ES2992531T3 - Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule - Google Patents
Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule que comprende: someter dicha biomasa a un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico obteniendo una fase líquida que comprende azúcares y un primer residuo sólido; someter dicho primer residuo sólido a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido obteniendo un primer hidrolizado que comprende azúcares y un segundo residuo sólido; someter dicho segundo residuo sólido a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado que comprende azúcares y un tercer residuo sólido. Los azúcares así obtenidos pueden emplearse ventajosamente como fuentes de carbono en procesos de fermentación para producir alcoholes (p. ej., etanol, butanol), lípidos, dioles (p. ej., 1,3-propanodiol, 1,3-butanodiol, 1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol), o en procesos de síntesis química para producir otros intermedios o productos químicos (p. ej., furfural). Dichos alcoholes y lípidos pueden ser utilizados ventajosamente a su vez en la producción de biocombustibles (p. ej., biodiésel o "diésel verde"), que pueden ser utilizados como tales, o mezclados con otros combustibles para el transporte, mientras que dichos dioles pueden ser utilizados en la producción de productos como el biobutadieno que a su vez puede ser utilizado para la fabricación de cauchos (p. ej., polibutadieno o copolímeros del mismo). Dichos usos son particularmente importantes en el caso de una biorrefinería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule
La presente invención se refiere a un proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule.
Más en particular, la presente invención se refiere a un proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule que comprende: someter la biomasa a un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico obteniendo una fase líquida que comprende azúcares y un primer residuo sólido; someter el primer residuo sólido a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido obteniendo un primer hidrolizado que comprende azúcares y un segundo residuo sólido; someter el segundo residuo sólido a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado que comprende azúcares y un tercer residuo sólido.
Los azúcares así obtenidos se pueden usar ventajosamente como fuentes de carbono en procesos de fermentación para producir alcoholes (por ejemplo, etanol, butanol), lípidos, dioles (por ejemplo, 1,3-propanodiol, 1,3-butanodiol, 1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol), o en procesos de síntesis química para producir otros intermedios o productos químicos (por ejemplo, furfural). Estos alcoholes y lípidos se pueden usar ventajosamente a su vez en la producción de biocombustibles (por ejemplo, biodiésel o "diésel verde"), que se pueden usar como tales, o mezclarse con otros combustibles para el transporte, en tanto que los dioles se pueden usar en la producción de productos tal como bio-butadieno que a su vez se pueden usar para fabricar cauchos (por ejemplo, polibutadieno o copolímeros de este). Estos usos son particularmente importantes en el caso de una biorrefinería. El caucho natural es un polímero de hidrocarburo (cis-1,4-poliisopreno) contenido en cientos de especies de plantas en forma de una emulsión acuosa normalmente indicada por el término látex. La principal fuente de caucho natural esHevea brasiliensis,un árbol nativo de la Amazonía, y América del Sur siguió siendo la principal fuente de las limitadas cantidades de látex requeridas durante todo el siglo XIX. Actualmente, debido a parásitos y enfermedades, las plantaciones estadounidenses han sido casi completamente abandonadas y la producción de caucho natural se concentra casi por completo en el sudeste asiático.
Para superar los inconvenientes de la producción que está cada vez más expuesta a enfermedades y ataques de parásitos, a lo largo del siglo XX se desarrollaron varios métodos para la producción de cauchos sintéticos, que culminaron con el descubrimiento de catalizadores Ziegler-Natta que permiten polimerizar isopropeno con muy alta regio- y estereoselectividad, obteniendo un cis-1,4-poliisopreno sintético que es casi indistinguible del de origen vegetal. Sin embargo, el caucho natural nunca ha sido completamente reemplazado porque algunas de sus propiedades, principalmente mecánicas, son en realidad el resultado de su contenido de pequeñas cantidades de lípidos y proteínas asociadas con él. Por lo tanto, en la producción total de caucho de 2013 (2,5 Mt), todavía se incluyen 12 Mt (43%) de caucho natural.
Pero, la producción de caucho a partir deHevea brasiliensisimplica algunos problemas de naturaleza técnica y ética. De hecho, todavía es posible que las mismas enfermedades y parásitos que destruyeron las plantaciones estadounidenses también afecten a las del sudeste asiático. Además, la cosecha del látex requiere mucha mano de obra y solo es rentable porque esta mano de obra se paga con salarios extremadamente bajos. Por estas razones, se están investigando fuentes alternativas de caucho natural. Entre estos, el guayule(Parthenium argentatum)es sin duda uno de los más prometedores.
El guayule(Parthenium argentatum)es un arbusto perenne originario de las regiones semidesérticas del suroeste de los Estados Unidos (particularmente Texas) y el norte de México. Esta planta acumula caucho natural, que comprende principalmente el elastómero cis-1,4-poliisopreno, en forma de látex (una dispersión o suspensión lechosa en agua) especialmente en la corteza de las ramas y del tallo. El contenido de caucho natural puede depender de varios factores ambientales, agrícolas y de conservación y, por lo tanto, oscila entre el 5% y el 20% del peso total de la planta seca.
La extracción de caucho natural de plantas de guayule, como de otras plantas pertenecientes a los géneros de Asteraceae, Euphorbiaceae, Campanulaceae, Labiatae y Moraceae, tal como, por ejemplo,Euphorbia lathyris, Parthenium incanum, Chrysothamnus nauseosus, Pedilanthus macrocarpus, Cryptostegia grandiflora, Asclepias syriaca, Asclepias speciosa, Asclepias subulata, Solidago altissima, Solidago gramnifolia, Solidago rigida, Sonchus arvensis, Sifphium spp., Cacalia atriplicifolia, Taraxacum koksaghyz, Pycnanthemum incanum, Teucreum canadense, Campanula americana(indicada en resumen por el término "tipo guayule"), representa una alternativa importante a la extracción de caucho natural deHevea brasiliensis,especialmente considerando la mayor resistencia de estas especies a agentes patógenos que atacan a Hevea, los menores costos de importación de la materia prima vegetal y en virtud del menor contenido, en cauchos extraídos de estas plantas en comparación con el derivado deHevea,de numerosos contaminantes proteicos responsables de alergias al látex tipo I (o mediadas por IgE).
Sin embargo, la producción de caucho natural a partir de guayule solo es rentable si también se explotan todas las demás fracciones que constituyen la planta: principalmente resina (presente en cantidades comparables a la del caucho) y la fracción lignocelulósica, así como pequeñas cantidades de aceites esenciales y ceras. En particular, después de la extracción del caucho y la resina, ampliamente descrita en la literatura científica y de patentes, el residuo lignocelulósico (bagazo), que comprende lignina y polisacáridos, se debe someter al proceso de sacarificación que consiste en una hidrólisis de polisacáridos [que, por lo tanto, se transforman en azúcares de 5 átomos de carbono (C5) y azúcares de 6 átomos de carbono (C6) disueltos en el hidrolizado obtenido] que deja un residuo sólido que contiene lignina. Los azúcares así obtenidos luego se pueden usar para alimentar procesos de producción de intermedios orgánicos por fermentación, en tanto que la lignina se puede explotar como combustible o de otras maneras.
Entre los procesos de sacarificación descritos en la técnica anterior, los preferibles son aquellos que permiten obtener la hidrólisis lo más completa posible de la hemicelulosa y una concentración lo más alta posible de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), al mismo tiempo minimizando la formación de oligómeros y la formación de subproductos de reacción derivados de la deshidratación de los azúcares y de la despolimerización parcial de lignina tal como, por ejemplo, furfural (F), hidroximetilfurfural (HMF), compuestos fenólicos, que actúan como inhibidores de crecimiento de los microorganismos generalmente utilizados en los procesos de fermentación de azúcar posteriores, determinando una reducción sustancial en la eficiencia y productividad de los procesos. Entre los procesos capaces de lograr estos resultados, los que prevén un pretratamiento del residuo lignocelulósico (bagazo) a alta temperatura o con sustancias químicas agresivas (por ejemplo, con ácidos o bases), aunque son efectivos, pueden causar problemas debido a la corrosión de las plantas, a la degradación excesiva de azúcar, a la eliminación de sustancias tóxicas o residuales (por ejemplo, sales), etc. Como alternativa a los tratamientos, o con el fin de reducir la agresividad de los mismos, el pretratamiento del residuo lignocelulósico (bagazo) a través de métodos biológicos tales como, por ejemplo, tratamientos que contemplan el uso de hongos capaces de degradar selectivamente la lignina, se puede considerar como una alternativa válida debido a las condiciones de reacción suaves, la simplicidad de las soluciones tecnológicas y la ausencia de producción de sustancias tóxicas a eliminar.
Por ejemplo, la solicitud de patente de los Estados Unidos 2016/0304830 se refiere a un método para mejorar el rendimiento de caucho natural a partir de material vegetal (por ejemplo, material vegetal derivado de la planta de guayule) a través del tratamiento de una solución acuosa o una suspensión (suspensión espesa) que comprende un material vegetal, el material vegetal que comprende caucho natural, con un hongo termófilo, es decir,Thermomyces lanuginosus.La solicitud de patente también se refiere a un método para la sacarificación de biomasa de lignocelulosa que comprende los siguientes pasos: a) proporcionar una solución o suspensión acuosa (suspensión) que comprende material vegetal lignocelulósico; b) inocular la solución o suspensión acuosa (suspensión) con una cantidad efectiva deThermomyces lanuginosuso uno o más derivados de la misma; c) incubar la solución o suspensión acuosa (suspensión) con una cantidad efectiva deThermomyces lanuginosuso uno o más derivados de la misma; d) recuperar los azúcares fermentables obtenidos de la solución o suspensión acuosa (suspensión) después del paso de incubación. Los azúcares obtenidos después de la incubación son principalmente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), tal como xilosa (42,62%) y arabinosa (5%), en tanto que los azúcares monoméricos con 6 átomos (C6) se obtienen en pequeñas cantidades (glucosa 5,91%).
También se conocen pretratamientos de biomasa lignocelulósica con hongos ligninolíticos que inducen la llamada podredumbre blanca conocida como "hongos de podredumbre blanca" (WRF). De hecho, los hongos, a diferencia de los menos selectivos “hongos de podredumbre parda”, son capaces de hidrolizar selectivamente la lignina y por tanto de hacer más accesibles los polisacáridos contenidos en la biomasa y más disponibles para una posterior hidrólisis, ya sea de tipo químico/térmico, o de tipo enzimático, y por tanto de mejorar la producción final de azúcares monoméricos de 5 átomos de carbono (C5) y de azúcares monoméricos de 6 átomos de carbono (C6).
Por ejemplo, Taniguchi M. et al., en el siguiente artículo: "Evaluation of pretreatment with Pleurotus Ostreatus for enzymatic hydrolysis of rice straw", publicado en "Journal of Bioscience and Bioengineering" (2005), Vol. 100, número 6, págs. 637-643, describen el pretratamiento de la paja de arroz con el hongo de la podredumbre blanca (WRF)Pleurotus Ostreatusantes de someterlo a hidrólisis enzimática. El pretratamiento ha llevado a una degradación de la lignina, después de 60 días de incubación, igual al 41%. Sin embargo, al final del pretratamiento, no se destacó la producción de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) o de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6).
Ma F. et al., en el siguiente artículo: "Combination of biological pretreatment with mild acid pretreatment for enzymatic hydrolysis and ethanol, production from water hyacinth", publicado en "Bioresource Technology" (2010), Vol. 101, págs. 9600-9604, describe un proceso para mejorar la hidrólisis enzimática y la producción de etanol a partir de biomasa obtenida de jacinto de agua (con un contenido de lignina particularmente bajo igual a aproximadamente 2,8%). Para ese propósito, la biomasa se pretrató con el hongo de la podredumbre blanca (WRFJ Echinodontium taxodii y después de 10 días se trató con ácido sulfúrico diluido (solución al 0,25% v/v): el residuo obtenido se sometió a hidrólisis enzimática obteniendo azúcares que posteriormente se usaron en la fermentación de la levaduraSaccharomyces cerevisiaepara producir etanol. La combinación del pretratamiento con los hongos de podredumbre blanca (WRFJEchinodontiumtaxodii y ácido sulfúrico diluido tiene un efecto sinérgico y permite aumentar el rendimiento de azúcares 1,13-2,11 veces con respecto al rendimiento de azúcares obtenidos con pretratamiento con ácido sulfúrico diluido solo. Lo mismo es válido para la posterior producción de etanol que muestra un mayor rendimiento 1,34 veces mayor que el rendimiento de etanol obtenido con el pretratamiento con ácido sulfúrico diluido solo.
Isikhuemhen O. S. et al., en el siguiente artículo: "Biodegradation and Sugar Release from Canola Plant Biomass by Selected White Rot Fungi", publicado en "Advances in Biological Chemistry" (2014), Vol. 4, págs. 395-406, describen el uso de seis hongos de la podredumbre blanca (WRF) diferentes para el pretratamiento de la planta de canola. Se ha observado que los azúcares monoméricos, incluida la glucosa, se liberan en el medio de cultivo, junto con los exopolisacáridos: la cantidad de azúcares monoméricos obtenidos fue en promedio de 2 g - 3 g por 100 g de biomasa.
La solicitud de patente internacional WO 2016/062753 a nombre del Solicitante, se refiere a un proceso integrado para la transformación y explotación de cada parte de la planta de guayule, que comprende los siguientes pasos en secuencia:
- separar el tallo de las hojas de la planta con un tratamiento mecánico;
- tratar las hojas para producir ceras y aceites esenciales, y una fracción que comprende celulosa, hemicelulosa y, en menor medida, sales, compuestos orgánicos y lignina;
- extraer del tallo y las ramas una fase líquida formando así un primer residuo leñoso sólido, indicado como bagazo; - Tratar el primer residuo leñoso sólido para formar azúcares, celulosa, hemicelulosa y lignina.
Se dice que el proceso integrado mencionado anteriormente puede explotar aún más la planta de guayule al agregar a la producción de látex, caucho, resina y bagazo, también la producción de azúcares fermentables: dicha explotación es particularmente importante en el caso de biorrefinerías diseñadas para producir intermedios orgánicos distintos del etanol, por ejemplo, para producir 1,3-butanodiol que se puede transformar, después de su doble deshidratación catalítica, en bio-butadieno. La producción de azúcares fermentables se lleva a cabo a través de un proceso de sacarificación en dos etapas: en la primera etapa, se lleva a cabo la hidrólisis ácida para transformar la lignina en azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), en tanto que en la segunda etapa se lleva a cabo la hidrólisis enzimática, química o termoquímica, con el fin de obtener azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). No se hace referencia a ningún pretratamiento biológico de la biomasa derivada de plantas de guayule.
Una biorrefinería basada en la explotación de todos los componentes obtenibles de la planta de guayule será más sostenible cuanto más posible sea transformar la biomasa lignocelulósica residual obtenida después de la extracción de los componentes principales, es decir, látex, resina y caucho (es decir, el bagazo) en azúcares monoméricos con cinco átomos de carbono (C5) o en azúcares monoméricos con seis átomos de carbono (C6) (es decir, azúcares de segunda generación).
Se sabe que, en tanto que el uso de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) para producir compuestos orgánicos (por ejemplo, etanol) no constituye un problema, no se puede decir lo mismo en el caso de los azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5). La razón se puede encontrar en el hecho de que los azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) son metabólicamente menos eficientes que los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) ya que siguen vías catabólicas que son parcialmente diferentes. Los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), tal como la glucosa, se catabolizan de acuerdo con la vía glucolítica, mientras que los azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), tal como xilosa, entran en el metabolismo celular de acuerdo con la vía de la pentosa de fosfato y solo posteriormente se unen a la parte final de la vía glucolítica, la diferencia en la vía catabólica conduce al consumo de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), por muchos microorganismos, con una cinética claramente más lenta que las observadas en el consumo de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). Incluso existen microorganismos, y se utilizan en la industria microbiológica, que no son capaces de utilizar azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5).
Por lo tanto, en general, las mezclas de azúcares obtenidas en muchos procesos de hidrólisis de biomasa que comprenden tanto azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) como azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), no constituyen una alimentación adecuada para muchas fermentaciones, a excepción de la fermentación alcohólica tradicional llevada a cabo en presencia de cepas deSaccharomyces cerevisiae,adecuadamente modificadas genéticamente, con el fin de producir etanol y que son notoriamente bastante tolerantes en relación con la calidad de alimentación.
Por lo tanto, la producción de hidrolizados con un contenido prevalente de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) constituye un problema, en particular en el caso de biorrefinerías diseñadas para producir intermedios orgánicos distintos del etanol, por ejemplo, para producir 1,3-butanodiol que se puede transformar, después de su doble deshidratación catalítica, en bio-butadieno.
Por lo tanto, el Solicitante se propuso resolver el problema de aumentar la cantidad de azúcares obtenidos del tratamiento de biomasa derivada de plantas de guayule, en particular la cantidad de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), con el fin de producir intermedios orgánicos distintos del etanol.
El Solicitante ha descubierto ahora que la cantidad de azúcares obtenidos del tratamiento de biomasa derivada de plantas de guayule, en particular la cantidad de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), se puede aumentar sometiendo la biomasa derivada de plantas de guayule a un pretratamiento en presencia de al menos un hongo ligninolítico obteniendo una fase líquida que comprende azúcares y un primer residuo sólido; sometiendo el primer residuo sólido a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido obteniendo un primer hidrolizado que comprende azúcares y un segundo residuo sólido; sometiendo el segundo residuo sólido a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado que comprende azúcares y un tercer residuo sólido. Los azúcares así obtenidos se pueden usar ventajosamente como fuentes de carbono en procesos de fermentación para producir alcoholes (por ejemplo, etanol, butanol), lípidos, dioles (por ejemplo, 1,3-propanodiol, 1,3-butanodiol, 1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol), o en procesos de síntesis química para producir otros intermedios o productos químicos (por ejemplo, furfural). Estos alcoholes y lípidos se pueden usar ventajosamente a su vez en la producción de biocombustibles (por ejemplo, biodiésel o "diésel verde"), que se pueden usar como tales, o mezclarse con otros combustibles para el transporte, en tanto que los dioles se pueden usar en la producción de productos tal como bio-butadieno que a su vez se pueden usar para fabricar cauchos (por ejemplo, polibutadieno o copolímeros de este). Estos usos son particularmente importantes en el caso de una biorrefinería.
Se obtienen numerosas ventajas a través del proceso de acuerdo con la presente invención tal como, por ejemplo:
- el pretratamiento biológico con al menos un hongo ligninolítico, seleccionado de hongos de la podredumbre blanca (WRF) que pertenecen a las cepasPleurotus ostreatus,permite que los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se liberen en el medio de cultivo, principalmente glucosa, obtenida de la transformación metabólica llevada a cabo por dicho hongo ligninolítico de algunos componentes de biomasa directamente en azúcares monoméricos solubles, en particular, la glucosa se puede obtener en cantidades iguales a 28 g/100 g de bagazo (como se indica en los siguientes ejemplos);
- el tratamiento de hidrólisis del primer residuo sólido con al menos un ácido inorgánico diluido, en particular con ácido sulfúrico diluido, permite obtener una hidrólisis casi cuantitativa de la hemicelulosa contenida en la biomasa, produciendo principalmente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), más en particular, dicho rendimiento cuantitativo se obtiene usando la mitad de la cantidad de ácido inorgánico diluido, con respecto al caso en el que no se lleva a cabo el pretratamiento biológico de la biomasa;
- la hidrólisis enzimática del segundo residuo sólido permite que la celulosa aún contenida se hidrolice, obteniendo predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, siendo dicho rendimiento mayor que el caso en el que no se lleva a cabo el pretratamiento biológico de la biomasa;
- el proceso permite obtener un rendimiento de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) de aproximadamente 50 g/100 g de bagazo (peso seco), el rendimiento que es claramente mayor que el obtenido sin el pretratamiento biológico del bagazo igual a 22 g/100 g de bagazo (peso seco) (como se indica en los siguientes ejemplos).
Por lo tanto, la presente invención se refiere a un proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule que comprende:
- someter el biomasa a un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico seleccionado de los hongos de la podredumbre blanca (WRF) que pertenecen a las cepasPleurotus ostreatusobteniendo una fase líquida que comprende azúcares y un primer residuo sólido;
- someter el primer residuo sólido a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido obteniendo un primer hidrolizado que comprende azúcares y un segundo residuo sólido;
- someter el segundo residuo sólido a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado que comprende azúcares y un tercer residuo sólido.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, las definiciones de los intervalos numéricos siempre incluyen los extremos a menos que se especifique lo contrario.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, el término "que comprende" también incluye los términos "que consiste esencialmente en" o "que consiste en". Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, "planta de guayule" generalmente significa tanto la especieParthenium argentatumcomo las plantas de tipo guayule de las especies enumeradas anteriormente.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, "azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5)" significa azúcares de pentosa, o más simplemente pentosas, que son monosacáridos que comprenden cinco átomos de carbono que tienen la fórmula química C5H10O5. Del mismo modo, para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, "azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6)" significa azúcares hexosa, o más simplemente hexosas, que son monosacáridos que comprenden seis átomos de carbono que tienen la fórmula química G6H12O6.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, el término "biomasa derivada de plantas guayule" significa cualquier forma (por ejemplo, toda la planta, partes de la planta, incluyendo raíces, ramas y/o tallos, hojas, cualquier corteza, fragmentos de planta obtenidos por corte, molienda, etc., briquetas y gránulos obtenidos por compactación de fragmentos de plantas) en donde la planta guayule se usa con el propósito de obtener, por medio de métodos químicos y/o físicos, látex, caucho, resina, bagazo, azúcares y los otros componentes presentes en la propia planta.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, el término "bagazo" significa la porción residual de material vegetal derivado de los procesos de extracción a los que se pueden someter las plantas de guayule. El bagazo también puede incluir algunas cantidades de material no vegetal, por ejemplo, suelo, arena, etc.) típicamente asociado con las raíces de las plantas y derivado de la tierra de cultivo.
Para el propósito de la presente descripción y de las siguientes reivindicaciones, el término "miscela" significa una solución, una suspensión o una emulsión que consiste en látex, caucho y/o resina, agua y/o disolventes orgánicos en los que se lleva a cabo el proceso de extracción, obtenida después de la separación del bagazo.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la biomasa derivada de plantas de guayule es el bagazo derivado de los procesos de extracción a los que se someten dichas plantas de guayule.
Los procesos de extracción a los que se pueden someter las plantas de guayule con el fin de obtener bagazo se conocen en el estado de la técnica. Para el propósito de la presente invención, preferiblemente, dicho bagazo se puede obtener a través del proceso descrito en la solicitud de patente internacional WO 2016/062753 a nombre del Solicitante, informada anteriormente.
De acuerdo con una realización particularmente preferida de la presente invención, el hongo ligninolítico esPleurotus ostreatusMUCL 29420, obtenido de BCCM (BE) Belgian Coordinated Collection of Microorganism, Agrofood & Environmental fungal collection MUCL.
Para el propósito de la presente invención, se prepara un inóculo con dicho hongo ligninolítico, de acuerdo con procesos conocidos en el estado de la técnica, en presencia de medios de cultivo que comprenden glucosa y diversos nutrientes tales como, por ejemplo, nitrógeno, fosfato de potasio, magnesio, sales, vitaminas, cambiando gradualmente a medios de cultivo cada vez más mínimos (es decir, que contienen una concentración cada vez más baja de macronutrientes que pueden ser fácilmente asimilados por el hongo ligninolítico tal como, por ejemplo, carbono, nitrógeno, fósforo), al pasar de un subcultivo al siguiente. Posteriormente, una alícuota (5 ml) del cultivo así obtenido se transfiere, operando en condiciones estériles, a un matraz de 500 ml que contiene 100 g de granos de trigo blando, que se mantiene, bajo agitación, hasta que el micelio fúngico haya cubierto toda la masa de granos de trigo. El matraz se coloca debajo de una cabina de flujo laminar, con el propósito de secar la masa obtenida, que luego se muele finamente obteniendo una harina de trigo contaminada con hongos y se usa para el pretratamiento de la biomasa (como se indica en los siguientes ejemplos). De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, el pretratamiento biológico se puede llevar a cabo a una temperatura que varía de 20 °C a 40 °C, preferentemente que varía de 23 °C a 35 °C.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, el pretratamiento biológico se puede llevar a cabo durante un tiempo que varía de 5 días a 25 días, preferentemente que varía de 10 días a 20 días.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, el pretratamiento biológico se puede llevar a cabo a un pH que varía de 4,5 a 7, preferentemente que varía de 5 a 6,7.
A partir del pretratamiento biológico de dicha biomasa, se obtiene una suspensión que comprende una fase sólida (es decir, primer residuo sólido) y una fase acuosa (es decir, fase líquida que comprende azúcares). La suspensión se somete a filtración o centrifugación con el fin de obtener una fase sólida, es decir, un primer residuo sólido que comprende lignina, celulosa y células del hongo ligninolítico (micelio) y una fase acuosa, es decir, fase líquida que comprende azúcares.
Se debe observar que los azúcares contenidos en la fase líquida, en particular los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), más particularmente la glucosa, se derivan de la actividad metabólica del hongo ligninolítico.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, el ácido inorgánico diluido se puede seleccionar, por ejemplo, de ácido sulfúrico, ácido fosfórico o mezclas de los mismos. Preferentemente, el ácido inorgánico diluido es ácido sulfúrico diluido, incluso más preferentemente es una solución acuosa al 2,5% en peso de ácido sulfúrico.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido se puede llevar a cabo durante un tiempo que varía de 30 minutos a 120 minutos, preferentemente que varía de 45 minutos a 90 minutos.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido se puede llevar a cabo a una temperatura que varía de 110 °C a 160 °C, preferentemente que varía de 110 °C a 130 °C.
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido se puede llevar a cabo a un pH que varía de 0,05 a 2, preferentemente que varía de 0,08 a 1,0.
A partir de la hidrólisis del primer residuo sólido, se obtiene una mezcla que comprende una fase sólida (es decir, un segundo residuo sólido) y una fase acuosa (es decir, un primer hidrolizado). La mezcla se somete a filtración o centrifugación con el fin de obtener una fase sólida, es decir, un segundo residuo sólido que comprende lignina y celulosa y una fase acuosa, es decir, un primer hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5).
Se debe observar que los azúcares contenidos en el primer hidrolizado, en particular los azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), más particularmente la xilosa, se derivan de la hidrólisis de la hemicelulosa contenida en el primer residuo sólido.
La hidrólisis enzimática de dicho segundo residuo sólido que comprende lignina y celulosa, se puede llevar a cabo de acuerdo con técnicas conocidas en el estado de la técnica como se describe, por ejemplo, en las patentes US 5.628.830, US 5.916.780 y US 6.090.595, usando enzimas comerciales tal como, por ejemplo, Cellic® CTec2 de Novozymes Bioenergy, Celluclast 1,5L (Novozymes), Econase CE (Rohm Enzymes), Spezyme (Genecor), Novozym 188 (Novozymes), usadas individualmente o mezcladas juntas. A partir de la hidrólisis enzimática del segundo residuo sólido, se obtiene una mezcla que comprende una fase sólida (es decir, un tercer residuo sólido) y una fase acuosa (es decir, un segundo hidrolizado). La mezcla se somete a filtración o centrifugación con el fin de obtener una fase sólida, es decir, un tercer residuo sólido que comprende lignina y celulosa y una fase acuosa, es decir, un segundo hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, derivada de la hidrólisis de celulosa.
Los azúcares así obtenidos se pueden usar ventajosamente como fuentes de carbono en procesos de fermentación para producir alcoholes (por ejemplo, etanol, butanol), lípidos, dioles (por ejemplo, 1,3-propanodiol, 1,3-butanodiol, 1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol), o en procesos de síntesis química para producir otros intermedios o productos químicos (por ejemplo, furfural). Estos alcoholes y lípidos se pueden usar ventajosamente a su vez en la producción de biocombustibles (por ejemplo, biodiésel o "diésel verde"), que se pueden usar como tales, o mezclarse con otros combustibles para el transporte, en tanto que los dioles se pueden usar en la producción de productos tal como bio-butadieno que a su vez se pueden usar para fabricar cauchos (por ejemplo, polibutadieno o copolímeros de este). Estos usos son particularmente importantes en el caso de una biorrefinería. La lignina se puede explotar como un combustible, o para preparar materiales compuestos (por ejemplo, después de molerse finamente, la lignina se puede dispersar en polímeros sintéticos apropiados, tal como, por ejemplo, polietileno, poliestireno) o como biorellenos (por ejemplo, después de molerse finamente, la lignina se puede dispersar en compuestos de caucho).
Las cantidades de azúcares obtenidas después de la hidrólisis se pueden determinar a través de técnicas conocidas en el estado de la técnica tal como, por ejemplo, cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) o cromatografía de intercambio iónico.
La presente invención ahora se ilustrará con más detalle a través de una realización con referencia a la figura 1 descrita más adelante.
La figura 1 representa una realización del proceso de acuerdo con la presente invención. Para ello, de la planta de guayule (1) se separan ramas, tallos y hojas (100), por ejemplo, mediante un tratamiento mecánico. Las ramas, tallos y hojas (100) se someten a extracción, por ejemplo, en presencia de una solución acuosa básica (no se muestra en la figura 1 ) obteniendo una primera micela de la que se extrae el látex (101) y un primer bagazo sin látex (no se muestra en la figura 1). El primer bagazo sin látex se somete a extracción, por ejemplo, en presencia de un sistema de disolvente polar (no se muestra en la figura 1 ) obteniendo una segunda micela de la que se extrae la resina (103) y un segundo bagazo sin látex y sin resina (no se muestra en la figura 1). El segundo bagazo sin látex y sin resina se somete a extracción, por ejemplo, en presencia de un sistema de disolvente no polar (no se muestra en la figura 1 ) obteniendo una tercera micela de la que se extrae el caucho (102) y un tercer bagazo sin látex, sin resina y sin caucho (110). El bagazo (110) se somete a un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico seleccionado de los hongos de la podredumbre blanca (WRF) que pertenecen a las cepasPleurotus ostreatusoFomitiporia mediterránea,obteniendo una fase líquida (111) que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, y un primer residuo sólido (120). El primer residuo sólido (120) se somete a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido (por ejemplo, en presencia de ácido sulfúrico diluido) obteniendo un primer hidrolizado (121 ) que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y un segundo residuo sólido (130). El segundo residuo sólido (130) se somete a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado (131) que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, y un tercer residuo sólido (140) (indicado como lignina en la figura 1). La lignina (140) se puede usar convenientemente para preparar materiales compuestos o biorellenos (400). Los hidrolizados que comprenden azúcares monoméricos (111), (121) y (131), se pueden usar en la preparación, a través de fermentación, de bioproductos (300), (tal como, por ejemplo, bio-butanodioles) o biocombustibles (tal como, por ejemplo, aceites microbianos o etanol) (300), o en la preparación, a través de síntesis química, de productos químicos (200) (tal como, por ejemplo, furfural).
Más detalles sobre la obtención de los diversos tipos de bagazo, en cuanto a la obtención de látex, resina, caucho, aceites esenciales, a partir de plantas de guayule, se pueden encontrar, por ejemplo, en la solicitud de patente internacional WO 2016/062753 a nombre del Solicitante mencionada anteriormente, o en la solicitud de patente italiana IT2015000082659 a nombre del Solicitante, incorporada a la presente para fines de referencia.
El bagazo derivado de plantas de guayule utilizadas en los siguientes ejemplos contenía: 18% en peso de celulosa (glucano), 11 ,6% en peso de xilano, 5,5% en peso de arabinano, 1,5% en peso de galactano y 31% en peso de lignina, con respecto al peso total (peso seco) del bagazo. La composición del bagazo derivado de plantas de guayule se determinó de acuerdo con el método estándar internacional definido por el NREL, EE. UU. (A. Sluiter et al., NREL/TP-510-42618, revisado en julio de 2011 "Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass").
Con el fin de comprender mejor la presente invención y ponerla en práctica, más adelante se presentan algunos ejemplos ilustrativos y no limitantes de la misma.
Ejemplo 1 (comparativo)
Hidrólisis enzimática de bagazo derivado de plantas de guayule
200 g de bagazo derivado de plantas de guayule(Parthenium argentatum),se lavaron con agua, se secaron en el horno a 60° C, durante una noche, y se molieron (diámetro de partícula < 2 mm).
Posteriormente, en un matraz de 500 ml, se preparó una suspensión al 10% en peso en agua del bagazo mencionado anteriormente con respecto al peso total de la suspensión, a la que se agregó la mezcla enzimática Celtic<®>CTec2 (Novozymes Bioenergy), en la cantidad de 10% en peso con respecto al bagazo cargado (peso seco) y 100 ml de una solución madre 50 mM del amortiguador de citrato a pH 5: todo se dejó, bajo agitación, (150 rpm), a 50°C, durante 72 horas, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un hidrolizado que comprende azúcares con 6 átomos de carbono (C6). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se separaron por filtración.
El hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración a través de evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 2,05 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado.
El contenido de azúcar se determinó mediante cromatografía de intercambio iónico (HPAE-PAD), utilizando un sistema de cromatografía Dionex, equipado con una columna Carbopac PA100, con un gradiente de hidróxido de sodio y acetato de sodio como contraión.
Ejemplo 2 (invención)
El pretratamiento biológico conPleurotus ostreatusde bagazo derivado de plantas de guayule 200 g de bagazo derivado de plantas de guayule(Parthenium argentatum),se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche, y se molió (diámetro de partícula < 2 mm).
20 g (peso seco) del bagazo mencionado anteriormente, 1 g/l de nitrato de amonio (NH<4>NO<3>), 1 g/l de extracto de levadura y 400 ml de una solución madre 0,1 M de amortiguador de fosfato a pH 5,5, se cargaron en un biorreactor de vidrio de 500 ml, cerrado herméticamente, provisto de dos entradas para muestrear y suministrar gases. La mezcla obtenida se esterilizó en un autoclave a 121° C, durante 10 minutos. Después de la esterilización, se agregó 1 g de inóculo dePleurotus ostreatus(harina de trigo contaminada con hongos, que contenía aproximadamente 10<6>CFU/g): la suspensión obtenida se mantuvo, bajo agitación (250 rpm), a temperatura ambiente (25°C), durante 18 días. Durante este período, el oxígeno puro se lavó en el biorreactor (1 ml/min) durante aproximadamente 60 -90 minutos, cada 2 - 3 días y las muestras se tomaron en diferentes días después de la inoculación: 0, 4, 9, 14 y 18, respectivamente; Cada prueba se llevó a cabo tres veces.
Se observó que los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), incluida principalmente la glucosa, se acumularon gradualmente en el medio de cultivo (fase líquida) de acuerdo con una cinética en forma de campana. El valor máximo de acumulación de glucosa, correspondiente a 14 días de cultivo, fue de 28 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. El contenido de azúcar se determinó como se describe en el ejemplo 1.
El primer residuo sólido que comprende lignina, celulosa y células del hongo ligninolítico (micelio)Pleurotus ostreatusobtenido, se separó de la suspensión por filtración y se sometió a análisis a través del método estándar internacional definido por el NREL especificado anteriormente. Estos análisis confirmaron que la cantidad de celulosa contenida en el residuo sólido obtenido fue solo ligeramente menor que la contenida en el bagazo (reducción del 2%) cargado durante el pretratamiento biológico: considerando que la cantidad de glucosa obtenida es mayor que la teóricamente obtenible a partir de la celulosa contenida en la biomasa inicial (ver Ejemplo 1), se puede concluir que la glucosa contenida en el medio de cultivo se originó a partir de la actividad metabólica del hongo ligninolíticoPleurotus ostreatus.
Ejemplo 3 (comparativo)
Pretratamiento biológico conFomitiporia mediterráneade bagazo derivado de plantas de guayule
200 g de bagazo derivado de plantas de guayule(Parthenium argentatum),se lavaron con agua, se secaron en el horno a 60° C, durante una noche, y se molieron (diámetro de partícula < 2 mm).
20 g (peso seco) del bagazo mencionado anteriormente derivado de plantas de guayule, 1 g/l de (NH<4>NO<3>), 1 g/l de extracto de levadura y 400 ml de una solución madre 0,1 M de amortiguador de fosfato a pH 5,5, se cargaron en un biorreactor de vidrio de 500 ml, cerrado herméticamente, provisto de dos entradas para muestrear y suministrar gases. La mezcla obtenida se esterilizó en un autoclave a 121° C, durante 10 minutos. Después de la esterilización, se agregó 1 g de inóculo deFomitiporia mediterranea(harina de trigo contaminada con hongos, que contenía aproximadamente 10<6>CFU/g): la suspensión obtenida se mantuvo, bajo agitación (250 rpm), a temperatura ambiente (25°C), durante 18 días. Durante este período, el oxígeno puro se lavó en el biorreactor (1 ml/min) durante aproximadamente 60 - 90 minutos, cada 2 - 3 días y las muestras se tomaron en diferentes días después de la inoculación: 0, 4, 9, 14 y 18, respectivamente; Cada prueba se llevó a cabo tres veces.
Se observó que los azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), incluida la glucosa, se acumularon gradualmente en el medio de cultivo (fase líquida) de acuerdo con una cinética en forma de campana. El valor máximo de acumulación de glucosa, correspondiente a 14 días de cultivo, fue de 14 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. El contenido de azúcar se determinó como se describe en el ejemplo 1.
El primer residuo sólido que comprende lignina, celulosa y células del hongo ligninolítico (micelio)Fomitiporia mediterraneaobtenido, se separó de la suspensión por filtración y se sometió a análisis a través del método estándar internacional definido por el NREL especificado anteriormente. Estos análisis confirmaron que la cantidad de celulosa contenida en el residuo sólido obtenido fue solo ligeramente menor que la contenida en el bagazo (reducción del 1,5%) cargado durante el pretratamiento biológico. Se puede concluir que la glucosa contenida en el medio de cultivo se originó a partir de la actividad metabólica del hongo ligninolíticoFomitiporia mediterranea.
Ejemplo 4 (comparativo)
Hidrólisis enzimática del primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conPleurotus ostratus debagazo derivado de plantas de guayule
El primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conPleurotus ostreatus(Ejemplo 2) se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche y finalmente se sometió a hidrólisis enzimática.
Posteriormente, en un matraz de 500 ml, se preparó una suspensión al 5% en peso en agua de dicho primer residuo sólido con respecto al peso total de la suspensión, a la que se agregó la mezcla enzimática Cellic<®>CTec2 (Novozymes Bioenergy), en la cantidad de 10% en peso con respecto al primer residuo sólido (peso seco) cargado y 100 ml de una solución madre 50 mM del amortiguador de citrato a pH 5: todo se dejó, bajo agitación, (150 rpm), a 50°C, durante 72 horas, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se separaron por filtración.
El hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración a través de evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 2,8 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. Por lo tanto, el resultado sugiere que la actividad ligninolítica del hongoPleurotus ostreatus(Ejemplo 2) solo condujo a una descomposición parcial del bagazo cargado cuya accesibilidad aumenta con respecto al bagazo como tal (Ejemplo 1 ) pero que aún permanece incompleta.
Ejemplo 5 (comparativo)
Hidrólisis enzimática del primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conFomitopria mediterraneade bagazo derivado de plantas de guayule
El primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conFomitiporia mediterránea(Ejemplo 3) se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche y finalmente se sometió a hidrólisis enzimática.
Posteriormente, en un matraz de 500 ml, se preparó una suspensión al 5% en peso en agua de dicho primer residuo sólido con respecto al peso total de la suspensión, a la que se agregó la mezcla enzimática Cellic® Ctec2 (Novozymes Bioenergy), en la cantidad de 10% en peso con respecto al primer residuo sólido (peso seco) cargado y 100 ml de una solución madre 50 mM del amortiguador de citrato a pH 5: todo se dejó, bajo agitación, (150 rpm), a 50°C, durante 72 horas, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se separaron por filtración.
El hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración a través de evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 3,0 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. Por lo tanto, el resultado sugiere que la actividad ligninolítica del hongoFomitiporia mediterránea(Ejemplo 3) solo condujo a una descomposición parcial del bagazo cargado cuya accesibilidad aumenta con respecto al bagazo como tal (Ejemplo 1) pero que aún permanece incompleta.
Ejemplo 6 (comparativo)
Hidrólisis con ácido sulfúrico diluido (solución acuosa al 5% en peso) de bagazo derivado de plantas de guayule
200 g de bagazo derivado de plantas de guayule(Parthenium argentatum),se lavaron con agua, se secaron en el horno a 60° C, durante una noche, y se molieron (diámetro de partícula < 2 mm).
Posteriormente, se cargaron 2 g del bagazo mencionado anteriormente y 20 ml de una solución acuosa al 5% en peso de ácido sulfúrico en una botella de vidrio de 100 ml con un sello hermético, obteniendo una suspensión con un pH igual a 0,1: la botella se colocó en un autoclave, a 121°C, durante 1 hora, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se separaron por filtración.
El hidrolizado, que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración a través de evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 3,5 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado y 8,2 g de xilosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado.
Ejemplo 7 (invención)
Hidrólisis con ácido sulfúrico diluido (solución acuosa al 2,6% en peso) del primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conPleurotus ostreatusde plantas de guayule derivadas de bagazo
El primer residuo sólido obtenido después del pretratamiento biológico conPleurotus ostreatus(Ejemplo 2) se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche y finalmente se sometió a hidrólisis enzimática.
Posteriormente, se cargaron 2 g del bagazo mencionado anteriormente y 20 ml de una solución acuosa al 2,5% en peso de ácido sulfúrico en una botella de vidrio de 100 ml con un sello hermético, obteniendo una suspensión con un pH igual a 0,3: la botella se colocó en un autoclave, a 121°C, durante 1 hora, obteniendo una mezcla que comprende un segundo residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un primer hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el segundo residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el primer hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) se separaron por filtración.
El primer hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración por evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 3,8 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado y 6,4 g de xilosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. Por lo tanto, se obtuvieron rendimientos similares a los obtenidos en el Ejemplo 6 (comparativo), pero utilizando ácido sulfúrico más diluido (solución acuosa al 2,5% en peso en lugar del 5% en peso).
Ejemplo 8 (comparativo)
Hidrólisis enzimática del residuo sólido obtenido a partir de bagazo derivado de plantas de guayule después de ácido sulfúrico diluido (solución acuosa al 5% en peso)
El residuo sólido obtenido después de la hidrólisis con una solución acuosa de ácido sulfúrico al 5% en peso (Ejemplo 6) se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche y finalmente se sometió a hidrólisis enzimática.
Posteriormente, en un matraz de 500 ml, se preparó una suspensión al 5% en peso en agua de dicho residuo sólido con respecto al peso total de la suspensión, a la que se agregó la mezcla enzimática Cellic® CTec2 (Novozymes Bioenergy), en la cantidad de 10% en peso con respecto al residuo sólido (peso seco) cargado y 100 ml de una solución madre 50 mM del amortiguador de citrato a pH 5: todo se dejó, bajo agitación, (150 rpm), a 50°C, durante 72 horas, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) se separaron por filtración.
El segundo hidrolizado que comprende azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y azúcares predominantemente monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), después de la concentración a través de evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 6,0 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado y 0,7 g de xilosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado.
Ejemplo 9 (invención)
Hidrólisis enzimática del segundo residuo sólido obtenido a partir de bagazo derivado de plantas de guayule después de pretratamiento biológico conPleuratus ostreatuse hidrólisis con ácido sulfúrico diluido (solución acuosa al 2,5% en peso)
El segundo residuo sólido obtenido después del tratamiento con una solución acuosa de ácido sulfúrico al 2,5% en peso (Ejemplo 7) se lavó con agua, se secó en el horno a 60° C, durante una noche, y finalmente se sometió a hidrólisis enzimática.
Posteriormente, en un matraz de 500 ml, se preparó una suspensión al 5% en peso en agua de dicho residuo sólido con respecto al peso total de la suspensión, a la que se agregó la mezcla enzimática Cellic® CTec2 (Novozymes Bioenergy), en la cantidad de 10% en peso con respecto al residuo sólido (peso seco) cargado y 100 ml de una solución madre 50 mM del amortiguador de citrato a pH 5: todo se dejó, bajo agitación, (150 rpm), a 50°C, durante 72 horas, obteniendo una mezcla que comprende un residuo sólido que comprende lignina y celulosa y un segundo hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5). Después de dejar que todo se enfriara a temperatura ambiente (25 °C), el tercer residuo sólido que comprende lignina y celulosa y el segundo hidrolizado que comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) se separaron por filtración.
El segundo hidrolizado comprende predominantemente azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) y cantidades más pequeñas de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5), después de la concentración por evaporación al vacío (4 kPa (40 mbar), 40 °C), contenía 6,4 g de glucosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado y 0,7 g de xilosa/100 g de bagazo (peso seco) cargado. Por lo tanto, se obtuvieron rendimientos similares a los obtenidos en el Ejemplo 7 (comparativo), pero utilizando ácido sulfúrico diluido (solución acuosa al 2,5% en peso en lugar del 5% en peso). A partir de los ejemplos proporcionados anteriormente, se pueden deducir las cantidades de azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) y de azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6) obtenidos cuando se opera de acuerdo con un proceso de sacarificación de acuerdo con el proceso objeto de la presente invención (Ejemplo 2, Ejemplo 7 y Ejemplo 9) con el pretratamiento biológico y de acuerdo con un tratamiento de sacarificación de acuerdo con la técnica anterior (Ejemplo 6 y Ejemplo 8) sin el pretratamiento biológico. Como se puede observar, si se inserta un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico, el conjunto de azúcares monoméricos, que comprende tanto azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) (por ejemplo, xilosa, arabinosa, galactosa) que se derivan de la degradación de hemicelulosa, como azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, que se derivan de la degradación de celulosa, o directamente producidos por el hongo ligninolítico, corresponde a 49,6 g/100 g de bagazo (peso seco) cargado, de los cuales 38,2 g/100 g de bagazo (peso seco) cargado comprende glucosa. En el caso de que no se lleve a cabo el pretratamiento biológico, el conjunto de azúcares monoméricos, que comprende tanto azúcares monoméricos con 5 átomos de carbono (C5) (por ejemplo, xilosa, arabinosa, galactosa) que se derivan de la degradación de hemicelulosa, como azúcares monoméricos con 6 átomos de carbono (C6), en particular glucosa, corresponde a 22,6 g/100 g de bagazo (peso seco) cargado, de los cuales 9,5 g/100 g de bagazo (peso seco) cargado comprende glucosa.
Claims (10)
1. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule que comprende:
- someter el biomasa a un pretratamiento biológico en presencia de al menos un hongo ligninolítico seleccionado de los hongos de la podredumbre blanca (WRF) que pertenecen a las cepasPleurotus ostreatusobteniendo una fase líquida que comprende azúcares y un primer residuo sólido;
- someter el primer residuo sólido a hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido obteniendo un primer hidrolizado que comprende azúcares y un segundo residuo sólido;
- someter el segundo residuo sólido a hidrólisis enzimática obteniendo un segundo hidrolizado que comprende azúcares y un tercer residuo sólido.
2. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 1 , donde la biomasa derivada de plantas de guayule es el bagazo resultante de los procesos de extracción a los que se someten dichas plantas de guayule.
3. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde el por lo menos un hongo ligninolítico esPleurotus ostreatusMUCL 29420.
4. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el pretratamiento biológico se lleva a cabo:
- a una temperatura que varía de 20 °C a 40 °C; y/o
- por un tiempo que varía de 5 días a 25 días; y/o
- a un pH que varía de 4,5 a 7.
5. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 4, donde el pretratamiento biológico se lleva a cabo:
- a una temperatura que varía de 23 °C a 35 °C; y/o
- por un tiempo que varía de 10 días a 20 días; y/o
- a un pH que varía de 5 a 6,7.
6. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el ácido inorgánico diluido se selecciona de ácido sulfúrico, ácido fosfórico o mezclas de los mismos.
7. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 6, donde el ácido inorgánico diluido es ácido sulfúrico diluido.
8. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 7, donde el ácido inorgánico diluido es una solución acuosa al 2,5% en peso de ácido sulfúrico.
9. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido se lleva a cabo:
- por un tiempo que varía de 30 minutos a 120 minutos; y/o
- a una temperatura que varía de 110 °C a 160 °C; y/o
- a un pH que varía de 0,05 a 2.
10. Proceso para la producción de azúcares a partir de biomasa derivada de plantas de guayule de acuerdo con la reivindicación 9, donde la hidrólisis en presencia de al menos un ácido inorgánico diluido se lleva a cabo:
- por un tiempo que varía de 45 minutos a 90 minutos; y/o
- a una temperatura que varía de 110 °C a 130 °C; y/o
- a un pH que varía de 0,08 a 1.
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