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ES2616691T3 - Producción de residuos comestibles a partir de la producción de etanol - Google Patents

Producción de residuos comestibles a partir de la producción de etanol Download PDF

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ES2616691T3
ES2616691T3 ES10823967.4T ES10823967T ES2616691T3 ES 2616691 T3 ES2616691 T3 ES 2616691T3 ES 10823967 T ES10823967 T ES 10823967T ES 2616691 T3 ES2616691 T3 ES 2616691T3
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ethanol
antibiotic
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Xyleco Inc
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Abstract

Un procedimiento que comprende: irradiar residuos comestibles, donde los residuos comestibles se han producido como un subproducto del bioprocesamiento de una materia prima que comprende una materia prima celulósica y/o lignocelulósica para producir un azúcar, donde los residuos comestibles contienen un antibiótico, y la irradiación se realiza en las condiciones seleccionadas para inactivar o destruir el antibiótico.

Description

DESCRIPCION
Produccion de residuos comestibles a partir de la produccion de etanol.
5 SOLICITUDES RELACIONADAS
Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud Provisional de Estados Unidos n.° de serie 61/251.610, presentada el 14 de octubre de 2009.
10 CAMPO TECNICO.
Esta invencion se refiere a la produccion de residuos comestibles a partir de la produccion de etanol, por ejemplo, granos de destilacion y residuos a partir de la produccion de etanol celulosico.
15 ANTECEDENTES
Las plantas de fabricacion existen para la produccion de etanol a partir de granos, por ejemplo, mafz y de azucares. La fabricacion de etanol se analiza en muchas fuentes, por ejemplo, en The Alcohol Textbook, 4a Ed., ed. K.A. Jacques, et al., Nottingham University Press, 2003. Los granos de destilacion (tambien denominados como granos 20 de destilacion y solubles (DGS) o granos de destilacion secos (DDGS)) son un sub-producto de la produccion de etanol. Los granos de destilacion son un sub-producto valioso, ya que son una fuente principal de alimentacion de ganado de bajo coste. Sin embargo, recientemente han surgido preocupaciones debido a la presencia de antibioticos en los granos de destilacion. Los antibioticos en los granos de destilacion generalmente estan presentes como un resultado del uso de antibioticos en el proceso de fabricacion de etanol. Los antibioticos, tales como penicilina y 25 virginiamicina se usan para controlar las bacterias que compiten con la levadura durante la fermentacion, convirtiendo el azucar en acido lactico en lugar de etanol. Si se imponen restricciones sobre la venta o el uso de granos de destilacion debido a preocupaciones sobre el contenido de antibioticos, esto danara en gran medida los margenes de beneficio de los productores de etanol, asf como privara a los ganaderos de una buena fuente de alimentacion de ganado.
30
La Solicitud de Patente de Estados Unidos n.° 20060127999, "Process for producing ethanol from corn dry milling", y la Solicitud de Patente de Estados Unidos n.° 20030077771, "Process for producing ethanol", son relevantes para la presente invencion. Ademas, la Patente de Estados Unidos n.° 7.351.559 "Process for producing ethanol", la Patente de Estados Unidos n.° 7.074.603, "Process for producing ethanol from corn dry milling", y la Patente de Estados 35 Unidos n.° 6.509.180, "Process for producing ethanol" son relevantes par ala presente invencion.
El documento CA 2823043 describe un procedimiento de procesamiento de la biomasa que comprende radiacion por haz de electrones.
40 El documento US 2007/0161095 desvela procedimientos de sfntesis de combustible de biomasa para un aumento de la eficiencia energetica.
RESUMEN
45 La materia objeto de la invencion se expone en las reivindicaciones adjuntas.
En general, esta invencion se refiere a residuos comestibles a partir de la produccion de etanol, y a procedimientos para producir residuos comestibles que son bajos en contenido de antibiotico o, en realizaciones preferidas, substancialmente libres de antibioticos. Por "bajo en contenido de antibioticos" o "substancialmente libre de 50 antibioticos", se refiere a que el residuo comestible contiene poco o ningun antibiotico activo, por ejemplo, menos de 100 ppm; el residuo comestible puede contener antibioticos inactivados, como se analizara en el presente documento.
El residuo comestible puede ser, por ejemplo, granos de destilacion secos (DDG), en el caso de produccion de 55 etanol de mafz, o una mezcla de lignina, azucares sin fermentar (por ejemplo, xilosa, arabinosa), minerales (por ejemplo, arcilla, sflice, silicatos), y en algunos casos celulosa sin digerir.
En algunas implementaciones, el residuo comestible contiene menos de 50 ppm en peso de antibiotico activo, por ejemplo, menos de 25 ppm, menos de 10 ppm, o incluso menos de 1 ppm.
En un aspecto, la invencion presenta un procedimiento que comprende irradiar residuos comestibles que se han producido como un subproducto de un proceso de fabricacion de etanol.
5 Algunas implementaciones incluyen una o mas de las siguientes caracterfsticas. Los residuos comestibles comprenden granos de destilacion y solubles, por ejemplo, a partir de un proceso de etanol de mafz. Como alternativa, los residuos comestibles pueden comprender lignina, xilosa y minerales, y en algunos casos celulosa no digerida, por ejemplo, cuando el proceso de fabricacion de etanol utiliza una materia prima celulosica y/o una materia prima lignocelulosica.
10
Los residuos comestibles contienen un antibiotico, y la irradiacion se realiza en condiciones que se seleccionan para inactivar o destruir el antibiotico, por ejemplo, cambiando la estructura molecular del antibiotico. En tales casos, despues de la irradiacion, los residuos comestibles pueden contener menos de 100 ppm, tal como menos de 50, 25, 10 o 1 ppm, en peso de antibiotico activo, o pueden estar substancialmente libres de antibiotico activo. En algunas 15 implementaciones, antes de la irradiacion los residuos comestibles contienen de aproximadamente 500 ppm hasta aproximadamente 10.000 ppm en peso de antibiotico activo.
En algunas implementaciones, la irradiacion se administra a una dosis de mas de aproximadamente 0,5 Mrad y/o menos de aproximadamente 5 Mrad, por ejemplo, a una dosis de aproximadamente 1 hasta aproximadamente 3 20 Mrad.
Si los residuos comestibles son granos de destilacion y solubles, los granos de destilacion y solubles pueden secarse, produciendo granos secos de destilacion y solubles (DDGS). El secado puede realizarse antes de, durante o despues de la irradiacion.
25
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La FIG. 1 es un diagrama esquematico que ilustra un proceso para preparar etanol y granos de destilacion.
30 DESCRIPCION DETALLADA
Haciendo referencia a la FIG. 1, una planta para fabricar etanol puede incluir, por ejemplo, una o mas unidades de operacion (10) para recibir y tratar ffsicamente una materia prima, que en una planta tfpica de etanol basada en grano (por ejemplo, mafz o grano) generalmente incluye equipo receptor de grano y molino de martillo. Si la materia 35 prima que se va a usar es un material celulosico o lignoceluosico que no es de grano, las unidades de operacion 10 pueden ser configuradas para reducir el tamano de la materia prima de una manera que expone fibras internas de la materia prima, por ejemplo, como se desvela en la Patente de Estados Unidos n.° 7.470.463, cuya divulgacion completa se incorpora en el presente documento por referencia.
40 En algunos casos, por ejemplo, si la materia prima incluye un material que es diffcil de tratar por fermentacion, por ejemplo, residuos de cosecha u otras materias primas lignocelulosicas, la planta puede incluir una unidad de operacion opcional configurada para tratar la materia prima para reducir su recalcitrancia. En algunas implementaciones, la recalcitrancia se reduce en al menos el 5 %, o al menos el 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, o el 95 %. En algunos casos, la recalcitrancia se elimina sustancialmente de manera 45 completa. Los procesos de tratamiento utilizados por la unidad de operacion reductora de recalcitrancia pueden incluir uno o mas de irradiacion, sonicacion, oxidacion, pirolisis y explosion de vapor. Los procedimientos de tratamiento pueden usarse en combinaciones de dos, tres, cuatro o incluso todas estas tecnologfas (en cualquier orden). Las unidades de operacion que pretratan materias primas para reducir la recalcitrancia se describen en el documento WO 2008/03186, cuya divulgacion completa se incorpora en el presente documento por referencia.
50
La materia prima puede procesarse entonces en una serie de dispositivos de coccion (12), como se sabe bien, someterse a licuefaccion (14), y enfirarse (16) a una temperatura adecuada para el contacto con microorganismos, tales como levaduras. La corriente enfriada fluye entonces a un sistema de bioprocesamiento (18), donde se bioprocesa, por ejemplo, se fermenta, para producir una mezcla de etanol en bruto que fluye hacia un tanque de 55 mantenimiento (20).
El sistema de bioprocesamiento utiliza antibioticos para prevenir la generacion excesiva de acido lactico por las bacterias en la mezcla. Por ejemplo, el antibiotico puede anadirse en una concentracion de aproximadamente 500 ppm a aproximadamente 10.000 ppm en peso de la materia prima.
El agua u otro solvente, y otros componentes distintos de etanol, se separan de la mezcla de etanol en bruto usando una columna de separacion (22), y el etanol se destila entonces usando una unidad de destilacion (24), por ejemplo, un rectificador. Finalmente, el etanol puede secarse usando un tamiz molecular (26), desnaturalizarse, si es 5 necesario, y transferirse a un procedimiento de envfo deseado.
Otra corriente viene del fondo de la columna de separacion (22) y se pasa a traves de una centrffuga (28). Una fraccion lfquida, o "vinaza fina (agua de proceso)" se devuelve entonces al proceso, generalmente antes de los dispositivos de coccion (12). Los solidos ("torta humeda") se someten a procesamiento adicional, incluyendo secado, 10 en una unidad de operacion de evaporador/secador (30), dando como resultado en la produccion de un residuo comestible, por ejemplo, granos de destilacion y solubles secos (DDGS) si la materia prima fue mafz.
El residuo comestible se irradia entonces, usando una unidad de irradiacion (32). La irradiacion sirve tanto para inactivar cualquier antibiotico presente en el resido comestible a partir del proceso de fermentacion, por ejemplo, 15 cambiando la estructura molecular del antibiotico, y para esterilizar el residuo comestible, matando cualquier bacteria indeseable u otro microorganismo presente en el residuo comestible.
La irradiacion puede realizarse usando cualquier dispositivo adecuado. Si el residuo comestible esta en la forma de una seccion fina, por ejemplo, granulos pequenos, la irradiacion de haz de electrones puede ser preferida para 20 proporcionar alto rendimiento. Si se requiere penetracion mas profunda, por ejemplo, si el residuo comestible esta en la forma de una torta gruesa, puede usarse la radiacion gamma.
La radiacion puede administrarse en cualquier dosis que sea suficiente para inactivar el antibiotico y/o destruir bacterias y microorganismos indeseables, sin afectar perjudicialmente la disponibilidad de nutrientes del residuo 25 comestible. Por ejemplo, la dosis puede ser desde aproximadamente 0,5 Mrad hasta aproximadamente 5 Mrad, por ejemplo, de aproximadamente 1 Mrad a aproximadamente 3 Mrad.
El secado del residuo comestible puede realizarse antes (como se muestra), durante o despues de la irradiacion, o puede omitirse si se desea.
30
En general, todo el equipo de procesamiento usado en el proceso descrito anteriormente se utiliza normalmente en plantas de fabricacion de etanol existentes, con la excepcion de unidad de operacion reductora de recalcitrancia opcional y el dispositivo usado para irradiar el residuo comestible.
35 En algunos casos, la materia prima puede ser un material celulosico o lignocelulosico que se ha tratado ffsicamente y opcionalmente pre-tratado en una ubicacion remota y despues se ha enviado a la planta, por ejemplo, por tren, camion, barco (por ejemplo, barcaza o supertanque), o aire. En tales casos, el material puede enviarse en un estado densificado para eficiencia de volumen. Por ejemplo, la materia prima puede tratarse ffsicamente, por ejemplo, usando las tecnicas de reduccion de tamano descritas mas adelante, o a una densidad a granel de menos de 40 aproximadamente 0,35 g/cc, y entonces densificada para tener una densidad a granel de al menos aproximadamente 0,5 g/cc. En algunas implementaciones, el material densificado puede tener una densidad a granel de al menos 0,6, 0,7, 0,8 o 0,85 g/cc. Los materiales fibrosos pueden densificarse usando cualquier proceso adecuado, por ejemplo, como se desvela en el documento WO 2008/073186.
45 La materia prima puede ser en algunos casos de naturaleza fibrosa. Las fuentes de fibra incluyen fuentes de fibra celulosica, incluyendo papel y productos de papel (por ejemplo, papel poli-recubierto y papel Kraft), y fuentes de fibra lingocelulosica, incluyendo madera y materiales relacionados con manera, por ejemplo, tablero de partfculas. Otras fuentes de fibra adecuadas incluyen fuentes de fibras naturales, por ejemplo, pastos, cascaras de arroz, bagazo, algodon, yute, canamo, lino, bambu, sisal, abaca, paja, mazorcas de mafz, cascaras de arroz, fibra de coco; fuentes 50 de fibra altas en contenido de a-celulosa, por ejemplo, algodon. Las fuentes de fibra pueden ser obtenidas de materiales textiles de recortes vfrgenes, por ejemplo, remanentes, desecho postconsumidor, por ejemplo, harapos. Cuando los productos de papel se usan como fuentes de fibra, pueden ser materiales vfrgenes, por ejemplo, materiales vfrgenes de recorte, o pueden ser desecho postconsumidor. Ademas de materias primas vfrgenes, postconsumidor, industriales (por ejemplo, despojos) y desperdicio de procesamiento (por ejemplo, efluente de 55 procesamiento de papel) tambien pueden usarse como fuentes de fibra. Ademas, la fuente de fibra puede obtenerse o derivarse de desechos humanos (por ejemplo, aguas residuales), animales o vegetales. Las fuentes de fibra adicionales han sido descritas en las Patentes de Estados Unidos n.° 6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 y 5.952.105.
Los azucares liberados durante el bioprocesamiento pueden convertirse en una diversidad de productos, tales como alcoholes o acidos organicos. El producto obtenido depende del microorganismo utilizado y las condiciones bajo las cuales ocurre el bioprocesamiento. Estas etapas pueden realizarse utilizando el equipo existente de la instalacion de fabricacion de etanol basada en granos, con poca o ninguna modificacion. Una corriente de xilosa (C5) puede 5 producirse durante el bioprocesamiento, si esta presente hemi-celulosa en la materia prima, y asf en algunos casos se hace provision para remover esta corriente despues de la columna de separacion.
El microorganismo utilizado en el bioprocesamiento puede ser un microorganismo natural o un microorganismo disenado. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, por ejemplo, una bacteria celulolftica, un hongo, 10 por ejemplo, una levadura, una planta o un protista, por ejemplo, un alga, un protozoario o un protista como hongo, por ejemplo, un moho de limo. Cuando los organismos son compatibles, pueden utilizarse mezclas de organismos. El microorganismo puede ser un aerobio o un anaerobio. El microorganismo puede ser un microorganismo homofermentador (produce un unico o sustancialmente un unico producto final). El microorganismo puede ser un microorganismo homoacetogenico, un microorganismo homolactico, una bacteria de acido propionico, una bacteria 15 de acido butfrico, una bacteria de acido succfnico o una bacteria de acido 3-hidroxfpropionico. El microorganismo puede ser de un genero seleccionado del grupo Clostridium, Lactobacillus, Moorella, Thermoanaerobacter, Proprionibacterium, Propionispera, Anaerobiospirillum, and Bacteriodes. In specific instances, the microorganism can be Clostridium formicoaceticum, Clostridium butyricum, Moorella thermoacetica, Thermoanaerobacter kivui, Lactobacillus delbrukii, Propionibacterium acidipropionici, Propionispera arbors, Anaerobiospirillum 20 succinicproducens, Bacteriodes amylophilus o Bacteriodes ruminicola. Por ejemplo, el microorganismo puede ser un microorganismo recombinante disenado para producir un producto deseado, tal como es usada una Escherichia coli recombinante transformada con uno o mas genes capaces de codificar protefnas que dirigen la produccion del producto deseado (vease, por ejemplo, la Patente de Estados Unidos n.° 6.852.517, expedida el 8 de febrero de 2005).
25
Las bacterias que pueden fermentar biomasa a etanol y otros productos incluyen, por ejemplo, Zymomonas mobilis y Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, anteriormente). Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160) aislaron una bacteria celulolftica, mesofila, anaerobia, a partir de suelo de bosque, Clostridium phytofermentans sp. nov., que convierte celulosa en etanol.
30
El bioprocesamiento, por ejemplo, la fermentacion, de biomasa en etanol y otros productos puede realizarse usando ciertos tipos de microorganismos termofilos o geneticamente disenados, tal como especies de Thermoanaerobacter, incluyendo T. mathranii, y especies de levadura, tal 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. 35 (Arch. Microbial. 1997, 168, 114-119).
Para facilitar la ruptura de los materiales que incluyen la celulosa (tratada por cualquier procedimiento descrito en el presente documento, o incluso sin tratar), puede utilizarse una o mas enzimas, por ejemplo, una enzima celulolftica. En algunas realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa se tratan primero con la enzima, por ejemplo, 40 combinando el material y la enzima en una solucion acuosa. Este material puede ser combinado entonces con cualquier microorganismo descrito en el presente documento. En otras realizaciones, los materiales que incluyen la celulosa, la una o mas enzimas y el microorganismo se combinan concurrentemente, por ejemplo, por combinacion en una solucion acuosa.
45 Los grupos de acido carboxflico en estos productos generalmente reducen el pH de la solucion de fermentacion, tendiendo a inhibir la fermentacion con algunos microorganismos, tal como Pichia stipitis. Por consiguiente, en algunos casos es deseable anadir una base y/o un tampon, antes o durante la fermentacion, para elevar el pH de la solucion. Por ejemplo, pueden anadirse hidroxido sodico o cal al medio de fermentacion para elevar el pH del medio para variar el que es optimo para el microorganismo utilizado.
50
La fermentacion se realiza generalmente en un medio acuoso de crecimiento, que puede contener una fuente de nitrogeno u otra fuente de nutrientes, por ejemplo, urea, junto con vitaminas y minerales y metales en trazas. Generalmente es preferible que el medio de crecimiento sea esteril, o al menos tenga una carga microbiana baja, por ejemplo, cuenta bacteriana. La esterilizacion del medio de crecimiento puede lograrse de cualquier manera 55 deseada. Sin embargo, en implementaciones preferidas, la esterilizacion se realiza irradiando el medio de crecimiento o los componentes individuales del medio de crecimiento antes de la mezcla. La dosificacion de radiacion es generalmente tan baja como sea posible mientras que todavfa se obtengan resultados adecuados, con el fin de minimizar el consumo de energfa y coste resultante. Por ejemplo, en muchos casos, el propio medio de crecimiento o los componentes del medio de crecimiento pueden tratarse con una dosis de radiacion de menos de 5
Mrad, tal como menos de 4, 3, 2 o 1 Mrad. En casos especfficos, el medio de crecimiento es tratado con una dosis de entre aproximadamente 1 y 3 Mrad.
OTRAS REALIZACIONES
5
Se han descrito varias realizaciones. No obstante, se entendera que pueden hacerse varias modificaciones.
Por ejemplo, aunque la produccion de granos de destilacion secos y solubles (DDGS) se ha analizado anteriormente, en algunos casos el producto final puede ser en su lugar granos de destilacion en humedo y solubles 10 (WDGS). Aunque el WDGS, con su alto contenido de humedad, generalmente es costoso de transportar y someter a deterioro, en algunos casos puede usarse, por ejemplo, cuando el alimento del ganado se va a usar cerca de la instalacion de fabricacion de etanol. Tales aplicaciones se describen, por ejemplo, en la Patente de Estados Unidos n.° 6.355.456.
15 Pueden usarse procesos de molienda en humedo o molienda en seco en los procedimientos desvelados en el presente documento.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento que comprende:
    5 irradiar residuos comestibles, donde los residuos comestibles se han producido como un subproducto del bioprocesamiento de una materia prima que comprende una materia prima celulosica y/o lignocelulosica para producir un azucar, donde los residuos comestibles contienen un antibiotico, y la irradiacion se realiza en las condiciones seleccionadas para inactivar o destruir el antibiotico.
    10 2. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde el bioprocesamiento comprende el uso de una enzima,
    preferiblemente donde la enzima es una enzima celulolftica.
  2. 3. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde los residuos comestibles se han producido como un subproducto de un proceso de fabricacion de etanol.
    15
  3. 4. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde el bioprocesamiento comprende la fermentacion.
  4. 5. El procedimiento de la reivindicacion 4, donde los residuos comestibles comprenden granos de destilacion y solubles.
    20
  5. 6. El procedimiento de la reivindicacion 1 donde, despues de la irradiacion, los residuos comestibles contienen menos de 100 ppm, tal como menos de 50, 25, 10 o 1 ppm, en peso de antibiotico activo.
  6. 7. El procedimiento de la reivindicacion 6, donde los residuos comestibles estan sustancialmente libres 25 del antibiotico activo.
  7. 8. El procedimiento de la reivindicacion 1, donde antes de la irradiacion, los residuos comestibles contenfan de 500 ppm a 10.000 ppm en peso de antibiotico activo.
    30 9. El procedimiento de la reivindicacion 5, donde los granos de destilacion y solubles se han secado,
    produciendo granos secos de destilacion y solubles (DDGS).
  8. 10. El procedimiento de la reivindicacion 9, donde el secado se realiza antes de la irradiacion.
    35 11. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde la irradiacion se administra a
    una dosis de mas de aproximadamente 0,5 MRad.
  9. 12. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde la irradiacion se administra a
    una dosis de menos de aproximadamente 5 Mrad, o donde la irradiacion se administra a una dosis de 1 a 3 Mrad.
    40
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