BR112012007929B1

BR112012007929B1 - Processo para produção de álcool, potência e polpa a partir de biomassa e processo para produção de álcool a partir de biomassa

Info

Publication number: BR112012007929B1
Application number: BR112012007929-8A
Authority: BR
Inventors: Theodora Retsina; Vesa Pylkkanen
Original assignee: American Process, Inc.
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2021-04-27
Also published as: US20130283795A1; US20120208250A1; BR112012007929A2; US8518213B2; WO2011044320A1

Abstract

método para a produção de álcool e outros bioprodutos de extrato de biomassa lenhosa de caldeira de potência trata-se de um método para a produção de álcool e outros bioprodutos de extratos de biomassa lenhosa de caldeira de potência que contém hemiceluloses, com ou sem a combinação de extrato de madeira antes do cozimento kraft. o processo é integrado ao processo de instalação de moinho de polpa kraft de hospedagem para minimizar a perda de calor da extração de hemicelulose e a energia utilizada no processo.

Description

DESCRIÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se, em geral, ao processo de extração e tratamento de extratos de biomassa antes de uma caldeira de biomassa, potencialmente combinados com extrato de biomassa antes do processo Kraft, e tratamento deste extrato para produção de álcool e outros bioprodutos em um moinho de polpa Kraft.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[002] Um entendimento mais completo da presente invenção pode ser obtido por referência à descrição detalhada a seguir quando lida em conjunto com os desenhos anexos em que:

[003] A Figura 1 ilustra um exemplo de fluxograma conceitual do processo da invenção.

[004] A Figura 2 ilustra uma disposição geral típica das operações de unidade para extrato derivado de biomassa misturada por explosão de vapor d’água antes de um combustor de instalação de potência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[005] A geração de potência renovável de resíduos florestais é comumente praticada nas indústrias de produtos florestais. A indústria de produtos florestais dos E.U.A. consumiu 27,1 milhões de toneladas de biomassa derivada de madeira, conhecido como combustível de alto consumo (hog fuel), na geração de vapor d’água. Por comparação, a indústria de geração de potência utilizou 11,9 milhões de toneladas de biomassa, dos quais 80% são derivados de madeira. A expectativa é que o consumo de biomassa na geração de potência dobre a cada 10 anos até 2030.

[006] Os principais componentes de madeira são lignina, hemiceluloses e celulose. O processo de explosão de vapor d’água dissolve predominantemente hemiceluloses em temperaturas acima de 160 °C. A fração de hemiceluloses removida neste processo é designada "extrato". Uma concentração do extrato através de evaporação é intensiva de energia, embora seja atualmente praticada para produzir melados.

[007] A pesquisa anterior indica que o etanol, o ácido acético e seus subprodutos podem ser derivados do extrato de madeira. Especialmente, a madeira dura produz um extrato rico em ácido acético e açúcares conforme ensinado por Amidon et al. em (Pedido de Patente No U.S. 2007/0079944 A1, 12 de abril de 2007).

[008] Os atuais inventores, Retsina; et al. (Número de Depósito de Patente U.S. 61175588) descreveram anteriormente um processo de extração de vapor d’água e hidrólise, em que um produto de acetato alcalino é concentrado em membrana de osmose reversa de condensado de evaporador. O permeado limpo é ainda reciclado para o moinho de hospedagem para alcançar operação de efluente zero. Além do mais, os atuais inventores Retsina; et al. (Pedido de Patente No U.S. 61219764) descreveram a integração de processo do calor de refugo com a água de alimentação de caldeira de potência de têmpera.

[009] Os atuais inventores verificaram um método alternativo para produzir, álcool fermentado, butanol ou etanol, a partir de extração de biomassa com a utilização de explosão de vapor d’água, seguida de evaporação por recompressão de vapor, hidrólise de ácido, fermentação e destilação. Os presentes inventores desenvolveram agora um processo, em que as hemiceluloses no extrato de biomassa de instalação de potência podem ser convertidas em produtos químicos em um processo de energia eficiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[010] A presente invenção descreve um processo para a produção de álcool e outros bioprodutos do extrato de biomassa de caldeira de potência, combinado ou não, com extrato do pré-tratamento de lascas de madeira antes da digestão do processo Kraft. O tratamento de hemiceluloses no extrato através de etapas de destilação, hidrólise, evaporação e fermentação é utilizado para recuperar e concentrar os produtos de acetato e álcool. O processo é integrado à instalação de hospedagem para reutilizar a água e para minimizar o consumo de água e energia do processo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[011] A primeira etapa do processo é a extração de biomassa. A biomassa lenhosa é carregada em uma batelada ou receptáculo de reator contínuo junto com vapor d’água e aquecida entre 5 e 30 atmosferas de pressão por 2 ou mais minutos para obter de 10 a 30% de madeira como sólidos dissolvidos. Em uma manifestação, este extrato é combinado com extrato do digestor de moinho Kraft. No digestor de moinho Kraft, um primeiro estágio de extração de vapor d’água é colocado em prática antes do cozimento Kraft.

[012] A segunda etapa do processo é a lavagem da biomassa. A biomassa aquecida é lavada com água quente ou condensado e drenada para recuperar os componentes de madeira dissolvidos. O filtrado de lavagem contém os dissolvidos xilana, glucano, manana, arbinan, galactano e grupos acetila em oligômeros de hemiceluloses assim como lignina. O filtrado de lavagem tem concentração de sólidos orgânicos baixos entre 1% e 15%. A maior parte da água deve ser removida antes de um tratamento econômico de hemiceluloses ser possível.

[013] A terceira etapa do processo é compactação da biomassa. A biomassa de sólido remanescente é submetida à pressão mecânica através de um alimentador de rosca de tampão. Esta compactação remove a água da biomassa para uniformizar a umidade de 60% ou menos, que é semelhante à biomassa entregue da floresta.

[014] A quarta etapa do processo é a evaporação de sólidos baixos. A evaporação do filtrado de lavagem ou extrato que utiliza recompressão de vapor mecânica é adequada para concentração de sólidos baixos até cerca de 25%, porque a elevação de ponto de ebulição é pequena. O vapor evaporado é comprimido e condensado no lado quente do evaporador para produzir mais evaporação. Se a concentração de alimento do filtrado de lavagem ou extrato é maior do que 5%, esta etapa pode ser omitida. Quando o pH é mantido abaixo do ponto de dissociação de ácido acético em 4,8, o ácido acético, um inibidor de fermentação, é volatilizado para fração de vapor.

[015] A quinta etapa do processo é hidrólise. Ácido sulfúrico ou enzimas podem ser utilizados para hidrolisar os açúcares, que foram concentrados no evaporador de sólidos baixos. As hemiceluloses oligoméricas são convertidas em açúcares de monômeros e grupos acetila são liberados. O pH do hidrolisado é controlado após a hidrólise para manter o ácido acético na forma não associada. A hidrólise pode ser realizada em bateladas ou modo contínuo. Como uma opção no final desta etapa, o pH pode ser ajustado com cal ou outro produto químico e quaisquer sólidos precipitados podem ser lavados e tratados separadamente.

[016] A sexta etapa do processo é evaporação pós-hidrólise. A evaporação que utiliza recompressão de vapor mecânico é realizada para concentrar o hidrolisado para 15% a 35% de sólidos. Mais do ácido acético e da água remanescentes é evaporado nesta etapa. Sob os critérios econômicos apropriados, esta etapa poderia ser feita com a evaporação de vapor d’água.

[017] A sétima etapa do processo é a fermentação de açúcares de madeira. Os açúcares no hidrolisado evaporado são fermentados em tanques contínuos ou de batelada com um ou mais micro-organismos capazes de converter açúcares de cinco e seis carbonos em álcool e dióxido de carbono. A maior parte do ácido acético, que pode inibir a fermentação, foi removida na etapa de evaporação anterior. Um pouco de ácido acético adicional pode ser formado nas etapas de fermentação. Produtos químicos de ajuste de pH e nutrientes, assim como a constituição de organismo fermentativo, são adicionados aos fermentadores conforme e se necessário. O dióxido de carbono é removido dos fermentadores e esfregado com água fria para recuperação de álcool. Este gás purificado pode ser ainda comprimido e vendido como dióxido de carbono de classe industrial. O caldo de fermentação, comumente designado "cerveja", da etapa de fermentação é enviado para uma coluna de destilação.

[018] A oitava etapa do processo é a destilação de álcool. A cerveja dos processos de fermentação é enviada para uma coluna de destilação para separar o álcool dos sólidos e açúcares residuais. O álcool que sai como corrente de topo da coluna de destilação é recuperado em aproximadamente 50% em massa de força. A concentração final do produto de álcool é realizada em uma coluna retificadora e peneira molecular para obter mais de 99% em massa de álcool. Em uma manifestação, a coluna de cerveja é integrada no trem de evaporador de múltiplos efeitos de moinho Kraft existente de modo que funciona como um efeito e auxilia a si mesma da economia de múltiplos efeitos do evaporador Kraft.

[019] A nona etapa do processo é a concentração de sólidos do estrado. Os sólidos, comumente designados estrado, do fundo de coluna de cerveja de destilação podem ser ainda evaporados em um concentrador de vapor mecânico opcional para alcançar a operação de descarga de líquido zero. A lama concentrada pode ser queimada em uma caldeira de biomassa para aumentar a geração de vapor d’água. De modo alternativo, esta concentração pode acontecer mediante a injeção das sedimentações de destilação no licor negro fraco do moinho Kraft existente, de modo que a mesma é evaporada com a utilização de economia de múltiplos efeitos no evaporador Kraft existente.

[020] A décima etapa do processo é a combustão de biomassa. A biomassa compactada da terceira etapa e os sólidos concentrados da nona etapa são alimentados a uma unidade de combustão de biomassa tradicional. O calor de combustão é utilizado para elevar o vapor d’água, que aciona uma turbina de vapor d’água para gerar eletricidade, ou o vapor d’água pode ser utilizado para o processo.

[021] Em uma manifestação da invenção, a hidrólise e fermentação (sétima e décima etapas) podem ser combinadas em uma etapa mediante a utilização de um micro-organismo de propriedade de terceiros.

Claims

1. PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL, POTÊNCIA E POLPA A PARTIR DE BIOMASSA, caracterizado por compreender: a. Obtenção de um primeiro extrato de biomassa utilizando vapor ou água quente para gerar um primeiro hidrolisado líquido e uma primeira corrente de sólidos remanescentes; b. Obtenção de um segundo extrato a partir de biomassa em forma de lascas, utilizando vapor em um digestor de Kraft para gerar uma segunda corrente de hidrolisado líquido e uma segunda corrente de sólidos remanescentes; c. Combinar o primeiro hidrolisado líquido com o segundo hidrolisado líquido para formar um hidrolisado combinado; d. Realizar uma primeira evaporação do hidrolisado combinado; e. Realizar a hidrolise do dito hidrolisado combinado utilizando ácido ou enzimas para converter oligômeros de hemicelulose em monômeros de açúcar; f. Realizar evaporação do hidrolisado obtido na etapa (e); g. Fermentar os monômeros de açúcar para produzir álcool; h. Fazer a combustão de dos primeiros sólidos remanescentes para produzir potência; e i. Fazer polpação dos segundos sólidos remanescentes para produzir polpa.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo primeiro e pelo segundo extratos de biomassa serem ambos de madeira.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender desidratação dos primeiros sólidos remanescentes para gerar sólidos desidratados que compreendem umidade de 60% ou menos.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo hidrolisado combinado ser mantido em pH inferior a 4.8 para volatilizar o ácido acético durante a dita evaporação.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito hidrolisado combinado ser mantido em pH inferior a 4.7 para volatilizar o ácido acético durante a dita evaporação.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito álcool ser etanol.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito álcool ser butanol.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela produção e purificação do dito álcool ser integrada com uma hospedagem de moinho Kraft que inclui o dito digestor Kraft para minimizar perda de calor e uso de energia.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um evaporador de múltiplos efeitos ser integrado com uma coluna de destilação de álcool para purificar o dito álcool.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo evaporador de múltiplos efeitos ser localizado em um moinho de hospedagem Kraft que inclui um digestor Kraft.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo dito processo compreender a injeção das sedimentações de fundo das colunas de destilação em um licor negro fraco do moinho Kraft que inclui o dito digestor de Kraft, para concentrar os ditos fundos de coluna de destilação.

12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a combinação do concentrado do fundo de coluna de destilação com a primeira corrente de sólidos dissolvido anterior à dita combustão.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (f) produzir uma corrente de vapor adequada para que uma turbina gere eletricidade e onde a corrente de vapor (f) é reciclada para a etapa (b) e/ou etapa (d).

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender a recuperação de um produto derivado de acetato a partir de ácido acético.

15. PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE ÁLCOOL A PARTIR DE BIOMASSA, caracterizado por compreender: a. Extrair a biomassa com vapor ou água quente para gerar um primeiro hidrolisado líquido e uma primeira corrente de sólidos remanescentes; b. Extrair lascas de madeira utilizando vapor em um digestor para gerar um segundo hidrolisado líquido e uma segunda corrente de sólidos remanescentes; c. Combinar o primeiro hidrolisado líquido com o segundo hidrolisado líquido para gerar um hidrolisado combinado; d. Hidrolisar o hidrolisado combinado utilizando ácido ou enzimas para converter oligômeros de hemicelulose em monômeros de açúcar; e e. Fermentar os monômeros de açúcar para produzir álcool.

16. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito álcool ser etanol ou butanol.

17. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito processo compreender a desidratação e combustão da primeira corrente de sólidos remanescentes para produzir eletricidade.

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito processo compreender a polpação Kraft da segunda corrente de sólidos remanescentes para produzir polpa Kraft.