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MX2011007903A - Procesamiento de biomasa. - Google Patents

Procesamiento de biomasa.

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Publication number
MX2011007903A
MX2011007903A MX2011007903A MX2011007903A MX2011007903A MX 2011007903 A MX2011007903 A MX 2011007903A MX 2011007903 A MX2011007903 A MX 2011007903A MX 2011007903 A MX2011007903 A MX 2011007903A MX 2011007903 A MX2011007903 A MX 2011007903A
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MX
Mexico
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carboxylic acid
carbon
materials
carbon dioxide
microorganism
Prior art date
Application number
MX2011007903A
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English (en)
Inventor
Marshall Medoff
Thomas Masterman
Original Assignee
Xyleco Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xyleco Inc filed Critical Xyleco Inc
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Abstract

Los materiales que contienen carbono, tales como biomasa (por ejemplo, biomasa vegetal, biomasa animal, y biomasa de desperdicio municipal) o carbón son procesados para producir productos útiles, tales como combustibles, ácidos carboxílicos y sus equivalentes (por ejemplo, ésteres y sales). Por ejemplo, se describen sistemas que pueden utilizar materiales de materia prima, tales como materiales celulósicos y/o lignocelulósicos y/o materiales de almidón, para producir etanol, butanol o ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido acético o láctico), sales de ácidos de orgánicos o mezclas de los mismos. Si se desea, los ácidos orgánicos pueden ser convertidos a alcoholes, tal como primero convirtiendo el ácido, sal o mezclas de ácido y su sal a un éster, y después hidrogenando el éster formado. Se pueden utilizar acetógenos u homoacetógenos, los cuales son capaces de utilizar un gas sintético de una conversión termoquímica de carbón o biomasa para producir el producto deseado.

Description

PROCESAMIENTO DE BIOMASA Campo técnico Esta invención se refiere a procesar biomasa y productos hechos a partir de la misma.
Antecedentes Varios carbohidratos, tales como materiales celulósicos y lignocelulósicos, por ejemplo, en forma fibrosa, son producidos, procesados y usados en grandes cantidades y en diversas aplicaciones. Frecuentemente, dichos materiales se utilizan una vez, y luego se descartan como residuos, o simplemente se considera que son materiales de desecho, por ejemplo, aguas residuales, bagazo, aserrín, y rastrojos.
Varios materiales celulósicos y lignocelulósicos, sus usos y aplicaciones han sido descritos en las patentes norteamericanas Nos. 7, 307, 1 08, 7,074, 918, 6,448, 307, 6,258,876, 6,207, 729, 5,973,035 y 5,952, 1 05; y en varias solicitudes de patente, incluyendo "MATERIALES Y COMPU ESTOS FIB ROSOS" publicación de patente PCT/US2006/010648, presentada el 23 de Marzo del 2006, y "MATERIALES Y COMPUESTOS FIBROSOS" , Publicación de Solicitud de Patente Norteamericana No. 2007/0045456.
Breve descri pción de la invención De manera general, esta invención se refiere a materiales que contienen carbono (por ejemplo, materiales amiláceos y/o materiales celulósicos o lignocelulósicos), métodos para elaborar y procesar dichos materiales para cambiar su estructura y/o su nivel de recalcitrancia, y productos elaborados de materiales estructuralmente cambiados. Por ejemplo, muchos de los métodos aquí descritos pueden proporcionar materiales celulósicos y/o lignocelulósicos que tienen un menor nivel de recalcitrancia, un menor peso molecular, un diferente nivel de funcionalización y/o cristalinidad relativa a un material nativo. Muchos de los métodos proporcionan materiales que pueden ser más fácilmente utilizados por una variedad de microorganismos, tales como uno o más homoacetógenos o heteroacetógenos (con o sin asistencia ¡ de hidrólisis enzimática) para producir productos útiles, tal como hidrógeno, alcoholes (por ejemplo, etanol o butanol), ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido acético y/o ácido láctico), hidrocarburos, co-productos (por ejemplo, proteínas, tales como proteínas de células simples) o mezclas de cualquiera de estos.
Muchos de los productos obtenidos, tales como etanol o n-butanol, pueden ser utilizados directamente como u n combustible o como una mezcla con otros componentes, tal como gasolina, para energizar coches, camiones, tractores, barcos o trenes, por ejemplo, como un combustible de combustión interna o como una alimentación de celdas de combustible. Otros productos descritos en la presente (por ejemplo, ácidos orgánicos, tal como ácido acético y/o ácido láctico) pueden convertirse a otras porciones (por ejemplo, esteres o anh ídridos) que pueden convertirse y utilizarse como un combustible. Muchos de los productos obtenidos también pueden ser utilizados para energizar aeronaves, tales como aviones, por ejemplo, teniendo motores de propulsión, o helicópteros. Además, los productos descritos en la presente pueden ser utilizados para la generación de energía eléctrica, por ejemplo, en una planta generadora de vapor convencional o en una planta de celdas de combustible.
Productos ejemplares que pueden ser producidos al emplear los métodos descritos en la presente incluyen hid rocarburos, proteínas, alcoholes (por ejemplo, alcoholes monoh ídricos o alcoholes dihídricos), tales como etanol, n-propanol o n-butahol, ácidos carboxílicos, tales como ácido acético o ácido butírico, sales de 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, aldehidos, ácidos alfa, beta insaturados, tal como ácido acrílico y olefinas, tal como etileho. Ejemplos específicos incluyen etanol, propanol, propilenglicol, butanol, 1 ,4-butanodiol, 1 ,3-propanodiol, metil o etil ésteres de cualquiera de estos alcoholes, acrilato de metilo, metarcrilato de metilo, ácido láctico, ácido propiónico, ácido butírico, ácido succínico, ácido 3-hidroxipropiónico, una sal de cualquiera de los ácidos y una mezcla de cualquiera de los ácidos y sales respectivas.
En un aspecto, la invención caracteriza métodos para hacer un alcohol, un ácido carboxílico, una sal de ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico, o una mezcla de cualquiera de éstos. Los métodos incl uyen tratar un material conteniendo carbono, tal cómo un material de biomasa o carbón, con cualquier método de tratamiento descrito en la presente, tal como con una o más de radiación, sonicación, pirólisis, oxidación y explosión de vapor; y convertir al menos una porción del material conteniendo carbono tratado utilizando un microorganismo para producir un producto que incluya uno o más de un alcohol, un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico o una mezcla de cualquiera de éstos. Los métodos pueden incluir además acidificar, esterificar y/o hidrogenar el producto. Por ejemplo, los acetógenos u homoacetógenos, los cuales son capaces de utilizar un gas sintético a partir de un proceso de conversión termoqu ímica, pueden ser utilizados para intensificar la eficiencia de la conversión .
En otro aspecto, la invención caracteriza métodos para hacer uno o más alcoholes que incluyen tratar un material conteniendo carbono, tal como un material de biomasa y/o carbón , con una o más de radiación, sonicación, pirólisis, oxidación y explosión de vapor; convertir al menos una porción del material conteniendo carbono tratado utilizando un microorganismo, tal como uno o más acetógenos u homoacetógenos, los cuales son capaces de utilizar un gas sintético a partir de la conversión termoquímica de carbón o biomasa, a un producto que incluye un ácido carboxílico, una sál j de un ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico o una mezcla de cualquiera de éstos; e hidrogenar el producto para producir alcohol.
I El dióxido de carbono generado y/o lignina liberada en cualquier proceso descrito en la presente puede ser capturado. Cualquier dióxido de carbono capturado puede ser secuestrado, por ejemplo, al inyectar el dióxido de carbono capturado en una formación geológica capaz de mantener el dióxido de carbono, por ejemplo, durante un periodo mayor que 100 años, por ejemplo, mayor que 250 años, 500 años, 1 , 000 años o más de 10,000 años. Por ejemplo, cualquier dióxido de carbono producido en cualquier proceso descrito en la presente puede ser secuestrado, por ejemplo, al fijar el dióxido de carbono utilizando cualquier microorganismo descrito en la presente. Por ejemplo, el microorganismo puede incluir algas y el dióxido de carbono puede ser secuestrado en la forma de un carbohidrato y/o l ípido. Si se desea, por ejemplo, producir un bio-diesel, el l ípido puede ser convertido en un éster, por ejemplo, un éster de metilo, etilo o propilo.
Cambiar una estructura molecular de u n material, como se usa en la presente, significa cambiar el arreglo de un ión química o conformación de la estructura. Por ejemplo, el cambio en la estructura molecular puede incluir cambiar la estructura supramolecular del material, oxidación del material, cambiar un peso molecular promedio, cambiar u na cristalinidad promedio, cambiar un área de superficie, cambiar un grado de polimerización, cambiar una porosidad, cambiar un grado de ramificación, injertar en otros materiales, cambiar un tamaño de dominio cristalino o cambiar un tamaño de dominio global.
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 esquemático que ilustra un proceso para reducir la recalcitrancia de un material recalcitrante.
La FIG. 1A es un diagrama esquemático que ilustra la conversión de azúcares derivado de biomasa en etanol.
La FIG. 1B es un diagrama esquemático que ilustra la conversión de azúcares derivados de biomasa en un ácido orgánico.
La FIG. 2 es un diagrama esquemático que ilustra un proceso para hacer etanol.
La FIG. 3 es un diagrama esquemático que ilustra otro proceso para hacer etanol.
La FIG. 4 es un diagrama esquemático que ilustra otro proceso para hacer etanol.
La FIG. 5 es un diagrama esquemático que ilustra otro proceso para hacer etanol.
La FIG. 6 es un diagrama esquemático que ilustra otro proceso para hacer etanol.
La FIG. 7 es un diagrama esquemático que ilustra utilizar el residuo de conversión biológica en un proceso para hacer etanol.
La FIG. 7A es un diagrama esquemático que ilustra i l conversión de acetato de calcio y etanol a acetato de etilo.
La FIG. 8 es un diagrama esquemático que ilustra la producción de propilenglicol.
La FIG. 9 es un dibujo esquemático que ilustra la captura de carbono en varias formaciones geológicas.
La FIG. 10 es un dibujo esquemático que ¡lustra la fotosíntesis de carbohidratos y lípidos.
La FIG . 1 1 es un dibujo esq uemático que ilustra la producción de bio-diesel .
La FIG . 12 es un dibujo esquemático de un proceso ¡ de producción de combustible que utiliza algas, mientras que la FIG. 1 2A es una vista agrandada de la región 1 2.
Descripción detallada Materiales conteniendo carbono, tal como biomasa (por ejemplo, carbón , biomasa vegetal, biomasa animal y biomasa de desperdicio municipal) pueden ser procesados a un menor nivel de recalcitrancia (si es necesario) y convertirse en productos útiles tales como ácidos orgánicos, sales de ácidos orgánicos, anhídridos, ásteres de ácidos orgánicos y combustibles, por ejemplo, combustibles para motores de combustión interna o alimentaciones para celdas de combustible. Los sistemas y procesos son descritos en la presente que usan materiales fácilmente abundantes, pero frecuentemente difíciles de procesar, tales como pre-carbón o carbón, por ejemplo, turba, lignita, sub-bituminoso, bituminoso y antracita, arenas petrol íferas, esquisto petrol ífero o materiales celulósicos o lignocelulósicos. Muchos de los procesos descritos en la presente pueden disminuir de manera efectiva el nivel de recalcitrancia de cualquier material conteniendo carbono, tal como cualquier material conteniendo carbono descrito en la presente, haciendo más fácil procesar, tal como mediante bioprocesamiento (por ejemplo, con cualquier microorganismo descrito en la presehte, tal como un homoacetógeno o un heteroacetógeno y/o cualquier enzima descrita en la presente), procesamiento térmico (por ejemplo, gasificación, craqueo o pirólisis) o métodos qu ímicos (por ejemplo, hidrólisis de ácido u oxidación). En general , si se requiere, los materiales pueden ser tratados físicamente para procesamiento y/o después del procesamiento, frecuentemente mediante reducción , de tamaño. La materia prima físicamente procesada puede ser tratada o procesada usando uno o más de cualquiera de los métodos descritos en la presente, tal como radiación, sonicación , oxidación , pirólisis o explosión de vapor. Los diversos sistemas y métodos de tratamiento pueden ser usados en combinaciones de dos, tres o incluso cuatro de estas tecnolog ías u otras descritas en la presente y en cualquier otra parte. ! En algunos casos, para proporcionar materiales que incluyen un carbohidrato, tal como celulosa o hemicelulosa, que pueden convertirse mediante un microorganismo a una variedad de producios deseables, tales como combustibles (por ejemplo, etanol, butanol o hidrógeno), ácidos o anhídridos orgánicos, materias primas que incluyen una o más unidades de sacáridos pueden tratarse mediante cualquiera de uno o más de los procesos descritos en la presente. Otros productos y co-productos que pueden ser producidos incluyen, por ejemplo, alimento humano, alimento animal, farmacéuticos y nutricéuticos. Cuando se preparan ácidos orgánicos primero, tales ácidos pueden ser convertidos a otros intermediarios (por ejemplo, ésteres y anhídridos), y entonces convertirse a alcoholes mediante hidrogenación, por ejemplo, hidrogenación de alta presión, tal como a una presión de entre aproximadamente 25x105 Pa (25 bar) y 700x105 Pa (700 bar), por ejemplo, 5x105 a 500x105 Pa (50 a 500 bar), o 100x105 a 400x105 Pa (100 a 400 bar), en la presencia de un catalizador, tal como catalizador de cromito de cobre, catalizadores de cobalto, catalizadores de cinc o catalizadores de paladio. La hidrogenación de ésteres es discutida en Wall, R.G., patente estadounidense no. 4,113,662. Preparar ácidos orgánicos puede tener beneficios en relación a hacer alcoholes directamente en algunos casos (por ejemplo, en términos de eficiencia de utilización de carbono), como se describirá adicionalmente en la presente. En algunas modalidades, los acetógenos u homoacetógenos, los cuáles son capaces de utilizar un gas sintético a partir de un proceso de conversión termoquímica, pueden ser utilizados para intensificar la eficiencia de la conversión.
Haciendo referencia a la FIG. 1, en algunos casos y cuando sea necesario, un primer material, tal como un material lignocelulósico, teniendo un primer nivel de recalcitrancia es procesado, tal como al tratar con un haz de partículas, tales como electrones, para producir un segundo material teniendo u n segundo nivel de recalcitrancia menor que el primer nivel de recalcitrancia. En este punto y si es necesario, el segundo material puede ser hidrolizado, por ejemplo, usando enzimas, a sus azúcares constituyentes, tales como glucosa, xilosa y arabinosa. Haciendo referencia ahora a las FIGS. 1 A y 1 B colectivamente, los azúcajres pueden ser convertidos directamente en un alcohol mediante | un microorganismo, tal como una o más bacterias o levaduras, táles como Saccharomyces cerevisiae y/o Pichia stipltis, o los azúcajres pueden ser convertidos a un ácido orgánico, tal como ácido acético y/o ácido láctico. Si se desea, el ácido orgánico puede ser convertido a un éster, y entonces el éster hidrogenado bajo una alta ! presión de hidrógeno y en la presencia de un catalizador para liberar alcohol.
Ejem plos de biomasa En general, cualquier material de biomasa que consiste j en carbohidratos compuestos por completo por una o más unidades sacárido o que incluyen una o más unidades sacando, o que los incluye, se puede tratar por cualquiera de los métodos que se describen aquí, ¡ tal como ser procesados para reducir su nivel de recalcitrancia. Por ejemplo, los materiales de biomasa pueden incluir uno o más de materiales celulósicos o lignocelulósicos o materiales amiláceos, tal como granos de maíz, granos de arroz u otros alimentos.
Por ejemplo, dichos materiales pueden incluir papel, productos! de papel, madera, materiales relacionados con la madera, tableros de partículas, gramíneas, cascarillas de arroz, bagazo, algodón, yute, cáñamo, mijo, bambú, sisal, abacá, paja, mazorcas de maíz, cascarillas de arroz, fibras de coco, algas, clorofíceas, algodón, celulosas sintéticas, o mezclas de cualquiera de los mismos.
Por ejemplo, la biomasa puede ser de naturaleza fibrosa. Las fuentes de fibra incluyen fuentes de fibra celulósica, que incluyen pápel y productos de papel (por ejemplo, papel polirrecubierto y papel Kraft), y fuentes de fibra lignocelulósica, que incluyen madera, y materiales relacionados con la madera, por ejemplo, tableros de partículas. Otras fuentes de fibra apropiadas incluyen fuentes de fibra naturales, por ejemplo, gramíneas, cascarillas de arroz, bagazo, algodón, yute, cáñamo, mijo, bambú, sisal, abacá, paja, mazorcas de maíz, cascarillas de arroz, fibras de coco; fuentes de fibra con alto contenido de! a-celulosa, por ejemplo, algodón. Las fuentes de fibras naturales se pueden obtener de descartes de materiales textiles vírgenes, por ejemplo, materiales vírgenes remanentes o pueden ser residuos postconsumidor. Cuando se utilizan productos de papel como fuentes de fibra, los mismos pueden ser materiales vírgenes, por ejemplo, materiales de descarte vírgenes, o los mismos pueden ser residuos post-consumidor. Además de los materiales vírgenes en bruto, como fuentes de fibra también se pueden utilizar materiales post-consumidor, industriales (por ejemplo, residuos), y residuos de tratamientos (por ejemplo, efluentes del tratamiento de papel). También, la fuente de fibra se puede obtener o derivar de residuos humanos (por ejemplo, aguas cloacales), animales o vegetales. Las fuentes de fibra adicionales se han descrito en las Patentes de E.U. Nos. 6,448,307, 6,258,876, 6,207,729, 5,973,035 y 5,952,105. i En algunas modalidades, el carbohidrato es un material con una o más uniones ß-1,4 o lo incluye y tiene un promedio de pesos moleculares en número de entre aproximadamente 3,000 y 50,000. j Un carbohidrato con dichas características es o incluye celulosa (I), que deriva de (ß-glucosa 1) por condensación de uniones P(1-4)-glicosídidas. Esta unión se diferencia en sí misma de aquella de las uniones a(l )-glicosídicas presentes en el almidón y otros carbohidratos. ór ejemplo, almidón de maíz, almidón de trigo, almidón de papa o almidón de arroz, un derivado de almidón, o un material que incluye almidón, como por ejemplo un producto alimenticio comestible o un cosechar. Por ejemplo, el material amiláceo se puede arracacha, trigo sarraceno, banana, cebada, mandioca, kudzu, oca, sagú, sorgo, papas domésticas comunes, batata, taro, ñame, o uno o más porotos, como por ejemplo habas, lentejas o arvejas. Mezclas de cualquiera de dos o más materiales amiláceos son también materiales amiláceos. En modalidades I en particular, los materiales amiláceos derivan del maíz. Diversos almidones de maíz y derivados se describen en "Corn Starch", Corn Refiners Association (1 1 a Edición, 2006).
Ejem plos de otros materiales conteniendo carbono y mezclas Pre-carbón o carbón, por ejemplo turba, lignita, sub-bituminoso, bituminoso y antracita, arenas petrolíferas, esquisto petrolífero, también ¡ pueden utilizarse como fuentes de carbono. Además, mezclas ¡ de cualquiera de los materiales de biomasa descritos en la presente y cualquier otro material conteniendo carbono descritos en la presente pueden utilizarse para hacer cualquiera de los productos descritos en la presente, tales como etanol, ácido acético o acetato de etilo.
Preparación física En algunos casos, los métodos pueden incluir una preparación física, por ejemplo, educción de tamaño de materiales, tales como al cortar, moler, cortar por esfuerzo transversal, pulverizar o picar. Por ejemplo, en algunos casos, la materia prima suelta (por ejemplo, papel reciclado, materiales amiláceos, carbón o switchgrass) se prepara mediante cizallado o deshebrado. Por ejemplo, en otros casos, el material es primero pretratado o procesado usando uno o más de cualquiera de los métodos descritos en la presente, tales como radiación, sonicación, oxidación, pirólisis o explosión de vapor, y entonces reducido en tamaño o además reducido en tamaño. Tratar primero y entonces reducir el tamaño puede ser ventajoso debido a que los materiales tratados tienden a ser más frágiles, y por lo tanto, más fáciles de reducir su tamaño. Tamices y/o imanes pueden ser usados para remover objetos sobredimensionados o indeseables, tales como por ejemplo, rocas o clavos, a partir de la corriente de alimentación.
Los sistemas de preparación de la alimentación se pueden configurar para producir corrientes de alimentación con características específicas tales como, por ejemplo, tamaños máximos específicos, i proporciones específicas de longitud a ancho, o áreas superficiales específicas. La preparación física puede aumentar la velocidad de reacciones o reducir el tiempo de procesamiento requerido al abrir los materiales y hacerlos más accesibles a procesos y/o reactivos, tales como reactivos en una solución. La densidad a granel de materias primas puede ser controlada (por ejemplo, incrementada). En algunas situaciones, puede ser deseable preparar un material de densidad a granel baja, densificar el material (por ejemplo, hacerlo más fácil y menos costoso de transportar a otro sitio), y entonces revertir el I material a un estado de densidad a granel menor.
Reducción del tamaño En algunas modalidades, el material que se va a tratar se encuentra en la forma de un material fibroso que incluye fibras que se proveen utilizando corte por esfuerzo transversal sobre una fuente de fibra. Por ejemplo, el corte por esfuerzo transversal se puede llevar a cabo con un cortador de cuchillas rotativas.
Por ejemplo, una fuente de fibra se corta, por ejemplo, que es recalcitrante o que ha tenido su nivel de recalcitrancia reducido, puede ser cizallada, por ejemplo en un cortador de cuchillas rotativas, para proveer un primer material fibroso. El primer material fibroso se hace pasar a través de un primer tamiz con un tamaño promedio de abertura de 1.59 mm o menor (1/16 pulgada, 0.0625 pulgada) para proveer un segundo material fibroso. Si se desea, la fuente de fibra se puede cortar antes del corte por esfuerzo transversal, por ejemplo, con un deshebrador. Por ejemplo, cuando se utiliza papel como la fuente ¡de fibra, el papel este primero se puede cortar en tiras que miden, por ejemplo, entre 1/4 y 1/2 pulgada de ancho, usando un deshebrador, por ejemplo, a deshebrador de tornillos contra rotatorios, como por ejemplo aquellos que fabrica Munson (Utica, N.Y.). Como una alternativa al desfibrado, el tamaño del papel se puede reducir cortándolo hasta un tamaño deseado usando una guillotina. Por ejemplo, la guillotina se puede utilizar para cortar el papel en hojas que miden, por ejemplo, 10 pulgadas de ancho por 12 pulgadas de largo.
En algunas modalidades, el corte por esfuerzo transversal de la fuente de fibra y el pasaje del primer material fibroso que se obtiene como resultado a través del primer tamiz se llevan a cabo de manera concurrente. El corte por esfuerzo transversal y el pasaje también se pueden llevar a cabo en un proceso del tipo por lotes.
Por ejemplo, se puede utilizar un cortador de cuchillas rotativas para cortar la fuente de fibra y tamizar el primer material fibroso de manera concurrente. Un cortador de cuchillas rotativas incluye una tolva que se puede cargar con una fuente de fibra deshebrada que se prepara desfibrando la fuente de fibra. La fuente de fibra deshebrada se corta entre las cuchillas estacionarias y las cuchillas giratorias piara proveer un primer material fibroso. El primer material fibroso pasa a través del tamiz 242, y el segundo material fibroso que se obtiene como resultado se captura en el silo. Para contribuir a la recolección del segundo material fibroso, el silo puede tener una presión por debajo de la presión atmosférica nominal, por ejemplo, por lo menos 10 por ciento por debajo de la presión atmosférica nominal, por ejemplo, por lo menos i 25 por ciento por debajo de la presión atmosférica nominal, por! lo menos 50 por ciento por debajo de la presión atmosférica nominal, o por lo menos 75 por ciento por debajo de la presión atmosférica nominal. En algunas modalidades, se utiliza una fuente de vacío 252 para mantener al silo por debajo de la presión atmosférica nominal.
El corte por esfuerzo transversal puede ser ventajoso para "abrir", "fatigar" los materiales fibrosos, haciendo que la celulosa de jlos materiales sea más susceptible a una escisión de la cadena y/o a la reducción de la cristalinidad. Los materiales abiertos también pueden ser más susceptibles de sufrir una oxidación cuando son irradiados.
La fuente de fibra se puede someter a un esfuerzo transversal en estado seco (por ejemplo, teniendo poca o nada de agua libre en su superficie), en estado hidratado (por ejemplo, con hasta diez por ciento en peso de agua absorbida), o en estado húmedo, por ejemplo, con entre aproximadamente 10 por ciento y aproximadamente 75 por ciento en peso de agua. La fuente de fibra aún se puede cortar mientras está sumergida parcial o completamente en un líquido, como por ejemplo agua, etanol, o isopropanol.
La fuente de fibra también se puede cortar por esfuerzo transversal bajo un gas (tal como una corriente o atmósfera de ¡gas diferente del aire), por ejemplo, oxígeno o nitrógeno, o vapor.
Otros métodos para hacer los materiales fibrosos incluyen, por ejemplo, molienda con piedra, corte mecánico longitudinal o rasgado, molienda con un molino de púas o molienda por desgaste con aire.
Si se desea, el material fibroso se puede separar, por ejemplo! de manera continua o por lotes, para dar fracciones de acuerdo con su longitud, ancho, densidad, tipo de material, o alguna combinación de dichos atributos. Por ejemplo, para formar compuestos, frecuentemente es deseable tener una distribución relativamente estrecha de longitudes de fibra.
El material fibroso también se puede separar, por ejemplo, usando un gas a alta velocidad, por ejemplo, aire. En un enfoque con dichas características, los materiales fibrosos se separan absorbiendo diferentes fracciones, que se pueden caracterizar fotónicamente, sí se desea. Un aparato de separación con dichas características se expone en Lindsey et al. , Patente de los E.U. No. 6,883,667.
Los materiales ferrosos se pueden separar de cualquiera de los materiales fibrosos haciendo pasar más allá de un imán un material fibroso que incluye un material ferroso, por ejemplo, un electroimán, y luego haciendo pasar el material fibroso que se obtiene como resultado a través de una serie de tamices, donde cada tamiz tiene aberturas de diferente tamaño.
Los materiales fibrosos pueden ser irradiados inmediatamente siguiendo su preparación, o pueden ser secados, por ejemplo1, a aproximadamente 105°C durante 4-18 horas, de manera que el contenido de humedad es, por ejemplo, menor que aproximadamente 0.5% antes del uso.
Si se desea, la lignina se puede separar de cualquiera de los materiales fibrosos incluyendo a la lignina. También, para contribuir a la descomposición de los materiales que incluyen la celulosa, el material se puede tratar antes de la irradiación con calor, un producto quírriico (por ejemplo, ácido mineral, base o un oxidante fuerte tal como hipoclorito de sodio) y/o una enzima.
En algunas modalidades, el tamaño promedio de abertura del primer tamiz es menor de 0.79 mm (1 /32 pulgada, 0.031 25 pulgada), por ejemplo, menor de 0.51 mm (1 /50 pulgada, 0.02000 pulgada), menor de 0.40 mm (1 /64 pulgada, 0.01 5625 pulgada), menor de 0.23 mm (0.009 pulgada), menor de 0.20 mm (1 /128 pulgada, 0.00781 25 pulgada), menor de 0.18 mm (0.007 pulgada), menor de 0.1 3 mm (0.005 pulgada), o aún menor de menor de 0.10 mm (1 /256 pulgada, 0.00390625 pulgada). El tamiz puede ser preparado, por ejemplo, entretejiendo monofilamentos con un diámetro apropiado para dar el tamaño de abertura deseado. Por ejemplo, los monofilamentos se pueden hacer de un metal, por ejemplo, acero inoxidable. A medida que el tamaño de las aberturas se hace más pequeño, las demandas estructurales sobre los monofilamentos pueden crecer mucho. Por ejemplo, para un tamaño de abertura menor de 0.40 mm, puede ser ventajoso hacer los tamices de monofilamentos hechos de un material diferente del acero inoxidable, por ejemplo, titanio, aleaciones de titanio, metales amorfos, níquel , tungsteno, rodio, renio, cerámica, o vidrio. En algunas modalidades, el tamiz se hace de una placa, por ejemplo, una placa de metal, con aberturas, por ejemplo, cortadas en la placa usando un láser. En algunas modalidades, el área abierta del tamiz es menor del 52%, por ejemplo, menor del 41 %, menor del 36%, menor del 31 %, menor del 30%.
Se puede preparar un tercer material fibroso a partir del segundo material fibroso utilizando corte por esfuerzo transversal del segundo material fibroso y haciendo pasar el material que se obtiene como resultado a través de un segundo tamiz con un tamaño promedio de abertura menor que el del primer tamiz.
En general, las fibras de los materiales fibrosos pueden tener un promedio relativamente grande de la proporción entre la longitud y el diámetro (por ejemplo, más del 20 a 1 ), aún han sido cortadas más ¡ de una vez. Además, las fibras del material fibroso que se describen aqui pueden tener una distribución relativamente estrecha de longitudes y/o de la proporción entre la longitud y el diámetro.
Según se usa aquí, anchos promedio de la fibra (por ejemplo, los diámetros) son aquellos que se determinan ópticamente seleccionando al azar aproximadamente 5,000 fibras. Las longitudes promedio de las fibras son longitudes corregidas ponderadas en función de la longitud. i Las áreas superficiales BET (Brunauer, Emmet y Teller) son áreas ? superficiales multipunto, y las porosidades se determinan jpór porosimetría con mercurio.
El promedio de la proporción entre la longitud y el diámetro ¡del segundo material fibroso 14 puede ser, por ejemplo, mayor de 8/1, 10/1, 15/1, 20/1, 25/1, o aún mayor que 50/1. Un longitud promedio jdel segundo material fibroso 14 puede ser, por ejemplo, entre aproximadamente 0.5 mm y 2.5 mm, por ejemplo, erttre i aproximadamente 0.75 mm y 1.0 mm, y un ancho promedio (es de¡cir, diámetro) del segundo material fibroso 14 puede ser, por ejemplo, entre aproximadamente 5 m y 50 µ?t?, por ejemplo, entre aproximadamente; 10 pm y 30 pm. ; En algunas modalidades, la desviación estándar de la longitud ¡del segundo material fibroso 14, por ejemplo, menor del 60 por cientojde i una longitud promedio del segundo material fibroso 14, por ejemplo, menor del 50 por ciento de la longitud promedio, menor del 40 por ciento i de la longitud promedio, menor del 25 por ciento de la longitud I promedio, menor del 10 por ciento de la longitud promedio, menor del 5 por ciento de la longitud promedio, o aún menor del 1 por ciento de¡ la longitud promedio.
En algunas modalidades, un área superficial BET del segundo material fibroso mayor que 0.1 m2/g, por ejemplo, más del 0.25 m2/g, mayor que 0.5 m2/g, mayor que 1 .0 m2/g, mayor que 1 .5 m2/g , mayor que 1 .75 m2/g, mayor que 5.0 m2/g, mayor que 10 m2/g, mayor que 25 m2/g, mayor que 35 m2/g, mayor que 50m2/g, mayor que 60 m2/g, mayor que 75 m2/g, mayor que 100 m2/g, mayor que 150 m2/g, mayor que 200 m /g, o aún mayor que 250 m2/g.
A porosidad del segundo material fibroso puede ser, por ejemplo, más del 20 por ciento, mayor que 25 por ciento, mayor que 35 ppr ciento, mayor que 50 por ciento, mayor que 60 por ciento, mayor que 70 por ciento, por ejemplo, más del 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 aún mayor que 99.5 por ciento.
En algunas modalidades, la proporción entre el promedio de la proporción entre la longitud y el diámetro del primer material fibroso y el promedio de la proporción entre la longitud y el diámetro del segundo material fibroso es, por ejemplo, menor de 1 .5, por ejemplo, menor de 1 .4, menor de 1 .25, menor de 1 .1 , menor de 1 .075, menor de 1 .05, menor de 1 .025, o aún sustancialmente igual a 1 .
En algunas modalidades en particular, el segundo material fibroso se vuelve a cortar y el material fibroso que se obtiene como resultado; se hace pasar a través de un segundo tamiz con un tamaño promedio j de abertura menor que el del primer tamiz para proveer a tercer material fibroso. En dichas instancias, la proporción entre el promedio de la proporción entre la longitud y el diámetro del segundo material fibroso y el promedio de la proporción entre la longitud y el diámetro del tercer material fibroso puede ser, por ejemplo, menor de 1 .5, por ejemplo, menor de 1 .4, menor de 1 .25, o aún menor de 1 .1 .
En algunas modalidades, el tercer material fibroso se hace pasar a través de un tercer tamiz para producir un cuarto material fibroso. Por ejemplo, el cuarto material fibroso se puede hacer pasar a través de un cuarto tamiz para producir un quinto material. Los procesos de tamizado similares se pueden repetir todas las veces que se desee para producir el material fibroso deseado con las propiedades deseadas.
Densificación Los materiales densificados pueden ser procesados mediante cualquiera de los métodos descritos en la presente, o cualquier material procesado mediante cualquiera de los métodos descritos en la presente puede ser densificado subsecuentemente.
Un material, por ejemplo, un material fibroso procesado o no procesado, con una baja densidad en masa se puede densificar para dar un producto con una mayor densidad en masa. Por ejemplo, una composición de material con una densidad en masa de 0.05 g/cm3 se puede densificar sellando el material fibroso en una estructura relativamente impermeable a los gases, por ejemplo, una bolsa hecha de polietileno o una bolsa hecha de capas alternadas de polietilenc- y Nylon, y luego evacuando el gas atrapado, por ejemplo, aire, de la estructura. Luego de evacuar el aire de la estructura, el material fibroso puede tener, por ejemplo, una densidad en masa mayor que 0.3 g/cm3, por ejemplo, 0.5 g/cm3, 0.6 g/cm3, 0.7 g/cm3 o más, por ejemplo, 0.85 g/ cm3. Antes de y/o después de la densificación, el producto se puede pre-tratar mediante cualquiera de los métodos que se describen aquí, tal como irradiado, por ejemplo, con radiación gamma. Esto puede ser ventajoso cuando es deseable transportar el material a otra localización, por ejemplo, una planta de fabricación distante, donde la composición de material fibroso se puede agregar a una solución, por ejemplo, para producir etanol. Luego de cortar o perforar la estructura sustancialmente impermeable al gas, el material fibroso densificado puede volver casi hasta su densidad en masa inicial, por ejemplo, más del 60 por ciento de su densidad en masa inicial, por ejemplo, 70 por ciento, 80 por ciento, 85 por ciento o más, por ejemplo, 95 por ciento de su densidad en masa inicial. Para reducir la electricidad estática en el material fibroso, se |e puede agregar al material un agente antiestático.
En algunas modalidades, la estructura, por ejemplo, la bolsa,¦ se forma de un material que se disuelve en un líquido, como por ejemplo agua. Por ejemplo, la estructura se puede formar a partir de un alcohol polivinílico de tal manera que se disuelva al entrar en contacto con un sistema de base acuosa. Dichas modalidades permiten agregar estructuras densificadas directamente a soluciones que incluyen un microorganismo, sin liberar antes los contenidos de la estructura, por ejemplo, por corte o perforado. i Cualquier material, por ejemplo, un material de biomasa se puede combinar con cualquier aditivo que se desee y para aglutinar, y subsiguientemente densificar por aplicación de presión, por ejemplo, haciendo pasar el material a través de una línea de contacto entre rodillos definida en una prensa de rodillos contra rotatorios o haciendo pasar el material a través de un molino granulador. Durante la aplicación de presión, opcionalmente se puede aplicar calor para contribuir a la densificación del material fibroso. Luego, el material densificado se puede irradiar.
En algunas modalidades, antes de la densificación el material tiene una densidad en masa menor de 0.25 g/cm3, por ejemplo, 0.20 g/cm3, 0.1 5 g/cm3, 0.10 g/cm3, 0.05 g/cm3 o menor, por ejemplo, 0.025 g/cm3. La densidad en masa se determina usando ASTM D1895B. En resumen, el método se relaciona con llenar un cilindro de medición de volumen conocido con una muestra y obtener el peso de la muestra. La densidad en masa se calcula dividiendo el peso de la muestra en gramos por el volumen conocido del cilindro en centímetros cúbicos.
Los ligantes preferidos incluyen ligantes que son solubles j en agua, se hinchan en agua, o que tienen una temperatura de transición vitrea menor de 25 °C, según se determina por calorimetría diferencial de barrido. Con "ligantes solubles en agua", los inventores se refieren a ligantes con una solubilidad en agua de por lo menos aproximadamente 0.05 por ciento en peso. Con "ligantes que se hinchan en agua", los inventores se refieren a ligantes cuyo volumen aumenta en más del 0.5 por ciento al ser expuestos al agua.
En algunas modalidades, los ligantes que son solubles o se hinchan en agua incluyen un grupo funcional que es capaz de formar una unión, por ejemplo, una unión por puente hidrógeno, con las fibras del material fibroso, por ejemplo, el material fibroso celulósico. Por ejemplo, el grupo funcional puede ser un grupo ácido carboxílico, un grupo carboxilato, un grupo carbonilo, por ejemplo, de un aldehido o una cetona, un grupo ácido sulfónico, un grupo sulfonato, un grupo ácido fosfórico, un grupo fosfato, un grupo amida, un grupo amina, un grupo hidroxilo, por ejemplo, de un alcohol, y combinaciones de dichos grupos, por ejemplo, un grupo ácido carboxílico y un grupo hidroxilo. Los ejemplos específicos de monómeros incluyen glicerina, glioxal, ácido ascórbico, urea, glicina, pentaeritritol, un monosacárido o un disacárido, ácido cítrico, y ácido tartárico. Los sacáridos apropiados incluyen glucosa, sacarosa, lactosa, ribosa, fructosa, mañosa, arabinosá y eritrosa. Los ejemplos de polímeros incluyen poliglicoles, poli(óxido de etileno), ácidos policarboxílicos, poliamidas, poliaminas y polisulfonatos de poli(ácidos sulfónicos). Los ejemplos específicos de polímeros incluyen polipropilenglicol (PPG), polietilenglicol (PEG) , poli(óxido de etileno), por ejemplo, POLYOX®, copolímeros de óxido de etileno y óxido de propileno, poli(ácido acrílico) (PAA), poliacrilamida, polipéptidos, polietilenimina, polivinilpiridina, poli(sodio-4-estirenosulfonato) y poli(2-acrilamido-meti 1-1 -ácido propansulfónico).
En algunas modalidades, el aglutinante incluye un polímero que tiene una temperatura de transición vitrea menor de 25 °C. Los ejemplos de dichos polímeros incluyen elastómeros termoplásticos (TPEs). los ejemplos de TPEs incluyen poliéter bloque amidas, como por ejemplo aquellas que se pueden obtener con la marca comercial PEBAX®, elastómeros de poliéster, como por ejemplo aquellos que se pueden obtener con la marca comercial HYTREL , y copolímeros de bloque estirénicos, como por ejemplo aquellos que se pueden obtener con la marca comercial KRATON®. Otros polímeros con una temperatura de transición vitrea menor de 25°C que son apropiados incluyen copolímero de etileno-acetato de vinilo (EVA), poliolefinas, por ejemplo, polietileno, polipropileno, copolímeros de etileno-propileno, y copolímeros de etileno y alfa olefinas, por ejemplo, 1 -octeno, como por ejemplo aquellos que se pueden obtener con la marca comercial ENGAGE®.
En una modalidad en particular, el aglutinante es una lignina, por ejemplo, una lignina natural o modificada sintéticamente.
Una cantidad apropiada de aglutinante para agregar al material, calculada sobre una base en peso seco, es, por ejemplo, de entre aproximadamente 0.01 por ciento y aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, 0.03 por ciento, 0.05 por ciento, 0.1 por ciento, 0.25 por ciento, 0.5 por ciento, 1 .0 por ciento, 5 por ciento, 10 por ciento o más, por ejemplo, 25 por ciento, en base al peso total del material densificado. El aglutinante se puede agregar al material como un líquido puro, como un líquido con el aglutinante disuelto en el mismo, como un polvo seco del aglutinante, o como pellas del aglutinante.
El material fibroso densificado puede formarse en un molino granulador. Luego de la densificación, el material puede estar i convenientemente en la forma de pellas o pequeños trozos con una variedad de formas. Luego, las pellas se pueden irradiar o tratar de otra manera mediante cualquier método descrito en la presente. En algunas modalidades, las pellas o pequeños trozos son de forma cilindrica, por ejemplo, con una dimensión transversal máxima por ejemplo, de 1 mm o más, por ejemplo, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm, 15 mm o más, por ejemplo, 25 mm. Las pellas se pueden hacer de tal manera que tengan un interior hueco. El hueco puede estar en general alineado con el centro de la pella, o no alineado con el centro de la pella. Al hacer la ¡ pella hueca en su interior se puede aumentar la velocidad de disolución en un líquido luego de la irradiación. j La pella puede tener, por ejemplo, una forma transversal queí es multilobulada, por ejemplo, de tres lóbulos según se muestra, o de cuatro lóbulos, de cinco lóbulos, de seis lóbulos o de diez lóbulos.) Al hacer las pellas de dichas formas transversales también se puéde i aumentar la velocidad de disolución en una solución. j Tratamiento para solubilizar, reducir la recalcitrancia o para funcionalizar i Los materiales que han sido o no físicamente preparados pueden tratarse para usarse en cualquier proceso de producción i descrito en la presente. Los procesos de tratamiento pueden incluir uno o más de cualquiera de los descritos en la presente, tales como irradiación, sonicación, oxidación, piról isis o explosión de vapor, lios ¡ métodos de tratamiento pueden ser usados en combinaciones ¡dé I dos, tres, cuatro o incluso todas estas tecnologías (en cualqujier orden). ' Tratamiento de radiación \ Se pueden utilizar una o más secuencias de tratamiento con irradiación para tratar la materia prima en bruto proveniente de una amplia variedad de fuentes diferentes para extraer sustancias útiles de la materia prima, y para proveer materia orgánica parcialmente degradada que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales. La irradiación puede reducir el peso molecular y/o la cristalinidad y/o recalcitrancia de la materia prima. En algunas modalidades, la energía depositada en un material que libera un electrón desde su órbita atómica, se usa para irradiar materiales. La radiación puede ser provista por 1 ) partículas pesadas cargadas, cómo I por ejemplo partículas alfa o protones, 2) electrones, que se producen, por ejemplo, por decaimiento beta o aceleradores de haz de electrones, o 3) radiación electromagnética, por ejemplo, rayos gamma, rayos X, o i rayos ultravioletas. En un enfoque, para irradiar la materia prima se puede utilizar la radiación producida por sustancias radioactivas. En algunas modalidades, se puede utilizar cualquier combinación de (1 ) a (3), en cualquier orden o de manera concurrente. En otro enfoque, para irradiar la materia prima se puede utilizar radiación electromagnética (por ejemplo, que se produce usando emisores de haz de electrones).
Las dosis aplicadas dependen del efecto que se desee y dé la materia prima en particular. Por ejemplo, altas dosis de radiación pueden romper las uniones químicas dentro los componentes dé la materia prima. En algunas instancias cuando es deseable una escisión de la cadena y/o es deseable una funcionalización de la cadena de polímero, se pueden utilizar partículas más pesadas que los electrones, como por ejemplo 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. Cuando se desea la escisión de la cadena con abertura del anillo, se pueden utilizar partículas cargadas positivamente debido a sus propiedades de ácidos de Lewis pafa intensificar la escisión de la cadena con abertura del anillo. Por ejemplo, cuando se desea oxidación máxima, iones de oxígeno pueden ¡ser utilizados y cuando se desea nitración máxima, iones de nitrógeno pueden ser utilizados. j En un método, se irradia un primer material que es o incluye celulosa con un primer promedio de pesos moleculares en número (MN1) o que la incluye, por ejemplo, mediante un tratamiento con radiación ionizante (por ejemplo, en la forma de radiación gamma, radiación de rayos X, luz ultravioleta (UV) de entre 1 00 nm y 280 nm, un haz¡ de electrones u otras partículas cargadas) para proveer un segundo material que incluye celulosa con un segundo promedio de pesos moleculares en número (MN2) menor que el primer promedio de pe os moleculares en número. El segundo material (o los primero y segundó materiales) se puede(n) combinar con un microorganismo (con ó isin i tratamiento enzimático) que puede utilizar el segundo y/o el priijner ¡ i material o sus azúcares constituyentes o lignina para producir : un combustible u otro producto útil que es o que incluye hidrógeno, ¡ un alcohol (por ejemplo, etanol o butanol, tal como n-, sec- o t-butanol),j un ácido orgánico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos. ! Debido a que el segundo material tiene celulosa con un menor peso molecular en relación al primer material, y en algunos casos, también una menor cristalinidad, el segundo material por lo general se puede dispersar, dilatar y/o solubilizar en mayor grado en una solución que contiene microorganismo y/o una enzima. Estas propiedades hacen que el segundo material sea más susceptible a ataque químico, enzimático y/o biológico en relación al primer material, lo que puede mejorar en gran medida la tasa de producción y/o el nivel de producción de un producto que se desee, por ejemplo, etanol . La radiación también puede esterilizar los materiales o cualquier medio necesario piara bioprocesar el material.
En algunas modalidades, el segundo promedio de pesos moleculares en número (MN2) es menor que el primer promedio de pesos moleculares en número (MN 1) en más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o aún más que aproximadamente 75 por ciento.
En algunos casos, el segundo material tiene 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 (d) en más de aproximadamente 10 por ciento, por ejemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40, o incluso en más de aproximadamente 50 por ciento.
En algunas modalidades, el índice de cristalinidad inicial (antes de la irradiación) es entre aproximadamente 40 y aproximadamente 8:7.5 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 50 y aproximadamente 75 por ciento o entre aproximadamente 60 y aproximadamente 70 por ciento, y el índice de cristalinidad luego de la irradiación es entre aproximadamente 10 y aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 15 y aproximadamente 45 por ciento o eritre aproximadamente 20 y aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en algunas modalidades, por ejemplo, luego de una gran irradiación, es I posible tener un índice de cristalinidad menor que el 5 por ciento. ¡ En algunas modalidades, el material luego de la irradiación { es i sustancialmente amorfo.
En algunas modalidades, el peso molecular promedio en númjero inicial (antes de la irradiación) es entre aproximadamente 200,000 y aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 1 ,000,000 o entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 700,000, y el peso molecular promedio jen número luego de la irradiación es entre aproximadamente 50,000 y aproximadamente 200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 60,000 i y aproximadamente 150,000 o entre aproximadamente 70,000 y aproximadamente 125,000. Sin embargo, en algunas modalidades, por i ¦ ejemplo, luego de una gran irradiación, es posible tener un peso • i molecular promedio en número de menos de aproximadamente 10.000 ó i incluso menos de 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 i material. Un mayor nivel de oxidación del material puede ayudar :a !su : i : grado de dispersión, grado de dilatación y/o solubilidad, potencianjdó adicionalmente la susceptibilidad de los materiales a ataque químico, j enzimático o biológico. En algunas modalidades, para aumentar el ni\j el de oxidación del segundo material en relación al primer material] la I irradiación se lleva a cabo bajo un ambiente oxidante, por ejemplo, bajo una cubierta de aire u oxígeno, lo que produce un segundo material qüe está más oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener más grupos hldroxilo, grupos aldehido, grupos cetona, grupos ésteres o grupos ácidos carboxílicos, que pueden 1 incrementar su hidrofilicidad.
Radiación ionizante Cada forma de radiación ioniza el material conteniendo carbono mediante interacciones entre partículas, según se determina por, la energía de la radiación. Las partículas pesadas cargadas en principio ionizan a la materia por dispersión de Coulomb; además, dichas interacciones producen electrones energéticos que pueden seguir ionizando la materia. Las partículas alfa son idénticas al núcleo de un átomo de helio y se producen mediante el decaimiento alfa de diversos núcleos radioactivos, como por ejemplo isótopos de bismuto, polonio, ! astato, radón, francio, radio, diversos actínidos, como por ejemplo I actinio, torio, uranio, neptunio, curio, californio, americio, y plutonio, j Cuando se utilizan partículas, pueden ser neutras (no cargadas), con carga positiva o con carga negativa. Cuando están cargadas, las partículas pueden tener una única carga positiva o negativa, o múltiples cargas, por ejemplo, una, dos, tres o aún cuatro o más cargas. |?? instancias donde se desea la escisión de la cadena, las partículas cargadas positivamente pueden ser deseables, en parte, debido a ¡su j naturaleza ácida. Cuando se utilizan partículas, las partículas pueden i tener la masa de un electrón en reposo, o mayor, por ejemplo, 500, 1 000, 1 500, 2000, 1 0, 000 o incluso 1 00, 000 veces la masa de un electrón en reposo. Por ejemplo, las partículas pueden tener una masa de entre aproximadamente 1 unidad atómica y aproximadamente 1 50 unidades atómicas, por ejemplo, entre aproximadamente 1 unidad ¡ atómica y aproximadamente 50 unidades atómicas, o entre aproximadamente 1 y aproximadamente 25, por ejemplo, 1 , 2, 3, 4,| 5, 1 0, 12 o 1 5 unidades atómicas. Los aceleradores que se utilizan para acelerar las partículas pueden ser electrostático de corriente continua, ! electrodinámico de corriente continua, lineal de RF, de induccjión magnética lineal o de ondas estacionarias. Por ejemplo, jlos i aceleradores del tipo de los ciclotrones se pueden obtener de IBA, i Bélgica, como por ejemplo el sistema Rhodotron®, mientras que ilos i aceleradores del tipo de corriente continua se pueden obtener de R;D;l , ahora I BA Industrial, como por ejemplo el Dynamitron®. Los iones y i aceleradores de iones se exponen en Introductory Nuclear Physi^cs, Kennet S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1 988) , Krsto Prelec, FIZIK ^ B I 6 (1 997) 4, 1 77-206, Chu, William T. , "Overview of Light-lon Haz Therapy", Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 1 8-20 Marzo 20Ó6, I Iwata, Y. et al. , "Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-lon Medical Accelerators", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Escocia, y Leitner, C.M. et al. , "Status of the Superconducting ECR Ion Soui ce i Venus", Proceedings of EPAC 2000, Viena, Austria. ¡ La radiación gamma tiene la ventaja de una significativa profundidad de penetración dentro de una variedad de materiales. Las fuentes de rayos gamma incluyen núcleos radioactivos, como por ejemplo isótopos de cobalto, calcio, tecnecio, cromo, galio, indio, yodo, hierro, criptón, samario, selenio, sodio, talio, y xenón.
Las fuentes de rayos X incluyen la colisión de un haz de electrones con objetivos metálicos, como por ejemplo tungsteno o molibdeno o aleaciones, o fuentes compactas de luz, como por ejemplo aquellos que produce comercialmente Lyncean.
Las fuentes de radiación ultravioleta incluyen lámparas ¡ de deuterio o cadmio.
Las fuentes de radiación infrarroja incluyen lámparas con ventana cerámica, de zafiro, cinc, o seleniuro.
Las fuentes de microondas incluyen clistrones, fuentes de RF, d.e tipo Slevin, o fuentes de haces de átomos que emplean gases de hidrógeno, oxígeno, o nitrógeno.
En algunas modalidades, se utiliza un haz de electrones como fuente de radiación. Un haz de electrones presenta las ventajas de: altas dosis (por ejemplo, 1 , 5, o aún 10 rad por segundo), alta capacidad, menor contención, y menos equipo de confinamiento. Los electrones también pueden ser más eficientes para causar la escisión de la cadena. Además, los electrones con energías de 4-10 MeV pueden tener una profundidad de penetración de entre 5 y 30 mm o más, como por ejemplo 40 mm.
Los haces de electrones se pueden generar, por ejemplo, con generadores electrostáticos, generadores en cascada, generadores transformadores, aceleradores de baja energía con un sistema de barrido, aceleradores de baja energía con un cátodo lineal, aceleradores lineales, y aceleradores de pulsos. Los electrones como fuente de radiación ionizante pueden ser útiles, por ejemplo, para las pilas de materiales relativamente delgadas, por ejemplo, menores de 0.5 pulgada, por ejemplo, menores de 0.4 pulgada, 0.3 pulgada, 0.2 pulgada, o menores de 0.1 pulgada. En algunas modalidades, la energía de cada electrón del haz de electrones es de entre aproximadamente 0.3 MeV y aproximadamente 2.0 MeV (Mega electrón voltios), por ejemplo, entre aproximadamente 0.5 MeV y aproximadamente 1 .5 MeV, o eritre aproximadamente 0.7 MeV y aproximadamente 1 .25 MeV.
Los dispositivos de irradiación de haces de electrones se pueden obtener comercialmente de Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Bélgica o la Titán Corporation, San Diego, CA. Las energías típicas de los electrones pueden ser de 1 MeV, 2 MeV, 4.5 MeV, 7.5 MeV, o j 10 MeV. La potencia típica de un dispositivo de irradiación por haz de electrones puede ser de 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 50 kW, 100 kW, 250 kW, o 500 kW. El nivel de depolimerización de la materia prima depende de la energía de electrones usada y la dosis aplicada, mientras que el tiempo de exposición depende de la energía y dosis. Las dosis típicas pueden tomar valores de 1 kGy, 5 kGy, 10 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 100 kGy, o 200 kGy. j Haces de partículas de iones Para irradiar materiales, tales como, carbohidratos o materiales que incluyen carbohidratos, por ejemplo, materiales celulósicos, ! materiales lignocelulósicos, materiales amiláceos, o mezclas j de cualquiera de dichos y otros que se describen aquí se pueden utilizar partículas más pesadas que los electrones. Por ejemplo, se pueden utilizar protones, núcleos de helio, iones de argón, iones de silicio, I iones de neón, iones de carbono, iones de fósforo, iones de oxígeno o i iones de nitrógeno. En algunas modalidades, las partículas más pesadas que los electrones pueden inducir mayores cantidades de escisión de la cadena (en relación a partículas más ligeras). En algunas instancias, las partículas cargadas positivamente pueden inducir mayores cantidades de escisión de la cadena que las partículas con carga negativa debido a i su acidez. i Los haces de partículas más pesadas se pueden generar, por ejemplo, usando aceleradores lineales o ciclotrones. En algunas modalidades, la energía de cada partícula del haz es de entre i aproximadamente 1 .0 MeV/unidad atómica y aproximadamente 6,000 MeV/unidad atómica, por ejemplo, entre aproximadamente 3 eV/ unidad atómica y aproximadamente 4,800 MeV/unidad atómica, o entré i . aproximadamente 1 0 MeV/unidad atómica y aproximadamente 1 ,000 MeV/unidad atómica.
En ciertas modalidades, los haces de iones usados para irradiar l ? materiales conteniendo carbono, por ejemplo, materiales de biomaáa, pueden incluir más de un tipo de ión. Por ejemplo, haces de iones pueden incluir mezclas de dos o más (por ejemplo, tres, cuatro o más) tipos diferentes de iones. Mezclas ejemplares pueden incluir iones :de carbono y protones, iones de carbono y iones de oxígeno, iones de nitrógeno y protones, e iones de hierro y protones. De manera más general , mezclas de cualquiera de los iones discutidos antes (o cualquier otro ión) pueden usarse para formar haces de iones irradiantes. En particular, mezclas de iones relativamente ligeros y relativamente más pesados pueden usarse en un solo haz de iones.
En algunas modalidades, los haces de iones para irradiar materiales incluyen iones cargados positivamente. Los iones positivamente cargados pueden incluir, por ejemplo, iones de hidrógeno cargados positivamente (por ejemplo, protones), iones de gas noble (por ejemplo, helio, neón, argón), iones de carbono, iones de nitrógeno, iones de oxígeno, átomos de silicio, iones de fósforo 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 las reacciones de escisión de cadena de abertura de anillo, catiónicas, en un ambiente oxidante.
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 incluirse en haces que son usados para irradiación de materiales de biomasa. En general, mezclas de cualquiera dos o más de los tipos anteriores de átomos (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 de una sola carga, tal como uno o más de H+, H-, He+, Ne+, Ar\ C+, C", 0+, O", N+, N", Si+, Si , P+, P', Na+, Ca+ y Fe+. En algunas modalidades, los haces de iones pueden incluir iones de múltiples cargas, tales como uno o más de C2+, C3+, C +, N3+, N5+, 3", 0 +, O2", 022", Si2+, Si4+, Si2" y Si4". En general, los haces de iones también pueden incluir además iones polinucleares más complejos que soportan múltiples cargas positivas o negativas. En ciertas modalidades, en virtud de la estructura del ion polinuclear, las cargas positivas o negativas pueden ser distribuidas de manera efectiva sobre substancialmente la estructura completa de los iones. En algunas modalidades, las cargas positivas o negativas pueden ser localizadas un tanto sobre porciones de la estructura de los iones.
Radiación electromagnética En modalidades donde la irradiación se lleva a cabo con radiación electromagnética, la radiación electromagnética puede tener, por ejemplo, una energía por fotón (en electrón voltios) mayor que 102 éV, por ejemplo, mayor que 103, 104, 105, 106, o aún mayor que 107 eV. En algunas modalidades, la radiación electromagnética tiene una energía por fotón de entre 104 y 107, por ejemplo, entre 105 y 106 eV. La radiación electromagnética puede tener una frecuencia por ejemplo, mayor de 1016 Hz, mayor de 1017 Hz, 1018, 1 019, 1020, o aún mayor de 1021 Hz. En algunas modalidades, la radiación electromagnética tipne una frecuencia de entre 1018 y 1022 Hz, por ejemplo, entre 1019 a 1021 Hz.
Dosis En algunas modalidades, la irradiación (con cualquier fuente de ¡ radiación o combinación de fuentes) se lleva a cabo hasta que el material recibe una dosis de al menos 0.25 Mrad, por ejemplo, al menos 1 .0 Mrad, al menos 2.5 Mrad, al menos 5.0 Mrad o al menos 10.0 Mrad.
I En algunas modalidades, la irradiación se lleva a cabo hasta que el ! material recibe una dosis de entre 1 .0 Mrad y 6.0 Mrad, por ejemplo, ! entre 1 .5 Mrad y 4.0 Mrad.
En algunas modalidades, la irradiación se lleva a cabo con una i tasa de dosis de entre 5,0 y 1500.0 kilorads/hora, por ejemplo, entre 10.0 y 750,0 kilorads/hora o entre 50,0 y 350.0 kilorads/hora.
En algunas modalidades, se utilizan dos o más fuentes J de radiación, como por ejemplo dos o más radiaciones ionizantes. Ppr ejemplo, las muestras se pueden tratar, en cualquier orden, con un haz ¡ de electrones, seguida de radiación gamma y luz UV con longitudes de ! onda entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 280 nm. j En algunas modalidades, las muestras se tratan con tres fuentes ! de radiación ionizante, como por ejemplo un haz de electrones, radiación gamma, y luz UV energética. ! Sonicación I Se pueden utilizar una o más secuencias de tratamiento por sonicación para procesar materiales de una amplia variedad de fuentes diferentes para extraer sustancias útiles de los materiales, y para proveer materia orgánica parcialmente degradada /cuando se emplean materiales orgánicos) que funciona como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales. La sonicación puede reducir el peso molecular y/o cristalinidad de la materia prima, como por ejemplo uno o más de cualquiera de los materiales de biomasa que se describen aquí, por ejemplo, una o más fuentes de carbohidrato, como por ejemplo materiales celulósicos o lignocelulósicos, o materiales amiláceos.
En un método, un primer material que incluye celulosa con un primer promedio de pesos moleculares en número (MN 1) es dispersado en un medio, como por ejemplo agua, y es sonicado y/o es cavitado de otra manera, para proveer un segundo material que incluye celulosa con un segundo promedio de pesos moleculares en número (MN2) menor que el primer promedio de pesos moleculares en número. El segundo material (o los primero y segundo materiales en algunas modalidades) se puede combinar con un microorganismo (con o sin tratamiento enzimático) que puede utilizar el segundo y/o el primer material para producir un combustible que es o que incluye hidrógeno, un alcohol, un ácido orgánico, un hidrocarburo, o mezcla de cualquier de estos.
Como el segundo material tiene celulosa con un peso molecular reducido con relación al primer material, y en algunas instancias, también una menor cristalinidad, el segundo material se puede dispersar e hinchar en general más fácilmente, y/o es más soluble en una solución que contiene el microorganismo, por ejemplo , a una concentración i mayor que 1 06 microorganismos/ml . Dichas propiedades hacen que el segundo material sea más susceptible al ataque químico, enzimática, jy/o microbiano con relación al primer material , que puede mejorar mucho la i velocidad de producción y/o el nivel de producción de un producto deseado, por ejemplo, etanol . La sonicación también puede esterilizar los materiales, pero no se debería utilizar mientras se suponga que los microorganismos estén vivos.
En algunas modalidades, el segundo promedio de pesos moleculares en número (MN2) es menor que el primer promedio de peéós moleculares en número (MN 1) en más de aproximadamente 1 0 por cierító, por ejemplo, 1 5, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o aún más que aproxi madamente 75 por ciento.
En algunas instancias, el segundo material tiene celulosa que posee una cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (Ci) dé la celulosa del primer material . Por ejemplo, (C2) puede ser menor que ?) en más de aproximadamente 1 0 por ciento, por ejemplo, 1 5, 20, 25, ¡30, I 35, 40, o aún más que aproximadamente 50 por ciento. i En algu nas modalidades, el índice de cristalinidad inicial (antes de la sonicación) es de entre aproximadamente 40 y aproximadamente 87,5 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 50 y aproximadamente 75 por ciento o entre aproximadamente 60 y aproximadamente 70 por ciento , y el índice de cristalinidad luego de la sonicación es de en'tré aproximadamente 1 0 y aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 15 y aproximadamente 45 por ciento o entre aproximadamente 20 y aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en algunas modal idades, por ejemplo, luego de u na sonicación intensiva; es posible tener un í ndice de cristalinidad menor que un 5 por ciento. En algunas modalidades, luego de la sonicación el material es sustancialmente amorfo.
En algunas modalidades, el promedio inicial de pesos moleculares en número (antes de la sonicación) es de entre aproximadamente 200,000 y aproximadamente 3,200, 000, por ejemplo, eiitre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 1 , 000,000 o ehtre aproximadamente 250, 000 y aproximadamente 700, 000 , y el promedio de pesos moleculares en número luego de la sonicación es de entre aproximadamente 50,000 y aproximadamente 200, 000, por ejemplo, entre aproximadamente 60,000 y aproxi madamente 1 50,000 o entre aproximadamente 70,000 y aproxi madamente 125,000. Sin embargo, en algunas modal idades, por ejemplo, luego de una sonicación intensiva* es posible tener un promedio de pesos moleculares en número menor; de aproximadamente 10, 000 o aún menor de aproximadamente 5,000.
En algunas modalidades, el segundo material puede tener un nivel de oxidación (02) que es mayor que el nivel de oxidación (?? ) del primer material . Un mayor nivel de oxidación del material puede contribuir a su dispersibilidad , capacidad de hincharse y/o solubilidad, aumentando adicionalmente la susceptibilidad de los materiales al ataque q uímico, enzimático o microbiano. En algunas modalidades, para aumentar el nivel de oxidación del segundo material con relación al primer material , la sonicación se lleva a cabo en un medio oxidante, produciendo un segundo material que está más oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener más grupos hidroxilos, grupos aldehido, grupos cetona, grupos éster o grupos ácido carboxllico, lo que puede aumentar su carácter hidrofílico.
En algunas modalidades, el medio de la sonicación es un medio acuoso. Si se desea, el medio puede incluir un oxidante, como por ejemplo un peróxido (por ejemplo, peróxido de hidrógeno) , un agente dispersante y/o un amortiguador de pH . Los 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 la sonicación no es acuoso. Por ejemplo, la sonicación se puede llevar a cabo en un hidrocarburo, por ejemplo, tolueno o heptano, un éter, por ejemplo, dietil éter o tetrahidrofurano, o aún en un gas licuado tal como argón, xenón, o nitrógeno.
Sin deseos de verse limitados por ninguna teoría en particular, se cree que la sonicación rompe las uniones en el material conteniendo carbono creando burbujas en el medio que contiene la celulosa, que crecen y luego colapsan violentamente. Durante el colapso de la burbuja, que puede suceder en menos de un nanosegundo, la fuerza implosiva eleva la temperatura local dentro de la burbuja hasta aproximadamente 5100 K (aún mayor en algunas instancias; véase, por ejemplo, Suslick et al., Nature 434, 52-55) y genera presiones de eritre unos pocos cientos de atmósferas y más de 1 000 atmósferas o más. Se cree que estas altas temperaturas y presiones rompen las uniones. ¡ Además, sin deseos de verse limitados por ninguna teoría en particular, se cree que la reducción de la cristalinidad surge, por lo menos en parte, de las velocidades de enfriamiento extremadamente altas durante el colapso de la burbujas, que pueden ser mayores de aproximadamente 1011 K/segundo. Las altas velocidades de enfriamiento generalmente no permiten que la celulosa se organice y cristalice, dando como resultado materiales que tienen una cristalinidad reducida. Los sistemas ultrasónicos y la sonoquímica se exponen, por ejemplo, en 011 i et al., Patente de los E.U. No. 5,766,764; Roberts, Patente de los E.U. No. 5,828,156; Masón, Chemistry with Ultrasound, Elsevier, Oxford, (1990); Suslick (editor), Ultrasound: its Chemical, Physical ánd Biological Effects, VCH, Weinheim, (1988); Price, "Current Trends in Sonochemistry" Royal Society of Chemistry, Cambridge, (1992); Suslick et al., Ann. Rev. Mater. Sci. 29, 295, (1999); Suslick et al., Nature 353, 414 (1991); Hiller et al., Phys. Rev. Lett. 69, 1182 (1992); Barber et al., Nature, 352, 414 (1991); Suslick et al., J. Am. Chem. Soc, 108, 5041 (1986); Tang et al., Chem. Comm., 2119 (2000); Wang et al., Advanced Mater., 12, 1137 (2000); Landau et al., J. of Catalysis, 201, 22 (2001); Perkas et al., Chem. Comm., 988 (2001); Nikitenko et al., Angew. Chém. Inter. Ed. (Diciembre 2001); Shafi et al., J. Phys. Chem B 103, 3358 (1999); Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 121, 4196 (1999); y Avivi et ¡al., J. Amer. Chem. Soc. 122, 4331 (2000).
Pirólisis Se pueden utilizar una o más secuencias de tratamiento por pirólisis para tratar materiales conteniendo carbono de una amplia variedad de fuentes diferentes para extraer sustancias útiles de los materiales, y para proveer materiales parcialmente degradados que funcionan como entrada para los pasos y/o secuencias de tratamiento adicionales.
Se piroliza un primer material que incluye celulosa con un primer promedio de pesos moleculares en número (MN 1), por ejemplo, calentando el primer material en un horno de tubo (en la presencia o ausencia de oxígeno), para proveer un segundo material que incluye celulosa con un segundo promedio de pesos moleculares en número (MN 2) menor que el primer promedio de pesos moleculares en número. El segundo material (o los primero y segundo materiales en algunas modalidades) se combina(n) con un microorganismo (con o sin hidrólisis enzimática o ácido) que puede utilizar el segundo y/o el primer material para producir un combustible que es o que incluye hidrógeno, un alcohol (por ejemplo, etanol o butanol, tal como n-, sec- o t-butanol) , un ácido orgánico, un hidrocarburo o mezclas de cualquiera de estos.
Como el segundo material tiene celulosa con un peso molecular reducido con relación al primer material, y en algunas instancias, también una menor cristalinidad, el segundo material se puede dispersar e hinchar en general más fácilmente, y/o es más soluble en una solución que contiene el microorganismo, por ejemplo, a una concentración mayor que 106 microorganismos/ml. Dichas propiedades hacen que el segundo material sea más susceptible al ataque químico, enzimático y/o microbiano con relación al primer material , que puede mejorar mucho la velocidad de producción y/o el nivel de producción de un producto deseado, por ejemplo, etanol . La pirólisis también puede esterilizar al primer y segundo materiales.
En algunas modalidades, el segundo promedio de pesos moleculares en número (MN2) es menor que el primer promedio de pésos moleculares en número (MN 1) en más de aproximadamente 1 0 por ciento, por ejemplo, 1 5, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por ciento, 60 por ciento, o aún más que aproximadamente 75 por ciento.
En algunas instancias, el segundo material tiene celulosa que posee una cristalinidad (C2) que es menor que la cristalinidad (d) de la celulosa del primer material. Por ejemplo, (C2) puede ser menor que (Ci) en más de aproximadamente 1 0 por ciento, por ejemplo, 1 5 , 20, 25, 30, 35, 40, o aún más que aproximadamente 50 por ciento.
En algunas modalidades, la cristalinidad inicial (antes de la pirólisis) es de entre aproximadamente 40 y aproximadamente 87.5 por ciento, por ejemplo , entre aproximadamente 50 y aproxi madamente 75 por ciento o entre aproxi madamente 60 y aproximadamente 70 por ciento, y el índice de cristali nidad luego de la pirólisis es de entre aproximadamente 1 0 y aproximadamente 50 por ciento, por ejemplo, entre aproximadamente 1 5 y aproximadamente 45 por ciento o entre aproximadamente 20 y aproximadamente 40 por ciento. Sin embargo, en algunas modalidades, por ejemplo, luego de una pirólisis extensiva, es posible tener un índice de cristalinidad menor que un 5 por ciento. En algunas modalidades, luego de la pi rólisis el material es sustancialmente amorfo.
En algunas modalidades, el promedio inicial de pesos moleculares en número (antes de la pirólisis) es de entre aproximadamente 200.000 y aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 1 ,000,000 o entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 700,000, y el promedio de pesos moleculares en número luego de la pirólisis es de entre aproximadamente 50,000 y aproximadamente 200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 60,000 y aproximadamente 150,000 o entre aproximadamente 70,000 y aproximadamente 1 25,000. Sin embargo¡ en algunas modalidades, por ejemplo, luego de una pirólisis extensiva; es posible tener un promedio de pesos moleculares en número menor de aproximadamente 10,000 o aún menor de 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 contribuir a su dispersibilidad, capacidad de hincharse y/o solubilidad, aumentando adicionalmente la susceptibilidad de los materiales al ataque químico, enzimático o microbiano. En algunas modalidades, para aumentar el nivel de oxidación del segundo material con relación al primer material, la pirólisis se lleva a cabo en un ambiente oxidante, produciendo un segundo material que está más oxidado que el primer material. Por ejemplo, el segundo material puede tener más grupos hidroxilos, grupos aldehido, grupos cetona, grupos éster o grupos ácido carboxílico, lo que puede aumentar su carácter hidrof ílico.
En algunas modalidades, la pirólisis de los materiales es continua. En otras modalidades, el material se piroliza durante un tiempo predeterminado, y l uego se deja enfriar durante un segundo tiempo predeterminado antes de volver a pirolizarla .
Oxidación Se pueden usar una o más secuencias de tratamiento oxidante para tratar materiales conteniendo carbono a partir de una gran variedad de Fuentes diferentes para extraer sustancias útiles de los materiales, y para proveer el material parcialmente degradado y/o alterado que funciona como un alimentación para posteriores pasos y/o secuencias de tratamiento.
Se oxida un primer material que incluye celulosa que tiene un promedio de peso molecular en número inicial (MN 1 ) y que tiene un contenido de oxígeno (Oí ) inicial , por ejemplo, por calentamiento del primer material en un horno con tubo en corriente de aire o aire enriquecido con oxígeno, para proveer un segundo material que incluyen celulosa que tiene un segundo promedio de peso molecular en número (MN2) y que tiene un segundo contenido de oxígeno (02) más alto qué el contenido de oxígeno inicial (Ch) .
Tales materiales también pueden ser combinados con un sólido y/o un líquido. El líquido y/o sólido pueden i ncluir un microorganismo, por ejemplo, una bacteria, y/o una enzima. Por ejemplo, la bacteria y/o enzima pueden trabajar sobre el material celulósico o lignocelulósico para producir un combustible, tal como etanol, o un producto secundario, tal como una proteína. Los combustibles y productos secundarios se describen en FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES," USSN 1 1 /453.951 , presentada el 1 5 de Junio del 2006. Los contenidos en su totalidad de cada una de las siguientes aplicaciones se incorporan a la presente documentación a modo de referencia.
En algunas modalidades, el segundo no es más del 97 por ciento más bajo del primer promedio de peso molecular en número, por ejemplo, no más del 95 por ciento, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12.5, 10.0, 7.5, 5.0, 4.0, 3.0, 2.5, 2.0 o no más del 1.0 por ciento más bajo que el primer promedio de peso molecular en número. La cantidad de reducción del peso molecular dependerá de la aplicación. Por ejemplo, en algunas modalidades preferidas que proporcionan compuestos, el segundo peso molecular promedio de número es substancialmente igual al primer peso molecular promedio de número. En otras aplicaciones, tal elaboración de etanol u otro combustible o coproducto, una mayor cantidad de reducción de peso molecular s generalmente preferida.
En algunas modalidades en las cuales los materiales se usan para hacer un combustible o un producto secundario, el promedio de peso molecular en número inicial (antes de la oxidación) es eiitre aproximadamente 200,000 y aproximadamente 3,200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 1 ,000,000 o entre aproximadamente 250,000 y aproximadamente 700,000, y el promedio de peso molecular en número luego de la oxidación es entre aproximadamente 50,000 y aproximadamente 200,000, por ejemplo, entre aproximadamente 60,000 y aproximadamente 150,000 o entre aproximadamente 70,000 y aproximadamente 125,000. Sin embargo, en algunas modalidades, por ejemplo, luego de una oxidación extensa, es posible tener un promedio de peso molecular en número menor que aproximadamente 10,000 o incluso menor que aproximadamente 5,000.
En algunas 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 contenido de primer oxígeno del material inicial. El contenido de oxígeno se mide¡por análisis elemental pirolizando una muestra en un horno operando a 1300 °C o más. Un analizador de elementos adecuado es el analizador LECO CHNS-932 con un horno de alta temperatura de pirólisis VTF-900.
Sin el deseo de estar ligado a ninguna teoría en particular, se cree que la oxidación aumenta el número de grupos de unión! de hidrógeno en el material, por ejemplo, un material lignocelulósicp o celulósico. Ejemplos de tales grupos de unión de hidrógeno incluyen, tal como grupos hidroxilos, grupos aldehidos, grupos cetona, grupos ácido carboxílicos o grupos anhídridos.
Generalmente, la oxidación del primer material 200 ocurre en¡ un ambiente oxidante. Por ejemplo, la oxidación se puede afectar o ser ayudada por la pirólisis en un ambiente oxidante, tal como en aire o argón enriq uecido en aire. Para ayudar en la oxidación, se pueden agregar diferentes agentes químicos, tales como oxidantes, ácidos o bases al material antes o durante la oxidación . Por ejemplo, se puede agregar un peróxido (por ejemplo, peróxido de benzoilo) antes de la oxidación.
Algunos métodos oxidantes para reducir la recalcitrancia en un material conteniendo carbono, tal como carbón o materiales celulósicos o lignocelulósicos, emplean química de Fenton o tipo Fenten. La química tipo Fenten es discutida en Pestovsky et al . , Angew. Chem. , Int. Ed. 2005, 44, 6871 -6874, cuya descripción completa es incorporada en la presente por referencia. En general, para utilizar tales métodos, un primer material, tal como un material celulósico o lignocelulósico, teniendo un primer nivel de recalcitrancia es provisto y combinado con uno o más compuestos que incluyen uno o más elementos de grupo, no radioactivo, que ocurren de manera natural 5, 6, 7, 8, 9, 10 u 1 1 para proporcionar una mezcla. Opcionalmente, uno o más oxidantes capaces de incrementar un estado de oxidación de al menos algunos de los elementos también son combinados con la mezcla . Se permite que la mezcla contacte el material y tal contacto es mantenido durante un periodo y bajo condiciones suficientes para producir un segundo material, tal como un material celulósico o lignocelulósico, teniendo un segundo nivel de recalcitrancia menor que el primer nivel de recalcitrancia.
En algunas modalidades, uno o más elementos están en un estado de oxidación 1 +, 2+, 3+, 4+ o 5+. En casos particulares, uno o más elementos incluyen Mn, Fe, Co., Ni, Cu o Zn, de preferencia Fe o Co. Por ejemplo, el Fe o Co puede estar en la forma de un sulfato, por ejemplo, sulfato de hierro(ll) o hierro(lll). En casos particulares, uno o más elementos están en un estado de oxidación 2+, 3+ o 4+. Por ejemplo, el hierro puede estar en la forma de hierro(ll), hierro(lll) o hierro(IV).
Compuestos de hierro (II) ejemplares incluyen heptahidrato de sulfato ferroso, acetilacetonato de hierro(ll), L-ascorbato de (+)-hierro(ll), bromuro de hierro(ll), cloruro de hierro(ll), hidrato de cloruro de hierro(ll), tetrahidrato de cloruro de hierro(ll), tetrahidrato de sulfato de hierro(ll) etilendiamino, fluoruro de hierro(ll), hidrato de gluconato de hierro(ll), dehidrato de D-gluconato de hierro(ll), yoduro de hierro(ll), hidrato de lactato de hierro(ll), molibdato de hierro(ll), dehidrato, de oxalato de hierro(ll), óxido de hierro(ll), óxido de hierro(ll,lll), hidrato de perclorato de hierro(ll), ftalocianina de hierro(ll), complejo de ftalocianina de hierro(ll) bis(piridina), heptahidrato de sulfato de hierro(ll), hidrato de sulfato de hierro(ll), sulfuro de hierro(ll), hexahidrato de tetrafluoroborato de hierro(ll), titanato de hierro(ll), hexahidrato de sulfato de amonio de hierro(ll), sulfato de amonio hierro(ll), dímetro de ciclopentadienil hierro(ll) dicarbonilo, sal t de hierro(lll) sodio de hidrato de ácido etilendiaminotetraacético y citrato férrico.
Compuestos de hierro(lll) ejemplares incluyen acetilacetonato de hierro(lll), bromuro de hierro(lll), cloruro de hierro(lll), hexahidrato de cloruro de hierro(lll), solución de cloruro de hierro (III), cloruro de hierro(lll) sobre gel de sílice, citrato de hierro(lll), monohidrato tribásico, ferrocianuro de hierro(lll), fluoruro de hierro(lll), trihidratp de fluoruro de hierro(lll), nonahidrato de nitrato de hierro(lll), nitrato de hierro(lll) en gel de sílice, hexahidrato de oxalato de hierro(lll), óxido de hierro(lll), hidrato de perclorato de hierro(lll), fosfato de hierro(lll), dehidrato de fosfato de hierro(lll), hidrato de fosfato de hierro(lll), tetrahidrato de fosfato de hierro(lll), cloruro de ftalocianina de hierro(lll), ácido ftalocianin-4,4',4",4'"-tetrasulfónico de hierro(lll), compuesto con sal monosódica de hidrato de oxígeno, pirofosfato de hierro(lll), hidrato de sulfato de hierro(lll), hexahidrato de p-toluenosulfonato de hierro(lll), tris(2,2,6,6-tetrametil-3,5-heptanodionato) de hierro(lll) y citrato de amonio hierro(lll).
Compuestos de cobalto ejemplares (II) incluyen acetato de cobalto(ll), tetrahidrato de acetato de cobalto(ll), hidrato , de acetilacetonato de cobalto(ll), benzoilacetonato de cobalto(ll), bromuro de cobalto(ll), hidrato de bromuro de cobalto(ll) e hidrato de carbonató de cobalto(ll).
Compuestos de cobalto(lll) ejemplares incluyen acetilacetonato de cobalto(ll), fluoruro de cobalto(lll), óxido de cobalto(lll), tricloruro de sepulcrato de cobalto(lll), cloruro de hexamina cobalto(lll), hexafluorofosfato de bis(ciclopentadienil)cobalto(lll) y hexafluorofosfato de bis(etilciclopentadienil)cobalto(l II).
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, permanganatós, tal como permanganato de potasio, percloratos, tal como perclorato de sodio e hipocloritos, tal como hipoclorito de sodio (blanqueador casero).
En algunas situaciones, el pH es mantenido a o por debajo de aproximadamente 5.5 durante el contacto, tal como entre 1 y 5, entre 2 y 5, entre 2.5 y 5 o entre aproximadamente 3 y 5. Las condiciones también pueden incluir un periodo de contacto entre 2 y 12 horas, por ejemplo, entre 4 y 1 0 horas o entre 5 y 8 horas. En algunos casos, las condiciones incluyen sin exceder 300°C, por ejemplo, sin exceder 250, 200, 150, 100 o 50°C. En casos deseables especiales, la temperatura permanece substancialmente ambiente, por ejemplo, a o aproximadamente 20-25°C.
En algunas modalidades deseables, uno o más oxidantes son aplicados a un primer material celulósico o lignocelulósico y uno o más compuestos como un gas, tal como al generar ozono in situ al irradiar el primer material celulósico o lignocelulósico y uno o más compuestos a través de aire con un haz de partículas, tales como electrones.
En modalidades deseables particulares, un primer matérial celulósico o lignocelulósico es dispersado en primer lugar en agua o Un medio acuoso que incluye uno o más compuestos dispersos y/o disueltos en la presente, el agua es removida después de un tiempo de remojo (por ejemplo, agua suelta o libre es removida mediante filtración), y entonces uno o más oxidantes son aplicados a la combinación como un gas, tal como al generar ozono in situ al irradiar el primer celulósico o lignocelulósico y uno o más compuestos a través de aire con un haz de partículas, tales como electrones (por ejemplo, siendo acelerado cada uno por una diferencia de potencial de entre 3 MeV y 10 MeV). El remojo puede abrir las porciones interiores hasta oxidación.
En algunas modalidades, la mezcla incluye uno o más compuestos y uno o más oxidantes, y una proporción molar de uno o más compuestos a uno o más oxidantes es desde aproximadamente 1 : 1000 hasta aproximadamente 1 :25, tal como desde aproximadamente 1 :500 hasta aproximadamente 1 :25 o desde aproximadamente 1 : 100 hasta aproximadamente 1 :25.
En algunas modalidades deseables, la mezcla incluye además una o más hidroquinonas, tal como 2,5-dimetoxihidroquinona (DMHQ) y/o una o más benzoquinonas, tal como 2,5-dimetoxi-1 ,4-benzoquino a (DMBQ), lo cual puede ayudar en las reacciones de transferencia de electrones.
En algunas modalidades deseables, uno o más oxidantes son electroquímicamente generados in situ. Por ejemplo, peróxido de hidrógeno y/u ozono pueden ser producidos electroquímicamente dentro de un recipiente de contacto o reacción.
Otros procesos para solubilizar, reducir recalcitrancia o funcionalizar Cualquiera de los procesos de este párrafo puede ser usado solo 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 de ácido (incluyendo tratamiento con ácido concentrado y diluido con ácidos minerales, tal como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico y ácidos orgánicos, tal como ácido trifluoroacético), tratamiento de base (por ejemplo, tratamiento con cal o hidróxido de sodio), tretamiento UV, tratamiento de extrusión de tornillo (ver, por ejemplo, la solicitud de patente estadounidense serial no. 61 /073,530, presentado el 18 de noviembre de 2008, tratamiento de solvente (por ejemplo, tratamiento con líquidos iónicos) y molienda por congelación (ver, por ejemplo, la solicitud de patente estadounidense serial no. 61 /081 ,709).
Conversión termoquímica Un proceso de conversión termoquímica incluye cambiar estructuras moleculares de material conteniendo carbono a temperaturas elevadas. Ejemplos específicos incluyen gasificación, pirólisis, I reformación, oxidación parcial y mezclas de estos (en cualquier orden).
La gasificación convierte los materiales conteniendo carbono en un gas de síntesis (gas sintético), el cual puede incluir metanol, monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno. Muchos i microorganismos, tales como acetógenos u homoacetógenos son capaces de utilizar un gas sintético a partir de la conversión termoquímica de carbón o biomasa, para producir un producto que incluye un alcohol, un ácido carboxilico, una sal de un ácido carboxíljco, un éster de ácido carboxilico o una mezcla de cualquiera de éstos. La gasificación de materiales carbonáceos, tales como carbón y biomasa (por ejemplo, materiales celulósicos o lignocelulósicos), pueden lograrse mediante una variedad de técnicas. Por ejemplo, la gasificación puede ser lograda utilizando la reformación de vapor escalonada con un reactor de lecho fluidizado, en el cual el material carbonáceo es pirolizado primero en la ausencia de oxígeno y entonces los vapores de pirólisis son reformados a gas de síntesis con vapor proporcionando hidrógeno y oxígeno adicionados. En tal técnica, el calor de proceso viene de quemar carbón. Otra técnica utiliza un reactor de tornillq sin fin, en el cual la humedad (y oxígeno) son introducidos en la etapa de pirólisis y el calor de proceso es generado a partir de quemar algo del gas producido en la última etapa. Otra técnica utiliza la reformación de flujo entrenada, en la cual tanto aire como vapor externo son introducidos en un reactor de gasificación de una sola etapa. En la gasificación de oxidación parcial, se utiliza oxígeno puro sin vapor.
Producción de ácidos combustibles, esteres y/u otros productos Un recurso de biomasa contiene celulosa, hemicelulosa y lignina además de cantidades menores de proteínas, extraíbles y minerales. Como se describe en la presente, los carbohidratos de complejo contenidos en las fracciones de celulosa y hemicelulosa pueden ser procesados en azúcares fermentables usando los procesos de tratamiento descritos en la presente, opcionalmente junto con hidrólisis enzimática o de ácido. También como se discute en la presente, ¡los azúcares liberados pueden ser convertidos en una variedad de productos, tales como alcoholes o ácidos orgánicos. El producto obtenido depende del microorganismo utilizado y las condiciones bajo las cuales ocurre el bioprocesamiento.
Por ejemplo, cuando un homoacetógeno es usado para convertir glucosa en acetato, ácido acético o mezclas de los mismos (representado mediante la ecuación a continuación), C6H1206 -> 3CH3COOH la reacción tiene casi un rendimiento de carbono de 1 00% y el acetato resultante contiene aproximadamente 94% de la energía química de la glucosa inicial (ignorar la producción de masa celular). La eficiencia de energía química es definida como la proporción del calor de combustión de los productos dividido por el calor de combustión de las alimentaciones, por 100 para convertir en un porcentaje. Por ejemplo, tomando los valores de la Tabla 3.7 de Roéis, J .A. , Energetics and Kinetics ¡n Biotechnology, Elsevier Biomedical , 1983, el calor , de combustión (base HHV) de glucosa y ácido acético son 2807 KJ/mpl y 876 kJ/mol , respectivamente, de manera que la eficiencia de energía química para esta reacción es (3 X 876/2807) X 1 00 = 93.4%.
Muchas bacterias, tal como bacterias anaeróbicas, son capaces de fermentar componentes de gas sintético (CO, H2, C02) en productos útiles. La Tabla 1 muestra que muchos homoacetógenos producirán acetato a partir de mezclas de gas sintético a aproximadamente 77% de eficiencia química. Ora clase de bacterias, conocida como heteroacetógenos, pueden producir etanol directamente a partir de mezclas de gas sintético a eficiencias de energía química de aproximadamente 80%. La literatura tiene muchos más ejemplos ( de bacterias, tales como bacterias anaeróbicas, capaces de metabolizar tanto las materias primas de gas sintético y azúcar. Por ejemplo, la Acetonema y Eubacterium (Butyribacterium) pueden producir mezclas de acetato y ácidos butíricos a partir de muchos de los materiales descritos en la presente.
Tabla 1 . Ejemplos de eficiencias de energ ía qu ímica homoacetogenos y heteroacetógenos (Cálculos basados en valores en Roéis, J .A. , Energetics and Kinetics in Biotechnology, Elsevier Biomedical, 1 983) Los productos ejemplares típicos a parti r de tal conversión de homoacetógeno o heteroacetógeno (por ejemplo, fermentación) incluyen acetato , propionato, buti rato, hidrógeno, dióxido de carbono y metano. Un cultivo puro de puro de una o más homoacetógenos pueden usarse para impulsar la mayoría de los productos para acetato. Este acetato puede ser recubierto entonces como una sal orgánica o ácido orgánico, o transformado adicionalmente en un aldehido, éster, alcohol o alqueno. A mezcla de ácido orgánico resultante puede ser recuperada y/o transformada en sales de ácido orgánico, ácidos, aldehidos, éstéres, alcoholes, alquenos. Si se desea, las mezclas pueden ser separadas en fracciones relativamente puras.
Tanto rutas de azúcar como gas sintético en acetógenos y oras bacterias pueden ser utilizados para impulsar el carbono y energía química de cualquier material de alimentación descrito en la presente en acetato o cualquier otro producto o coproducto descrito en la presente (productos reales y coproductos dependiendo de microorganismo y condiciones utilizados). Una ventaja de utilizar tanto azúcares como gas sintético para conversión es que esto remueve cualquier restricción sobre la máxima eficiencia de energía obtenible provocada por limitaciones en la cantidad de carbono presente en el material > de alimentación en la forma de carbohidratos fermentables y/o complejos. Esto es especialmente útil para materiales de alimentación de biomasa con niveles relativamente bajo de energía en la forma de carbohidratos, tal como material lignocelulósico de lignina alta.
En general, varios microorganismos pueden producir una variedad de productos útiles, tal como combustible, al operar en, por ejemplo, fermentar los materiales conteniendo carbono tratado.
El microorganismo puede ser un microorganismo natural o uh microorganismo diseñado. 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, un moho de limo. Cuando los organismos son compatibles, pueden utilizarse mezclas de organismos. El microorganismo puede ser un aerobio o un anaerobio. El microorganismo puede ser un microorganismo homofermentátivo produce un solo o substancialmente un solo producto final). El microorganismo puede ser un microorganismo homoacetogénico, un microorganismo homoláctico, una bacteria de ácido priónico, una bacteria de ácido butírico, una bacteria de ácido succínico o una bacteria de ácido 3-hidroxipropiónico. El microorganismo puede ser de un género seleccionado del grupo Clostridium, Lactobacillus, Moorella, Thermoanaerobacter, Proprionibacterium, Propionispera, Anaerobisopirillum y Bacteriodes. En casos específicos, el microorganismo puede ser Clostridium formicoaceticum, Clostridium butyricum, Moorella thermoacetica, Thermoanaerobacter kivui, i Lactobacillus delbrukii, Propionibacgerium acidipropionici, Propionispera I arboris, Anaerobispirillum succinicproducens, Bacteriodes amylophilus o Bacteriodes ruminicola. Por ejemplo, el microorganismo puede ser un microorganismo recombinante diseñado para producir un producto deseado, tal como una Eschericia coli recombinante transformada con uno o más genes capaces de codificar proteínas que dirigen ! la producción del producto deseado es usada (ver, por ejemplo, la patente estadounidense no. 6,852,517, emitida el 8 de febrero de 2005).
Otros microorganismos incluyen cepas del género Sacchromyces spp. por ejemplo, Sacchromyces cerevisiae (levadura de panadería), Saccharomyces distaticus, Saccharomyces uvarum; el género Kluyveromyces, por ejemplo, especies Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis; el género Candida, por ejemplo, Candida pseudotropicalis, y Candida brassicae, el género Clavispora, por ejemplo, especies Clavispora lusitaniae y Clavispora opuntiae el género Pachysolen, por ejemplo, especies Pachysolen tannophilus, el género Bretannomyces, por ejemplo, especies Bretannomyces clausenii (Philippidis, G. P. , 1996, tecnología de bioconversión de celulosa en el manual de Bioetanol: Producción y Utilización Wyman, C E. , ed. , Taylor & Francis, Washington, DC, 1 79-212) .
Las levaduras comercialmente disponibles incluyen , por ejemplo, Red Star®/Lesaffre Ethanol (disponible en Red Star/Lesaffre, USA) FALI® (disponible en Fleischmann's Yeast, una división de Burns Philip Food Inc. , USA), SU PERSTART® (disponible en Alltech), G ERT STRAN D® (disponible en Gert Strand AB, Suecia) y FERMOL® (disponible en DSM Specialties).
Las bacterias que pueden fermentar la biomasa a etanol y otros productos incluyen por ejemplo Zymomonas mobilis y Clostridium thermocellum (Philippidis, 1 996, supra). Leschine y asociados (International Journal of Systematic y Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1 1 55-1 160), aislando una bacteria anaeróbica mesofílicá celulolítica de la tierra de bosque, especie Clostridium phytofermentans sp. nov. , lo cual convierte la celulosa a etanol.
La fermentación de la biomasa a etanol y otros productos puede llevarse a cabo utilizando ciertos tipos de microorganismos construidos en forma termofílica o genética, tal como especies Thermoanaerobacter, incluyendo T. mathranii, y especies de levadura tales como especies Pichia. Un ejemplo de una cepa de T. mathranii es A3M4 descrita en la publicación de Sonne-Hansén y asociados {Applied Microbiology y Biotechnology 1 993, 38, 537-541 ) o Ahring y asociados (Arch . icrobiol. 1997, 168, 1 14-1 1 9).
Para ayudar en la descom posición de los materiales que incluyen la celulosa (tratada mediante cualquier método descrito en la presente o incluso no tratada), una o más enzimas, por ejemplo, una enzima celulolítica puede ser utilizada. En algunas modalidades, los materiales que incluyen la celulosa son tratados primero con la enzima, por ejemplo, al combinar el material y la enzima en una solución acuosa. Este material puede ser combinado entonces con cualquier microorganismo descrito en la presente. En otras modalidades, los materiales que incluyen la celulosa, una o más enzimas y el microorganismo son combinados concurrentemente, por ejemplo, al combinar en una solución acuosa.
Enzimas y organismos destructores de biomasa que descomponen biomasa, tal como la celulosa y/o las porciones de lignina de la biomasa, contienen o fabrican varia enzimas celulolíticas (celulasas), ligninasas y varios metabolitos destructores de biomasa de molécula pequeña estas enzimas pueden ser un complejo de enzimas que actúan sinérgicamente para degradar celosa cristalina o las porciones de lignina de biomasa. Ejemplos dé enzimas celulol íticas incluyen: endoglucanasas, celobiohidrolasas y celobiasas (ß-glucosidasas). Un substrato celulósico es hidrolizado inicialmente por endoglucanasas en ubicaciones aleatorias produciendo intermediarios oligoméricos. Estos intermediarios son entonces substratos para glucanasas de exo-división, tal como celobiohidrolasa para producir celobiosa a partir de los extremos del polímero de celulosa. La celobiosa es un d ímero 1 ,4-enlazado soluble en agua. Finalmente la celobiasa corta la celobiosa para producir glucosa.
Una celulasa tiene una capacidad de degradar la biomasa y puede ser de origen fúngico o bacteriano. Las enzimas adecuadas incluyen celulasas del género Bacillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium y Trichoderma, e incluyen especies de Humicola, Coprinus, Thielavia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium o Aspergillus (ver Publicación de Patente EP 458162), especialmente aquellas producidas por una cepa seleccionada de las especies Humicola insolens (reclasificada como Scytalidium thermophilum, ver por ejemplo la Patente Norteamericana No. 4,435,307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp. , Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum, y Acremonium furatum; preferentemente ide la especie Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 1 1 7.65, especie Cephalosporium RYM-202, especie Acremonium CBS 478.94, especie Acremonium CBS 265.95, especie Acremonium persicinum CBS 1 69.65, especie Acremonium acremonium AHU 9519, especie Cephalosporium CBS 535.71 , especie Acremonium brachypehium CBS 866.73, especie Acremonium dichromosporum CBS 683.73, especie Acremonium obclavatum CBS 31 1 .74, especie Acremonium pinkertoniae CBS 1 57.70, especie Acremonium roseogriseum CBS 1 34.56, especie Acremonium incoloratum CBS 146.62, y especie Acremonium furatum CBS 299.70H . Las enzimas celulolíticas también pueden obtenerse de Chrysosporium, preferentemente una cepa de Chrysosporium lucknowense. Además, Trichoderma (particularmente Trichoderma viride, Trichoderma reesei, y Trichoderma koningii), Bacillus alcalofílicos (ver por ejemplo Patente Norteamericana No. 3,844,890 y Publicación de Patente EP 458162), y Streptomyces (ver Publicación de Patente E P 458162) pueden ser utilizadas.
Otros métodos utilizan u na o más ligninasas y/o enzimas destructores de biomasa para reducir recalcitrancia en materiales celulósicos o lignocelulósicos. En tales métodos, un primer material celulósico o lignocelulósico teniendo un primer nivel de recalcitrancia es provisto y combinado con una o más ligninasas y/o uno o más organismos destructores de biomasa, por ejemplo, destructores de lignina, con el fin de contactar el primer material celulósico o lignocelulósico. El contacto es mantenido durante un periodo, tal como entre 2 y 24 horas, por ejemplo, entre 6 y 12 horas, y bajo condiciones suficientes, por ejemplo, por debajo de un pH de aproximadamente 6, tal como entre pH 3 y 5.5, para producir un segundo material lignocelulósico teniendo un segundo nivel de recalcitrancia menor que el primer nivel de recalcitrancia. Después de la reducción de la recalcitrancia, el segu ndo material celulósico o lignocelulósico puede ser contactado con una o más enzimas y/o microorganismos, por ejemplo, para hacer cualquier producto descrito en la presente, por ejemplo, alimento o combustible, por ejemplo, etanol o butanol (por ejemplo, n-butanol) o cualquier producto descrito en cualquier aplicación incorporada por referencia en la presente.
La lignasa puede ser, por ejemplo, una o más de manganeso peroxidasa, lignina peroxidasa o lacasas.
En implementaciones particulares, el organismo destructor de biomasa puede ser, por ejemplo, uno o más de pudrición blanca, pudrición café o pudrición suave. Por ejemplo, el organismo destructor de biomasa puede ser un hongo Basidiomycetes. En modalidades particulares, el organismo destructor de biomasa j es Phanaerochaete chrysoporium o Gleophyllum trabeum.
Ligninasas, organismos destructores de biomasa y metabolitos de molécula pequeña son descritos en Kirk et al. , Enzyme Microb. Technol. 1986, vol. 8, 27-32, Kirk et al. , Enzymes for Pulp and Paper Processing, Capítulo 1 (Roles for icrobial Enzymes in Pulp and Paper Processing) y Kirk et al. , The Chemistry of Solid Wood, Capítulo 1 2 (Biological Decomposition of Solid Wood (pp. 455-487).
Hacienda referencia ahora a la FIG. 2, un método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico tratado con electrones acelerados, en el cual menos de aproximadamente 75% en peso de compuestos conteniendo carbono están en la forma de carbohidratos, incluyendo convertir biológicamente (con o sin asistencia enzimática) una porción del material en ácido acético, un éster de acetato (por ejemplo, un metil o etil éster), una sal de acetato, o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado cómo simplemente CH3COOH y CH3COOR en la figura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoqu ímico (gasificación) para producir un gas sintético (una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, y en algunos casos, dióxido de carbono o un componente del mismo (frecuentemente referido como un gas reductor), mostrado en la figura como H2). El gas sintético o un componente del mismo se hace reaccionar entonces con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato, por ejemplo, en la presencia de un catalizador y bajo una alta presión de hidrógeno (por ejemplo, 50x105 Pa a 700x105 Pa (50 bar a 700 bar)) para producir etanol. La eficiencia de energía química de este método para producir etanol puede ser mayor que la eficiencia de energía química de ya sea un proceso de conversión únicamente biológica o un proceso de conversión en el cual todo el material es sometido inicialmente a un paso de conversión termoq uímica como parte del proceso para producir etanol.
En algunos casos, ácido y/o sal de ácido es (son) el (los) producto(s) producido(s) por el proceso biológico. En tales casos, el ácido y/o sal de ácido puede ser tratado mediante acidificación y/o esterificación antes del paso de reaccionar con un intermedio producido por proceso termoquímico. Por ejemplo, un intermediario producido por el proceso biológico puede incluir una sal de un ácido carboxílico, el cual puede ser acidificado al ácido carboxílico. Por ejemplo, el intermediario producido por proceso biológico puede incluir un ácido carboxílico que puede ser esterificado, con metanól o etanol para formar los ésteres de ácido carboxílico correspondientes. La acidificación y esterificación puede lograrse mediante medios biológicos o quím icos. Por ejemplo, en una modalidad, acidificar puede incluir introducir dióxido de carbono o un ácido con un pKa menor que el ácido carboxílico siendo acidificado a una solución que incluye la sal del ácido carboxílico. En otra modalidad, acidificar puede incluir introducir una amina terciaria con dióxido de carbono para formar un complejo de ácido/amina. Este proceso puede incluir además contactar el complejo de ácido/am ina con un solvente inmiscible en agua para formar un éster del solvente inmiscible en agua y el ácido carboxílico. Métodos de acidificación y esterificación I son descritos con más detalle en WO 2005/0731 61 publicado el 1 1 de agosto de 2005 y en WO 00/53791 publicado el 14 de septiembre de 2000.
Haciendo referencia a la FIG. 3, otro método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico tratado con ozono o solución de Fenton, incluye convertir biológicamente (sin o con asistencia enzimática) una porción del material en ácido acético! un éster de acetato, una sal de acetato, o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado como simplemente CH3COOH y CH3COOR en la figura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoquímico (gasificación) para producir un gas sintético. Una porción del gas sintético en la forma de monóxido de carbono e hidrógeno es alimentada en el proceso biológico durante la conversión. Otra porción del gas sintético (hidrógeno) es utilizada para reaccionar con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato, o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato, por ejemplo, en la presencia de un catalizador y bajo una alta presión de hidrógeno (por ejemplo, 25xÍ05 o 50x105 hasta 700x105 Pa (25 o 50 bar a 700 bar)) para producir i etanol.
Haciendo referencia a la FIG. 4, otro método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico sonicado para reducir su recalcitrancia, incluye convertir biológicamente (con o sin enzimas estando presentes) una porción del material en ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado como simplemente CH3COOH y CH3COOR en la figura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoqu ímico (gasificación) para producir un gas sintético. Una porción del gas sintético en la forma de monóxido de carbono es alimentada en el proceso de conversión biológica. Otra porción del gas sintético en la forma de hidrógeno es utilizada para reaccionar con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato, o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato para producir etanol.
Haciendo referencia a la FIG. 5, otro método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico pirolizado para reducir su recalcitrancia, incluye convertir biológicamente (con o sin enzimas estando presentes), una porción del material en ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado como simplemente C H3COOH y CH3COOR en la figura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoquímico (gasificación) para producir un gas sintético. U na porción del gas sintético en la forma de monóxido de carbono e hidrógeno es alimentada en el proceso de conversión biológica. Otra porción del gas sintético en la forma ¡de monóxido de carbono es utilizada para reaccionar con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato, o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato para producir etanol.
Haciendo referencia a la FIG. 6, otro método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un carbón pirolizado para producir su recalcitrancia, incluye convertir biológicamente (con o sin enzimas estando presentes) una porción del material en ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado como simplemente C H3COOH y C H 3COO R en la fig ura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoquímico (gasificación) para producir un gas sintético que incluye hidrógeno y metanol. Una porción del gas sintético en la forma de metanol (CH3OH) es alimentada en el proceso de conversión biológica. Otra porción del gas sintético en la forma de hidrógeno es utilizada para reaccionar con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato para producir i etanol.
Haciendo referencia a la FIG. 7, otro método para producir etanol a partir de un material que incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico tratado con ozono o solución de Fenton y/o irradiado con electrones, incluye convertir biológicamente (con o sin enzimas estando presentes) la porción completa del material que es biológicamente convertible en ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla del ácido acético, éster de acetato y sal de acetato (mostrado como simplemente CH3COOH y CH3COOR en la fig ura). El resido de conversión, por ejemplo, la porción de lignina del material lignocelulósico, es convertido entonces usando un proceso termoquímico (por ejemplo, gasificación) para producir un gas sintético. Una porción del gas sintético en la forma de hidrógeno es utilizada para reaccionar con el ácido acético, éster de acetato, sal de acetato o una mezcla de ácido acético, éster de acetato y sal de acetato, por ejemplo, en la presencia de un catalizador y bajo una alta presión de hidrógeno (por ejemplo, 25x1 05 o 50x10s Pa a 70x105 Pa (50 o 50 bar a 700 bar)) para producir etanol.
En algunos casos, las sales de acetato son producidas selectivamente, las cuales pueden ser convertidas a ésteres (por ejemplo, ésteres de etilo) usando un proceso de destilación 80a que se muestra en la FIG. 7A.
En la sección de reacción 424, u na solución diluida (5%) , de acetato de calcio en agua se mezcla con etanol y alimentada a la columna 422 en la parte superior de la sección de reacción. El dióxido de carbono es alimentado a la columna 422 en el fondo de la sección de reacción 424. La reacción simultánea de dióxido de carbono con acetato de calcio y etanol tiene lugar en la zona de reacción 242 en la sección central de la columna 422 con la formación de carbonato de calcio y acetato de etilo (EtAc).
El componente más volátil en la mezcla de reacción es el azeótropo acetato de etilo/agua/etanol. La composición de azeótropo es 82.6% de acetato de etilo, 9% de agua y 8.4% de etanol y tiene un punto de ebullición normal de 70.2°C. El azeótropo es removido a partir de la mezcla de reacción mediante vaporización junto con algo de EtOH y agua. El producto de fondo a partir de la zona de reacción es una solución de agua y etanol conteniendo el carbonato de calcio suspendido, la cual fluye a la sección de extracción.
En la sección de separación superior 450, el azeótropo es separado del etanol y agua también se vaporizó de la mezcla de reacción . La mezcla de etanol/agua es reciclada a la zona de reacción 424 y el producto de espacio superior es el azeótropo. El dióxido de carbono es separado del condensado de espacio superior y reciclado a la columna con dióxido de carbono de estructura. El azeótropo puede romperse mediante la adición de agua, la cual provoca una separación de fases, con la fase rica en etanol y ag ua regresándose al punto apropiado en la columna de destilación reactiva.
Debido a que el etanol en exceso es usado para favorecer la reacción de esterificación hacia adelante en la sección de reacción, la sección de extracción 458 regresa el exceso de etanol a la zona de reacción. En la sección de extracción 458, el etanol es removido de la corriente acuosa conteniendo carbonato de calcio, la cual es descargada de la columna 422 y separada por una separación > de líquido/sólido 462, tal como centrifugación o filtración.
El efecto neto del proceso de destilación reactivo es recuperar el ácido acético a partir de la solución de sal diluida, produciendo pro ello una corriente de producto relativamente concentrada en la parte superior y sin vaporizar el agua que forma el volumen dé, la corriente. La integración de las tres secciones reduce los requerimientos de energía globales y la remoción simultánea del éster de prod ucto desplaza el equilibrio de esterificación, lo cual da una conversión mayor en un tiempo más corto.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 8 , un método para producir propilenglicol (propano-1 ,2-diol) a partir de un material q ue incluye compuestos conteniendo carbono, tal como un material lignocelulósico con electrones acelerados en el cual menos de aproximadamente 75% en peso de los compuestos conteniendo carbono están en la forma de carbohidratos, incluye convertir biológicamente (con o sin asistencia enzimática) una porción del material en ácido láctico, un éster de lactato, una sal de lactato, o mezclas de los mismos (mostrado como simplemente CH3CH(OH)COOH y CH3CH(OH)COOR en la figura) y convertir otra porción del material usando un proceso termoquímico (por ejemplo, gasificación) para producir un gas sintético (mostrado en la figura como H2). El gas sintético se hace reaccionar entonces con el ácido láctico, un éster de lactato, una sal de lactato o mezclas de los mismos, por ejemplo, en la presencia de un catalizador y bajo una alta presión de hidrógeno (por ejemplo, 25x1 05 Pa o 50x105 Pa hasta 700x1 05 Pa (25 o 50 bar hasta 700 bar) para producir propilenglicol.
Utilizando procesos análogos a aquéllos discutidos en la presente, materiales conteniendo carbono pueden ser utilizados para producir n-propanol , por ejemplo, a partir de una mezcla que incluye ácido propiónico, un éster de propionato, una sal de propionato, ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla de los mismos.
Utilizando procesos análogos a aquéllos discutidos en la presente, materiales conteniendo carbono pueden ser utilizados para producir butanol y etanol, por ejemplo, a partir de una mezcla que incluye ácido butírico, un éster de buti rato, una sal de butirato, ácido acético, un éster de acetato, una sal de acetato o una mezcla de ácido butírico, éster de butirato, sal de butirato, ácido acético, éster de acetato y sal de acetato.
Utilizando procesos análogos a aquéllos discutidos en la presente, materiales conteniendo carbono pueden ser utilizados para producir 1 ,4-butanodiol, por ejemplo, a partir de una mezcla que incluye ácido succínico, un éster de succinato, una sal de succináto, o una mezcla de ácido succínico, éster de succinato y sal de succinato.
Utilizando procesos análogos a aquéllos discutidos en la presente, materiales conteniendo carbono pueden ser utilizados para producir 1 ,3-propanodiol , por ejemplo, a partir de una mezcla que incluye ácido 3-hidroxipropiónico, éster de 3-hidroxipropionato, sal de 3-hidroxipropionato, o una mezcla de ácido 3-hidroxipropiónico, éster de 3-hidroxipropionato y sal de 3-hidroxipropionato.
Otras modalidades Se ha descrito una variedad de modalidades. No obstante, se entenderá que varias modificaciones pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la descripción.
Por ejemplo, au nque el gas sintético y componentes de gas sintético pueden ser producidos en-el-lugar a partir de una materia prima de material conteniendo carbono, el gas sintético o cualquier componente del mismo también pueden comprarse, por ejemplo, a partir de una refinería de petróleo.
Aunque es posible realizar todos los procesos descritos en la presente todos en una misma ubicación física, en algunas modalidades, los procesos son completados en múltiples sitios. Por ejemplo, las mezclas de ésteres pueden ser transportadas a un hidrocraqueador de alta presión en otra ubicación física.
Aunque las técnicas presentadas en la presente trabajan con materiales de biomasa conteniendo carbono, también trabajan con cualquiera de los otros materiales conteniendo carbono descritos en la presente, tales como carbón, azúcar y almidón . Por ejemplo, carbón o almidón puede irradiarse y entonces convertirse en ácidos orgánicos, sales o ácidos y/o ésteres de ácidos orgánicos.
Cualquier dióxido de carbono generado y/o lignina liberada en cualquier proceso descrito en la presente puede ser capturado. i Cualquier dióxido de carbono capturado puede ser secuestrado, por I ejemplo, al inyectar el dióxido de carbono capturado en una formación geológica, tal como una veta de carbón no explotable o un acu ífero salino profundo capaz de mantener el dióxido de carbono, por ejemplo, durante un periodo de más de 100 años, por ejemplo, más de 250 años, 500 años, 1 ,000 años o más de 1 0,000 años. Por ejemplo, cualquier dióxido de carbono producido en cualquier proceso descrito en la presente puede ser secuestrado, por ejemplo, al fijar dióxido de carbono utilizando cualquier microorganismo descrito en la presente. Por ejemplo, el microorganismo puede incluir algas y el dióxido de carbono puede ser secuestrado en la forma de un carbohidrato y/o lípido. Si se desea, por ejemplo, para producir un bio-diesel, el lípido puede ser convertido en un éster, por ejemplo, un metil, etil, n-propil, isopropil o butil éster. Cualquier éster puede ser convertido a alcohol, por ejemplo, mediante hidrogenación, como se describe en la presente.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 9, las emisiones de dióxido de carbono pueden ser almacenadas en varias formaciones geológicas. Por ejemplo, el dióxido de carbono puede ser almacenado en un acuífero salino profundo o en una veta de carbón inexplotable. El dióxido de carbono también puede ser usado para expulsar de la tierra difícil de llegar gas natural o petróleo.
El dióxido de carbono también puede ser capturado y usado én la industria de alimentos y bebidas. Por ejemplo, el dióxido de carbono puede ser convertido en hielo seco, o puede ser utilizado en bebidas carbonatadas.
Haciendo referencia a la FIG. 10, cualquier microorganismo descrito en la presente q ue es capaz de fijar dióxido de carbono puede utilizarse para secuestrar dióxido de carbono. En particular, la FIG. 10 ilustra una ruta fotosintética en la cual el dióxido de carbono en presencia de luz, agua, nutrientes y un microorganismo capaz de fijar dióxido de carbono, es convertido en varios productos, incluyendo carbohidratos y lípidos. Los carbohidratos generados pueden ser utilizados en cualquier proceso descrito en la presente, tal como para la elaboración de etanol, y los lípidos pueden ser convertidos, por ejemplo, en bio-diesel, usados en alimentos o como complementos dietéticos.
Algas adecuadas incluyen microalgas, tales como diatomeás y cianobacterias, y macroalgas, por ejemplo, algas marinas. Ejemplos específicos incluyen Botryococcus braunii, Chlorella, Dunaliella tertiolecta, Gracilaria, Pleurochrysis carterae (también llamadas CCMP647) y Sargassum.
Haciendo referencia ahora a la FIG. 1 1 , un lípido, tal como un triglicérido (grasa), puede convertirse a bio-diesel mediante esterificación usando un alcohol (ROH) y un catalizador, tal como un ácido, tal como un ácido mineral (por ejemplo, ácido sulfúrico).
Como se muestra, para cada molécula de triglicérido, tres moléculas ? de bio-diesel son formadas, junto con una molécula de glicerol.
Haciendo referencia ahora a las FIGs. 12 y 12A, dióxido de carbono de desecho y nutrientes pueden ser alimentados a un recipiente de reacción de circulación que contenga algas suspendidas en un solvente, tal como agua. Una fuente de luz, ¡ tal como el sol o una fuente de luz artificial brilla sobre los materiales en el recipiente de reacción conforme la rueda de paletas circula continuamente los materiales. Después de una cantidad deseada de producto, tal como uno o más carbohid ratos y/o uno o más l ípidos es producida, los contenidos del reactor son vaciados y el petróleo es recuperado y convertido en un combustible deseado, tal como un diesel.
La lignina liberada en cualquier proceso descrito en la presente puede ser capturado y utilizado. Por ejemplo, la lignina puede ser usada como es capturada como un plástico, o puede ser actualizada sintéticamente a otros plásticos. En algunos casos, puede ser utilizada como una fuente de energ ía, por ejemplo, quemada para proporcionar calor. En algunos casos, también puede ser convertida i a lignosulfonatos, los cuales pueden ser utilizados como ligantes, dispersantes, emulsificantes o como secuestrantes.
Cuando se usa como un ligante, la lignina o un lignosulfonato puede, por ejemplo, ser utilizado en briquetas de carbón, en cerámica, para ligar negro de h umo, para ligar fertilizantes y herbicidas, tal como un supresor de polvo, en la elaboración de madera contrachapada y tableros de partículas, para ligar alimentos animales, como un ligante para fibra de vidrio, como un ligante en pasta de linóleo y como un estabilizante de suelo.
Como un dispersante, la lignina o lig nosulfonatos pueden ser usados, por ejemplo, en mezclas de concreto, arcilla y cerámica, tintes y pigmentos, curtido de pieles y placas de yeso.
Como un emulsificante, la lignina o lignosulfonatos pueden ser usados, por ejemplo, en asfalto, pigmentos y tintes, pesticidas y emulsiones de cera.
Como un secuestrante, la lignina o lignosulfonatos pueden ser usados, por ejemplo, en sistemas mico-nutrientes, compuestos de limpieza y sistemas de tratamiento de agua, por ejemplo, para sistemas de enfriamiento y hervidores.
Como una fuente de calentamiento, la lignina generalmente tiene un mayor contenido de energía que la holocelulosa (celulosa y hemicelulosa) ya que contiene más carbono que holocelulosa. Por ejemplo, la lignina seca puede tener un contenido de energía de entre aproximadamente 1 1 ,000 y 12,500 BTU por libra, comparado con 7,000 y 8,000 BTU por libra de la holocelulosa. Como tal, la lignina puede ser densificada y convertida en briquetas y pellas para quemado. Por ejemplo, la lignina puede ser convertida en pellas mediante cualquier método descrito en la presente. Para una pella o briqueta de quemado más lento, la lignina puede ser reticulada i tal como al aplicar una dosis de radiación de entre aproximadamente 0.5 Mrad y 5 Mrad. La reticulación puede hacer un factor de forma de quemado más lento. El factor de forma, tal como una pella o briqueta, puede convertirse a "carbón sintético" o carbón al pirolizar en la ausencia de aire, por ejemplo, entre 400 y 950°C. Antes dé la pirólsis, puede ser deseable reticular la lignina para mantener la integridad estructural.
De acuerdo con esto, otras modalidades están dentro del alcance de las sig uientes reivindicaciones.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1 . Un método para hacer un alcohol, un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de un ácido carboxílico, o una mezcla de cualquiera de éstos, comprendiendo el método: tratar un material conteniendo carbono con una o más de radiación , sonicación, pirólisis, oxidación y explosión de vapor; y convertir al menos una porción del material conteniendo I carbono tratado utilizando un microorganismo para producir un producto comprendiendo uno o más de un alcohol, un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico o una mezcla de cualquiera de éstos.
2. El método de la reivindicación 1 , en donde durante la conversión un gas sintético es entregado al microorganismo.
3. El método de la reivindicación 2, en donde el gas sintético es seleccionado del grupo que consiste de metanol, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de los mismos.
4. El método de la reivindicación 2, en donde el gas i sintético comprende metanol.
5. El método de la reivindicación 2, en donde el gas sintético comprende monóxido de carbono.
6. El método de la reivindicación 2, en donde el gas sintético comprende una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 2-6, en donde el gas sintético es producido al gasificar carbón y/o una biomasa.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el método comprende además hidrogenar el i producto o exponer el producto a uno u otro agente reductor, tal como monóxido de carbono.
9. El método de la reivindicación 8, en donde hidrogenar el producto comprende exponer el producto a hidrógeno bajo Lina presión de más de aproximadamente 25x105 Pa (25 bar) en la presencia de un catalizador.
1 0. El método de la reivindicación 9, en donde el hidrógeno es producido a partir de gas sintético producido al gasificar carbón y/o biomasa.
1 1 . El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la conversión comprende contactar el material tratado con una enzima.
12. Un método para hacer un alcohol, comprendiendo el método: tratar un material conteniendo carbono con una o más dé radiación, sonicación, pirólisis, oxidación y explosión de vapor; convertir al menos una porción del material conteniendo carbono tratado utilizando un microorganismo a u n producto comprendiendo un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico o una mezcla de cualquiera de estos; e hidrogenar el producto para producir un alcohol .
1 3. El método de la reivindicación 12, en donde el ácido carboxílico comprende ácido acético.
14. El método de la reivindicación 12, en donde el éster de ácido carboxílico comprende acetato de etilo.
1 5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 2- 14, en donde el microorganismo comprende un homoacetógeno o un heteroacetógeno.
16. Un método para hacer un alcohol, un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de un ácido carboxílico, o una mezcla de cualquiera de éstos, comprendiendo el método: tratar un material conteniendo carbono con uno o más 1 de radiación, sonicación, pirólisis, oxidación y explosión de vapor; convertir al menos una porción del material conteniendo carbono tratado utilizando un microorganismo para producir un producto comprendiendo uno más de un alcohol , un ácido carboxílico, una sal de un ácido carboxílico, un éster de ácido carboxílico o una mezcla de cualquiera de éstos; y capturar cualquier dióxido de carbono generado y/o cualquier lignina liberada.
1 7. El método de la reivindicación 16, en donde el dióxido de carbono es capturado y el método comprende además secuestrar el dióxido de carbono capturado.
18. El método de la reivindicación 1 7, en donde secuestrar dióxido de carbono comprende inyectar dióxido de carbono capturado en una formación geológica capaz de mantener el dióxido de carbono en su lugar.
1 9. El método de la reivindicación 1 7, en donde secuestrar dióxido de carbono comprende fijar dióxido de carbono utilizando un microorganismo.
20. El método de la reivindicación 19, en donde el microorganismo fija el dióxido de carbono en la forma de un carbohidrato y/o un lípido.
21 . El método de la reivindicación 19, en donde el microorganismo fija el dióxido de carbono en la forma de un lípido, comprende además el método de convertir el lípido a un éster.
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