BR112012010997B1

BR112012010997B1 - Método para recuperação e purificação de líquidos iônicos usados para pré-tratamento de biomassa a partir da água

Info

Publication number: BR112012010997B1
Application number: BR112012010997-9A
Authority: BR
Inventors: Glenn Lipscomb; Sasidhar Varanasi
Original assignee: The University Of Toledo
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2020-03-17
Also published as: EP2499296A1; AU2010314821A1; EP2499296A4; EP2499296B1; US20120298584A1; BR112012010997A2; WO2011057293A1

Abstract

recuperação e purificação de líquido em processo de pré-tratamento de biomassa. a presente invenção refere-se a um processo para recuperar os líquidos usados em pré-tratamento de biomassa para a produção de biocombustíveis e outros produtos à base de biomassa. recuperação e purificação de líquido minimizam a produção de refugo e aumentam a rentabilidade do processo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA RECUPERAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE LÍQUIDOS IÔNICOS USADOS PARA PRÉ-TRATAMENTO DE BIOMASSA A PARTIR DA ÁGUA". Sumário da Invenção A invenção refere-se a um processo para recuperar os líquidos usados no pré-tratamento de biomassa para a produção de biocombustíveis e outros produtos à base de biomassa. A recuperação e purificação de líquido minimizam a produção de refugo e aumentam a rentabilidade do processo.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas É descrito aqui um processo para recuperar e purificar os líquidos usados para pré-tratamento de biomassa. O pré-tratamento é crítico para aumentar velocidades de sacarificação antes da conversão de açúcar em bioprodutos.

Uma ampla faixa de materiais foi utilizada para pré-tratamento, incluindo ácidos (por exemplo, ácido sulfúrico), amônia, dióxido de carbono, solventes orgânicos e líquidos iônicos. O pré-tratamento abre o complexo, estrutura recalcitrante de materiais lignocelulósicos removendo as camadas de lignina e hemicelulose que circundam o núcleo celulósico cristalino. O pré-tratamento também abre a estrutura de celulose cristalina. Após pré-tratamento, ocorre sacarificação enzimática em velocidades dramaticamente superiores, o que reduz tempos de processamento e tamanhos de equipamento.

Para alcançar as metas de produção de bioetanol, grandes quantidades de biomassa devem ser processadas. Isso irá requerer grandes volumes de substâncias químicas de pré-tratamento. Economias de processo requerem atenção especial para a recuperação e descarte desses materiais. De maneira ideal, substâncias químicas de pré-tratamento seriam recuperadas, purificadas e recicladas, assim evitando descarte de refugo. Adicionalmente, água é usada como um solvente em todo o processo. O uso de água é maior do que o uso de substâncias químicas de pré-tratamento, então processos que permitem a reciclagem de água são igualmente desejá- veis. Líquidos iônicos (ILs) oferecem um solvente rápido e eficiente para o pré-tratamento de biomassa para sacarificação. ILs exemplares podem ser encontrados, por exemplo, na Publicação do Pedido de Patente US n° 20090011473 de Varanasi et al. Os ILs podem ser classificados com base na estrutura dos cátions ou ânions. Muitos desses ILs são eficazes no pré-tratamento de biomassa. A recuperação e reciclagem de substâncias químicas de pré-tratamento e água irão exigir processos que podem remover matéria particu-lada insolúvel e misturas líquidas separadas de espécies neutras com uma ampla faixa de polaridades. Processos de separação de membrana podem ser usados eficazmente para essas separações e em combinação oferecem o potencial para reciclagem de água e substâncias químicas de pré-tratamento. O processo proposto que incorpora tecnologia de membrana é descrito a seguir.

Remoção de Particulado A filtragem de membrana pode ser usada para remover matéria particulada que varam de tamanho de mícrons a nanômetros. Processos de microfiltragem, ultrafiltragem e nanofiltragem removem material menor de maneira progressiva. Uma combinação desses processos pode ser usada para remover matéria particulada suspensa de correntes de processos gastos para purificação e reciclagem adicionais.

Alternativamente, processos de eletrodiálise permitem a remoção de matéria particulada de substâncias químicas de pré-tratamento iôni-cas como ILs. As espécies iônicas passam através de uma série de membranas de troca catiônica e aniônica sob a influência de um potencial elétrico aplicado. Em comparação à filtragem de membrana, a eletrodiálise pode permitir a recuperação de um percentual maior das substâncias químicas, conforme demonstrado.

Separações de Líquidos As substâncias químicas de pré-tratamento comumente são misturadas com outros solventes no processo de pré-tratamento. Água é usada principalmente como o solvente durante o processo de pré-tratamento, porém outros fluidos podem ser usados, incluindo álcoois de baixo peso molecular.

Processos térmicos que separam fluidos com base em diferenças de pressão de vapor de equilíbrio são usados amplamente na indústria de processo químico. A destilação separa de maneira eficaz espécies com grandes diferenças em pressão de vapor. No entanto, ela é menos eficaz para misturas de espécies com pequena diferença em pontos de ebulição, formam azeótropos ou mostram comportamento de solução altamente não ideal.

Para essas misturas, processos de separação de membrana com base em diferenças de potencial químico oferecem vantagens únicas. A membrana permeia de maneira seletiva uma das espécies para aumentar sua concentração no permeado. Processos de membrana não são limitados por comportamento de equilíbrio e podem ser acionados usando-se um direcionamento que aumenta a força motriz de potencial químico para transporte através da membrana. Módulos de membrana são concebidos para proporcionar contato eficiente entre a alimentação e o direcionamento.

Osmose reversa pode ser usada para concentrar substâncias químicas de pré-tratamento seletivamente permeando água ou outros solventes. Por exemplo, membranas de osmose reversa possuem um poro e estrutura química que inibem o transporte de íons IL em relação ao solvente. No entanto, o trabalho inicial indica que membranas de osmose reversa não são suficientemente seletivas ao solvente para permitir altos níveis de recuperação de IL. A desidratação de membrana é uma alternativa para a recuperação de substâncias químicas de pré-tratamento. Em processos de desidratação de membrana, um direcionamento contata uma alimentação líquida a-través de uma membrana. A membrana permite transporte seletivo de um componente da mistura líquida para o direcionamento. A desidratação de membrana é um processo atrativo para a recuperação de IL a partir de misturas com água ou outros solventes de pro cesso, visto que ILs são não voláteis e não podem ser removidos por vapori-zação para o direcionamento. Experimentos usando misturas aquosas de IL confirma isso.

Dados obtidos para remoção de água usando uma membrana AG RO Osmonics com uma alimentação de líquido de 30 ml/min e uma velocidade de alimentação de direcionamento de ar de 15 L/min a uma temperatura de 40 °C são dados na Tabela 1. Os dados são apresentados como velocidade de remoção de água como uma função da concentração de IL.

Tabela 1 O fluxo de água cai a quase zero a uma concentração de IL de ~81%. Essa limitação surge do uso de ar comprimido que não foi desumidificado. A presença de vapor de água no direcionamento de ar inibe o transporte de água através da membrana.

Para remover vapor de água, uma membrana de desidratação de ar comercial foi inserida na linha entre o fornecimento de ar comprimido e o módulo de membrana usado para desidratação de IL. Velocidades de remoção de água medidas como uma função da concentração de IL são relatadas na Tabela 2 para as mesmas condições de operação como usadas para obter os dados na Tabela 1. No entanto, os dados na Tabela 2 foram obtidos usando uma membrana AK RO Osmonics em vez de uma membrana AG.

Tabela 2 A desidratação da alimentação de ar comprimido aumenta a concentração de IL máxima alcançável a ~86%.

Para ainda concentrar o IL, a velocidade de fluxo de ar comprimido através do módulo de desidratação de ar foi reduzida. Reduzindo velocidade taxa de fluxo, diminui a concentração de água do ar seco que deixa o módulo. Dados obtidos para uma velocidade de fluxo de ar de 6 L/min são dados na Tabela 3. Todas as outras condições experimentais são as mesmas como para os dados na Tabela 2.

Tabela 3 A concentração de IL máxima aumentou ligeiramente para -88%.

Para as misturas viscosas de IL-água, a concentração de água no líquido adjacente à membrana pode diminuir de modo significante devido à polarização de concentração. Aumentar a velocidade de fluxo de líquido reduz a polarização de concentração e aumenta aa concentração de água na superfície da membrana que aciona o transporte através da membrana. A Tabela 4 indica como velocidades de remoção de água dependem da concentração de IL quando a velocidade de fluxo de líquido é aumentada para 60 ml/min; todas as outras condições experimentais são idênticas àquelas usadas para obter os dados na Tabela 2.

Tabela 4 Aumentar a velocidade de fluxo de líquido aumenta a concentração de IL máxima para -97%. A otimização de velocidades de fluxo de líquido e gás pode aumentar ainda mais os fluxos de água. Não foi verificada nenhuma evidência para permeação de IL através da membrana de desidratação mediante exame das membranas após os experimentos de desidratação.

Qualquer gás não condensável pode ser usado como esse direcionamento. Por exemplo, hélio, nitrogênio e argônio podem ser usados. A escolha de direcionamento irá depender da economia do processo.

Membranas para os processos descritos aqui podem ser produzidas em folha plana, tubular ou formas de fibra oca. As membranas podem ser formadas de materiais orgânicos ou inorgânicos que proporcionam as características de separação necessárias e são estáveis no ambiente quími co e térmico do processo. A incorporação das membranas em módulos enrolados em espiral ou de fibra oca permite contato eficaz com correntes de processo.

Determinados ensinamentos relacionados à recuperação e purificação de líquido em processos de pré-tratamento de biomassa foram descritos no pedido de patente provisório U.S. n° 61/259,537, depositado em 09 de novembro de 2009, cuja descrição é aqui incorporada por referência em sua totalidade.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Método para recuperação e purificação de líquidos iônicos usados para pré-tratamento de biomassa a partir da água, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a. remoção de matéria particulada de uma corrente de processo gasto de um processo de pré-tratamento de biomassa por filtragem de membrana; e b. separação de líquidos iônicos presentes na corrente de processo gasto de um processo de pré-tratamento de biomassa a partir da água por desidratação da membrana.

2. Método para recuperação e purificação de líquidos iônicos usados para pré-tratamento de biomassa a partir da água, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a. remoção de matéria particulada de uma corrente de processo gasto de um processo de pré-tratamento de biomassa por eletrodiálise; e b. separação de líquidos iônicos presentes na corrente de processo gasto de um processo de pré-tratamento de biomassa a partir da água por desidratação da membrana.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita filtragem de membrana compreende microfiltragem, ultrafil-tragem ou nanofiltragem, ou qualquer combinação de quaisquer dois ou todos os três desses processos.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a dita desidratação de membrana é realizada com um gás não condensável.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito gás não condensável compreende hélio, nitrogênio ou ar-gônio.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a membrana usada para realizar a dita filtragem de membrana é uma folha plana, tubular ou uma forma de fibra oca.

7. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a membrana usada para realizar a dita eletrodiálise é uma folha plana, tubular ou forma de fibra oca.