invención ha hecho posibles.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que mantiene sustancialmente los disacáridos en la biomasa y/o en la pasta de biomasa y evita su descomposición en glucosa y fructosa
En una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que proporciona un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa, tal como se ilustra en la tabla 6.
En una realización adicional, la invención hace referencia a un método de preparación de una pasta de biomasa, comprendiendo dicha pasta de biomasa un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa. Por tanto, en otra realización, la presente invención hace referencia a la pasta de biomasa y/o a la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa que comprende un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que proporciona un 47 50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa, tal como se ilustra en la tabla 6.
En una realización adicional, la invención hace referencia a un método de preparación de una pasta de biomasa, comprendiendo dicha pasta de biomasa un 47-50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa. Por tanto, en otra realización, la presente invención hace referencia a la pasta de biomasa y/o a la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa que comprende un 47-50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que se basa en los azúcares fermentables libres en lugar de los azúcares fermentables fijos en la biomasa.
En una realización adicional, la invención hace referencia a un método de preparación de una pasta de biomasa, en donde la mayoría de las especies de azúcares son azúcares fermentables libres.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que se basa en azúcares fermentables libres y, por lo tanto, es mucho más rentable que la búsqueda de azúcares fermentables fijos en la biomasa.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método el cual proporciona un producto esterilizado (es decir, la pasta de biomasa y/o la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa y/o la fracción no líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa), ahorrando así costes de proceso en la línea de producción.
En una realización, la pasta de biomasa obtenible por el método de la presente invención y o la pasta de biomasa de la presente invención puede ser estéril.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método, que proporciona un 93 95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa de los azúcares totales como especies de azúcar.
En una realización adicional, la invención hace referencia a un método de preparación de una pasta de biomasa, comprendiendo dicha pasta de biomasa un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa. Por tanto, en otra realización, la presente invención hace referencia a la pasta de biomasa y/o a la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa que comprende un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa de los azúcares totales como las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa.
Por tanto, en una realización de la presente invención, la invención hace referencia a un método que proporciona un 47 50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa de los azúcares totales como las especies de azúcar.
En una realización adicional, la invención hace referencia a un método de preparación de una pasta de biomasa, comprendiendo dicha pasta de biomasa un 47-50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa de los azúcares totales como las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa. Por tanto, en otra realización, la presente invención hace referencia a la pasta de biomasa y/o a la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa que comprende un 47-50 % de glucosa y un 52-53 % de fructosa de los azúcares totales como las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenible a partir de dicha pasta de biomasa.
Es sabido que los tratamientos alcalinos conducen a una mejor digestibilidad de los alimentos:
Años de experiencia en el tratamiento de la paja con las bases fuertes NaOH respectivamente NH4OH, indican una mejora significativa en la digestibilidad de esa paja en el ganado incluso a niveles moderados de pH. Esto sustenta la opinión de una descomposición del complejo lignocelulósico en la biomasa a niveles moderados de pH entre 6-7, y mucho menos a niveles de pH en el extremo superior de 10-14.
Los polisacáridos son largas cadenas de unidades de glucosa enlazadas en el caso de la celulosa, de unidades diferentes de monosacáridos enlazadas en la hemicelulosa y de ácido galacturónico en el caso de la pectina. Su descomposición conduce en parte o en su totalidad a la producción de azúcares C6 y C5 adicionales, mejorando la digestibilidad y el rendimiento de los azúcares.
Por consiguiente, mediante la descomposición parcial de este complejo lignocelulósico, la digestibilidad o la mejora de la velocidad de digestión de la fracción del alimento, lo cual es un criterio importante en la calidad del alimento, así como en la cantidad de azúcares fácilmente disponibles, será incrementada.
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Un aspecto de la presente invención hace referencia a mantener la calidad del azúcar, limitando la duración de la exposición a un pH elevado de unos pocos minutos a unos pocos días a temperaturas diarias. Por consiguiente, la descomposición del complejo lignocelulósico en esas condiciones no se ha documentado todavía.
Sin embargo, en cuanto al otro objetivo de esta invención, es decir, las operaciones centradas únicamente en una materia prima para plantas de biogás y ganado, un periodo prolongado a pH alto seguido de un periodo prolongado a pH bajo de la pasta de biomasa probablemente conducirá a una descomposición parcial del complejo lignocelulósico y a una mejor digestibilidad.
La invención en comparación con los métodos para destruir el complejo lignocelulósico:
Para reducir la competencia en la superficie en acres por energía en lugar de por producto alimenticio/alimento, la atención en la producción de bioenergía se centra en la hidrólisis del complejo lignocelulósico de la denominada biomasa de 2a generación (paja, hierbas silvestres, etc.),
En particular, en la producción de etanol a partir de biomasa de 2a generación, se aplican métodos duros que se basan en el vapor, a menudo en combinación con enzimas, bases fuertes y/o ácidos fuertes a una humedad y temperatura elevadas.
A diferencia de esta invención, estos tratamientos requieren energía y no están adaptados para mantener la calidad del azúcar y el pH según la elección, como se ha explicado anteriormente.
El método no enzimático propuesto de esta invención funciona a promedios de temperatura diarios normales, por encima de 5 °C, en cualquier parte del mundo y en cualquier época del año. La invención se basa en una tecnología de bajos insumos en la producción de jugo de azúcar y pulpa.
Otros tratamientos de base y ácidos para realizar la invención:
En cuanto al tratamiento alcalino, como alternativa a las bases NaOH, KOH o mezclas de los mismos, podrían aplicarse NH4OH y/o Ca (OH)2. En cuanto al ajuste del pH con ácidos, como alternativa a1HNO3 , las opciones son HCI y H3PO4.
Puede ser ventajoso combinar estos tratamientos químicos con esfuerzos para enriquecer el jugo de azúcar y/o la pulpa. En este contexto, un tratamiento con KOH y/o Ca (OH)2 y/o H3PO4 puede enriquecer la pasta con K, Ca o P sucesivamente, mientras que un tratamiento con NH4OH y/o HNO3 puede enriquecer la pasta con N (precursor de la proteína). Véase también la tabla 4.
Lo nuevo es:
El problema: La adaptación de la biomasa al almacenamiento a largo plazo, la manipulación y el uso como materia prima en la alimentación del ganado y en las plantas de biogás, así como sustrato para la producción de productos semielaborados, tales como jugo de azúcar, se ha visto obstaculizada por su elevada viscosidad y el escaso control del proceso de fermentación en condiciones anaeróbicas. Estos dos factores combinados han supuesto un gran impedimento en las perspectivas de la biomasa como fuente de un alimento homogéneo y de productos semielaborados.
Esta invención se dirige a dos campos con la adaptación de la pasta de biomasa al almacenamiento a largo plazo, manipulación y uso como denominador común. El uso de la invención puede limitarse a la producción de una materia prima en la alimentación del ganado y/o de las plantas de biogás. El ámbito de uso puede ampliarse a la producción tanto de jugo de azúcar, para la producción de productos semielaborados como de pulpa para la alimentación del ganado y/o plantas de biogás.
La novedad, en comparación con el statu quo actual, reside en la destrucción de la pectina y de la vida microbiana, hongos incluidos, a través de un tratamiento alcalino combinado posteriormente con un ajuste ácido del pH según la elección de los niveles óptimos para las diferentes líneas de proceso perseguidas.
Mientras que la destrucción de la pectina permite mejorar la fluidez, la destrucción de la vida microbiana impide la fermentación de la pasta de biomasa.
La novedad, en comparación con la destrucción de la pectina mediante enzimas o aditivos de ensilaje que incluyen enzimas, reside en el efecto bactericida y fungicida controlado de la invención que impide la fermentación, mejora la estabilidad aeróbica y permite un ajuste del pH de la pasta a niveles óptimos, tal como se ilustra en la tabla 8.
En una realización de la presente invención, la biomasa puede comprender pectina en una cantidad de 2-3 % del contenido de materia seca.
En una realización adicional de la presente invención, la pasta de biomasa puede comprender pectina en una cantidad inferior al 0,25 % del contenido de materia seca, tal como inferior al 0,2 %, p. ej., inferior al 0,15 %, tal como inferior al 0,1 %, p. ej., inferior al 0,05 % del contenido de materia seca.
En comparación con los métodos que tienen como objetivo la destrucción del complejo lignocelulósico, entre los que se encuentran en la patente US-2008 102502, la presente invención aborda el almacenamiento a largo plazo y la manipulación de la biomasa con menos del 10 % de lignina, en lugar de un 10 % o más, de la materia seca para mantener una alta calidad de alimentación (densidad energética) de la pasta.
Asimismo, esta invención persigue unas condiciones de proceso de bajo insumo de 1-40 °C en lugar de vapor a 100 grados o más, un tratamiento alcalino significativamente menos duro y mejor controlado que va de 9 minutos (0,15 horas) a más, en lugar de una duración de 2 horas o más, seguido de un tratamiento ácido a niveles de pH controlados según la elección para mantener el rendimiento y la calidad del azúcar.
Los efectos adicionales de este nuevo tratamiento combinado, son una homogeneización y potencial de drenaje mejorados de la pasta de biomasa. Si la mejora de la digestibilidad de la materia prima para la alimentación del ganado y las plantas de biogás es una preocupación primordial, se puede optar por un tratamiento alcalino de mayor duración. Dependiendo de las bases y los ácidos usados en el tratamiento, la pasta de biomasa puede ser enriquecida con Potasio (K), Calcio (Ca), Fósforo (P) y/o Nitrógeno (N).
Cabe señalar que las realizaciones y características descritas en el contexto de uno de los aspectos de la presente invención también se aplican a otros aspectos de la invención.
Tablas
Tabla 1
La tabla 1 muestra diferentes tipos de materiales vegetales los cuales pueden usarse como biomasas según la presente invención.
En esta invención, la calidad de la alimentación de la biomasa es primordial. La máxima calidad es reflejada en un bajo contenido de lignina y FDN. Las remolachas, respectivamente, el cultivo de remolacha son los de mejor desempeño no solo en rendimiento sino también en calidad por hectárea, tal como se ilustra en la tabla 1.
En el contexto de la invención, la biomasa es definida para los materiales orgánicos con un contenido de lignina inferior al 10 % y una FDN (Fibra de detergente neutra) inferior al 65 % de la materia seca. Ambos son criterios importantes para estimar el valor nutritivo del forraje en la alimentación de vacas y cerdos, por lo que cuanto menor sea el valor, mejor es la calidad, mientras que los valores de ensilaje tan elevados o superiores al 10 % de lignina y al 65 % de FDN, según lo medido por el método P.J. van Soest (1) son demasiado elevados para el ganado, cerdos y plantas de biogás de alto rendimiento.
Tabla 2
La tabla 2 muestra la viscosidad de diferentes fluidos
Los fluidos de mayor viscosidad (3) son menos fluidos y requieren una mayor fuerza para fluir que los fluidos de menor viscosidad. Esto se mide en Centipoise, de forma abreviada Cp. La biomasa se encuentra en general en el extremo superior de la escala. La invención destruye la pectina, mejorando la fluidez de p. ej. la pasta de remolacha hasta un 70 % o más en la escala Cp.
La invención trata de la viscosidad o fluidez de la biomasa. La elevada viscosidad de la pasta de biomasa tradicional provoca dificultades para conseguir una materia prima homogénea de un día para otro, lo cual es esencial para alimentar a los animales de alto rendimiento, así como para maximizar el drenaje de la biomasa en una fracción líquida.
Tabla 3
La Tabla 3 muestra un análisis de ensilae de remolacha.
En condiciones anaeróbicas, se produce la fermentación de los azúcares en ácidos orgánicos y alcohol, lo que provoca cambios en el pH. Este proceso es difícil de controlar, lo que provoca grandes variaciones de un silo a otro silo.
La invención trata del almacenamiento y la manipulación de la biomasa en condiciones anaeróbicas. La presente invención elimina la vida microbiana, de tal manera que no se produce ninguna fermentación y que las pérdidas de materia seca asociadas a la fermentación son casi nulas, mientras que el valor final del pH está bajo control.
Tabla 4:
La tabla 4 muestra cómo enriquecer la pasta de biomasa con minerales en función de la base y/o el ácido añadidos al m l r n inv n i n.
La selección de la base y/o el ácido adecuados para el tratamiento puede enriquecer la pasta según la elección.
La invención trata de una materia prima para animales y plantas de biogás. El tratamiento químico puede elegirse de manera que la biomasa se enriquezca con minerales valiosos, entre otros, Potasio, Calcio, Fósforo y Nitrógeno, los cuales abastecen y optimizan las diferentes líneas del proceso y productos que se persiguen.
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Tabla 5
La tabla 5 muestra la composición del ensilaje de hierba de trébol rojo frente al ensilaje de remolacha de la presente invención.
La estabilidad aeróbica se expresa como el número de horas/días que el ensilaje permanece estable al exponerlo al aire y antes de que la temperatura aumente en más de 3 °C. La estabilidad aeróbica permite flexibilizar el tiempo de manipulación de la biomasa en las granjas y está directamente correlacionada con la muerte de la vida microbiana.
En la práctica, los aditivos de ensilaje se aplican regularmente para aumentar la estabilidad aeróbica (2). Tras el tratamiento con aditivos, las levaduras y los moldes se reducen aunque permanecen, lo que conduce a una rápida acumulación de vida microbiana durante la exposición al aire y a una ventana limitada de 13 días antes de la aparición de la putrefacción. Al aplicar el método de la presente invención, que elimina la vida microbiana, el agricultor no necesita aplicar costosos aditivos para mantener una pasta de biomasa estable y, además, mejora la estabilidad aeróbica en comparación con los aditivos durante 18 días o más.
Tabla 6
La tabla 6 muestra el contenido de es ecies de azúcar en las biomasas derivadas de los cultivos.
El cultivo de remolacha tiene un magnífico contenido de sacarosa en comparación con otras biomasas. Hay que tener en cuenta que con un contenido de materia seca del 22 % en la remolacha, el 75-80 % de la misma es sacarosa.
La invención trata sobre una materia prima líquida, jugo de azúcar, como sustrato para la producción de productos de elevado valor, tales como azúcar de cristal, ácido láctico para la producción de bioplástico y otros bioproductos. Mientras que la producción de azúcar de cristal requiere sacarosa, otras líneas de proceso favorecen la fructosa y/o la glucosa. El cultivo de remolacha tiene un magnífico contenido de sacarosa en comparación con otras biomasas. Con la remolacha como sustrato favorito y mediante el control del nivel de pH en el tratamiento ácido, esta invención puede proporcionar una materia prima de una calidad de azúcar de elección.
Tabla 7
La tabla 7 muestra cómo el pH de la pasta de biomasa tras el 2° ajuste del pH influye en las especies de azúcar r n n l i m .
Tabla 8
La tabla 8 muestra las grandes diferencias entre la velocidad de digestión de las distintas biomasas. Cuanto más lenta sea la velocidad de digestión, menor es el rendimiento del ganado y de los digestores de biogás. El azúcar es digerido en 2 días, mientras que los digestores de biogás tardan 100 días en digerir la lignina. Por lo tanto, esta invención limita la biomasa a un contenido de lignina inferior al 10 %.
Tabla 8: El com leo li nocelulósico de la biomasa en la velocidad de di estión:
El tratamiento combinado alcalino-ácido de esta invención tiene múltiples efectos positivos sobre la biomasa, los cuales se ilustran en la Tabla 9.
Tabla 9
Tabla 9. Efecto del tratamiento combinado alcalino-ácido sobre la biomasa.
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Ejemplos
Ejemplo 1:
Descripción detallada del tratamiento químico en la invención La remolacha o, alternativamente, el cultivo de remolacha es triturada y pulverizada hasta obtener una pasta y posteriormente mezclada. A esta pasta se le añade NaOH respectivamente KOH para alcanzar un pH entre 7,5-14. Después de 0,15 horas o más, se añade HNO3 para alcanzar el pH de elección, tras lo cual el sustrato es bombeado a una laguna para su almacenamiento y posterior uso, tal como se ilustra en la figura 1.
Con más detalle, el siguiente ejemplo, a partir de numerosas posibilidades, puede servir. En 1 kg de la pasta de remolacha o del cultivo de remolacha, se puede añadir una solución de NaOH de 0,4 kg para llegar a un pH de 7 o más. Después de 0. 15 horas o más a este pH, es añadida una solución de HNO3 de 0,4 kg para llegar a un pH de elección.
Ejemplo 2:
Dos escenarios para aplicar la invención en la práctica a temperaturas diarias:
La invención se centra en el uso del cultivo de remolacha, aunque se pueden usar otras biomasas. El cultivo de remolacha puede elegirse por ser el que proporciona los mayores rendimientos en materia seca y en sacarosa por hectárea, por un rango superior de sostenibilidad medioambiental, en los veranos frescos de los climas más fríos y en los inviernos frescos de los climas más cálidos.
Además de eso, el cultivo de remolacha, con un 3 % de lignina y un 9,5 % de celulosa de la materia seca, tiene un contenido bajo en lignocelulosa, lo cual es de importancia crítica en la alimentación del ganado y de las plantas de biogás de elevado rendimiento y un requisito previo para un sistema de bioenergía de bajos insumos para cualquier propósito, tal como sugiere la tabla 8.
Así pues, independientemente de que la invención se limite a la producción de una materia prima para alimentar el ganado o las plantas de biogás o para producir jugo de azúcar y pulpa, se puede usar para el cultivo de remolacha.
Como se ilustra en la figura 1, la cosecha del cultivo de remolacha da lugar a dos productos, remolachas y cuellos de remolacha. Las remolachas deben limpiarse e introducirse en una unidad de limpieza estacionaria (unidad móvil), donde las remolachas son lavadas y deshojadas. Posteriormente, son trituradas para obtener una pasta. Al añadir las hojas picadas se realiza una pasta del cultivo de remolacha que se ensila en una laguna.
Esta pasta posee una viscosidad relativamente elevada y es difícil de homogeneizar. Con el fin de reducir la viscosidad y facilitar la homogeneización, así como para maximizar la separación de la fracción líquida (jugo de azúcar) y de la pulpa, la pasta es rociada con una base fuerte y almacenada durante 0,15 horas o más en un recipiente a un pH entre 7,5 o más. En este procedimiento, la pectina es atacada y destruida como se documenta en la tabla de la figura 2.
Este tratamiento alcalino, sin embargo, tiene la ventaja adicional de destruir los microorganismos, hongos incluidos. Esto, a su vez, previene la fermentación de azúcares y las pérdidas de materia seca relacionadas con la misma y la mejora en la estabilidad aeróbica de la pasta, como se documenta en las tablas 3 y 5 sucesivamente.
Posteriormente, esta pasta de viscosidad significativamente reducida y vida microbiana a pH elevado es bombeada a una laguna, silo de torre o recipiente para estiércol líquido para su almacenamiento a corto o largo plazo, donde, mediante un ajuste ácido, un pH de elección se mantiene. Esta pasta está lista para el almacenamiento a largo plazo y puede ser bombeada a un separador, que separa el jugo de azúcar de la pulpa, en cualquier momento, como se ilustra en la figura 1.
En las granjas porcinas y lecheras esto se hará diariamente, de manera que la pulpa puede destinarse para alimentación diaria, mientras que el jugo de azúcar puede acumularse en tanques o silos de torre durante periodos de tiempo prolongados. En las explotaciones agrícolas, se podría optar por otros intervalos de tiempo.
Otro escenario podría basarse en un sistema por lotes en el cual el tratamiento químico se aplica diariamente o a intervalos regulares de tiempo. En este escenario, las remolachas frescas, almacenadas en silos subterráneos, pueden ser la fuente diaria, con un almacenamiento anaeróbico limitado al jugo de azúcar.
En un aspecto, el tratamiento combinado de la biomasa lignocelulósica con NaOH a un pH de 8 o más de una duración de 0,15 horas a un número ilimitado de días, a temperaturas moderadas de 10-30 °C, seguido de un tratamiento con HNO3 hasta un pH entre 2-6, se persigue explícitamente para llegar a materias primas de cualquier viscosidad mejorada,
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drenaje, potencial de homogeneización, mejor digestibilidad/unidad de tiempo, mayores niveles de producción de azúcar, mayores niveles de producción de etanol, valor de pH controlado, reducción de las pérdidas de almacenamiento, mejora de la estabilidad aeróbica o combinaciones de los mismos con el fin de optimizar las líneas de proceso en la bioenergía, alimento para animales y la producción industrial de Bioproductos.
Referencias
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3. Eko Hidayanto et al, 2010, Measurement of Viscosity and Sucrose concentration in aqueous solution using portable Brix meter, Berkala Fisika, Vol. 13, N.° 2.
4. S. Okimasu, 2014, A New Method for the Quantitative Determination of Pectin in Plant Materials by Colloid Titration, Bulletin of the Agricultural Chemical Society of Japan, Publicado en línea el 29 de julio de 2014.
Claims (20)
1. Un método no enzimático de preparación de una pasta de biomasa, en donde una biomasa comprende:
- pectina,
- lignina en una cantidad inferior al 10 % del contenido de materia seca, y
- que presenta un valor de Fibra detergente neutra (FDN) inferior al 65 % del contenido de materia seca, según lo medido de acuerdo con el método de P.J. van Soest, 1963, en Use of detergents in the analysis of fibrous feeds, J. Assoc. Off. Anal. Chemistry 46: 825-829,
es sometido a
- una primera etapa de ajuste del pH, en la cual el pH es ajustado con una base a un pH de al menos 7,5 en un periodo de al menos 5 minutos, seguido de
- una segunda etapa de ajuste del pH, en donde el pH de la pasta de biomasa se ajusta con un ácido a un pH en el intervalo de 1-6,5,
obteniendo así una pasta de biomasa, y
en donde la temperatura durante todo el método es de 1-40 °C.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además que la biomasa se almacene y manipule en condiciones anaeróbicas.
3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende además una etapa de separación de una fracción líquida de la pasta de biomasa.
4. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 ó 3, que comprende además una etapa de separación de la pasta de biomasa en (i) una fracción líquida y (ii) una fracción no líquida tras la segunda etapa de ajuste del pH.
5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde la base es seleccionada del grupo que consiste en hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de amonio (NH4OH), hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y mezclas de los mismos.
6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ácido es seleccionado del grupo que consiste en ácido nítrico (HNO3), ácido fosfórico (H3PO4), ácido clorhídrico (HCI), urea (CO(NH2)2) y mezclas de los mismos.
7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el pH en la primera etapa de ajuste del pH es ajustado a 10 o más.
8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la temperatura durante todo el proceso es de 5-25 °C.
9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el pH en la segunda etapa de ajuste del pH es ajustado en el intervalo de 3-6.
10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pasta de biomasa tiene una viscosidad en el intervalo de 2-5 Centipose (0,002-0,005 Pa.s).
11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pasta de biomasa comprende pectina en una cantidad inferior al 0,25 % del contenido de materia seca.
12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pasta de biomasa comprende como máximo un 3,5 % de lignina de su contenido de materia seca.
13. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pasta de biomasa comprende cero vida microbiana.
14. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la biomasa es seleccionada del grupo que consiste en alfalfa, alfalfa verde, maíz, hierba, trébol, remolachas, guisantes, judías, cereales de planta entera, sorgo dulce, sorgo, flores de girasol y mezclas de los mismos, preferentemente remolachas.
15. Una pasta de biomasa obtenida mediante el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 14, en donde la pasta de biomasa tiene una viscosidad en el intervalo de 2-5 Centipose (0,002-0,005 Pa.s).
16. Una pasta de biomasa obtenida mediante el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 14, en donde la pasta de biomasa comprende un 93-95 % de sacarosa y un 0,6-5,8 % de glucosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenida a partir de dicha pasta de biomasa.
17. Una pasta de biomasa obtenida mediante el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 14, en donde la pasta de biomasa comprende un 52-53 % de fructosa y un 47-50 % de glucosa como % de los azúcares totales de las especies de azúcar en la pasta de biomasa y/o en la fracción líquida obtenida a partir de dicha pasta de biomasa.
18. Uso de una pasta de biomasa de acuerdo con las reivindicaciones 15, 16 ó 17 en la producción de alimentos, biocombustible y otros productos industriales.
19. Uso de una fracción líquida de la pasta de biomasa de acuerdo con las reivindicaciones 15, 16 ó 17 en la producción de alimentos, biocombustible y otros productos industriales tales como el jugo de azúcar, en particular en la producción de glucosa, fructosa y sacarosa.
20. Uso de una fracción no líquida de la pasta de biomasa de acuerdo con las reivindicaciones 15, 16 ó 17 en alimento.
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