BR102017022035A2 - Aperfeiçoamento em processo de hidrólise de celulose na indústria alcooleira - Google Patents

Abstract

"aperfeiçoamento em processo de hidrólise de celulose na indústria alcooleira", cuja etapa compreende a produção do mosto de fermentação pela hidrólise enzimática da celulose, acarretando no aumento no rendimento da produção de açúcar convertido e na produtividade, com aumento na velocidade da reação de hidrólise. nessa referida etapa produtiva a mistura em reação de hidrólise é submetida a, pelo menos, uma intervenção de energia capacitiva, de forma contínua ou intermitente, que é entregue ao sistema em reação.

Description

APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA.

[001]-Refere-se o presente relatório a uma invenção para um aperfeiçoamento em processo de hidrólise de celulose na indústria alcooleira e, mais especificamente, refere-se esse aperfeiçoamento a melhorias aplicadas nas fases do processo de produção de álcool a partir de substâncias celulósicas, particular, mas não exclusivamente, no caso do bagaço de cana. O aperfeiçoamento é introduzido na etapa de produção do mosto, com a hidrólise de polissacarídeos, também conhecida como sacarificação de polissacarídeos, em processo separado ou executado simultaneamente com a fermentação de açúcares produzidos na sacarificação.

[002]-O processo simultâneo objetiva, além da redução do tempo de processamento, impactando na produtividade do processo, a minimização de perdas de açúcares provenientes da sacarificação, na separação dos produtos de hidrólise. A fermentação simultânea, isto é, a aplicação de microrganismo fermentativo ao sistema em reação enzimática, envolvendo as operações conjuntas de sacarificação com fermentação, é fato presente na produção alcoólica a partir de celulose.

[003]-Esse relatório, a partir dessa possibilidade de fermentação simultânea, segue considerando que o processo objeto da invenção estende-se à sacarificação como processo em separado e à sacarificação e fermentação como processo simultâneo.

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2/9 [004]-Como é sabido pelos técnicos no assunto, os biocombustíveis destacam-se como componentes da matriz energética no âmbito mundial, suportada pelas necessidades ambientais. O etanol segue sua longa história como combustível e tem sido largamente produzido pela fermentação de açúcares diretamente fermentáveis como sacarose, glicose e frutose. Esses açúcares são facilmente obtidos de culturas como cana-de-açúcar, beterraba, frutos, etc.

[005]-Com o processo de hidrólise do amido, desde mais remoto tempo como na produção da cerveja, a hidrólise de amiláceos permite a produção de açúcares fermentáveis a partir do milho como outra importante matéria prima na produção de etanol combustível.

[006]- Basicamente, a biomassa celulósica é composta de cadeias de celulose (polissacarídeo formado por moléculas de glicose ligadas através de ligações β-1,4glicosídicas) unidas entre si por ligações de hidrogênio. Essas longas fibras celulósicas são, por sua vez, recobertas por hemiceluloses (polissacarídeos ramificados formados principalmente por D-xilose com pequenas quantidades de L arabinose,

D-glicose,

D-manose,

D-galactose, ácido glucurônico e ácido manurônico) e ligninas redes poliméricas tridimensionais formadas por unidades fenilpropano interligadas).

As porções celulósicas e hemicelulósicas da biomassa, representando respectivamente de 40-50% e

20-30% do peso seco das plantas, são polissacarídeos que podem ser hidrolisados a açúcares e fermentados. Entretanto a forte ligação inter e intra molecular torna dificultada essa conversão.

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3/9 [007]-A celulose pode ser hidrolisada termoquimicamente ou por enzimas. A hidrólise química requer o uso de reatores especiais, de ácido concentrado a altas temperaturas e, consequentemente, de custo elevado. A hidrólise enzimática é mais demorada, mas é conduzida em condições moderadas. Isso torna o processo de hidrólise enzimática mais atraente à indústria de bioenergia.

[008]-A hidrólise enzimática da celulose, usualmente processada com o complexo enzimático celulase, não é atualmente rentável e a melhoria deste processo é a alavanca para a implementação em larga escala da produção de combustível celulósico, de custo moderadamente compatível.

[009]-O tratamento com campo elétrico moderado, energia capacitiva, durante a hidrólise enzimática da celulose, em operação separada ou simultânea com fermentação, é a abordagem técnica para aumentar a conversão de celulose em açúcares.

[010]-O processamento refere-se à aplicação controlada de um campo elétrico ou da modulação de energia capacitiva fornecida ao sistema em reação, com o objetivo de melhorar os processos bioquímicos e enzimáticos. Campos elétricos moderados podem melhorar a transferência de massa, aumentando a mobilidade de moléculas carregadas através da aplicação de forças eletrostáticas. Nos materiais celulares, o processamento resulta no aumento da permeabilidade da membrana lipídica das células. Com o aumento dessa permeabilidade reduz-se a resistência à transferência de massa através das membranas celulares.

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4/9 [011]-O uso de tratamentos com energia capacitiva para melhorar a hidrólise enzimática é uma abordagem inovadora que pode aliviar as relações de custos e receitas e estimular a implementação de tecnologias de fermentação celulósica.

[012]-Nessa etapa produtiva, hidrólise da celulose, aplicam-se sistemas de energia capacitiva, especialmente concebidos e desenhados para as condições operacionais compreendidas pelo processo.

Atuando como aceleradores e/ou atenuadores do processo objeto, esses acumuladores energéticos atuam sobre o sistema químico e bioquímico, conferindo energia adicional à manifestação das transformações físico-químicas da mistura em processo. Essas aplicações podem ser feitas em processos de regime de produção na condição de batelada, semi-contínua e contínua, empregando-se o complexo enzimático celulase ou diferentes tipos de enzimas e suas eventuais combinações, ditos coquetéis.

[013]-Na aplicação do processo simultâneo a energia capacitiva é aplicada com vistas a prever as melhores condições energéticas para as ocorrências simultâneas de sacarificação e fermentação, onde o evento de sacarificação possa ser energeticamente compatível com a demandada na fermentação, mantendo as condições de melhor atividade para os microrganismos fermentativos.

[014]-Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos para melhorar a produtividade do processo de produção de etanol a partir de bagaço e palha de cana-deaçúcar, sendo que tais esforços têm estado circunscritos a

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5/9 melhorias nas atividades próprias de enzimas e mesmo na composição de coquetéis enzimáticos. O presente processo ora aperfeiçoado, no entanto, é inovador e busca a maximização mássica e cinética da conversão hidrolítica da celulose, empregando energia capacitiva na função catalítica da atividade enzimática em conjunção com comportamento induzido à membrana celular das fibras celulósicas.

[015]-Observando as condições do estado da técnica e as limitações para se obter alto rendimento e produtividade, foi desenvolvido um aperfeiçoamento compreendido pela aplicação de energia capacitiva na etapa de hidrólise da celulose, caracterizando-se na obtenção do mosto de fermentação para a produção de etanol a partir do bagaço e palha de cana-de-açúcar. A maximização e aceleração na produção seletiva de açúcares fermentáveis pela ação da hidrólise enzimática combinada e catalisada pela energia capacitiva entregue à mistura em processo para a produção do mosto.

[016]-A presente invenção, se refere a um aperfeiçoamento em processo de produção de etanol a partir de bagaço e palha de cana-de-açúcar que acarreta no aumento de produção e de produtividade. Esse aperfeiçoamento está compreendido na etapa de hidrólise da celulose empregando energia capacitiva na função catalítica da atividade enzimática em conjunção com comportamento induzido à membrana celular das fibras celulósicas.

[017]-Essa energia capacitiva atua como acelerador e/ou atenuador do processo de produção de mosto, objeto da presente invenção, sendo que esses capacitores

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6/9 energéticos atuam sobre o sistema químico e bioquímico, conferindo energia adicional à manifestação das transformações físico-químicas e bioquímicas da mistura em processo.

[018]-As reações de fermentação também são objetos de aplicação de energia capacitiva, com o foco do aumento do rendimento fermentativo. A energia capacitiva a ser entregue ao sistema fermentativo é, semelhantemente ao processo de sacarificação, calculada em função das quantidades de produção, das condições operacionais como temperatura e pH, além dos níveis energéticos mais adequados ao sistema na condição simultânea.

[019]-Nessa etapa do processo de produção do etanol a partir de celulose, também conhecido como etanol celulósico, os capacitores energéticos, também entendidos como conversores energéticos, necessariamente devem portar condições operacionais e construtivas diferenciadas, com relação aos objetivos funcionais e características da mistura que qualificam o meio. Para a eficácia de suas funcionalidades, no processo em separado, esses conversores são capazes de fornecer ao meio em reações a energia capacitiva por metro cúbico do conversor de 20J/h.m³ a 1.500KJ/h.m³ e, mais tipicamente, de 2,5KJ/h.m³ a 1.000KJ/h.m³, energia essa transferida a reações redox nessa etapa do processo produtivo. Esses valores são monitorados e adequados, automaticamente, ao respectivo conversor, mantendo em níveis especificamente adequados ao processo sobre o qual atua.

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7/9 [020]-Para o processo na condição simultânea, a energia capacitiva deve ser entregue na faixa de 100J/h.m³ a 2.000KJ/h.m³ e, mais tipicamente, de 0,5KJ/h.m³ a 1.500KJ/h.m³.

[021]-A presente invenção é constituída por aperfeiçoamento no processo de produção de etanol celulósico com benefícios na maximização de obtenção de açúcares desejados ao mosto e redução no tempo de preparo do mesmo. A energia capacitiva, entregue ao sistema em reação, atua cataliticamente na hidrólise dos polissacarídeos, maximizando a formação de açúcares, fermentáveis e não fermentáveis, e reduzindo o tempo de hidrólise com a consequente redução do tempo de sacarificação, impactando na produtividade dessa fase. A redução desse tempo é função das características envolvidas pelas qualidades e propriedades desejadas para o mosto final que será levado à fermentação.

[022]-Uma realização preferida, a presente invenção tem como elemento novo e inovador nesse processo de produção de etanol a partir de celulose a utilização de conversores de energia capacitiva que atuam na etapa de hidrólise, sendo dito conversor de energia constituído por

unidades	capacitivas,	ou capacitores,	que são	imersos no
interior	dos	reatores	ou vasos onde	se dá	a hidrólise
enzimática da	celulose.
		[023]-Na	condição de	processo	simultâneo,

sacarificação com fermentação, a invenção porta as mesmas qualidades inventivas, sendo algo novo e inovador. Nesse caso as duas etapas, que ocorrem simultaneamente, usufruem dos mesmos benefícios na assimilação da energia capacitiva.

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Assim, tem-se a maximização na produção de açúcares, na etapa de sacarificação, e a maximização na produção de etanol, com maior eficiência do processo fermentativo.

[024]-Esses capacitores são constituídos por armaduras especialmente projetadas e construídas com materiais e geometrias adequadas à etapa de fabricação e às características dos vasos do processo produtivo, como forma, volume, diâmetro interno e altura. Os materiais empregados na construção das armaduras podem ser, por exemplo, de aço inoxidável austenítico ou titânio (Ti) ou outros metais condutores, com aplicação e acabamento adequado ao processo. Parcialmente, as armaduras dos capacitores podem, ainda, ser revestidos com materiais eletricamente isolantes ou não.

[025]-Assim, o controle e regulação da energia capacitiva empregada nessa etapa do processo tem uma importância significativa no controle do processo produtivo, pois é esse controle que determina algumas características do produto a ser obtido (mosto para fermentação e metabólitos finais).

[026]-Esse controle objetiva a maximização de energia capacitiva transferida ao sistema em processamento, garantindo a eficácia da etapa produtiva. Sensores de pH, temperatura, oxigênio dissolvido, teor em sólidos solúveis, condutividade elétrica, tensão e corrente elétrica são utilizados e atuam diretamente nos conversores de energia. O processamento dos dados obtidos por esses sensores atuam sobre a energia capacitiva transferida ao conversor, pelo ajuste automático dos níveis de tensão elétrica aplicadas às

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9/9 armaduras, capacitiva realização adequações se fuja do concomitantemente com ajustes nas características dos mesmos.

[027]-Apesar de ter sido descrita uma preferida para a presente invenção, alterações e no processo são possíveis e realizáveis sem que escopo da presente invenção.

Claims (8)

1. Reivindicações

   1- APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, caracterizado pelo fato da mistura em processamento estar submetida a, pelo menos, uma intervenção de energia capacitiva, de forma contínua ou intermitente, que é entregue ao sistema em reação.
2. 2- APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita energia capacitiva atuar cataliticamente na hidrólise dos polissacarídeos, maximizando a formação de açúcares, fermentáveis e não fermentáveis, e reduzindo tempo de hidrólise com a consequente redução do tempo de sacarificação, impactando na produtividade dessa fase.
3. 3-APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE

   DE

   CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com reivindicação 2, caracterizado pelo fato da energia capacitiva por metro cúbico do conversor ser de 20J/h.m³ a 1.500KJ/h.m³.
4. 4-APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE

   CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato da energia capacitiva por metro cúbico do conversor ser, mais tipicamente, de 2,5KJ/h.m³ a 1.000KJ/h.m³, energia essa transferida a reações redox nesta fase do processo.
5. 5-APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do conversor capacitivo estar imersos no interior dos reatores ou vasos onde se dá a hidrólise enzimática da celulose.

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6. 6-APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE

   CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do conversor capacitivo possuir, alternativa e parcialmente, suas armaduras eletricamente isoladas.
7. 7- APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação de 1 a 6, caracterizado pelo fato de sensores de pH, temperatura, oxigênio dissolvido, teor em sólidos solúveis, condutividade elétrica, tensão e corrente elétrica serem utilizados e atuarem diretamente nos conversores de energia capacitiva os quais tem seus valores energéticos monitorados e adequados, automaticamente, mantendo em níveis especificamente adequados ao processo sobre o qual atua.
8. 8- APERFEIÇOAMENTO EM PROCESSO DE HIDRÓLISE DE CELULOSE NA INDÚSTRIA ALCOOLEIRA”, de acordo com a reivindicação de 7, caracterizado pelo fato da sacarificação ser processada de forma simultânea, ou seja, sacarificação com fermentação; sendo as duas etapas, que ocorrem simultaneamente, usufruem dos mesmos benefícios na assimilação da energia capacitiva.