MX2011012457A - Procesar biomasa. - Google Patents

Abstract

Las alimentaciones de biomasa (por ejemplo, biomasa vegetal, biomasa animal y biomasa de desechos municipales) son procesadas para producir productos útiles, tales como combustibles. Por ejemplo, se describen sistemas que pueden convertir materiales de alimentación a una solución de azúcar, la cual puede ser fermentada entonces para producir etanol. La alimentación de biomasa es sacarificada en un recipiente mediante operación de un mezclador a chorro, conteniendo también el recipiente un medio fluido y un agente sacarificante.

Description

PROCESAR BIOMASA Solicitudes relacionadas Esta solicitud reclama prioridad a la solicitud estadounidense provisional serial no.61/179,995, presentada el 20 de mayo de 2009 y la solicitud estadounidense provisional serial no.61/218,832, presentada el 19 de junio de 2009. La descripción completa de cada una de estas solicitudes provisionales es incorporada aquí por referencia en la presente.

Antecedentes Los materiales celulósicos y lignocelulósicos son producidos, procesados y usados en grandes cantidades en una variedad de solicitudes. Frecuentemente tales materiales son usados una vez, y entonces son desechados como desperdicio, o simplemente son considerados como materiales de desperdicio, por ejemplo, aguas residuales, bagazo, aserrín y rastrojo.

Varios materiales celulósicos y lignocelulósicos, sus usos y aplicaciones han sido descritos en las patentes estadounidenses nos. 7,307,108, 7,074,918, 6,7,307,108, 7,074,918, 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105; y en varias solicitudes de patente, incluyendo "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES" (Materiales fibrosos y compuestos), PCT/US2006/010648, presentada el 23 de marzo de 2006 y "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES" (Materiales fibrosos y compuestos), publicación de solicitud de patente estadou nidense no . 2007/0045456.

Breve descri pción de la i nvención En general , esta invención se refiere a procesos para sacarificar o licuar un material, por ejemplo, una alimentación celulósica o lignocelulósica, al convertir la porción celulósica del material a azucares de bajo peso molecular, por ejemplo, usando una enzima. La invención también se refiere a convertir una alimentación a un producto, por ejemplo, mediante fermentación.

Los procesos descritos en la presente pueden utilizar materiales de baja densidad a granel, por ejemplo, alimentaciones celulósicas o lignocelulosas que han sido pretratadas físicamente para tener una densidad a granel de menos de 0.5 g/cm3, menor que aproximadamente 0.35 g/cm3, 0.25 g/cm3, 0.20 g/cm3, 0. 1 5 g/cm3, 0.10 g/cm3, 0.05 g/cm3, o menos de, por ejemplo 0.025 g/cm3.

Tales materiales pueden ser especialmente difíciles de mezclar con líquidos, por ejemplo, con agua o un sistema de solventes para sacarificación , fermentación u otros procesamientos. Debido a su baja densidad a granel, los materiales tienden a flotar a la superficie del líquido en lugar de ser dispersada en la presente. En algunos casos, los materiales pueden ser hidrofóbicos, altamente cristalinos o de otra manera difíciles de humectar. Al mismo tiempo, es deseable procesar la alimentación en una dispersión de nivel relativamente altos de sólidos, con el fin de obtener una alta concentración final de azúcar en el material sacarificado, o una alta concentración del producto deseado después de procesamiento (por ejemplo, de etanol u otro u ostros alcoholes después de la fermentación). En algunos casos, utilizar los métodos descritos en la presente el nivel de sólidos de la dispersión durante el procesamiento puede ser, por ejemplo, al menos 20, 25, 30, 35, 40, 45 o incluso al menos 50 por ciento en peso de sólidos disueltos.

Los inventores han encontrado que la dispersión de una alimentación en una mezcla líquida puede ser intensificada, y como un resultado, el nivel de sólidos de la mezcla puede ser incrementado, mediante el uso de ciertas técnicas y equipo de mezclado. Las técnicas y equipo de mezclado aquí descritos también intensifican la transferencia de masa, y como un resultado las velocidades de reacción en una mezcla y evitan o minimizan el daño a ingredientes sensibles de la mezcla, tales come microorganismos y enzimas. En particular, las técnicas de mezclado a chorro, incluyendo por ejemplo, aereación de chorro y agitación de flujo de chorro, han sido encontradas por proporcionar buena humectación, dispersión y ruptura mecánica. Al incrementar el nivel de sólidos de la mezcla, el proceso puede proceder de manera más rápida , más eficiente y más efectiva en cuanto a costo, y la concentración resultante del producto final puede ser incrementada.

Algunos de los procesos descritos en la presente incluyen sacarificación de una alimentación, y transporte de la alimentación desde una ubicación remota, por ejemplo, donde la alimentación es producida o almacenada, a la instalación de fabricación. En algunos casos, la sacarificación puede tener lugar parcial o completamente durante el transporte. En tales casos, puede ser ventajoso proporcionar mezclado, por ejemplo, mezclado a chorro, en el recipiente de transporte. En algunos casos, la sacarificación puede ser completada durante el transporte. En algunos casos, la fermentación puede tener parcial o completamente durante el transporte.

En algunas implementaciones, el proceso incluye además reducir la recalcitrancia de una alimentación, antes o durante la sacarificación. El proceso puede incluir los pasos adicionales para medir el contenido e lignina de la alimentación y determinar si el pretratamiento es necesario y bajo qué condiciones con base en el contenido de lignina medido.

En un aspecto, la invención caracteriza un método que incluye sacarificar una alimentación de biomasa al mezclar la alimentación con un medio líquido y un agente sacarificante en un recipiente, usando un mezclador a chorro.

Algunas modalidades incluyen una o más de las siguientes características. La alimentación puede tener una densidad a granel de menos de 0.5 g/cm3. La alimentación puede ser, por ejemplo, un material celulósico o lignocelulósico. El líquido puede incluir agua. El agente sacarificante puede incluir una enzima. El mezclador a chorro puede incluir, por ejemplo, un agitador de flujo a chorro, un mezclador tipo de aereación a chorro o un mezclador a chorro de cámara de succión. Si un mezclador de tipo aereación a chorro es usado, puede usarse sin inyección de aire a través del mezclador a chorro. Por ejemplo, si el mezclador de tipo de aereación a chorro incluye una boquilla teniendo una primera línea de entrada y una segunda línea de entrada, en algunos casos ambas líneas de entrada son suministradas en un líquido. En algunos casos, el mezclado comprende adicionar la alimentación al medio líquido en incrementos y mezclar entre adiciones. El método puede incluir además monitorear el nivel de glucosa de la mezcla de alimentación, medio líquido y agente sacarificante durante el mezclado, y en algunos casos adicionar alimentación adicional y agente sacarificante al recipiente durante la sacarificación . El recipiente de mezclado puede ser, por ejemplo, un tanque, vagón o camión cisterna. La sacarificación puede tener lugar en algunos casos parcial completamente durante el transporte de la mezcla de alimentación, medio líquido y agente sacarificante. El método puede incluir además adicionar un emulsificante o surfactante a la mezcla en el recipiente.

En otro aspecto, la invención caracteriza sacarificar una alimentación de biomasa al mezclar la alimentación con un medio líquido y un agente sacarificante en un recipiente, usando un mezclador que produce generalmente flujo toroidal dentro del recipiente.

En algunas modalidades, el mezclador es configurado para lim itar cualquier amento en la temperatura global del medio líquido a menos de 5°C sobre el curso de mezclado. Este aspecto también puede incluir, en algunas modalidades, cualquiera de las características discutidas antes.

Todavía en un aspecto adicional, la invención caracteriza un método que incluye convertir un azúcar de bajo peso molecular a un producto al mezclar el azúcar de bajo peso molecular con un microorganismo en un medio líquido, usando un mezclador a chorro.

Alg u nas m oda lidades incluyen u na o m ás de las sig uientes caracte rísticas . E l medio líqu ido puede inclui r agua . El microorganismo puede incluir levadu ra . El mezclador de chorro puede inclu ir un ag itador de flujo a chorro, mezclador tipo aereación de chorro o mezclador de chorro de cámara de succión .

En otro aspecto, la invención caracteriza un aparato que incluye un tanque, un mezclador de chorro teniendo una boq uilla d ispuesta dentro del tanque, un dispositivo de entrega config u rado para entregar una alimentación de biomasa al tanque , y un dispositivo de entrega configu rado para entregar una cantidad medida de un agente sacarificante al tanque .

Algunas modalidades incluyen una o más de las sig uientes características. El mezclador a chorro puede incluir además u n motor, y el aparato puede incluir además un dispositivo configurado para monitorear el torque sobre el motor d urante el mezclado. El aparato también puede inclui r u n controlador que ajusta la operación del d ispositivo de entrega de alimentación y/o el dispositivo de entrega de agente sacarificante con base en la entrada del dispositivo de monitoreo de torque.

La invención también caracteriza un método q ue incluye sacarificar una alimentación de biomasa en un recipiente para formar una mezcla sacarificada ; inocular la mezcla sacarificada en el recipiente con un microorganismo; y permitir que la mezcla sacarificada inoculada se fermente en el recipiente.

En algunos casos, los contenidos del recipiente son transferidos a un recipiente de transporte d u rante la fermentación y la fermentación continua en el recipiente de transporte . El método puede incluir además agitar los contenidos del recipiente con u n mezclador a chorro durante sacarificación y fermentación. En algunas modalidades, el método incluye además monitorear el contenido de oxígeno y contenido de etanol y/o azúcar de la mezcla de fermentación .

En otro aspecto, la invención caracteriza u n sistema de fermentación que incluye un recipiente teniendo una ventilación ; u na fuente de oxígeno en comu nicación con el recipiente; u n monitor de oxígeno configu rado para monitorear el contenido de oxígeno de un líquido en el recipiente; y un controlador configurado para ajustar el contenido de oxígeno del líquido, usando la fuente de oxígeno y ventilación , en respuesta a la entrada del monitor de oxígeno.

La velocidad de fl ujo de oxígeno en el recipiente, si se requiere la oxigenación , puede ser relativamente baja . Por ejemplo, el controlador puede ser configurado para oxigenar el recipiente a una velocidad de menos de 0.2 vvm , por ejemplo, menos de 0.1 , 0.05, 0.025 o incluso menos de 0.01 vvm .

El sistema de fermentación puede incluir además un monitor de fermentación config urado para monitorear la concentración de azúcar y/o concentración de etanol del l íquido en el recipiente; y un controlador configurado para detener la fermentación con base en la entrada recibida del monitor de fermentación . En algunos casos, el sistema incluye un módulo de detención de fermentación config urado para detener la fermentación en respuesta a una señal recibida del controlador.

Todas las publicaciones, solicitudes de patente, patentes y otras referencias mencionadas en la presente o unidas a la presente son incorporadas por referencia en su totalidad para todo lo que contienen.

Descripción de los dibujos La FIG. 1 es un diagrama que ilustra la hidrólisis enzimática de celulosa a glucosa.

La FIG. 2 es un diagrama de flujo que ilustra la conversión de una alimentación a etanol vía producción y transporte de una solución de glucosa. La FIG. 2A es una ilustración diagramática de un sistema de sacarificación de acuerdo con una modalidad.

La FIG. 3 es un diagrama esquemático de una instalación de fabricación de etanol que ha sido retroajustada para utilizar las soluciones y suspensiones descritas en la presente.

Las FIGS.4 y 4A son diagramas que ilustran flujo a chorro que sale de una boquilla.

La FIG. 5 es una vista en perspectiva diagramática de un agitador de flujo a chorro de acuerdo con una modalidad. La FIG. 5A es una vista en perspectiva agrandada del impulsor y tubo a chorro del agitador de flujo a chorro de FIG. 5. La FIG. 5B es una vista en perspectiva agrandada de un impulsor alterno.

La FIG. 6 es un diagrama de una boquilla de mezclado de chorro de cámara de succión de acuerdo con una modalidad. La FIG. 6A es una vista en perspectiva de un sistema de mezclado a chorro de cámara de succión de acuerdo con otra modalidad.

La FIG. 7 es una vista en perspectiva diagramática de una boquilla de mezclado a chorro para un sistema de mezclado a chorro de succión de acuerdo con otra modalidad alterna.

La FIG. 8 es una vista en perspectiva diagramática de un tanque y un sistema de mezclado tipo de aereación a chorro posicionado en el tanque, siendo el tanque mostrado como transparente para permitir que el mezclador a chorro y tubería asociada sea vista. La FIG. 8A es una vista en perspectiva del mezclador a chorro usado en el sistema de aereación a chorro de la FIG. 8. La FIG. 8B es una vista en perspectiva diagramática de un sistema similar, en el cual una entrada de aire es provista.

La FIG. 9 es una vista en sección transversal de un mezclador de tipo aereación a chorro de acuerdo con una modalidad.

La FIG. 10 es una vista en sección transversal de un mezclador de tipo aereación a chorro de acuerdo con una modalidad alterna.

Las FIGS. 11-13 son diagramas que ilustran patrones de flujo alternativos en tanques conteniendo configuraciones diferentes de mezcladores a chorro.

La FIG. 14 es un diagrama que ilustra el patrón de flujo que ocurre en un tanque durante la retro-descarga de acuerdo con una modalidad.

Las FIGS. 15 y 15A muestran un camión cisterna y un vagón, respectivamente, ajustados para mezclado en-tránsito usando un sistema de mezclador portátil de aire pulsado.

Las FIGS. 16 y 16A son vistas perspectivas de dos modalidades de cabezales de mezclado usados en un mezclador de acuerdo con una modalidad alterna.

La FIG. 17 es una visita lateral de un sistema de tipo aereación a chorro de acuerdo con otra modalidad, que muestra un arreglo multi-nivel de boquillas en un tanque.

Las FIGS. 18 y 18A son una vista superior diagramática y una vista en perspectiva, respectivamente, de un dispositivo que minimiza lo retenido a lo largo de las paredes de un tanque durante e mezclado.

Las FIGS. 19, 20 y 21-21A son vistas de varios dispositivos de chorro de agua que proporcionan mezclado al tiempo que también minimizan lo retenido a lo largo de las paredes de tanque.

La FIG. 22 es una vista en sección transversal de un tanque teniendo un fondo abombado y dos mezclador a chorro que se extiende en el tanque desde antes.

Descripción detallada Usando los métodos descritos en la presente, la biomasa (por ejemplo, biomasa vegetal, biomasa animal y biomasa de desechos municipales) pueden ser procesados para producir intermediarios útiles y productos tales como aquéllos descritos en la presente. Sistemas y procesos son descritos en la presente que pueden usarse como materiales de alimentación materiales celulósicos y/o lignocelulósicos que están fácilmente disponibles, pero pueden ser difíciles de procesar por procesos tales como fermentación . M uchos de los procesos descritos en la presente pueden dismin uir de manera efectiva el n ivel de recalcitrancia de la alimentación , haciéndola más fácil de procesar, tal como al bioprocesar (por ejemplo, con cualquier microorganismo descrito en la presente, tal como un homoacetógeno o un heteroacetógeno, y/o cualquier enzima descrita en la presente, procesamiento térmico (por ejemplo , gasificación o pirólisis) o métodos q u ímicos (por ejemplo, hidrólisis de ácido u oxidación) . La alimentación de biomasa puede ser tratada o procesada usando uno más de cualquiera de los métodos descritos en la presente, tales como tratamiento mecánico, tratamiento q uímico, radiación , son icación , oxidación , pi rólisis o explosión de vapor. Los diversos sistemas y métodos e tratamiento pueden ser usados en combinaciones de dos, res o incluso cuatro o más de estas tecnolog ías u otras descritas en la presente y en cualquier otra parte.

Los procesos descritos en la presente pueden utilizar materiales de baja densidad a g ranel, por ejemplo alimentaciones celulósicas o lignocelulósicas que han sido físicamente pretratados para tener una densidad a granel de menos de aproximadamente 0.5 g/cm3, por ejemplo, menos de aproximadamente 0.35 g/cm3, 0.25 g/cm3, 0.20 g/cm3, 0. 1 5 g/cm3, 0. 1 0 g/cm3, 0.05 g/cm3, o menos, por ejemplo, 0.025 g/cm3. La densidad a granel es determinada usando ASTM D1 895B. Brevemente, el método involucra llenar un cilindro de medición de volumen conocido con una muestra y obtener un peso de la muestra.

La densidad a granel es calculada al dividir el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos.

Con el fin de convertir la alimentación a una forma que puede ser fácilmente procesada, la celulosa conteniendo glucano o xilano en la alimentación es hidrolizada a carbohidratos de bajo peso molecular, tales como azúcares, por n agente sacarificante, por ejemplo, una enzima o ácido, un proceso referido como sacarificación, por ejemplo, una enzima o ácido, un proceso referido como sacarificación. Los carbohidratos de bajo peso molecular pueden ser usados entonces, por ejemplo, en una planta fabricante existente, tal como una planta de proteína celular simple, una planta de fabricación de enzima, o una planta de combustible, por ejemplo, una instalación de fabricación de etanol.

Los materiales que incluyen celulosa pueden ser tratados con el agente sacarificante al combinar e material y el agente sacarificante en un medio líquido, por ejemplo, un solvente tal como una solución acosa. El agente sacarificante, material y medio líquido son mezclados profundamente, usando uno o más mezcladores teniendo las características de mezclado descritas en la presente, por ejemplo, uno o más mezcladores a chorro. En algunas implementaciones, el material y/o el agente sacarificante son adicionados en incrementos en lugar de todos a la vez. Por ejemplo, una porción del material puede ser adicionada al medio líquido y mezclada con el agente sacarificante hasta que el material es al menos parcialmente sacarificado, punto en el cual una segunda porción del material es adicionada a la mezcla. Este proceso puede continuar hasta que se obtiene una concentración de azúcar deseada.

Enzimas y organismos destructores de biomasa que descomponen la biomasa, tales como celulosa y/o las porciones de lignina de la biomasa, contienen o fabrican varias enzimas celulolíticas (celulasas), ligninasas o varios metabolitos destructores de biomasa de molécula pequeña. Estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan sinérgicamente para degradar la celulosa cristalina o las porciones de lignina de biomasa. Ejemplos de enzimas celulolíticas incluyen: endoglucanasas, celobiohidrolasas y celobiasas (ß-glucosidadas). Haciendo referencia a la FIG. 1, un substrato celulósico es inicialmente hidrolizado por endoglucanasas en ubicaciones aleatorias que producen intermediarios oligoméricos. Estos intermediarios son entonces substratos para glucanasas de exo-división, tales como celobiohidrolasa para producir celobiosa desde los extremos del polímero de celulosa. La celobiosa es un dímero 1 ,4-enlazado, soluble en agua, de glucosa. Finalmente, celobiasa corta celobiosa para producir glucosa. Las celulasas adecuadas serán discutidas en la presente en una sección posterior.

El proceso de sacarificación puede ser realizado parcial o completamente (a) en un tanque (por ejemplo, un tanque teniendo un volumen de al menos 4000, 40,000, 400,000, 4,000,000 o 40,000,000 L) en una planta de fabricación, y/o (b) en tránsito, por ejemplo, en un vagón, camión cisterna o en un petrolero o en la bodega de un barco. El tiempo requerido para sacarificación completa dependerá de las condiciones de proceso y la alimentación y enzima usada . Si se realiza la sacarificación en una planta de fabricación bajo condiciones controladas, la celulosa puede ser convertida substancialmente de manera completa a glucosa en aproximadamente 1 2-96 horas. Si se realiza la sacarificación parcial o completamente en tránsito, la sacarificación puede toma r más tiempo.

En algu nos casos, la sacarificación es realizada a u n pH de aproximadamente 4 a 7, por ejemplo, aproximadamente 4.5 a 6 o aproximadamente 5 a 6.

Generalmente es preferida q ue la concentración fina l de glucosa en la solución de azúcar es relativamente alta , por ejemplo, mayor q ue 1 5%, o mayor que 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 , 90 o incluso mayor que 95% en peso. Esto reduce el volumen para ser embarcado y también inhibe el crecimiento microbiano en la solución. Después de la sacarificación , el volumen de agua puede ser reducido, por ejemplo, mediante evaporación o destilación .

U na solución de concentración relativamente alta puede ser obtenida al limitar la cantidad de agua adicionada a la alimentación con la enzima . La concentración también puede ser controlada al controlar cuánta sacarificación tiene lugar. Por ejemplo, la concentración puede ser incrementada al adicionar más alimentación a la solución . La solubilidad de la alimentación en el medio puede ser incrementado, por ejemplo, al incrementar la temperatu ra de la solución , y/o al ad icionar un surfactante como será d iscutido más adelante. Por ejemplo, la solución puede ser mantenida a una temperatura de 40-50"C, 50-60°C, 60-80°C o incluso mayor.

Haciendo referencia a la FIG. 2, un procesos para fabricar un alcohol, por ejemplo, etanol, puede incluir, por ejemplo, pre-tratar físicamente de manera opcional la alimentación, por ejemplo, reducir su tamaño (paso 110), antes y/o después de este tratamiento, tratar opcionalmente la alimentación para reducir su recalcitrancia (paso 112) y sacarificar la alimentación para formar una solución de azúcar (paso 114). La sacarificación puede ser realizada al mezclar una dispersión de la alimentación en un medio líquido, por ejemplo, agua, con una enzima (paso 111), como será discutido en detalle más adelante. Durante o después de la sacarificación, la mezcla (si la sacarificación va a ser parcial o completamente realizada en ruta) o solución puede ser transportada, por ejemplo, mediante tubería, vagón, camión o barcaza, a una planta de fabricación (paso 116). En la planta, la solución puede ser bio-procesada para producir un producto deseado, por ejemplo etanol (paso 118), el cual es procesado entonces además, por ejemplo, mediante destilación (paso 120). Los pasos individuales de este proceso serán descritos en detalla a continuación. Si se desea, los pasos para medir de contenido de lignina (paso 122) y disponer o ajustar parámetros de proceso (paso 124) puede ser realizado en varias etapas del proceso, por ejemplo, justo antes del o los pasos de proceso usados para cambiar la estructura de la alimentación, como se muestra. Si estos pasos son incluidos, los parámetros de proceso son ajustados para compensar la variabilidad en el contenido de lignina de la alimentación como se describe en la solicitud provisional estadounidense número 61/151,724 presentada el 11 de febrero de 2009, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.

El paso de mezclado 111 y paso sacarificante 114 puede ser realizada usando, por ejemplo, el sistema mostrado en la FIG. 2A. Este sistema incluye un transportador 130, el cual recibe la alimentación que ha sido tratada para reducir su tamaño y opcionalmente para reducir su recalcitrancia (pasos 110 y 112 anteriores) por un módulo de pretratamiento de alimentación 132. La alimentación 134 es entregada a un tanque 136, el cual contiene un medio líquido 138, por ejemplo, agua, el cual es entregado a un tanque a través de un sistema de tubería con válvulas (no mostrado). Un sistema de dispersión puede usarse para facilitar la dispersión inicial de la alimentación en el medio líquido, por ejemplo, como se describe en la solicitud estadounidense provisional no. 61/296,658, presentada el 20 de enero de 2010, cuya descripción completa es incorporada por referencia en la presente.

Un agente sacarificante es entregado al tanque a partir de una tolva 140, la cual incluye un dispositivo de medición 142. Los contenidos del tanque son mezclados por uno o más mezcladores a chorro. Un mezclador a chorro 144 es representado diagramáticamente en la FIG. 2A¡ ejemplos de mezcladores a chorro adecuados serán descritos en detalle más adelante. El mezclador de chorro prod uce un chorro que usa u n motor 146 que impulsa u na bomba y/o un rotor (no mostrado) . El torque ejercido por el motor 146 correlaciona con el nivel de sólidos de la mezcla en el tanq ue, el cual a su vez refleja el g rado al cual la mezcla ha sacarificado. El torque es medido por u n monitor de torque 148 , el cual envía una señal a un motor 1 50 que impulsa el transportador 1 30 y también al dispositivo medidor 142 de la tolva 1 40. Así , el sumin istro de la alimentación tratada y la enzima puede ser interrumpido y reasu mido como una función de la sacarificación de los contenidos del tanque. Los datos medidos por el monitor de torque también pueden ser usados para ajustar el mezclador a chorro, por ejemplo, a un RPM menor para u n mezclador que utiliza un rotor, o a u na menor velocidad a chorro para un mezclador impulsado con bomba . En lugar de, o además de, el monitor de torq ue, el sistema puede incluir un monitor Amp (no mostrado) que mide el amperaje de carga completa del motor. En algunos casos, el mezclador a chorro puede incluir una impulsión de frecuencia variable (VFD) pa ra permitir la velocidad del motor a ser ajustado.

El sistema también puede inclui r u n monitor térmico (no mostrado) q ue monitorea la temperatu ra del medio líqu ido y ajusta la velocidad de alimentación de la alimentación y/o las condiciones de mezclado en respuesta a aumentos en la temperatu ra. Tal circu ito de alimentación de temperatu ra puede usarse para preven ir el medio l íquido a parti r de alcanzar una temperatura q ue desnatu ralizará la enzima.

Cuando una o más bombas son usadas en los sistemas descritos en la presente, es preferido generalmente que se usen bombas de desplazamiento positivo ( PD) , por ejemplo, bombas de PD tipo torn illo o cavidad progresiva.

En algunos casos, la planta de fabricación puede ser, por ejemplo, una planta de etanol basada en grano o basada en azúcar existente o una que ha sido retroajustada al remover o decomisionar el equipo corriente abajo del sistema de bio-procesamiento (el cual en u na planta de etanol típica generalmente i ncluye equ ipo de recepción de g rano, un molino de martillo, u n mezclador de pasta , eq uipo de cocción y equipo de licuefacción) . Así, la alimentación recibida por la planta es ingresada directamente en el equipo de fermentación. U na planta retroaj ustada es mostrada esquemáticamente en la FI G . 3. El uso de una planta de eta nol basada en grano o basada en azúcar existente en esta manera es descrita en U .S. serial no. 1 2/704 ,521 , presentada el 1 1 de febrero de 201 0 , cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia .

En alg unas modalidades, en lugar de transporta r la alimentación sacarificada (solución de azúcar) a una planta de fabricación separada, o incluso u n tanque separado, la solución de azúcar es inoculada y fermentada en el mismo tanque u otro recipiente usado para sacarificación la fermentación puede ser completada en el mismo recipiente, o puede in iciarse en esta manera y entonces completarse du rante el transporte como se discute antes.

La sacarificación y fermentación en un tanque simple son descritos en a solicitud estadounidense provisional no. 61 /296,73, presentada el 20 de enero de 2010, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia .

En general, el nivel de oxígeno en el recipiente de fermentación debería controlarse, por ejemplo, al monitorear el nivel de oxigeno y ventilar el tanque o aerear la mezcla seg ún sea necesario . También es deseable monitorear el n ivel de etanol en el recipiente, de manera que cuando el nivel de eta nol comienza a caer el proceso de fermentación puede ser detenido, por ejemplo , al calentar o la adición de bisulfito de sodio. Otros métodos para detener la fermentación incluye adicionar un peróxido (por ejemplo, ácido peroxi acético o peróxido de hid rogeno) , adiciona r ácido succínico o u na sal del mismo, enfriar los conten idos del recipiente , o reducir la velocidad de rociado de oxígeno. Las combinaciones de cualquiera de dos o más de estos métodos pueden ser usados. Si la fermentación va a ser conducida o completada d urante el transporte, el recipiente de transporte (por ejemplo, el tanque de un vagón o camión cisterna) puede ajustarse con u na unidad de control q ue incluye un monitor de oxígeno y monitor de etanol, y u n sistema de entrega para entregar bisulfito de sodio (u otro aditivo terminador de fermentación) al tanque y/o un sistema para ajustar los parámetros en el ta nque para detener la fermentación .

Si se desea , el mezclado a chorro puede ser utilizado durante la fermentación, y si la fermentación es conducida en el mismo recipiente como la sacarificación , el mismo eq uipo puede ser utilizado. Sin embargo, en algu nas modalidades el mezclado a chorro no es necesario. Por ejemplo, si la fermentación es conducida durante el transporte el movimiento del vagón o camión cisterna puede proporcionar agitación adecuada .

Mezclar alimentación , enzima y líq u ido Características de mezclado Varios tipos de dispositivos de mezclado son descritos más adelante y otros dispositivos de mezclado pueden ser usados. Mezcladores adecuados pueden tener en común que producen flujo de circulación de alta circulación , por ejemplo, flujo en un patrón toroidal o elíptico. En general, los mezcladores preferidos exhiben una alta velocidad de flujo a granel . Los mezcladores preferidos proporcionan esta acción de mezclado con consumo de energ ía relativamente bajo. También es generalmente preferido q ue el mezclador produzca corte relativamente bajo y evite calentamiento del med io l íquido, ya q ue el corte y/o calor pueden afectar perj udicialmente el agente sacarificante (o microorgan ismo, por ejemplo, en el caso de fermentación) . Como se discutirá en detalle más adelante, algu nos mezcladores preferidos arrastran la mezcla a través de u na entrada hacia un elemento de mezclado, el cual puede inclu ir un rotor o impulsor y entonces expulsan la mezcla del elemento de mezclado a través de una boq uilla de salida . Esta acción circu lante y la alta velocidad del chorro que sale de la boquilla, ayuda a dispersar el material que está flotando sobre la superficie del líquido o material que se ha sentado al fondo del tanque, dependiendo de la orientación del elemento de mezclado. Elementos de mezclado pueden ser posicionados en diferentes orientaciones para dispersar tanto material que flota como que se asienta, y la orientación de los elementos de mezclado puede ser ajustable en algu nos casos.

En algunos sistemas de mezclado preferidos , la velocidad v0 del chorro como que cumple el fluido ambiente es desde aproximadamente 2 hasta 300 m/s , por ejemplo, aproximadamente 5 hasta 1 50 m/s o aproximadamente 1 0 hasta 1 00 m/s . El consumo de potencia del sistema de mezclado puede ser aproximadamente 20 hasta 1 000 KW, por ejemplo 30 hasta 570 KW o 50 hasta 500 KW, o 1 50 hasta 250KW para un tanque de 1 00,000 L. Generalmente se prefiere que el uso de potencia sea bajo para efectividad de costo.

Mezclado a chorro El mezclado a chorro involucra la descarga de un chorro sumergido, o una variedad de chorros sumergidos , de liquido de alta velocidad en u n medio flu ido, en este caso la mezcla de al imentación de biomasa, medio líq uido y agente sacarificante. El chorro de líquido penetra el medio fluido, con su energ ía siendo d isipada por turbulencia y algú n calor inicial . Esta turbulencia es asociada con gradientes de velocidad (cizallado de fluido) . El fluido circundante es acelerado y atrapado en el flujo a chorro, con este flujo atrapado secundario que aumenta como la distancia de la boquil la a chorro aumenta. El momento del flujo secundario permanece generalmente constante conforme el chorro se expande, siempre y cuando el flujo no golpea una pared, piso u otro obstáculo. Mientras más tiempo el flujo continúa antes de que pegue contra cualquier obstáculo, más líquido es atrapado en el flujo secundario, aumentando el flujo a granel en el tanque recipiente. Cuando encuentra un obstáculo, el flujo secundario perderá momentum, dependiendo más o menos de la geometría del tanque, por ejemplo, el ángulo en el cual el flujo impacta sobre el obstáculo. Generalmente es deseable orientar los chorros y/o diseño del tanque de manera que las pérdidas hidráulicas para las paredes del tanque son minimizadas. Por ejemplo, puede ser deseable para el tanque tienen un botón arqueado (por ejemplo, una placa de cabezal abombada), y para los mezcladores a chorro a ser orientados relativamente cerca de las paredes laterales, como se muestra en la FIG. 22. El fondo de tanque placa de cabezal inferior) puede tener cualquier configuración abombada deseada, o puede ser una geometría elíptica o cónica.

El mezclado a chorro difiere de la mayoría de mezclado líquido/líquido y líquido/sólido ya que la fuerza impulsora es hidráulica en lugar de mecánica. En lugar de cizallar fluido y impulsarlo alrededor del recipiente de mezclado, como un agitador mecánico lo hace, un mezclador a chorro fuerza el fluido a través de una o más boquillas dentro del tanque, creando chorros de alta velocidad que atrapan otro fluido. El resultado es cizallado (fluido contra fluido) y circulación, lo cual mezcla los contenidos de tanque de manera eficiente.

Haciendo referencia a la FIG. 4, el gradiente de alta velocidad entre el flujo de núcleo de un chorro sumergido y el fluido circundante provoca remolinos. La FIG. 4A ilustra las características generales de un chorro sumergido. Conforme el chorro sumergido se expande en el ambiente circundante el perfil de velocidad aplana conforme la distancia (x) de la boquilla aumenta. Además, el gradiente de velocidad dv/dr cambia con r (la distancia de la línea central del chorro) a una distancia dada x, de manera que los remolinos son creados los cuales definen la zona de mezclado (la expansión cónica de la boquilla).

En un estudio experimental de un chorro sumergido en aire (los resultados de los cuales son aplicables a cualquier fluido, incluyendo agua), Albertson et a. ("Diffusion of Submerged Jets" (Difusión de chorros sumergidos", Paper 2409, Amer. Soc. of Civil Engineers Transactions, vol. 115:639-697, 1950, en p. 657)' desarrollaron relaciones adimensionales para v(x)r=o/v0 (velocidad de línea central), v(r)x/v(x)r=o (perfil de velocidad a una x dada), Qx/Q0 (atrapado de flujo), y Ex/E0 (cambio de energía con x): (1) Velocidad de línea central, v(x)r=o/v0: v(r°0)-^--6.2 v. A, (2) perfil de velocidad a cualquier x, v(r)x/v(x)r=0- log V(r)* X 1-0.79-33 x (3) Flujo y energía a cualquier x: Q '5? = 0.32— Qo Do ?10·21) ? D (10.22) ?0 ' ? donde: v(r=0)= velocidad de línea central de chorro sumergido (m/s), v0 - velocidad de chorro conforme emerge de la boquilla (m/s), x = distancia de la boquilla (m), r = distancia de línea central de chorro (m), D0 = diámetro de boquilla (m), Qx = flujo de fluido a través de cualquier plano dado a una distancia x de la boquilla (m3/s), Qo = flujo de fluido que emerge de la boquilla (m3/g), E = flux de energía de flujo a través de cualquier plano dado en la distancia x de la boquilla (m3/s), E0 = flux de energía de fluido que emerge de la boquilla (m3/s).

El mezclado a chorro es particularmente efectivo en cuanto a costo a aplicaciones de gran volumen (por arriba de 1,000 gal (3785 I)) y baja viscosidad (bajo 1,00 cPs). También generalmente es ventajoso ya que en la mayoría de los casos la bomba o motor del mezclador a chorro no es sumergido, por ejemplo, cuando una bomba es usada generalmente es ubicada fuera del recipiente.

Una ventaja de mezclado a chorro es que la temperatura del fluido ambiente (diferente del directamente adyacente a la salida de la boquilla, donde puede haber algún calentamiento localizado), es incrementada solo ligeramente si acaso. Por ejemplo, la temperatura puede ser incrementada por menos de 5°C, menos de 1°C o no a algún grado medible.

Agitadores de flujo a chorro Un tipo de agitador de flujo a chorro es mostrado en las FIGS. 4-4A. Este tipo de mezclador está comercialmente disponible, por ejemplo, de IKA bajo el nombre comercial ROTOTRON R. Haciendo referencia a la FIG.4, el mezclador 200 incluye un motor 202, el cual gira una flecha impulsora 204. Un elemento de mezclado 206 es montado al final de la flecha impulsora 204. Como se muestra en la FIG. 4A, el elemento de mezclado 206 incluye un recubrimiento 208 y, dentro del recubrimiento, un impulsor 210. Como se indica por las flechas, cuando el impulsor es girado en su dirección "hacia adelante", el impulsor 210 arrastra líquido a través del extremo superior abierto 2012 del recubrimiento y fuerza el líquido a través del extremo inferior abierto 214. El líquido que sale del extremo 214 está en la forma de una corriente o chorro de alta velocidad. Si la dirección de rotación del impulsor 210 es invertida, el líquido puede ser arrastrado a través del extremo inferior 214 y expulsado a través del extremo superior 212. Esto puede usarse, por ejemplo, para succionar sólidos que están flotando cerca de o sobre la superficie del líquido en un tanque o recipiente. (Se nota que "superior" e "inferior" se refieren a la orientación del mezclador en la FIG. 4; el mezclador puede orientarse en un tanque de manera que el extremo superior esté por abajo del extremo inferior.) .

El recubrimiento 208 incluye áreas ensanchadas 21 6 y 21 8 adyacentes a sus extremos. Se cree q ue estas áreas ensanchadas contribuyen al flujo generalmente toroidal q ue es observado con este tipo de mezclador. La geometría del recubrimiento e impulsor también concentran el flujo hacia u na corriente de alta velocidad usando consumo de potencia relativamente baja .

De preferencia , el espacio entre el recubrimiento 208 y el impu lsor 21 0 es suficiente con el fin de evitar molienda excesiva del material conforme pasa a través del recubrimiento. Por ejemplo, el espacio puede ser al menos 1 0 veces el tamaño de partícu la promedio de los sólidos en la mezcla, de preferencia al menos 1 00 veces.

En algu nas implementaciones, la flecha 204 es config urada para permitir la entrega de gas a través de la flecha . Por ejemplo, la flecha 24 puede incluir u na perforación (no mostrada) a través de la cual se entrega el gas, y uno o más orificios a través de los cuales el gas sale hacia la mezcla. Los orificios pueden estar dentro del recubrimiento 208 , para intensificar el mezclado y/u otras ubicaciones a lo largo de la longitud de la flecha 204.

El impulsor 21 0 puede tener cualquier geometría deseada q ue arrastrará líquido a través del recubrimiento a una alta velocidad . El impulsor es de preferencia un impulsor marino, como se muestra en la FI G . 4A, pero pueden tener un diseño d iferente, por ejemplo, u n impulsor Rushton como se muestra en la FIG. 4B , o un impulsor Rushton modificado, por ejemplo, inclinado con el fin de proporcionar algo de flujo axial .

Con el fin de generar el flujo de alta velocidad a través del recubrimiento, el motor 202 es de preferencia un motor de alta velocidad , alto torque, por ejemplo capaz de operar a 50 hasta 20,000 RPM , por ejemplo, 3,000 hasta 1 0,000 RPM . Sin embargo , mientras mayor es el mezclador (por ejemplo, mientras mayor es el recubrimiento y/o más grande el motor) , menor puede ser la velocidad rotacional . Así, si se usa un mezclador g ra nde, tal como 5 hP, 1 0 h P, 20 hp o 30 hp o mayor, el motor puede ser diseñado pa ra operar a velocidades rotacionales menores, por ejemplo menor que 2000 RPM , menor que 1500 RPM o incluso 500 RPM o menor. Por ejemplo, u n mezclador dimensionado para mezclar u n tanq ue de litro de 1 0,000-20,00 puede operar a velocidades de 900 hasta 1 ,200 RPM . El torque del motor es de preferencia de auto-aj uste, para mantener una velocidad de impulsor relativamente constante conforme las condiciones de mezclado cambian con el tiempo, por ejemplo, debido a la sacarificación de los sólidos.

Ventajosamente, el mezclador puede ser orientado en cualq uier áng u lo o ubicación deseada en el tanque, para dirig ir el flujo de chorro en una dirección deseada. Más aún , como se discute antes , dependiendo de la dirección de rotación del impulsor, el mezclador puede ser usado para arrasar fluido desde cualquier extremo del recubrimiento.

En algu nas implementaciones, dos o más mezcladores a chorro son posicionados en el recipiente, con una o más siendo config urados a fluido de chorro hacia arriba ("bomba arriba") y uno o más siendo configurados a fluido a chorro hacia abajo ("bomba abajo"). En alg unos casos, un mezclador de bombeo arriba será posicionado adyacente a u n mezclador de bombeo abajo, para intensificar el flujo turbulento creado por los mezcladores. Si se desea , uno o más mezcladores puede ser cambiado entre flujo hacia arriba y flujo hacia abajo durante el procesamiento . Cambiar la mayoría de los mezcladores a modo de bombeo arriba durante la dispersión inicial de la alimentación en el medio líquido Puede ser ventajoso, en particular si la alimentación es tirada o soplada sobre la superficie del líquido, ya que el bombeo arriba crea turbulencia significativa en la superficie. El bombeo arriba también puede ser usado du rante la fermentación para ayudar a remover CO2 desde el l íquido al provocar que el gas burbujee a la superficie donde puede ventilarse.

Mezcladores a chorro de cámara de succión Otro tipo de mezclador a chorro incluye una boquilla primaria que entrega un flu ido presu rizado de u na bomba, una entrada de succión adyacente a la boquilla primaria a través de la cual el flu ido ambiente es arrasado por la ca ída de presión entre la boquilla primaria y la entrada más ancha, y una cámara de succión que se extiende entre la entrada de succión y u na boquilla secu ndaria . Un chorro de fluido de alta velocidad sale de la boq uilla secunda ria.

Un ejemplo de este tipo de mezclador es mostrado en la F IG . 6. Como se muestra, en el mezclador 600 l íq uido presu rizado desde una bomba (no mostrada) fluye a través de un paso de entrada 602 y sale a través de una boquilla primaria 603. El líquido ambiente es arrastrado a través de una entrada de succión 604 hacia la cámara de succión 606 mediante ca ída de presión provocada por el flujo de líqu ido presurizado. El flujo combinado sale de la cáma ra de succión hacia el líq uido ambiente a alta velocidad a través de boq u illa secundaria 608. El mezclado ocurre tanto en la cámara de succión como en el l íquido ambiente debido a la acción de chorro del chorro de líq uido q ue sale.

Un sistema de mezclado que opera de acuerdo con un principio similar es mostrado en la FI G . 6A. Los mezcladores q ue abarcan este diseño están comercialmente disponibles de ITT Water and Wastewater, bajo el nombre comercial de mezcladores a chorro Flygt R. En el sistema 61 8 , la bomba 620 genera u n flujo primario que es entregado al tanque (no mostrado) a través de u n sistema de boqu illa de succión 622. El sistema de boquilla de succión 622 incluye una boquilla primaria 624 que funciona en una manera similar a la boquilla primaria 603 descrita antes , provocando que fluido ambiente sea arrastrado hacia el extremo abierto adyacente 626 del tubo eyector 628 debido a la caída de presión ind ucida por el fluido que sale de la boquilla primaria. El flujo combinado sale entonces del otro extremo 630 del tubo eyector 628, el cual fu nciona como u na boqu illa secundaria , como un chorro de alta velocidad .

La boquilla mostrada en la F IG . 7, referida como u na boquilla de eyector, opera bajo un principio similar. U na boq uilla que abarca este diseño está comercialmente disponible bajo el nombre comercial TeeJet®. Como se muestra, en la boquilla 700 l íquido presurizado fluye a través de una entrada 702 y sale de una boquilla primaria 704, q ue arrastra flu ido ambiente en el extremo abierto 706 de un difusor 708. El flujo combinado sale del extremo abierto opuesto 71 0 del difusor a una velocidad de flujo de circulación A + B que es la suma de la velocidad de flujo de entrada A y la velocidad de flujo B del fluido ambiente atrapado .

Mezcladores tipo aereación a chorro Otro tipo de sistema de mezclado a chorro q ue puede utilizarse es referido en la industria de aguas residuales como "mezclado de aereación a chorro". En la industria de ag uas resid uales, estos mezcladores son usudos normalmente para entregar un chorro de una mezcla de aire presu rizado y l íqu ido, para proporcionar aereación . Sin embargo, en la presente solicitud en algu nos casos, los mezcladores tipo aereación a chorro son utilizados sin gas presurizado , como será discutido más adelante . Los pri ncipios de operación de mezcladores de aereación a chorro serán descritos inicialmente en el contexto de su uso con gas presu rizado, para claridad .

U n mezclador de chorro de remolino, tal como e mezclador 800 mostrado en las FIGS. 8-8B , incl uye múltiples chorros 802 montados en un parón radial sobre un eje central 804. El patrón radial de los chorros distribuye uniformemente la energ ía de mezclado a través del tanque . El mezclador de chorro de remolino puede ser posicionado centralmente en u n tanq ue, como se muestra, para proporcionar flujo toroidal alrededor del eje central del tanque. El mezclador de chorro de remolino puede ser montado sobre tubería 806, lo cual suministra l íquido de alta velocidad al mezclador de chorro de remolino. En la modalidad mostrada en la F IG . 8B , el aire también es su ministrado al mezclador de chorro de remolino a través de tubería 81 2. El líquido de alta velocidad es entregado por una bomba 808, el cual es posicionado fuera del tanq ue y la cual arrastra líq uido a través de una entrada 81 0 en la pared lateral del tanque.

Las FI GS. 9 y 1 0 muestran dos tipos de configuraciones de boqu illa que son diseñadas para mezclar u n gas y u na corriente líquida y expulsan un chorro a alta velocidad . Estas boqu illas son configuradas un tanto de manera diferente del mezclador de chorro de remolino mostrado en las FIGS . 8 y 8A pero funcionan en una manera similar. En el sistema 900 mostrado en la FIG . 9, un fluido primario o móvil es dirigido a través de una línea l íqu ida 902 a boquillas interiores 904 a través de las cuales el líq uido viaja a alta velocidad hacia un área de mezclado 906. Un segundo fluido, por ejemplo, u n gas, tal como aire comprimido, nitrógeno o dióxido de carbono, o un l íquido entra al área de mezclado a través de una segunda línea 908 y es atrapado en el fluido móvil que entra al área de mezclado 906 a través de las boquillas interiores. En algunos casos, el seg undo fluido es n itrógeno dióxido de carbono , con el fin de reducir oxidación de la enzima . El flujo combinado de las dos líneas es impulsado a chorro hacia el tanque de mezclado a través de las boquillas exteriores 910. Si el segundo fluido es un gas, burbujas diminutas son atrapadas en el líquido en la mezcla. El líquido es suministrado a la línea de líquido 902 mediante una bomba. El gas, si es usado, es provisto por compresores. Si un líquido es usado como el segundo fluido, puede tener la misma velocidad que el líquido que entra a través de la línea de líquido 902, o una velocidad diferente.

La FIG. 10 muestra un diseño de boquilla alterno 100, en el cual las boquillas exteriores 1010 (de las cuales solo se muestra una) son posicionadas a lo largo de la longitud de un miembro alargado 1011 que incluye una línea de líquido 102 que es posicionada paralela a una segunda línea 1008. Cada boquilla incluye una sola boquilla exterior 1010 y una sola boquilla interior 1004. El mezclado del líquido móvil con el segundo fluido procede en la misma manera que en el sistema 900 descrito antes.

Las FIGS. 11 y 12 ilustran ejemplos de sistemas de mezclado tipo aereación a chorro en los cuales las boquillas son posicionadas a lo largo de la longitud de un miembro alargado. En el ejemplo mostrado en la FIG. 11, el miembro alargado 1120 es posicionado a lo largo del diámetro del tanque 1104, y las boquillas 1106 se extienden en direcciones opuestas de la boquilla para producir el patrón de flujo indicado, el cual incluye dos áreas de flujo generalmente elíptico, uno en cualquier lado del miembro alargado central. En el ejemplo mostrado en la FIG. 12, el tanque 1204 es generalmente rectangular en sección transversal, y el miembro alargado 1202 se extiende a lo largo de una pared lateral 1207 del tanque. En este caso, las boquillas 120 miran todas en la misma dirección, hacia la pared lateral opuesta 1209. Esto produce el patrón de flujo mostrado, en el cual el flujo en el tanque generalmente es elíptico alrededor de un eje mayor que se extiende generalmente de manera central a lo largo de la longitud del tanque. En la modalidad mostrada en la FIG. 12, las boquillas pueden ser inclinadas hacia el piso de tanque, por ejemplo, a un ángulo desde aproximadamente 15 hasta 30 grados de la horizontal.

En otra modalidad, mostrada en la FIG. 13, las boquillas 1302, 1304, y entrada de succión 1306 están arregladas para provocar que los contenidos del tanque tanto se revuelvan como giren en una configuración de dona, rotatoria, toroidal alrededor de un eje vertical central del tanque. El flujo alrededor de la superficie de la toroide es arrastrado hacia abajo del centro del tanque, a lo largo del piso, hasta las paredes y nuevamente al centro, creando un patrón de hélice rotatoria, la cual barre el centro y previene que se asienten los sólidos. El patrón toroidal también es efectivo para mover sólidos flotantes al centro del tanque donde son jalados al fondo y se vuelven homogéneos con los contenidos del tanque. El resultado es un patrón de flujo helicoidal continuo, el cual minimiza los puntos muertos del tanque.

Retrodescarga En algunos casos, las boquillas a chorro descritas en la presente pueden taparse, lo cual puede provocar que se reduzca la eficiencia y efectividad en cuanto a coso. El taponado de las boquillas puede ser removido al invertir el flujo del líquido móvil a través de la boquilla. Por ejemplo, en el sistema mostrado en la FIG. 14, esto es logrado al cerrar una válvula 1402 entre la bomba 1404 y la línea de líquido 1406 que fluye a las boquillas 1408, y que activa una bomba secundaria 1410. La bomba secundaria 1410 arrastra fluido a través de las boquillas. El fluido viaja entonces arriba a través de la tubería vertical 1412 debido a que la válvula 1402 está cerrada. El fluido sale de la tubería vertical 1412 en su salida 1414 para recirculación a través del tanque.

Mezclado en mezcladores de tránsito/portátiles Como se nota antes, si se desea que pueda tener lugar la sacarificación en parte o completamente durante el transporte de la mezcla, por ejemplo, entre una primera planta procesadora para tratar la alimentación y una segunda planta procesadora para producción de un producto final, tal como etanol. En este caso, el mezclado puede ser conducido usando un mezclador a chorro diseñado para vagón u otro uso portátil. Ejemplos de tales mezcladores será discutido más adelante. Como se muestra diagramáticamente en las FIGS. 15 y 15A, los mezcladores 1602, 1604 pueden ser insertados a través de un puerto 1606 en un tanque, por ejemplo, de un camión (FIG. 15) o un vagón (FIG. 15A). El mezclador puede ser operado usando un sistema de control 1608 externo al tanque, el cual puede incluir por ejemplo, un motor y/o un suministro o aire comprimido, depend iendo del tipo de sistema de mezclado usado, y un controlador configurado para controlar la operación del mezclador. También puede proporcionarse ventilación (no mostrada) .

Otros sistemas/boqu illas de mezclado Aire/fluido pulsado Un tipo alternativo de mezclador utiliza un gas entregado en pulsos a la mezcla . Tal mezclador es mostrado diag ramáticamente en las F IGS . 1 5 y 1 5A, como un ejemplo en un mezclador de vagón portátil. Las cantidades medidas de gas de alta presión son inyectadas o pulsadas bajo discos redondos planos (placas acumuladoras) posicionadas cerca del fondo del tanque . La liberación repentina de aire golpea el líquido. Conforme el gas se mueve hacia afuera entre la placa y el piso del tanque, barre fuera sólidos que se han asentado. El gas se acumula entonces por arriba de la placa hacia burbujas con forma ovalada , g randes. Conforme cada burbuja se eleva a la superficie, empuja el líqu ido por arriba de él arriba y afuera hacia el perímetro del tanque. El l íquido se mueve hacia los lados del tanque y viaja debajo de la pared del tanque al fondo. Este movimiento de las burbujas fuerza a los sólidos a la superficie y crea una circulación generalmente circu lar o toroidal de líquido en el tanque. El gas puede ser, por ejemplo, aire, nitrógeno o dióxido de carbono. El tanque es ventilado (no mostrado) para permitir q ue el gas escape del tanque durante el mezclado.

Agitadores de baja velocidad Las FIGS. 16 y 16A ilustran agitadores configurados para ser montados en una flecha (no mostrada) para mezclado rotacional a velocidades relativamente bajas. Los agitadores pueden incluir, por ejemplo, dos elementos de mezclado 1702 (FIG. 16 o tres elementos de mezclado (FIG. 16A), montados sobre brazos de soporte 1701 alrededor de un eje de montaje central 1703 que está dispuesto para recibir una flecha.

Los elementos de mezclado 1702 están en la forma de conos truncados, cada uno de los cuales tiene un primer extremo 1704 y un segundo extremo 1706. El primer extremo tiene una sección transversal mayor que la sección transversal del segundo extremo. Los elementos de mezclado son posicionados de manera que los ejes centrales de los elementos de mezclado están dispuestos en un ángulo en relación a un plano de rotación de los elementos de mezclado.

El agitador es girado en una dirección de manera que el líquido fluye a través del primer extremo 1704 y fuera a través del segundo extremo 1706 a una mayor velocidad, creando condiciones de flujo dinámico al generar flujo turbulento en el extremo ahusado de cada elemento de mezclado. El angulado de los elementos de mezclado en relación al plano de rotación tiende a provocar un flujo circular cerrado continuo, el cual en la cercanía de una pared dé recipiente o tanque adyacente fluye hacia arriba y en la parte central del tanque o recipiente fluye hacia abajo coaxialmente a la flecha de mezclador, donde pasa a través de los espacios intermedios entre los brazos de soporte 1 701 . La intensidad de este flujo circular depende de la magnitud del ángulo.

Los mezcladores de este tipo están comercialmente disponibles de Inotec bajo el nombre comercial Visco-Jet R. Los mezcladores de doblado están d isponibles, los cuales pueden ponerse en vagón u otro contenedor de transporte. Un tipo de mezclador similar es descrito en la patente estadounidense no. 6,921 , 1 94, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.

Minimizar el retenido en paredes de tanque En algu nas situaciones, en particular a niveles de sólidos que se aproximan a u n límite teórico o práctico, el material puede acumularse a lo largo de la pared lateral y/o inferior del tanque durante el mezclado. Este fenómeno, referido como "reten ido" es indeseable ya que puede resultar en mezclado i nadecuado. Varias aproximaciones pueden tomarse para min imizar el retenido y asegurar buen mezclado a lo largo del tanque.

Por ejemplo, además del o los dispositivos de mezclado a chorro , el tanque puede ser eq uipado con un dispositivo de respaldo, por ejemplo, un dispositivo teniendo una cuch illa q ue raspa el lado del ta nque en una manera de "escobilla de goma". Tales dispositivos son bien conocidos, por ejemplo, en la industria de lácteos. Agitadores adecuados incluyen los agitadores de barrido lateral e inferior y agitadores de cuchilla raspadora fabricados por Waiker Engineered Products, Nueva Lisboa, Wl . Como se muestra en la FIG . 1 8 , un agitador de barrido lateral e inferior 1 800 puede incluir un miembro alargado central 1 802 , montado para girar alrededor del eje del tanque. Las cuchillas raspadoras de pared lateral 1 804 son monadas en cada extremo del número alargado 1 802 y están dispuestas en un ángulo con respecto al miembro alargado. En la modalidad mostrada, un par de cuchillas raspadoras de pared inferior 1 806 son montadas en un punto i ntermedio sobre el miembro alargado 1 802 , para raspar cualquier material que se acumula en el fondo del tanque. Estos raspadores pueden ser omitidos si el material no se está acumu lando sobre el fondo del tanq ue . Como se muestra en la FI G . 1 8A, las cuchillas raspadoras 1 804 pueden esta r en la forma de una pluralidad de elementos raspadores posicionados a lo largo de la pared lateral . En otras modalidades, las cuchillas raspadores son continuas, o pueden tener cualquier otra geometría deseada.

En otras modalidades, el mezclador a chorro por sí mismo es configu rado con el fin de minimizar el retenido. Por ejemplo, el mezclador a chorro puede incluir uno o más cabezales movibles y/o porciones flexibles que se mueven d urante el mezclado. Por ejemplo, el mezclador a chorro puede incluir un miembro rotatorio alargado teniendo una plu ralidad de boq uillas a chorro a lo largo de su longitud . El miembro alargado puede ser plano, como se muestra en la FIG . 1 9, o tener una forma no plana , por ejemplo, puede conformarse a la forma de las paredes de tanq ue como se muestra en la FIG . 20.

Haciendo referencia a la FIG . 1 9, las boquillas de mezclador a chorro pueden ser posicionadas en un miembro alargado rotatorio 1900 que es impulsado por un motor 1 902 y flecha 1 904. El ag ua u otro fluido es bombeado a través de pasos en el miembro rotatorio, por ejemplo, por un impulsor de bomba 1 906 y sale como u na pluralidad de chorros a través de orificios a chorro 1 908 , mientras que el miembro 1 900 gira. Para reducir el retenido en las paredes laterales de tanq ue, los orificios 1 91 0 pueden ser provistos en los extremos del miembro 1 900.

En la modalidad mostrada en la FI G . 20, para conformarse a la forma particular del tanque 200, el miembro alargado incluye brazos que se extienden horizontalmente 2002 , porciones inclinadas hacia abajo 2004, porciones inclinadas hacia arriba y hacia afuera 2006, y porciones q ue se extienden verticalmente 2008. El fluido es bombeado a través de pasos dentro del miembro alargado a una pluralidad de orificios de chorro 38 , a través de los cuales los chorros son emitidos mientras que el m iembro alargado es girado.

En ambas modalidades mostradas en las FIGS. 1 9 y 20, los chorros proporcionan mezclado al tiempo que se lava n las paredes laterales del tanque.

En otras modalidades, el mezclador a chorro pueden incluir miembros flexibles y o miembros ajustables (por ejemplo, tubos doblables o telescópicos) a través de los cuales los chorros son entregados. Por ejemplo, como se muestra diagramáticamente en las FIGS . 21 y 21 A, el dispositivo de mezclado a chorro puede hacerse de tu bería flexible, en la manera de u n tipo flotante de limpiador de depósito, tal como se describe en la patente estadounidense no. 3,883,368. En el sistema 2100 mostrado, una manguera de suministro flexible 2102 entrega fluido a partir de una entrada 2104 en la pared lateral del tanque 2106. La manguera de suministro 2102 se extiende a lo largo de la superficie del líquido en el tanque vía una serie de bollas 2108 y eslabones giratorios 2110. Una pluralidad de mangueras flexibles 2112 es asegurada a sus extremos superiores a uniones T separadas 2114 en la porción flotante de la manguera de suministro 2102. El fluido es impulsado a chorro de los extremos distales abiertos de las mangueras flexibles 2112, que resulta en mezclado de los contenidos del tanque y remoción de retenido en las paredes laterales de tanque.

En algunas implementaciones, combinaciones de las modalidades descritas antes pueden usarse. Por ejemplo, combinaciones de miembros alargados rotatorios u oscilatorios no planos y planos pueden usarse. Los arreglos de boquilla de movimiento descritos antes pueden ser usados en combinación unos con otros y/o en combinación con los raspadores. Una pluralidad de arreglos de boquilla en movimiento puede usarse junto, por ejemplo, dos o más de los miembros rotatorios mostrados en la FIG. 19 pueden ser apilados verticalmente en el tanque. Cuando se usan múltiples miembros rotatorios, pueden ser configurados para girar en la misma dirección o en direcciones opuestas, y a la misma velocidad o diferentes velocidades.

Materiales Materiales de biomasa La biomasa puede ser, por ejemplo, u n material celulósico o lignocelulósico. Tales materiales incluyen papel y productos de papel (por ejemplo papel policubierto y papel Kraft) , madera , materiales relacionados con la madera , por ejemplo, tablero de partículas, pastos, cáscaras de arroz, bagazo, yute, cáñamo , lino, bambú , sisal, abacá, paja , mijo, alfalfa, heno, mazorcas de ma íz, rastrojo de maíz, pelo de coco; y materiales altos en contenido de a-celulosa , por ejemplo, algodón . Las alimentaciones pueden ser obten idas de materiales textiles desechos vírgenes, por ejemplo, remanentes , desperdicios post-consumidor, por ejemplo, harapos . Cuando los productos de papel son usados, pueden ser materiales vírgenes , por ejemplo, materiales vírgenes de restos, o pueden ser desperdicio post-consumidor. Además de materias primas vírgenes, desperdicios post-consumidor, industriales (por ejemplo, despojos) , y de procesamiento (por ejemplo, efluente de procesamiento de papel) también pueden usarse como fuentes de fibra. Las alimentaciones de biomasa también pueden ser obtenidas o derivadas de desperdicios humanos (por ejemplo, aguas cloacales) , animales o vegetales. Materiales celulósicos o lignocelulosicos adicionales han sido descritos en las patentes estadounidenses nos. 6,448 ,307, 6,258 ,876, 6 ,207,729, 5,973,035 y 5 ,952 , 1 05.

En algunas modalidades , el material de biomasa incluye un carboh idrato que es o incluye un material teniendo uno o más en laces ß-1 ,4 y teniendo u n peso molecular promedio de número entre aproximadamente 3,000 y 50,000. Tal carbohid rato es o incluye celu losa (I) , el cual es derivado de (ß-glucosa 1 ) a través de condensación de u niones ß( 1 ,4)-glicosídicas. Este en lace contrasta por sí mismo con aquél para uniones a(1 ,4)-glicosídicas presentes en almidón y otros carbohidratos.

Materiales amiláceos incluyen almidón por sí mismo, por ejemplo, almidón de maíz, almidón de trigo, almidón de papa o almidón de arroz, un derivado de almidón, o un material q ue incluye almidón , tal como un producto alimenticio comestible o u na cosecha. Por ejemplo, el material amiláceo puede ser arracacha , alforfón, plátano, cebada , mandioca , kudzu , oca, sagú , sorgo, papas caseras reglares, camote, taro , ñame, o uno o más de gramíneas, tales como habas, lentejas o ch ícharos. Las mezclas de cualquiera de dos o más materiales amiláceos también son materiales amiláceos.

En algunos casos, la biomasa es u n material microbiano. Las fuentes microbianas incluyen , pero no están limitadas a , cualquier microorganismo u organismo q ue ocurre de manera natural o genéticamente mod ificado que contiene o es capaz de proporcionar una fuente de carbohidratos (por ejemplo, celulosa) , por ejemplo, protistas, por ejemplo, protistas animales (por ejemplo, protozoarios, tales como flagelados, amiboides, ciliados y esporozoarios) y protistas vegetales (por ejemplo, algas tales como alveolados, clorarcniofitas , criptoonadas, euglenidas, g laucofitas, haptofitas, algas rojas, estramenopilas y plantas viridiae) . Otros ejemplos incluyen algas marinas, plancton (por ejemplo, macroplancton , mesoplancton , microplancton, nanoplancton , picoplancton y femptoplancton), fitoplancton , bacterias (por ejemplo, bacterias gram positivas, bacterias gram negativas y extremofilas) , levad uras y/o mezclas de éstas. En alg unos casos, la biomasa microbiana puede ser obtenida a partir de fuentes natu rales, por ejemplo, los océanos, lagos, cuerpos de ag ua , por ejemplo, ag ua salada o agua dulce o en tierra . De manera alternativa o adicional , biomasa microbiana puede ser obtenida de sistemas de cultivo , por ejemplo, sistemas de cu ltivo en húmedo y en seco a gran escala .

Agentes sacarificantes Los enzimas adecuados incluyen celobiasas y celulasas capaces de degradar biomasa .

Las celobiasas adecuadas incluyen u na celobiasa de Aspergillus niger vendido bajo el nombre comercial NOVOZYM E 1 88M R.

U na celulasa es capaz de degrada la biomasa y puede ser de origen fu ngal o bacteriano . Enzimas adecuadas i ncluyen celulasas de los géneros Bacillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarioum, Thielavia, Acremoniu, Chrysosporium y Trichoderma e incluyen la especie de Humicola, Coprinus, Thielavia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Penicullium o Aspergillus (ver, por ejemplo, EP 458162), especialmente aquéllos producidos por una cepa seleccionada de la especie Humicola insolens (reclasificada como Scytalidium thermophilum, ver por ejemplo, la patente estadounidense no. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestres, Acremonium sp., Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum y Acremonium furatum; de preferencia de la especie Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311.74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62 y Acremonium furatum CBS 299.70H. Enzimas celulolíticas también pueden ser obtenidas de Chrysosporium , de preferencia una cepa de Chrysosporium lucknowense. Adicionalmente, Trichoderma (en particular Trichoderma viride, Trichoderma reesei y Trichoderma koningii) , Bacillus alcalofílico (ver, por ejemplo la patente estadou nidense no. 3,844,890 y EP 458162) y Streptomyces (ver, por ejemplo, EP 4581 62) pueden usarse .

Complejos de enzimas pueden ser utilizados , tales como aquéllos disponibles de Genencor bajo el nombre comercial ACCELLERASE®, por ejemplo, complejo enzimático Accellerase® 1500. El complejo enzimático contiene mú ltiples actividades enzimáticas, principalmente exogl ucanasa , endoglucanasa (2200-2800 C MC U/g) , hemi-celulasa y beta-glucosidasa (525-775 pN PG U/G) y tiene u n pH de 4.6 a 5.0. La actividad de endog lucanasa del complejo enzimático es expresada en unidades de actividad de carboximetilcelulosa (C MC U) , mientras que la actividad de beta-glucosidasa es reportada en unidades de actividad de pN P-glucósido (pN PG U). En una modalidad , una mezcla de complejo enzimático de Accellerase® 1 500 y celobiosa NOVOZYMEM R 1 88 es usada .

En algunas implementaciones, el agente sacarificante comprende un ácido, por ejemplo, un ácido mineral . Cuando se usa un ácido, pueden generarse co-productos que son tóxicos a microorganismos, en cuyo caso el proceso puede incluir además remover tales co-prod uctos. La remoción puede ser realizada usando un carbono activado, por ejemplo, carbón activado, u otras técnicas adecuadas .

Agentes de fermentación Los microorganismos usados en fermentación pueden ser microorganismos naturales yo microorganismos diseñados. Por ejemplo, el microorganismo puede ser una bacteria, por ejemplo, una bacteria celulolítica, un hongo, por ejemplo, una levadura, una planta o un protista, por ejemplo, un alga, un protozoario o un protista como hongo, por ejemplo, moho de limo. Cuando los organismos son compatibles, mezclas de organismos pueden ser utilizados.

Los microorganismos de fermentación adecuados tienen la capacidad para convertir carbohidratos, tales como glucosa, xilosa, arabinosa, mañosa, galactosa, oligosacáridos o polisacáridos en productos de fermentación. Los microorganismos de fermentación incluyen cepas del género Saccharomyces spp., por ejemplo, Sacchromyces cerevisiae (levadura de panadero), Saccharomyces distaticus, Saccharomyces uvarum; el género Kluyveromyces, por ejemplo, especie Kluveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis; el género Candida, por ejemplo, Candida pseudotropicalis y Candida brassicae, Pichia stipitis (un pariente de Candida shehatae, el género Clavispora, por ejemplo, especies Clavispora lustianiae y Clavispora opuntiae, el género Pachysolen, por ejemplo, especie Pachysolen tannophilus, el género Bretannomyces, por ejemplo, especies Bretannomyces clausenii (PHilippidis, G.P., 1996, Cellulose bioconversion technology, en Handbook on Biotehanol: Production and Utilization, Wyman, CE., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212).

Levaduras comercialmente disponibles incluyen, por ejemplo, Red Star®/Lesaffre Ethanol Red (disponible de Red Star/Lesaffre, US), FALI® (disponible de Fleischmann's Yeaste, una división de Burns Philip Food Inc., US), SUPERSTART® (disponible de Alltech, ahora Lalemand), GERT STRAND® (disponible de Gert Strand AB, Suecia), y FERMOL® (disponible de DSM Specialties).

Las bacterias también pueden ser usadas en fermentación, por ejemplo, Zymomonas mobilis y Clostriium thermocellum (Phylippidis, 1996, supra).

Aditivos Antibióticos Aunque generalmente se prefiere tener una alta concentración de azúcar en la solución sacarificada, pueden usarse menores concentraciones, en cuyo caso puede ser deseable adicionar un aditivo antimicrobiano, por ejemplo, un antibiótico de amplio espectro, en una baja concentración, por ejemplo, 50 a 150 ppm. Otros antibióticos adecuados incluyen anfotericina B, ampicilina, cloranfenicol, ciprofloxacina, gentamicina, hidromicina B, canamicina, neomicina, penicilina, puromicina, estreptomicina. Los antibióticos inhibirán el crecimiento de microorganismos durante el transporte y almacenamiento, pueden usarse a concentraciones apropiadas, por ejemplo, entre 15 y 1000 ppm en peso, por ejemplo, entre 25 y 50 ppm, o entre 50 y 150 ppm. Si se desea, un antibiótico puede ser incluido incluso si la concentración de azúcar es relativamente alta.

Surfactantes La adición de surfactantes puede intensifica la velocidad de sacarificación . Ejemplos de surfactantes incluyen su rfactantes no iónicos, tales como surfactantes de polietilenglicol Tween® 20 o Tween® 80, surfactantes iónicos o su rfactantes anfotéricos. Otros surfactantes adecuados incluyen etoxilatos de octilfenol , tal como los surfactantes no ión icos serie TRITO N R X comercialmente disponibles de Dow Chemical. U n surfactante también puede ser adicionado para mantener el azúcar que está siendo producido en solución , en particu lar en soluciones de alta concentración .

Medio de sacarificación En una modalidad , el medio tiene las siguientes concentraciones de componentes: Base de nitrógeno de levadura 1 .7 g/l U rea 2.27 g/l Peptona 6.56 g/l Surfactante Tween® 80 10 g/l Tratamiento físico de alimentación En alg u nas implementaciones, la alimentación es tratada físicamente antes de la sacarificación y/o fermentación . Los procesos de tratamiento físico pueden incluir uno o más de cualquiera de aq uéllos descritos en la presente, tales como tratamiento mecánico, tratamiento qu ímico, irradiación, sonicación , oxidación , pirólisis o explosión de vapor. Los métodos de tratamiento pueden usarse en combinaciones de dos, tres, cuatro o incluso todas estas tecnolog ías (en cualquier orden). C uando más de un método de tratamiento es usado, los métodos pueden ser aplicados al mismo tiempo o a diferentes tiempos. Otros procesos q ue cambian una estructu ra molecular de una alimentación de biomasa también pueden ser usados, solos o en combinación con los procesos descritos en la presente.

Tratamientos mecánicos En alg unos casos, métodos pueden inclu ir trata r mecánicamente la alimentación de biomasa. Los tratamientos mecánicos incluyen , por ejemplo, corte, molienda , presión , machacado, cizallado y picado. La molienda puede incluir, por ejemplo, molienda de bolas, molienda de matulos, molienda en seco o hú medo de rotor/estator, u otros tipos de molienda. Otros tratamientos mecán icos incluyen , por ejemplo, molienda con pied ra, agrietado, rasgado o desgarrado mecánico, molienda con barri lete o molienda de desgaste con aire.

El tratamiento mecánico puede ser ventajoso para "abri r", "tensionar" , romper y destrozar los materiales celu lósicos o lignocelulósicos, hacer la celulosa de los materiales más susceptibles a escisión de cadena y/o reducción de cristalinidad . Los materiales abiertos también son más susceptibles a oxidación cuando son irradiados.

En alg unos casos, el tratamiento mecánico puede incluir una preparación inicial de la alimentación como se recibe, por ejemplo, red ucción de tamaño de materiales , tales como al cortar, moler, cizallar, pulverizar o picar. Por ejemplo, en alg unos casos , alimentación suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales amiláceos o mijo) es preparada al cizallar o desmenuza r.

De manera alternativa, o adicional , el material de alimentación puede ser tratado físicamente por uno o más de los otros métodos de tratamiento físico, por ejemplo, tratamiento qu ímico, radiación , sonicación , oxidación, pi rólisis o explosión de vapor, y entonces se trató mecánicamente. Esta secuencia puede ser ventajosa debido a que los materiales tratados por uno o más de los otros tratamientos, por ejemplo , irradiación o pirólisis, tienden a ser más quebradizos y, por lo tanto , pueden ser más fáciles para cambiar adicionalmente la estructu ra molecu lar del material mediante tratamiento mecánico.

En algu nas modalidades, el material de alimentación está en la forma de un material fibroso y tratamiento mecán ico incluye cizallar para exponer fibras de material fibroso. El cizallado puede ser realizado, por ejemplo, usando un cortador de cuch illa rotatoria. Otros métodos para tratar mecánicamente la biomasa incluyen , por ejemplo, molienda o machacado. La molienda puede ser realizada usando, por ejemplo, un molino de martillo, molino de bolas, molino coloidal , molino cónico o de cono, molino de d isco, molino de borde , molino Wiley o molino de molienda . El machacado puede ser realizado usando, por ejemplo, un moledor de piedra , moledor de barrilete, moledor de café o moledor de torno. El machacado puede ser provisto, por ejemplo , mediante u n barrilete reciprocante u otro elemento, como es el caso en un molino de barrilete. Otros métodos de tratamiento mecán ico incluyen rasgado o desgarrado mecánico, otros métodos que aplican presión al material y molienda de desgaste con aire. Tratamientos mecán icos adecuados incluyen además cualquier otra técnica que cambie la estructu ra molecular de la alimentación.

Si se desea, el material mecánicamente tratado puede ser pasado a través de u n tamiz, por ejemplo, teniendo un tamaño de abertu ra promedio de 1 .59 mm o menos ( 1 /16 in , 0.0625 in ( 1 .53 cm)) . En algunas modalidades, el cizallado, u otro tratamiento mecánico, y tamizado son realizados concu rrentemente . La biomasa es cizallada entre cuchillas estacionarias y cuch illas rotatorias para proporcionar u n material cizallado que pasa a través de un tamiz y es capturado en un cajón.

El material celulósico o lig nocelulósico puede ser tratado mecánicamente en un estado seco (por ejemplo, teniendo poca o nada de agua libre en su superficie), un estado hid ratado (por ejemplo, teniendo hasta diez por ciento en peso de agua absorbida) , o en un estado húmedo, por ejemplo, teniendo entre aproximadamente 1 0 por ciento y aproximadamente 75 por ciento en peso de ag ua . La fuente de fibra puede ser tratada mecánicamente mientras que se sumerge parcial o completamente bajo un líq uido, tal como ag ua , etanol o isopropanol.

El material celu lósico o lignocelulósico también puede ser tratado mecánicamente bajo u n gas (tal como una corriente o atmosfera de gas diferente de aire) , por ejemplo , oxígeno o nitrógeno, o vapor.

Si se desea, la lignina puede ser removida de cualquiera de los materiales fibrosos que incluyen lignina. Además, para ayudar en la descomposición de los materiales que incluyen celulosa, el material puede ser tratado antes de o durante el tratamiento mecánico o irradiación con calor, un químico (por ejemplo, ácido mineral, base o un oxidante fuerte tal como hipoclorito de sodio), y/o una enzima. Por ejemplo, la molienda puede ser realizada en la presencia de un ácido.

Sistemas de tratamiento mecánico pueden configurarse para producir corrientes con características de morfología específicas, tal como, por ejemplo, área de superficie, porosidad, densidad a granel, y en el caso de alimentaciones fibrosas, características de fibra tales como proporción de longitud-a-ancho.

En algunas modalidades, un área de superficie BET del material tratado mecánicamente es mayor que 0.1 m2/g, por ejemplo, mayor que 0.25 m2/g, mayor que 0.5 m2/g, mayor que 1.0 m2/g, mayor que 1.5 m2/g, mayor que 1.75 m2/g, mayor que 5.0 m2/g, mayor que 10 m2/g, mayor que 25 m /g, mayor que 35 m /g, mayor que 50 m /g, mayor que 60 m2/g, mayor que 75 m2/g, mayor que 100 m2/g, mayor que 150 m2/g, mayor que 200 m2/g, o incluso mayor que 250 m2/g.

Una porosidad del material mecánicamente tratado puede ser, por ejemplo, mayor que 20 por ciento, mayor que 25 por ciento, mayor que 35 por ciento, mayor que 50 por ciento, mayor que 60 por ciento, mayor que 70 por ciento, mayor que 80 por ciento, mayor que 85 por ciento, mayor que 90 por ciento, mayor que 92 por ciento, mayor que 94 por ciento, mayor que 95 por ciento, mayor que 97.5 por ciento, mayor que 99 por ciento, o incluso mayor que 99.5 por ciento .

En algu nas modalidades, después del tratamiento mecá n ico el material tiene una densidad a granel de menos de 0.25 g/cm3, 0.20 g/cm3, 0.1 5 g/cm3, 0.1 0 g/cm3, .05 g/cm3 o menos, por ejemplo 0.025 g/cm3. La densidad a granel es determinada usando ASTM D 1 895B. Brevemente , el método involucra llenar un cilindro de medición de volumen conocido con u na muestra y obtener un peso de la muestra. La densidad a granel es calculada al dividir el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos .

Si la alimentación es un material fibroso, las fibras del material mecán icamente tratado pueden tener una proporción de long itud-a-diámetro promedio relativamente grande (por ejemplo , mayor que 20-a-1 ), incluso si han sido cizalladas más de una vez. Además, las fibras de los materiales fibrosos descritos en la presente pueden tener una distribución de proporción de long itud y/o longitud-a-diámetro relativamente estrecha .

Como se usa en la presente , anchos de fibra promedio (por ejemplo, diámetros) son aquéllos determinados de manera óptica al seleccionar de manera aleatoria aproximadamente 5,000 fibras. Las longitudes de fibra promedio son longitudes pesadas-de longitud correg ida. Areas de superficie BET (Brunauer, Emmet y Teller) son áreas de superficie de mú ltiples pu ntos, y las porosidades son aquéllas determinadas mediante porosimetría de mercurio.

Si la biomasa es un material fibroso, la proporción de longitud-a-diámetro promedio de fibras del material mecánicamente tratado puede ser, por ejemplo, mayor que 8/1, por ejemplo, mayor que 10/1, mayor que 15/1, mayor que 20/1, mayor que 25/1, o mayor que 50/1. Una longitud de fibra promedio del material mecánicamente tratado puede ser, por ejemplo, entre aproximadamente 0.5 mm y 2.5 mm, por ejemplo, entre aproximadamente 0.75 mm y 1.0 mm, y un ancho promedio (por ejemplo, diámetro) del segundo material fibroso 14 puede ser, por ejemplo, entre aproximadamente 5 pm y 50 µ?t?, por ejemplo entre aproximadamente 10 pm y 30 pm.

En algunas modalidades, si la biomasa es un material fibroso la desviación estándar de la longitud de fibra del material mecánicamente tratado puede ser menor que 60 por ciento de una longitud de fibra promedio del material mecánicamente tratado, por ejemplo, menos de 50 por ciento de la longitud promedio, menor que 40 por ciento de la longitud promedio, menor que 25 por ciento de la longitud promedio, menor que 10 por ciento de la longitud promedio, menor que 5 por ciento de la longitud promedio o incluso menos de 1 por ciento de la longitud promedio.

En algunas situaciones, puede ser deseable preparar un material de baja densidad a granel, densificar el material (por ejemplo, para hacerlo más fácil y menos costoso de transportar a otro sitio), y entonces revertir el material a un estado de menor densidad a granel. Los materiales densificados pueden ser procesados med iante cualq uiera de los métodos descritos en la presente , o cualq uier material procesado por cualquiera de los métodos descritos en la presente pueden ser densificados subsecuentemente, por ejemplo, como se describe en U .S. serial no. 1 2/429,045 y WO 2008/0731 86, cuyas descripciones completas son incorporadas en la presente por referencia.

Tratamiento de radiación U na o más secuencias de procesamiento de radiación pueden usarse para procesar la alimentación , y para proporcionar un material estructu ralmente modificado , el cual funciona como entrada a pasos de procesamiento y/o secuencias adicionales. La irradiación puede red ucir, por ejemplo, el peso molecular y/o cristalin idad de alimentación . La radiación también puede esterilizar los materiales , o cualquier medio necesario para bioprocesar el material .

En algu nas modalidades, la energ ía depositada en u n material que libera un electrón de su orbital atómico es usada para irradiar los materiales. La rad iación puede ser provista por ( 1 ) partículas cargadas pesadas , tales como partículas alfa o protones , (2) electrones, producidos, por ejemplo, en aceleradores de haz de electrones o decaimiento beta, o (3) radiación electromagnética , por ejemplo, rayos gamma , rayos x o rayos ultravioleta. En una aproximación , la radiación producida por substancias radioactivas puede ser usada para irradiar la alimentación . En otra aproximación , la radiación electromagnética (por ejemplo, producida usando emisores de haces de electrones) pueden usarse pa ra irradiar la alimentación. En algunas modalidades, cualquier combinación en cualquier orden o concurrentemente de (1) a (3) puede ser utilizada. Las dosis aplicadas dependen del efecto deseado y la alimentación particular.

En algunos casos, cuando la escisión de cadena es deseable y/o la funcionalización de cadena de polímero es deseable, partículas más pesadas que electrones, tales como protones, núcleos de helio, iones de argón, iones de silicio, iones de neón, iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxígeno o iones de nitrógeno pueden ser utilizados. Cuando la escisión de cadena de abertura de anillo es deseada, partículas positivamente cargadas pueden ser utilizadas para sus propiedades de ácido de Lewis para escisión de cadena de abertura de anillo. Por ejemplo, cuando se desea la oxidación máxima, los iones de oxígeno pueden ser utilizados, y cuando se desea nitración máxima, los iones de nitrógeno pueden ser utilizados. El uso de partículas pesadas y partículas positivamente cargadas se describe en U.S. serial no. 12/417,699, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.

En un método, un primer material que es o incluye celulosa teniendo un primer peso molecular promedio de número (MNi) es irradiado, por ejemplo, mediante tratamiento con radiación ionizante (por ejemplo, en la forma de radiación gamma, radiación de rayos X, luz ultravioleta (UV) de 100 nm a 280 nm, un haz de electrones u otras partículas cargadas) para proporcionar un segundo material que incluye celulosa teniendo un segundo peso molecular promedio de número (MN 2) menor que el primer peso molecular promedio de número. El segundo material (o el primer y segundo material) puede combinarse con u n microorganismo (con o sin tratamiento de enzimas) q ue puede utilizar el segu ndo y/o primer material o sus azúcares constituyentes o lignina para producir u n intermediario o producto, tal como aquéllos descritos en la presente .

Debido a que el segundo material incluye celulosa teniendo u n peso molecular reducido en relación al primer material , y en alg unos casos, una cristalinidad reducida también , el seg undo material generalmente es más dispersable, h inchable y/o soluble , por ejemplo, en una solución conteniendo un microorganismo y/o una enzima. Estas propiedades hacen al seg undo material más fácil para procesar y más susceptible a ataque qu ímico, enzimático y/o biológico en relación al primer material , el cual puede mejorar enormemente la velocidad de producción y/o nivel de producción de un producto deseado, por ejemplo , etanol.

En alg unas modalidades, el segundo peso molecular promedio de número (MN 2) es menor que el primer peso molecular promedio de número (M N I ) por más de aproximadamente 1 0 por ciento, por ejemplo más de aproximadamente 1 5, 20, 25 , 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incl uso más de aproximadamente 75 por ciento.

En algunos casos, el segundo material incluye celulosa que tiene una cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (C i ) de la celulosa del primer materia. Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (C por más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, más de aproximadamente 1 5 , 20, 25 , 30 , 35 , 40 , o incluso más de aproximadamente 50 por ciento.

En alg unas modalidades, el índice de cristalinidad in icial (antes de la irradiación) es desde aproximadamente 40 hasta aproximadamente 87.5 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente 75 por ciento o desde aproximadamente 60 hasta aproximadamente 70 por ciento, y el índice de cristalinidad después de la irrad iación es desde aproximadamente 1 0 hasta aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 1 5 hasta aproximadamente 45 por ciento o desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en alg unas modalidades, por ejemplo después de la irrad iación extensa , es posible tener un índice de cristalinidad menor q ue 5 por ciento . En algu nas modalidades, el material después de la irradiación es substancialmente amorfo .

En algunas modalidades, el peso molecula r promedio de número inicial (antes de la irradiación) es desde aproximadamente 200,000 hasta aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 1 ,000 ,000 o desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 700,000 y el peso molecular promedio de número después de la irradiación es desde aproximadamente 50,000 hasta aproximadamente 200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 60 ,000 hasta aproximadamente 1 50,000 o desde aproximadamente 70,000 hasta aproximadamente 125,000. Sin embargo, en algunas modalidades , por ejemplo, después de la irradiación extensa , es posible tener u n peso molecular promedio de número de menos de aproximadamente 10,000 o incluso menos de aproximadamente 5,000.

En algu nas modalidades , el segundo material puede tener un nivel de oxidación (02) que es mayor que el nivel de oxidación (d ) del primer material . Un mayor nivel de oxidación del material puede ayudar en su dispersabilidad , hinchabilidad y/o solu bilidad , además de intensificar la susceptibilidad del material a ataque qu ímico, enzimático o biológico. En algunas modalidades, para aumentar el nivel de la oxidación del segu ndo material en relación al primer material , la irradiación es realizada bajo un ambiente oxidante, por ejemplo, bajo un manto de aire u oxígeno, produciendo u n segu ndo material que es más oxidado que el primer material . Por ejemplo, el segu ndo material puede tener más grupos hid roxilo, g rupos aldeh ido, grupos cetona , g rupos éster o grupos de ácido carboxílico, los cuales pueden incrementar su hidrofilicidad .

Radiación ionizante Cada forma de radiación ioniza el material conteniendo carbono vía interacciones particulares , como es determinado por la energía de la radiación . Las partículas cargadas pesadas ionizan principalmente materia vía dispersión de Coulomb; adicionalmente, estas interacciones producen electrones energéticos que pueden ionizar adicionalmente la materia. Las partículas alfa son idénticas al núcleo de un átomo de helio y son producidas mediante el decaimiento alfa de varios núcleos radioactivos, tales como isótopos de bismuto, polonio, astatina, radón, francio, radio, varios actínicos, tales como actinio, torio, uranio, neptunio, curio, californio, americio y plutonio.

Cuando las partículas son utilizadas, pueden ser neutrales (no cargadas), positivamente cargadas o negativamente cargadas. Cuando son cargadas, las partículas cargadas pueden portar una carga positiva o negativa simple, o múltiples cargas, por ejemplo, una, dos, tres o incluso cuatro o más cargas. En casos en los cuales se desea la escisión de cadena, partículas positivamente cargadas pueden ser deseables, en parte debido a su naturaleza ácida. Cuando se utilizan partículas, las partículas pueden tener la masa de un electrón en descanso, o mayor, por ejemplo, 500, 1000, 1500, 2000, 10,000 o incluso 100,000 veces la masa de un electrón en descanso. Por ejemplo, las partículas pueden tener una masa desde aproximadamente 1 unidad atómica hasta aproximadamente 150 unidades atómicas, por ejemplo, desde aproximadamente 1 unidad atómica hasta aproximadamente 50 unidades atómicas, o desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 25, por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 o 15 amu. Los aceleradores usados para acelerar las partículas pueden ser de DC electrostática, DC electrodinámica, lineal de RF, lineal de inducción magnética u onda continua. Por ejemplo, aceleradores tipo ciclotrón están disponibles de IBA, Bélgica, tal como el sistema Rhodotron®, mientras que aceleradores tipo DC están disponibles de RDI, ahora IBA Industrial, tal como el Dynamitron®. Los iones y aceleradores de iones son discutidos en Introductory Nuclear Physics; Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (197) 4, 177-206, Chu, William T., "Overview of Light-lon Beam Therapy" Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 marzo 2006, Iwata, Y. et a., "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-lon Medical Accelerators" Proceedings of EPAC 2006, Edinburgo, Escocia y Leaner, C.M. et al., "Status of the Supercounducting ECR Ion Source Venus" Proceedings of EPAC 2000, Viena, Austria.

La radiación gamma tiene la ventaja de una profundidad de penetración significativa en una variedad de materiales. Las fuentes de rayos gamma incluyen núcleos radioactivos, tales como isótopos de cobalto, calcio, tecnicio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, criptón, samario, selenio, sodio, talio y xenón.

Fuentes de rayos x incluyen colisión de haces de electrones con objetivos de metal, tales como tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes de luz compactas, tales como aquéllas producidas comercialmente por Lyncean.

Fuentes de radiación ultravioleta incluyen lámparas de deuterio o cadmio.

Fuentes de radiación infrarroja incluyen lámparas de cerámica de ventana de zafiro, cinc, o seleniuro.

Fuentes de microondas incluyen klistrones, fuentes de RF tipo Slevin o fuentes de haces de átomos que emplean gases de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno.

En algunas modalidades, un haz de electrones es usado como la fuente de radiación. Un haz de electrones tiene las ventajas de altas velocidades de dosis (por ejemplo, 1, 5, o incluso 10 Mrad por segundo), alto rendimiento, menos contención y menos equipo de confinamiento. Los electrones también pueden ser más eficientes en provocar la escisión de cadena. Además, los electrones teniendo energías de 4-10 MeV pueden tener una profundidad de penetración de 5 a 30 mm o más, tal como 40 mm.

Los haces de electrones pueden ser generados, por ejemplo, por generadores electrostáticas, generadores de cascada, generadores de transformador, aceleradores de baja energía con un sistema de exploración, aceleradores de baja energía con un cátodo lineal, aceleradores lineales, y aceleradores pulsados. Los electrones como una fuente de radiación ionizante pueden ser útiles, por ejemplo, para secciones relativamente delgadas de material, por ejemplo, menos de 0.5 inch (1.27 cm), por ejemplo, menos de 0.4 inch (1.016), 0.3 inch (0.762 cm), 0.2 inch (0.1016 cm) o menos de 0.1 inch (0.254 cm). En algunas modalidades, la energía de cada electrón del haz de electrones es desde aproximadamente 0.3 MeV hasta aproximadamente 2.0 MeV (millón de electronvolts), por ejemplo, desde aproximadamente, por ejemplo, desde aproximadamente 0.5 Me hasta aproximadamente 1.5 MeV, o desde aproximadamente 0.7 MeV hasta aproximadamente 1.25 MeV.

Los dispositivos de irradiación de haces de electrones pueden procurarse comercialmente de Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Bélgica o Titán Corporation , San Diego, CA. Las energías de electrones típicas pueden ser 1 MeV, 2 MeV, 4.5 MeV, 7.5 MeV o 1 0 MeV. La energ ía de dispositivo de irrad iación de haces de electrones típica puede ser 1 kW, 5 kW, 1 0 kW, 20 kW, 50 kW, 1 00 kW, 250 kW o 500 kW. El nivel de depolimerización de la alimentación depende de la energ ía de electrones usada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposición depende de la energ ía y la dosis. Las dosis típicas pueden tomar valores de 1 kGy, 5 kGy, 1 0 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 1 00 kGy o 200 kGy.

Haces de partículas de electrones Las partículas más pesadas que los electrones pueden ser utilizadas pa ra irrad iar materiales, tales como carbohidratos o materiales q ue incluyen carbohid ratos, por ejemplo, materiales celulósicos, materiales lignocelulósicos, materiales am iláceos, o mezclas de cualqu iera de estos y otros descritos en la presente. Por ejemplo, protones, n úcleos de helio, iones de argón , iones de silicio, iones de neón, iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxígeno o iones de n itrógeno pueden ser utilizados. En algunas modalidades, las partículas más pesadas que los electrones pueden inducir mayores cantidades de escisión de cadena (en relación a partículas más ligeras) . En alg unos casos, las partículas positivamente cargadas pueden i nducir mayores cantidades de escisión de cadena que partículas cargadas de manera negativa debido a su acidez.

Haces de partículas más pesadas pueden ser generadas , por ejemplo, usando aceleradores lineales o ciclotrones. En algunas modalidades, la energ ía de cada partícula del haz es desde aproximadamente 1 .0 eV/unidad atómica hasta aproximadamente 6,000 MeV/unidad atómica , por ejemplo, desde aproximadamente 3 MeV/unidad atómica a aproximadamente 4,800 MeV/unidad atómica, o desde aproximadamente 1 0 MeV/u n idad atómica hasta aproximadamente 1 ,000 MeV/unidad atómica.

En ciertas modalidades , los haces de iones usados para irradia r materiales conteniendo carbono, por ejemplo, materiales de biomasa, puede incluir más de un tipo de ión . Por ejemplo, los haces de iones pueden incluir mezclas de dos o más (por ejemplo, tres, cuatro o más) tipos de iones diferentes. Mezclas ejemplares pueden incluir iones de carbono y protones, iones de carbono e iones de oxígeno, iones de nitrógeno y protones, e iones de hierro y protones. De manera más general , mezclas de cualqu iera de los iones discutidos antes (o cualquier otro ion) pueden ser usadas para formar haces de iones de radiantes. En particular, mezclas de iones relativamente ligeros y relativamente más pesados pueden usarse en un haz de iones simples.

En algu nas modalidades, los haces de iones pa ra irradia r materiales incluyen iones positivamente cargados. Los iones positivamente cargados pueden inclu ir, por ejemplo, iones de hidrógeno positivamente cargados (por ejemplo, protones) , iones de ases nobles (por ejemplo, helio, neón , argón), iones de carbono, iones de nitrógeno, iones de oxígeno, átomos de silicio, iones de fosforo e iones de metal , tales como iones de sodio, iones de calcio y/o iones de hierro. Sin desear ligar a una teoría , se cree que tales iones positivamente cargados se comportan químicamente como porciones de ácido de Lewis cuando se exponen a materiales, iniciando y sosteniendo reacciones de escisión de cadena de abertura de anillo, catiónicas en u n ambiente oxidante.

En ciertas modalidades , los haces de iones para irradiar materiales incluyen iones cargados negativamente. Los iones negativamente cargados pueden incluir, por ejemplo, iones de hidrógeno negativamente cargados (por ejemplo, iones de hid ruro) e iones negativamente cargados de varios núcleos relativamente electronegativos (por ejemplo, iones de oxígeno, iones de nitrógeno, iones de carbono, iones de silicio e iones de fósforo). Sin desear liar a una teoría , se cree que tales iones negativamente cargados se comportan qu ímicamente como porciones de base de Lewis cuando se exponen a materiales, provocando reacciones de escisión de cadena de abertura de anillo amónicas en un ambiente red uctor.

En algunas modalidades , los haces para irradiar materiales pueden incluir átomos neutrales. Por ejemplo, cualquiera de uno o más de átomos de hidrógeno, átomos de helio, átomos de carbono, átomos de nitrógeno, átomos de oxígeno, átomos de neón , átomos de silicio, átomos de fósforo, átomos de argón y átomos de hierro pueden ser incluidos en haces q ue son usados para irradiación de materiales de biomasa. En general , las mezclas de cualquiera de dos o más de los tipos de átomos anteriores (por ejemplo, tres o más, cuatro o más , o incluso más) pueden estar presentes en los haces.

En ciertas modalidades , los haces de iones usados para irradiar materiales incluyen iones cargados de manera simple, tales como uno o más de H + , H\ He+, Ne+, Ar+, C+, C", 0+ , 0\ N + , N", Si+, Si", P+ , P", Na+ , Ca+ y Fe+ . En algunas modalidades, los haces de iones pueden incluir iones múltiplemente cargados, tales como uno o más de C2+, C3+, C +, N3+, N5+, N3", 02+, O2", 022", Si2+, Si +, Si2" y Si4". En general, los haces de iones también pueden i ncluir iones polin ucleares más complejos que portan múltiples cargas positivas o negativas. En ciertas modalidades, en virtud de la estructura del ión polinuclear, las cargas positivas o negativas pueden ser distribuidas de manera efectiva substancialmente sobre la estructu ra entera de los iones. En alg u nas modalidades, las cargas positivas o negativas pueden ser localizadas un tanto sobre porciones de la estructu ra de los iones.

Radiación electromagnética En modalidades en las cuales la irradiación es realizada con radiación electromagnética , la radiación electromag nética puede tener, por ejemplo, energ ía por fotón (en electronvolts) de más de 102 eV, por ejemplo, mayor que 1 03, 1 04, 1 0s, 1 06 o incl uso mayor que 1 07 eV. En algunas modalidades , la radiación electromagnética tiene energ ía por fotón de entre 1 04 y 1 07, por ejemplo entre 1 05 y 106 eV. La radiación electromagnética puede tener una frecuencia de, por ejemplo, mayor que 1016 hz, mayor que 1017 hz, 1018, 1019, 1020 o incluso mayor que 1021 hz. En algunas modalidades, la radiación electromagnética tiene una frecuencia de entre 1018 y 1022 hz, por ejemplo, entre 1019 a 1021 hz.

Extinción y funcionalización controlada de biomasa Después del tratamiento con radiación ionizante, cualquiera de los materiales o mezclas descritos en la presente pueden volverse ionizados; es decir, el material tratado puede incluir radicales a niveles que son detectables con un espectrómetro de resonancia de giro electrónico. Si la biomasa ionizada permanece en la atmósfera, se oxidará, tal como a un grado que los grupos de ácido carboxílico son generados al reaccionar con el oxígeno atmosférico. En algunos casos con algunos materiales, tal oxidación es deseada debido a que puede ayudar en la descomposición adicional en peso molecular de la biomasa conteniendo carbohidrato, y los grupos oxidación, por ejemplo, grupos de ácido carboxílico pueden ser útiles para solubilidad y utilización de microorganismos en algunos casos. Sin embargo, debido a que los radicales pueden "vivir" durante algún tiempo después de la irradiación, por ejemplo, más de 1 día, 5 días, 30 días, 3 meses, meses o incluso más de 1 año, propiedades materiales pueden continuar para cambiar sobre tiempo, en algunos casos, puede ser indeseable. Así, puede ser deseable extinguir el material ionizado.

Después de la ionización, cualquier material de biomasa que ha sido ionizado puede ser extinguido para reducir el nivel de rad icales en la biomasa ionizada , por ejemplo, de manera que los radicales ya no son detectables con el espectrómetro de resonancia de giro electrónico. Por ejemplo, los rad icales pueden ser exting uidos por la aplicación de una presión suficiente a la biomasa y/o al utilizar un fluido en contacto con la biomasa ionizada , tal como un gas o líquido, que reacciona con (extingue) los radicales. Usar u n gas o líquido para ayudar al menos en la extinción de los radicales puede usarse para fu ncionalizar la biomasa ion izada con u na cantidad y clase deseadas de grupos fu ncionales, tales como grupos de ácido carboxílico, grupos enol , g rupos aldehido, grupos nitro, grupos nitrilo, grupos amino, grupos alquil amino, g rupos alquilo, grupos cloroalq uilo o grupos clorofluoroalquilo.

En algunos casos, tal extinción puede mejorar la estabilidad de algu nos de los materiales de biomasa ionizados. Por ejemplo, la extinción puede mejorar la resistencia de la biomasa a oxidación . La funcionalización mediante extinción también puede mejorar la solubilidad de cualquier biomasa descrita en la presente, puede mejorar su estabilidad térmica y puede mejorar la utilización de material por varios microorganismos . Por ejemplo , los grupos funcionales impartidos al material de biomasa mediante la extinción pueden actuar como sitios de receptor para unión mediante microorgan ismos, por ejemplo, para intensificar la h idrólisis de celulosa por varios microorganismos.

En algunas modalidades, la extinción incluye u na aplicación de presión a la biomasa , tal como al deformar mecánicamente la biomasa, por ejemplo, directamente comprimir de manera mecánica la biomasa en una, dos o tres dimensiones, o aplicar presión a un fluido en el cual la biomasa es sumergida, por ejemplo, presión isoestática. En tales casos, la deformación del material por sí mismos lleva radicales, los cuales son frecuentemente atrapados en dominios cristalinos, en suficiente proximidad de manera que los radicales pueden recombinar, o reaccionar con otro grupo. En algunos casos, la presión es aplicada junto con la aplicación de calor, tal como una cantidad suficiente de calor para elevar la temperatura de la biomasa por arriba de un punto de fusión o punto de suavizado de un componente de la biomasa, tal como lignina, celulosa o hemicelulosa. El calor puede mejorar la movilidad molecular en el material, el cual puede ayudar en la extinción de los radicales. Cuando la presión es utilizada para extinción, la presión puede ser mayor que aproximadamente 1000 psi (6.9 MPa), tal como mayor que aproximadamente 1250 psi (8.625 MPa), 1450 psi (10.005 MPa), 3625 psi (25.012 MPa), 5075 psi (35.017 MPa), 7250 psi (50.025 MPa), 10000 psi (69 MPa) o incluso mayor que 15000 psi (103.5 MPa).

En algunas modalidades, la extinción incluye contactar la biomasa con un fluido, tal como un líquido o gas, por ejemplo, un gas capaz de reaccionar con los radicales, tales como acetileno o una mezcla de acetileno en nitrógeno, etileno, etilenos clorados o clorofluoroetilenos, propileno o mezclas de estos gases. En otras modalidades particulares, la extinción incluye contactar la biomasa con u n l íquido, por ejemplo, u n l íquido soluble en , o al menos capaz de penetrar en la biomasa y reaccionar con los radicales, tal como u n dieno, tal como 1 ,5-ciclooctadieno. En alg unas modalidades específicas, la extinción incluye contactar la biomasa con un antioxidante, tal como vitamina E. Si se desea , la alimentación de biomasa puede incluir un antioxidante disperso en la misma , y la extinción puede venir de contactar el antioxidante disperso en la alimentación de biomasa con los radicales.

La fu ncionalización puede ser intensificada al utiliza r iones cargados pesados, tal como cualquiera de los iones más pesados descritos en la presente . Por ejemplo, si se desea intensificar la oxidación , los iones de oxígeno cargadas pueden ser utilizados para la irradiación . Si los grupos funcionales de nitrógeno son deseados, los iones de nitrógeno o aniones que incluyen nitrógeno pueden ser utilizados. De igual manera, si g rupos de azufre o fósforo son deseados, iones de azufre o fósforo pueden ser usados en la irradiación .

Dosis En algu nos casos, la irradiación es realizada a una velocidad de dosificación mayor que aproximadamente 0.25 M rad por segu ndo, por ejemplo, mayor que aproximadamente 0.5 , 0.75, 1 .0, 1 .5, 2.0, o incluso mayor q ue aproximadamente 2.5 M rad por seg undo. En algunas modalidades, la irradiación es realizada a una velocidad de dosis de entre 5.0 y 1 500.0 kilorads/hora, por ejemplo , entre 1 0.0 y 750.0 kilorads/hora o entre 50.0 y 350.0 kilorads/hora .

En algunas modalidades, la irradiación (con cualquier fuente de radiación o una combinación de fuentes) es realizada hasta que el material recibe una dosis de al menos 0.1 Mrad, al menos 0.25 Mrad, por ejemplo, al menos 1.0 Mrad, al menos 2.5 Mrad, al menos 5.0 Mrad, al menos 10.0 Mrad, al menos 60 Mrad o al menos 100 Mrad. En algunas modalidades, la irradiación es realizada hasta que el material recibe una dosis desde aproximadamente 0.1 Mrad hasta aproximadamente 500 Mrad, desde aproximadamente 0.5 Mrad hasta aproximadamente 200 Mrad, desde aproximadamente 1 Mrad hasta aproximadamente 100 Mrad, o desde aproximadamente 5 Mrad hasta aproximadamente 60 Mrad. En algunas modalidades, una dosis relativamente baja de radiación es aplicada, por ejemplo, menos de 60 Mrad.

Sonicación La sonicación puede reducir el peso molecular y/o cristalinidad de materiales, tal como uno o más de cualquiera de los materiales descritos en la presente, por ejemplo, una o más fuentes de carbohidrato, tales como materiales celulósicos o lignocelulósicos, o materiales amiláceos. La sonicación también puede ser usada para esterilizar los materiales. Como se discute antes con respecto a la radiación, los parámetros de proceso usados para sonicación pueden variarse dependiendo de varios factores, por ejemplo, dependiendo del contenido de lignina de la alimentación. Por ejemplo, alimentaciones con mayores niveles de lignina generalmente requieren un mayor tiempo de residencia y/o nivel de energía, resultando en una mayor energía total entregada a la alimentación.

En un método, un primer material que incluye celulosa teniendo un primer peso molecular promedio de número (MN1) es dispersado en un medio, tal como agua, y sonicado y/o otro cavitado, para proporcionar un segundo material que incluye celulosa teniendo un segundo peso molecular promedio de número ( N2) menor que el primer peso molecular promedio de número. El segundo material (o el primer y segundo material en ciertas modalidades) puede combinarse con un microorganismo (con o sin tratamiento de enzimas) que puede utilizar el segundo y/o primer material para producir un intermediario o producto.

Debido a que el segundo material incluye celulosa teniendo un peso molecular reducido en relación al primer material, en algunos casos, una crístalinidad reducida así como, el segundo material es generalmente más dispersable, hinchable y/o soluble, por ejemplo, en una solución conteniendo un microorganismo.

En algunas modalidades, el segundo peso molecular promedio de número (MN2) es menor que el primer peso molecular promedio de número (MN1) por más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, más de aproximadamente 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o incluso más de aproximadamente 75 por ciento.

En algunos casos, el segundo material incluye celulosa que tiene una crístalinidad (C2) que es menor que la crístalinidad (Ci) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (C2 puede ser menor que (Ci) por más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, más de aproximadamente 15, 20, 25, 30, 35, 40 o incluso más de aproximadamente 50 por ciento.

En algunas modalidades, el índice de cristalinidad inicial (antes de la sonicación) es desde aproximadamente 40 hasta aproximadamente 87.5 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente 75 por ciento o desde aproximadamente 60 hasta aproximadamente 70 por ciento, y el índice de cristalinidad después de la sonicación es desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 15 hasta aproximadamente 45 por ciento o desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en ciertas modalidades, por ejemplo, después de sonicación extensa, es posible tener un índice de cristalinidad menor que 5 por ciento. En algunas modalidades, el material después de la sonicación es substancialmente amorfo.

En algunas modalidades, el peso molecular promedio de número inicial (antes de la sonicación) es desde aproximadamente 200,000 hasta aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 1,000,000 o desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 700,00 y el peso molecular promedio de número después de la sonicación es desde aproximadamente 50,000 hasta aproximadamente 200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 60,000 hasta aproximadamente 150,000 o desde aproximadamente 70,000 hasta aproximadamente 125,000. Sin embargo, en algunas modalidades, por ejemplo, después de sonicación extensa, es posible tener un peso molecular promedio de número de menos de aproximadamente 10,000 o incluso menor que aproximadamente 5,000.

En algunas modalidades, el segundo material puede tener un nivel de oxidación (02) que es mayor que el nivel de oxidación (d) del primer material. Un mayor nivel de oxidación del material puede ayudar en su dispersabilidad, hinchabilidad y/o solubilidad, intensificando además la susceptibilidad del material a ataque químico, enzimático o microbiano. En algunas modalidades, para incrementar el nivel de la oxidación del segundo material en relación al primer material, la sonicación es realizada en un medio oxidante, produciendo un segundo material que es más oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener más grupos hidroxilo, grupos aldehido, grupos cetona, grupos éster o grupos de ácido carboxílico, los cuales pueden incrementar su hidrofilicidad.

En algunas modalidades, el medio de sonicación es un medio acuoso. Si se desea, el medio puede incluir un oxidante, tal como un peróxido (por ejemplo, peróxido de hidrógeno), un agente dispersante y/o un amortiguador. Ejemplos de agentes dispersantes incluyen agentes dispersantes iónicos, por ejemplo, lauril sulfato de sodio, y agentes dispersantes no iónicos, por ejemplo, poli(etilenglicol).

En otras modalidades, el medio de sonicación es no acuoso. Por ejemplo, la sonicación puede ser realizada en un hidrocarburo, por ejemplo , tolueno o heptano, u n éter, por ejemplo, dietil éter o tetrah idrofurano, o incluso en un gas licuado, tal como argón , xenón o nitrógeno.

Pirólisis U na o más secuencias de procesamiento de pi rólisis pueden usarse para procesar materiales conteniendo carbono a partir de u na amplia variedad de diferentes fuentes para extraer substa ncias útiles a partir de los materiales, y para proporcionar materiales parcialmente deg radados, los cuales funcionan como entrada a pasos y/o secuencias de procesamiento adicionales. La pirólisis puede ser usada para esterilizar los materiales . Las condiciones de pirólisis puede variarse dependiendo de las características de la alimentación y/u otros factores. Por ejemplo, las alimentaciones con mayores niveles de lignina pueden requerir u na mayor temperatura, mayor tiempo de residencia y/o introducción de mayores n iveles de oxígeno du rante la pirólisis.

En un ejemplo, un primer material que incluye celulosa teniendo u n primer peso molecular promedio de n úmero (MNi ) es pirolizado, por ejemplo, al calentar el primer material en un horno de tubo (en la presencia o ausencia de oxígeno) , para proporcionar u n segundo material q ue incluye celulosa ten iendo u n segundo peso molecular promedio de n úmero (MN 2) menor que el primer peso molecular promedio de número.

Debido a que el segundo material i ncluye celulosa teniendo un peso molecular red ucido en relación al primer material , y en alg unos casos, u na cristalinidad reducida así como, el segu ndo material es generalmente más dispersable , hi nchable y/o soluble, por ejemplo, en una solución conteniendo un microorganismo.

En alg unas modalidades, el segundo peso molecular promedio de número (MN2) es menor q ue el primer peso molecu lar promed io de número (MN 1 ) por más de aproximadamente 1 0 por ciento, por ejemplo, más de aproximadamente 1 5, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento en peso, 0 por ciento, o incluso más de aproximadamente 75 por ciento.

En algu nos casos, el segundo material incluye celulosa que tiene una cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (C ^ de la celulosa del primer material . Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (Ci ) por más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, más de aproximadamente 1 5, 20, 25, 30, 35, 40 o incluso más de aproximadamente 50 por ciento.

En algunas modalidades , la cristalinidad i nicial (antes de la pirólisis) es desde aproximadamente 40 hasta aproximadamente 87.5 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente 75 por ciento o desde aproximadamente 60 hasta aproximadamente 70 por ciento, y el índice de cristalinidad después de la pirólisis es desde aproximadamente 1 0 hasta aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, desde aproximadamente 1 5 hasta aproximadamente 45 por ciento o desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 40 por ciento . Sin embargo , en ciertas modalidades, después de pirólisis extensa, es posible tener u n índice de cristalinidad de menos de 5 por ciento. En algunas modalidades, el material después de la pirólisis es substancialmente amorfo.

En algunas modalidades, el peso molecular promedio de número inicial (antes de la pirólisis es desde aproximadamente 200,000 hasta aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 1,000,000 o desde aproximadamente 250,000 hasta aproximadamente 700,000, y el peso molecular promedio de número después de la pirólisis es desde aproximadamente 50,000 hasta aproximadamente 200,000, por ejemplo, desde aproximadamente 60,000 hasta aproximadamente 150,000 o desde aproximadamente 70,000 hasta aproximadamente 125,000. Sin embargo, en algunas modalidades, por ejemplo, después de la pirólisis extensa, es posible tener un peso molecular promedio de número de menos de aproximadamente 10,000 o incluso menor que aproximadamente 5,000.

En algunas modalidades, el segundo material puede tener un nivel de oxidación (02) que es mayor que el nivel de oxidación (O^ del primer material. Un mayor nivel de oxidación del material puede ayudar en su dispersabilidad, hinchabilidad y/o solubilidad, que intensifica además la susceptibilidad del material a ataque químico, enzimático o microbiano. En algunas modalidades, para aumentar el nivel de la oxidación del segundo material en relación al primer material, la pirólisis es realizada en un ambiente oxidante, produciendo un segundo material que es más oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener más grupos hidroxilo, grupos aldehido, grupos cetona, grupos éster o grupos de ácido carboxílico, que el primer material, incrementado por ello la hidrofilicidad del material.

En algunas modalidades, la pirólisis de los materiales es continua. En otras modalidades, el material es pirolizado durante un tiempo pre-determinado, y entonces se permite que se enfríe durante un segundo tiempo pre-determinado antes de pirolizar nuevamente.

Oxidación Una o más secuencias de procesamiento oxidante pueden usarse para procesar materiales conteniendo carbono a partir de una amplia variedad de diferentes fuentes para extraer substancias útiles a partir de los materiales, y proporcionar material parcialmente degradado y/o alterado, el cual funciona como entrada a pasos y/o secuencias de procesamiento adicionales. Las condiciones de oxidación pueden variarse, por ejemplo, dependiendo del contenido de lignina de la alimentación, con un mayor grado de oxidación siendo deseado generalmente para alimentaciones de mayor contenido de lignina.

En un método, un primer material que incluye celulosa teniendo un primer peso molecular promedio de número (MN1) y que tiene un primer contenido de oxígeno (Oí) es oxidado, por ejemplo, al calentar el primer material en una corriente de aire o aire enriquecido con oxígeno, para proporcionar un segundo material que incluye celulosa teniendo un segundo peso molecular promedio de número (MN2) y que tiene un segundo contenido de oxígeno (02) mayor que el primer contenido de oxígeno (Oí).

El segundo peso molecular promedio de número del segundo material es generalmente menor que el primer peso molecular promedio de número del primer material. Por ejemplo, el peso molecular puede ser reducido al mismo grado como se discute antes con respecto a los otros tratamientos físicos. La cristalinidad del segundo material también puede ser reducida al mismo grado como se discute antes con respecto a los otros tratamientos físicos. La cristalinidad del segundo material también puede ser reducida al mismo grado como se discute antes con respecto a los otros tratamientos físicos.

En otras modalidades, el segundo contenido de oxígeno es al menos aproximadamente cinco por ciento mayor que el primer contenido de oxígeno, por ejemplo, 7.5 por ciento mayor, 10.0 por ciento mayor, 12.5 por ciento mayor, 15.0 por ciento mayor o 17.5 por ciento mayor. En algunas modalidades preferidas, el segundo contenido de oxígeno es al menos aproximadamente 20.0 por ciento mayor que el primer contenido de oxígeno del primer material. El contenido de oxígeno es medido mediante análisis elemental al someter a pirólisis una muestra en un horno que opera a 1300°C o mayor. Un analizador elemental adecuado es el analizador LECO CHNS-932 con un horno de pirólisis de alta temperatura VTF-900.

En general, la oxidación de un material que ocurre en un ambiente oxidante. Por ejemplo, la oxidación puede ser efectuada o auxiliada por pirólisis en un ambiente oxidante, tal como en aire o argón enriquecido en aire. Para ayudar en la oxidación, varios agentes químicos, tales como oxidantes, ácidos o bases pueden ser adicionados al material antes de o durante la oxidación. Por ejemplo, un peróxido (por ejemplo, peróxido de benzoilo) puede ser adicionado antes de la oxidación.

Algunos métodos oxidantes para reducir la recalcitrancia en una alimentación de biomasa emplean química tipo Fenton. Tales métodos son descritos, por ejemplo, en U.S serial no. 12/639,289, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia.

Oxidantes ejemplares incluyen peróxidos, tales como peróxido de hidrógeno y peróxido de benzoilo, persulfatos, tal como persulfato de amonio, formas activadas de oxígeno, tal como ozono, permanganatos, tal como permanganato de potasio, perclorafos, tal como perclorato de sodio, e hipocloritos, tal como hipoclorito de sodio (blanqueador casero).

En algunas situaciones, el pH es mantenido a o por abajo de aproximadamente 5.5 durante contacto, tal como entre 1 y 5, entre 2 y 5, entre 2.5 y 5 o entre aproximadamente 3 y 5. Condiciones de oxidación también pueden incluir un periodo de contacto de entre 2 y 12 horas, por ejemplo, entre 4 y 10 horas o entre 5 y 8 horas. En algunos casos, la temperatura es mantenida en o por debajo de 300°C, por ejemplo, en o por debajo de 250, 200, 150, 100 o 50°C. En algunos casos, la temperatura permanece substancialmente ambiente, por ejemplo, en o aproximadamente 20-25°C.

En algunas modalidades, uno o más oxidantes son aplicados como un gas, tal como al generar ozono in situ al irradiar el material a través del aire con un haz de partículas, tales como electrones.

En algunas modalidades, la mezcla incluye además una o más hidroquinonas, tal como 2,5-dimetoxihidroquinona (DMHQ) y/o una o más benzoquinonas, tales como 2,5-dimetoxi-1 ,4-benzoquinona (DMBQ), el cual puede ayudar en reacciones de transferencia de electrones.

En algunas modalidades, uno o más oxidantes son generados electroquímicamente in situ. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno y/o ozono puede ser producido electro-químicamente dentro de un recipiente de reacción o contacto.

Otros procesos para solubilizar, reducir recalcitrancia o funcionalizar Cualquiera de los procesos de este párrafo pueden usarse solos sin alguno de los procesos descritos en la presente, o en combinación con cualquiera de los procesos descritos en la presente (en cualquier orden): explosión de vapor, tratamiento químico (por ejemplo, tratamiento de ácido (incluyendo tratamiento de ácido concentrado y diluido con ácidos minerales, tales como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico y ácidos orgánicos, tal como ácido trifluoroacético) y/o tratamiento de base (por ejemplo, tratamiento con cal o hidróxido de sodio)), tratamiento UV; tratamiento de extrusión de tornillo (ver, por ejemplo, la solicitud de patente estadounidense serial no. 61/115,398, presentada el 17 de noviembre de 2008, tratamiento con solvente (por ejemplo, tratamiento con líquidos iónicos) y molienda por congelación (ver, por ejemplo , U .S . serial no . 1 2/502 ,629) .

Producción de combustibles , ácidos, ésteres y/u otros productos Después de que u no o más de los pasos de procesamiento discutidos antes han sido realizados sobre la biomasa , los carbohidratos de complejo contenidos en las fracciones de celulosa y hemicelulosa pueden ser procesados en azúcares fermentables usando u n proceso de sacarificación como se discute antes .

Después de que la solución de azúcar resultante ha sido transportada a una instalación de fabricación , los azúcares pueden ser convertidos en una variedad de productos, tales como alcoholes, por ejemplo, etanol o ácidos orgánicos. El producto obtenido depende del microorgan ismo utilizado y las condiciones bajo las cuales ocurre el bioprocesamiento. Estos pasos pueden ser realizados, por ejemplo , utilizando el equipo existente de la instalación de fabricación de etanol basada en maíz.

Los procesos de mezclado y equipo discutidos en la presente también pueden ser usados durante el bioprocesamiento, si se desea . Ventajosamente, los sistemas de mezclado descritos en la presente no imparten alto corte al líquido, y no elevan significativamente la temperatu ra global del l íquido. Como resultado, los microorganismos usados en el bioprocesam ie nto son mantenidos en u na condición viable a través del proceso. El mezclado puede intensificar la velocidad de reacción y mejorar la eficiencia del proceso.

En general , la fermentación utiliza varios microorganismos. La solución de azúcar producida mediante sacarificación generalmente contend rá xilosa así como g lucosa . Puede ser deseable remover la xilosa , por ejemplo, mediante cromatografía ya que microorganismos comúnmente usados (por ejemplo, levaduras) no actúan sobre xilosa. La xilosa puede ser recolectada y utilizada en la fabricación de otros productos, por ejemplo, alimentos an imales y el endulzante Xylitol. La xilosa puede ser removida antes de o después de la entrega de la solución de azúcar a la instalación de fabricación donde se realizará la fermentación .

El microorganismo puede ser un microorganismo natu ral o un microorgan ismo d iseñado, por ejemplo , cualq uiera de los microorgan ismos d iscutidos en la sección de Materiales en la presente.

El pH óptimo para levadu ra es desde aproximadamente pH 4 hasta 5, mientras que el pH óptimo para Zymomonas es desde aproximadamente pH 5 hasta 6. Los tiempos de fermentación típicos son aproximadamente 24 hasta 96 horas con temperaturas en el rango de 26°C hasta 40°C, sin embargo los microorganismos termofílicos prefieren mayores temperatu ras.

Los grupos de ácido carboxílico generalmente dismin uyen el pH de la solución de fermentación, tendiendo a inhibir la fermentación con alg unos microorganismos, tal como Pichia stipitis. De acuerdo con esto, en algunos casos es deseable adicionar base y/o un amortiguador, antes o durante la fermentación, para llevar el pH de la solución. Por ejemplo, hidróxido de sodio o cal pueden adicionarse al medio de fermentación para elevar el pH del medio para variar a aquél que es óptimo para el microorganismo utilizado.

La fermentación es conducida generalmente en un medio de crecimiento acuoso, el cual puede contener una fuente de nitrógeno u otra fuente de nutriente, por ejemplo, urea, junto con vitaminas y minerales en trazas y metales. Generalmente es preferible que el medio de crecimiento sea estéril, o al menos tenga una carga microbiana baja, por ejemplo, cuenta bacteriana. La esterilización del medio de crecimiento puede lograrse en una manera deseada. Sin embargo, en implementaciones preferidas, la esterilización es lograda al irradiar el medio de crecimiento o los componentes individuales del medio de crecimiento antes del mezclado. La dosificación de radiación es generalmente tan baja como sea posible mientras que todavía obtenga resultados adecuados, con el fin de minimizar el consumo de energía y costo resultante. Por ejemplo, en muchos casos, el medio de crecimiento por sí mismo o componentes del medio de crecimiento pueden ser tratados con una dosis de radiación de menos de 5 Mrad, tal como menos de 4, 3, 2 o 1 Mrad. En casos específicos, el medio de crecimiento es tratado con una dosis de entre aproximadamente 1 y 3 Mrad.

En algunas modalidades, todo o una porción del proceso de fermentación no puede ser interrumpido antes de que el azúcar de bajo peso molecular sea convertido completamente a etanol. Los productos de fermentación intermedios incluyen altas concentraciones de azúcar y carbohidratos. Estos productos de fermentación intermedios pueden ser usados en la preparación de alimento para consumo h umano o animal . De manera adicional o alternativa, los productos de fermentación intermedios pueden ser molidos a un tamaño de partícula fino en un molió de laboratorio de acero inoxidable para producir una substancia similar a harina .

Los fermentadores móviles pueden ser utilizados como se describe en la solicitud de patente estadou nidense provisional serial 60/832,735, ahora solicitud internacional publicada no . WO 2008/01 1 598. De manera similar, el equipo de sacarificación puede ser móvil. Además, la sacarificación y/o fermentación puede ser realizada en parte o completamente d urante el tránsito.

Post- procesa miento Después de la fermentación , los fluidos resulta ntes pueden ser destilados usando, por ejemplo, una "columna de cerveza" para separar etanol y otros alcoholes a partir de la mayoría de agua y sólidos residuales. El vapor que sale de la columna de cerveza puede ser, por ejemplo , 35% en peso de etanol y puede ser alimentado a u na columna de rectificación . Una mezcla de etanol casi azeotrópico (92.5%) y ag ua a partir de la columna de rectificación puede ser purificada a etanol pu ro (99.5%) usando tamices moleculares de fase de vapor. Los asientos de columna de cerveza pueden ser enviados al primer efecto de un evaporador de tres efectos . El condensador de reflujo de columna de rectificación puede proporcionar calor para este primer efecto. Después del primer efecto, los sólidos pueden ser separados usando una centrífuga y secados en un secador rotatorio. U na porción (25%) del efluente de centrífuga puede ser reciclada a la fermentación y el resto enviarse a los efectos de evaporador segundo y tercero. La mayoría del condensado de evaporador puede reg resarse al proceso como condensado casi limpio con una pequeña porción separada a tratamiento de agua de desecho para prevenir la acumulación de compuestos de baja ebullición .

I ntermediarios y productos Usando los procesos descritos en la presente, la biomasa tratada puede ser convertida a uno o más productos, tales como energ ía , combustibles, alimentos y materiales. Ejemplos específicos de productos incluyen , pero no están limitados a, hidrógeno, alcoholes (por ejemplo, alcoholes monoh íd ricos o alcoholes dih íd ricos, tales como etanol , n-propanol o n-butanol) , alcoholes hidratados, por ejemplo, conteniendo más de 1 0%, 20% , 30% o incluso más de 40% , agua, xilitol , azúcares, biod iesel , ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido acético y/o ácido láctico) , hidrocarbu ros , co-productos (por ejemplo , proteínas, tales como proteínas celulolíticas (enzimas) o proteínas de células simples) , y mezclas de cualquiera de éstos en cualquier combinación o concentración relativa, y opcionalmente en combinación con cualquier aditivo, por ejemplo, aditivos combustibles. Otros ejemplos incluyen ácidos carboxílicos , tales como ácido acético o ácido butírico , sales de u n ácido carboxílico, una mezcla de ácidos carboxílicos y sales de ácidos carboxílicos y ésteres de ácidos carboxílicos (por ejemplo, ésteres de metilo, etilo y n-propilo) , cetonas (por ejemplo , acetona), aldehidos (por ejemplo, acetaldehído) , ácidos alfa , beta insaturados, tal como ácido acrílico y olefinas, tal como etileno. Otros alcoholes y derivados de alcoholes incluyen propanol, propilenglicol , 1 ,4-butanodiol , 1 ,3-propanodiol, ésteres de metilo o etilo de cualqu iera de estos alcoholes. Otros productos incluyen acrilato de metilo, metacrilato de metilo, ácido láctico, ácido propiónico, ácido butírico, ácido succínico, ácido 3-hidroxipropión ico, una sal de cualquiera de los ácidos y u na mezcla de cualquiera de los ácidos y sales respectivas.

Otros intermed iarios y prod uctos, incluyendo productos alimenticios y farmacéuticos, se describen en U .S . serial no. 12/41 7,900, cuya descripción es incorporada aqu í por referencia en la presente.

Ejemplo U na alimentación de papel cizallado fue preparada como sigue: Un patín de 1 500 libras (680.4 kg) de cartones para j ugo de medio galón, vírgenes, hechos de un cartón Kraft blanco poli-recubierto no impreso, teniendo una densidad a granel de 20 lb/ft3 (320.38 kg/m3) se obtuvo de International Paper. Cada cartón fue doblado plano, y entonces alimentado en un desmenuzador Flinch Baugh de 3 hp a una velocidad de aproximadamente 15 a 20 libras por hora (6,804 a 9.072 kg/h). El desmenuzador fue equipado con dos cuchillas rotatorias de 12 in (30.48 cm), dos cuchillas fijas y un tamiz de descarga de 0.30 in (0.762 cm). La abertura entre las cuchillas rotatorias y fijas se ajustó a 0.10 in (0.254 cm). La salida del desmenuzador asemejó confeti teniendo un ancho de entre 0.1 in y 0.5 in (0.254 y 1.27 cm), una longitud de entre 0.25 e 1 in (0.635 y 2.54 cm) y un espesor equivalente a aquél del material inicial (aproximadamente 0.075 in (0.190 cm)).

El material como confeti fue alimentado a un cortador de cuchilla rotatoria Munson, Modelo SC30. El modelo SC30 es equipado con cuatro cuchillas rotatorias, cuatro cuchillas fijas y un tamiz de descarga teniendo aberturas de 1/8 in (0.3175 cm). La abertura entre las cuchillas rotatorias y fijas fue fijada a aproximadamente 0.020 in (0.0508 cm). El cortador de cuchilla rotatoria cizalló las piezas como confeti a través de los bordes de cuchilla, desgarrando las piezas y liberando un material fibroso a una velocidad de aproximadamente una libra por hora (0.4536 kg por hora). El material fibroso tuvo un área de superficie BET de 0.9748 m2/g +/- 0.0167 m2/g, una porosidad de 89.0437 por ciento y una densidad a granel (@0.53 psia (0.0036 MPa)) de 0.1260 g/ml. Una longitud promedio de las fibras fue 1.141 mm y un ancho promedio de las fibras fue 0.027 mm, dando un L/D promedio de 42:1.

Para sacarificar la alimentación de papel, se adicionaron primero 7 litros de agua a un recipiente. La temperatura del agua fue mantenida a 50°C a lo largo del proceso de sacarificación y se mantuvo el pH a 5. La alimentación fue adicionada al agua en incrementos, como se muestra en la tabla a continuación . Después de cada adición , el mezclado fu realizado hasta que la alimentación fue dispersada , después de lo cual una mezcla de dos enzimas fue adicionada , nuevamente como se muestra en la tabla a continuación . (La Enzima 1 fue complejo de enzima Accellerase® 1 500. La Enzima 2 fue enzima de celobiasa NovozymeM R 1 88). Después de cada ad ición , el mezclado fue realizad inicialmente a 1 0,000 RPM , con el mezclador siendo regresado a 4,000 RPM ta n pronto como la alimentación ha sido dispersada. Un mezclador de agitador a chorro I KA Werks T-50 fue usado , con u na herramienta de mezclado a chorro 50K-G-45.

La alimentación fue ad icionada en incrementos debido a que fue necesario al menos sacarificar parcialmente la alimentación antes de que pudiera adicionarse más ; de otra manera la mezcla se volvió demasiado difícil de mezclar. Se observó que menos enzima fue necesaria para obtener un nivel de glucosa dado que lo que había sido requerido en experimentos de matraz de agitación previos. No se observó contaminación por microorganismos indeseables, tal como moho d urante las primeras 300 horas. A aproximadamente 300 horas, se observó u n organ ismo como moho sobre las paredes de tanque donde la concentración de azúcar fue la más baja, pero no en el tanque por sí mismo.

Tiempo Glucosa Glucosa Enzima Enzima Alimentación (medida (calculada 1 (mi) 2 (mi) de papel (g) (g/i)) (g/i)) 0 0.548 54.8 00 10 400 7 0.641 64.1 100 10 400 25 0.779 77.9 100 10 300 29 0.8 80 0 0 0 50 1.11 111 100 10 300 55 1.25 125 0 0 0 75 1.39 139 200 20 1600* 80 1.71 171 0 0 0 82 1.88 188 0 0 0 106 2.03 203 0 0 0 130 2.32 232 0 0 0 150 2.75 275 0 0 0 *La adición de 1600 gramos se hizo sobre el curso de varias horas.

Otras modalidades Una variedad de modalidades ha sido descrita. No obstante, se entenderá que varias modificaciones pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la descripción.

Por ejemplo, los mezcladores a chorro descritos en la presente pueden ser usados en cualquier combinación deseada y/o en combinación con otros tipos de mezcladores.

El o los mezcladores a chorro pueden montarse en cua lquier posición deseada dentro del tanque. Con respecto a los mezcladores a chorro montados en flecha , la flecha puede ser colineal con el eje central del tanque o puede ser descompensado del mismo. Por ejemplo , si se desea el tanque puede ser provisto con un mezclador montado de manera central de u n tipo d iferente, por ejemplo, un impulsor marino o impulsor Rushton , y un mezclador a chorro puede ser montado en otra á rea del tanque ya sea descompensado del eje central o sobre el eje central . En el último caso, un mezclador puede extenderse de la parte superior del tanque, mientras que el otro se extiende hacia arriba desde el piso del tanq ue.

En cualquiera de los sistemas de mezclado a chorro descritos en la presente, el flujo de fluido (l íquido y/o gas) a través del mezclador a chorro puede ser continuo o pulsado, o una combinación de periodos de flujo continuo con intervalos de flujo pulsado. Cuando el flujo es pulsado, el pulsado puede ser regular o irregular. En el ú ltimo caso , el motor que impulsa el flujo de fluido puede ser prog ramado , por ejemplo, para proporcionar flujo pulsado a intervalos para prevenir el mezclado de que se vuelva "atascado". La frecuencia de flujo pulsado puede ser, por ejemplo, desde aproximadamente 0.5 Hz hasta aproximadamente 10 Hz, por ejemplo, aproximadamente 0.5 Hz, 0.75 Hz, 1 .0 Hz, 2.0 Hz, 5 Hz, o 1 0 Hz. El flujo pulsado puede ser provisto al encender y apagar el motor, y/o al proporcionar un desviador de flujo que interrumpa el flujo del fluido.

Aunq ue se han referido en la presente tanq ues, el mezclado a chorro puede ser usado en cualquier tipo de recipiente o contenedor, incluyendo lagu nas, depósitos, estanques y similares. Si el contenedor en el cual el mezclado tiene lugar es u na estructu ra en-tierra , tal como una lagu na , puede ser revestido. El contenedor puede ser cubierto, por ejemplo, si es exterior, o descubierto .

Mientras q ue las alimentaciones de biomasa han sido descritas en la presente, otras alimentaciones y mezclas de alimentaciones de biomasa con otras alimentaciones pueden usarse . Por ejemplo, alg unas implementaciones pueden utilizar mezclas de alimentaciones de biomasa con alimentaciones conten iendo h idroca rburo, tales como aquéllas descritas en la solicitud estadounidense provisional no. 61 /226,877, presentada el 20 de ju lio de 2009, cuya descripción de la cual es incorporada por referencia en la presente.

De acuerdo con esto, otras modalidades están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (47)

REIVINDICACIONES

1. Un método que comprende: sacarificar una alimentación de biomasa en un recipiente al mezclar la alimentación de biomasa con un medio fluido y un agente sacarificante usando un mezclador a chorro.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la alimentación tiene una densidad a granel de menos de aproximadamente 0.5 g/cm3.

3. El método de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en donde el medio fluido comprende agua.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el agente sacarificante comprende una enzima.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el mezclador a chorro comprende un agitador de flujo a chorro, y en donde sacarificar la alimentación comprende agitar la alimentación con el agitador de flujo a chorro.

6. El método de la reivindicación 5, en donde el agitador de flujo a chorro comprende un impulsor montado en el extremo distal de una flecha y un recubrimiento que rodea el impulsor.

7. El método de la reivindicación 5 o reivindicación 6, en donde el mezclador a chorro comprende una pluralidad de agitadores de flujo a chorro, cada agitador de flujo a chorro siendo configurado para operar reversiblemente, bombeando fluido hacia la parte superior del recipiente en un primer modo, y hacia el fondo del recipiente en un segundo modo.

8. El método de la reivindicación 7 , en donde du rante al menos parte del mezclado, todos los agitadores de flujo a chorro son operados en el primer modo.

9. El método de la reivindicación 7 o reivindicación 8 en donde, du rante al menos parte del mezclado, alg unos de los agitadores de flujo a chorro son operados en el primer modo y , en al mismo tiempo, otros son operados en el seg undo modo .

10. El método de la reivindicación 7, que comprende además adicionar un microorganismo al recipiente y fermentar la alimentación sacarificada , en done durante al menos parte de la fermentación todos los agitadores de flujo a chorro son operados en el primer modo.

1 1 . El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores , en donde el recipiente tiene una superficie inferior arq ueada .

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el mezclador a chorro comprende un mezclador de tipo aereación a chorro teniendo una boquilla de entrega, y en donde sacarificar la alimentación comprende entregar un chorro a través de la boquilla de entrega .

13. El método de la reivindicación 1 2, en donde el mezclador a chorro es operado sin inyectar aire a través de la boquilla de entrega .

14. El método de la reivindicación 12 , en donde sacarificar comprende suministrar u n líquido a dos líneas de entrada del mezclador de tipo aereación a chorro.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el mezclador a chorro comprende un mezclador a chorro de cámara de succión .

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el mezclador a chorro comprende una boquilla en comu nicación de fluido con u n primer extremo de u na tubería de eyector, el primer extremo de la tubería de eyector siendo separada de la boquilla y la tubería de eyector teniendo un segundo extremo que es configurado para emitir u n chorro de flu ido.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde sacarificar comprende ad icionar la alimentación al medio fluido en incrementos discretos; y mezclar cada incremento discreto de alimentación en el medio fluido con el mezclador a chorro antes de adicionar otro incremento de alimentación .

18. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además monitorear un niel de glucosa de una mezcla de la alimentación , el medio fluido y el agente sacarificante durante la operación del mezclador a chorro.

19. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además agregar alimentación y agente sacarificante adicionales al recipiente durante la sacarificación.

20. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el recipiente comprende un tanque.

21 . El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores , en donde el recipiente comprende u n tanq ue de un vagón o un camión cisterna.

22. El método de la reivindicación 21 , en donde la sacarificación tiene lugar parcial o completamente durante el transporte de la mezcla de alimentación , medio fluido y agente sacarificante.

23. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores , en donde la alimentación comprende u n material celulósico o lignocelulósico.

24. El método de la reivindicación 23, en donde la alimentación comprende papel .

25. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además adicionar un emulsificante o surfactante a la mezcla en el recipiente.

26. El método de cualq uiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además adicionar un microorganismo al recipiente y fermentar la alimentación sacarificada .

27. Un método que comprende: sacarificar u na alimentación de biomasa mediante operación de un mezclador que produce flujo toroidal generalmente dentro de un recipiente, en el cual la alimentación de biomasa ha sido colocada con u n med io fluido y un agente sacarificante.

28. El método de la reivindicación 27, en donde el mezclador es configu rado para limitar algún incremento en la temperatu ra global del medio fluido a menos de 5°C sobre el cu rso de mezclado.

29. U n método que comprende: convertir un azúcar de bajo peso molecular a u n prod ucto al mezclar el azúcar de bajo peso molecular con un microorganismo en un medio fluido, usando u n mezclador a chorro.

30. El método de la reivindicación 29, en donde el medio fluido comprende agua.

31 . El método de la reivindicación 29 o reivindicación 30 , en donde el microorganismo comprende levadura .

32. El método de cualq uiera de las reivind icaciones 29-31 , en donde el mezclador a chorro comprende u n agitador de flujo a chorro , y en donde la conversión comprende ag itar la alimentación con el ag itador de flujo a chorro.

33. El método de cualq uiera de las reivindicaciones 29-32 , en donde el mezclador a chorro comprende un mezclador de tipo aereación a chorro teniendo una boquilla de entra , y en donde sacarificar la alimentación comprende entregar un chorro a través de la boquilla de entrega.

34. El método de cualq uiera de las reivindicaciones 29-33, en donde el mezclador a chorro comprende u n mezclador a chorro de cámara de succión.

35. U n apa rato de sacarificación de alimentación que comprende: un tanq ue, un dispositivo de entrega de alimentación de biomasa configurado para entregar una alimentación de biomasa al tanque, y un dispositivo de entrega de agente sacarificante config urado para entregar una cantidad medida de un agente sacarificante al tanq ue, y un mezclador a chorro teniendo una boquilla dispuesta dentro del tanq ue config urado para mezclar la alimentación de biomasa entregada y agente sacarificante.

36. El aparato de la reivindicación 35, en donde el mezclador a chorro comprende además un motor, y el aparato comprende además un mon itor de torque que monitorea el torq ue del motor du rante el mezclado y/o un monitor de amperaje que monitorea el amperaje de carga completa del motor.

37. El aparato de la reivindicación 35 o reivindicación 36 que comprende además un controlador que ajusta la operación del dispositivo de entrega de alimentación y/o el dispositivo de agente sacarificante basado en la entrada del monitor de torque.

38. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 35-37, en donde el mezclador a chorro comprende u n motor y el aparato comprende además un impulsor de frecuencia variable config urado para ajustar la velocidad del motor.

39. El aparato de cualquiera de las reivind icaciones 35-38, en donde el tanque tiene una su perficie inferior arqueada.

40. Un método que comprende: sacarificar una alimentación de biomasa en un recipiente para formar u na mezcla sacarificada ; inocular la mezcla sacarificada en el recipiente con un microorganismo; y permitir que la mezcla sacarificada inoculada fermente en el recipiente.

41 . El método de la reivindicación 49 que comprende además, durante la fermentación , transferir los contenidos del recipiente a un recipiente de transporte permitir que la fermentación contin úe en el recipiente de transporte .

42. El método de la reivind icación 40 o reivindicación 41 q ue comprende además agitar los contenidos del recipiente con u n mezclador a chorro durante la sacarificación y fermentación .

43. El método de cualquiera de las reivindicaciones 40-42 que comprende además monitorear el contenido de oxígeno y etanol y/o contenido de azúcar de la mezcla de fermentación .

44. U n sistema de fermentación q ue comprende: un recipiente teniendo u na ventilación ; una fuente de oxígeno en comunicación con el recipiente ; un monitor de oxigeno configurado para monitorear el contenido de oxígeno de un líquido en el recipiente; y un controlador configurado para aj ustar el contenido de oxígeno del líquido, usando la fuente de oxígeno y ventilación , en respuesta a la entrada del monitor de oxígeno.

45. El sistema de fermentación de la reivindicación 44 , en donde el controlador es config urado para oxigenar el recipiente a una velocidad de menos de 0.2 vvm .

46. El sistema de fermentación de la reivindicación 44 o reivindicación 45 que comprende además u n monitor de fermentación config urado para monitorear la concentración de azúcar y/o concentración de etanol del líquido en el recipiente; y un controlador config urado para detener la fermentación con base en la entrada recibida del monitor de fermentación.

47. El sistema de fermentación de la reivindicación 46 q ue comprende además un módulo de detención de fermentación configurado para detener la fermentación en respuesta a una señal recibida del controlador.