HIDRÓLISIS Y FERMENTACIÓN CONTINÚA PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL CELULÓSICO

HIDRÓLISIS Y FERMENTACIÓN CONTINÚA PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL CELULÓSICO

Simone Brethauer, Charles E. Wyman *

Centro de Investigación y Tecnología Ambiental y Química y Ambiental Departamento de Ingeniería de la Universidad de California, Riverside, CA 92507, Estados Unidos

RESUMEN

Etanol hecho biológicamente a partir de una variedad de fuentes de biomasa de celulosa tales como la agricultura y la silvicultura residuos, hierbas y madera de rápido crecimiento es ampliamente reconocido como un medio de transporte único líquido sostenible alimentan con potentes atributos económicos, ambientales y estratégicas, pero los costos de producción deben ser competitivos para que estos beneficios se materialicen. Procesos de hidrólisis y fermentación continua ofrecen importantes ventajas potenciales en la reducción de costos, pero poco se ha hecho en el procesamiento continuo de la biomasa celulósica en etanol. Como se muestra en esta revisión, algunas fermentaciones continuas son ahora empleado para la producción comercial de etanol a partir de azúcar de caña y el maíz para tomar ventaja de una mayor volumétrica la productividad, la reducción de los costos laborales, y de los vasos reduce el tiempo de inactividad para la limpieza y el llenado. Por otra parte, estos sistemas son más susceptibles a la contaminación microbiana y requieren más sofisticadas operaciones. A pesar de los últimos desafíos, procesos continuos podría ser incluso más importante la reducción de los costos de la superación de la obstinación de la biomasa celulósica, el principal obstáculo a menor costo combustible, a través de la mejora de la eficacia de la utilización de enzimas costosas. Además, el procesamiento continuo podría ser muy beneficioso en la adaptación de los organismos fermentativos a la amplia gama de inhibidores generados durante el pre-tratamiento de la biomasa o su hidrólisis catalizada por ácido. Si las tasas de generación de azúcar pueden ser aumentado, las altas densidades de células en un sistema continuo podrían permitir mayores productividades y rendimientos que en fermentaciones en lotes.

1. introducción

De acuerdo con el reciente informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) el calentamiento del sistema climático mundial es inequívoco y es muy probable debido a los aumentos observados en las concentraciones de gases de efecto invernadero antropogénicos. Las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono (CO2), el invernadero dominante gas, han aumentado desde un valor pre-industrial de aproximadamente 280 ppm a 379 ppm en el 2005, principalmente como resultado del uso de combustibles fósiles (IPCC, 2007). En general, el petróleo es la fuente de aproximadamente 170 mil billones (1015) BTUs o quads de energía del total de más de 460 quads utiliza el mundo , mucho más que derivados de carbón , gas natural, energía hidroeléctrica , energía nuclear, geotérmica y otras fuentes . Más de la mitad del petróleo en este total se utiliza para el transporte, y la demanda se prevé que crezca rápidamente a medida que aumenta el tráfico de vehículos en todo el mundo e incluso acelera en Asia. Además de la impacto del calentamiento global negativo de los combustibles fósiles, los precios volátiles del petróleo y la dependencia de los países exportadores de petróleo políticamente inestables como resultado en un aumento significativo en el interés internacional en la alternativa combustibles y los responsables políticos liderados en la EU y los EE.UU. para emitir metas ambiciosas para la sustitución de alternativa convencional combustibles (GALBE y Zacchi, 2002; Wyman, 2007).

El etanol hecho biológicamente por fermentación de una variedad de biomasa fuentes es ampliamente reconocido como un combustible para el transporte exclusivo con potentes atributos económicos, ambientales y estratégicas. Etanol de primera generación a partir de materiales ricos en almidón, como maíz y trigo o de materia prima el azúcar es un producto maduro producto con una producción anual mundial de más de 13 mil millones EE.UU. galones en 2007. Sin embargo, estas materias primas son insuficientes para satisfacer la creciente demanda de combustibles, y las preocupaciones han aumentado recientemente que la competencia entre el uso de los productos básicos agrícolas para la producción de combustible está elevando los costos de los alimentos. Además, el uso de cultivos alimentarios para la producción de combustible puede llevar a perjudicar el medio ambiente los cambios indirectos del uso del suelo, por ejemplo, la deforestación de los bosques tropicales selva tropical para ganar más tierras de cultivo. Además, la reducción del efecto invernadero gases resultantes del uso de etanol a base de almidón no es tan alta como deseable (Farrell 2006; Hahn - Hägerdal, 2006). Alternativamente, El etanol puede producirse a partir de materiales lignocelulósicos tales como residuos agrícolas, madera, papel y desechos de jardín en el municipal residuos sólidos y cultivos energéticos, que constituyen el más abundante componente orgánico renovable en la biosfera (Calasen 1999).

Independientemente de la materia prima, el premio de venta final de etanol debe ser competitivo con la de la gasolina, pero los beneficios de gasolina de más de un siglo de mejoras de la curva de aprendizaje y en gran parte pagados para el capital. Así, los márgenes de beneficio en los procesos de producción de etanol son bajos, y los rendimientos del capital son inciertos debido a las tremendas oscilaciones de los precios del petróleo. En este contexto, los costes deben mantenerse tan bajo como sea posible, y continua fermentación de la biomasa celulósica a etanol puede ofrecer importantes ventajas en términos de mayor productividad y reducir los costos. Desafortunadamente, aunque el proceso diseños han sido conceptualizados en base a enzimática continua hidrólisis y fermentación para tomar ventaja de su bajo coste de hecho se han reportado estudios potenciales, limitadas a partir del cual diseñar o avanzar la tecnología. Por lo tanto, más información es tan necesaria en este tema para guiar el avance de menor costo se acerca a la producción de etanol y superar la significativa costará barreras de entrada al mercado. En este artículo, vamos a ofrecer una breve introducción a los conceptos y las características de las fermentaciones continuas. A continuación, un resumen se presenta de experiencias y actividades de investigación con la primera generación fermentaciones etanol continuos industriales como éstos proporcionan la base para los procesos a base de celulosa segunda generación. Después de eso, se revisa el conocimiento actual de fermentación continua de material lignocelulósico, incluyendo los basados en hidrólisis química y enzimática de la celulosa en glucosa.

2. Concepto de fermentaciones continuas

En un verdadero sistema de fermentación continua, el sustrato está constantemente alimentado al recipiente de reacción, y un flujo correspondiente de fermentado caldo de producto se descarga para mantener el volumen del reactor constante. Además, el equilibrio entre la alimentación y de descarga se mantiene durante bastantes tiempos largos para lograr una operación de estado estacionario sin cambios en las condiciones dentro del reactor. Comparado a una reacción por lotes, este modo de operación ofrece reducida tiempo de buque para su limpieza y llenado de proporcionar una mejor volumétrica productividad que puede traducirse en menores volúmenes de reactor y las inversiones de capital más bajos, además de la facilidad de control en estado estacionario.

Dos tipos básicos de reactores continuos se pueden emplear: el reactor continuo de tanque agitado (CSTR) o el reactor de flujo de tapón (PFR). En un CSTR idealmente mixta, la composición en el reactor es homogénea e idéntica a la del flujo de salida. En un ideal PFR, los reactivos se bombean a través de una tubería o tubo con un uniforme perfil de velocidad a través de la radio, y la reacción procede como los reactivos viajan a través del PFR con la difusión supone insignificante en la dirección axial. En consecuencia, las operaciones de PFR implicar que el inóculo tiene que ser alimentado constantemente al reactor para la fermentación procesos. En cascada un gran número de CSTR en serie tendrá un rendimiento similar a un PFR.

En un sistema con constante estequiometria de la reacción global que puede ser descrito por una sola ecuación cinética, realizando la reacción en dos o más biorreactores puede dar lugar a una concentración de producto superior, un mayor grado de conversión, un volumétrica mayor la productividad, o una combinación de estos factores en comparación con la operación de un solo CSTR. Un enfoque para la optimización de un proceso continuo es para determinar la configuración del reactor que da la más baja tiempo de residencia para lograr un cierto grado de conversión. Si el cinética se conocen, un gráfico de la tasa de reciprocidad en contra de la dimensión concentración de sustrato S / Sfeed puede emplearse para estimar el tiempo de residencia de reacción y por lo tanto la reacción volumen (de Gooijer et al 1996). Para un CSTR, el área que corresponde a un rectángulo cuya altura es igual a la recíproca de la velocidad a la conversión deseada será igual al tiempo de residencia para la reacción a esta conversión, mientras que el tiempo de residencia para un PFR corresponderá para el área bajo la curva (ver. Fig. 1). Si la conversión deseada es mayor que el mínimo en la curva, una combinación de reactores requerirán menos volumen de reacción. Por lo tanto, para la situación representada en la figura.1,

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