BR112012015504B1 - Método para fazer um produto químico alvo por pré-tratamento de um material ligno-celulósico e usina para produção do referido produto químico alvo - Google Patents

Método para fazer um produto químico alvo por pré-tratamento de um material ligno-celulósico e usina para produção do referido produto químico alvo Download PDF

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Magnus Hägglund
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Abstract

"pré-tratamento de material celulósico" um método de pré-tratamento de material celulósico antes de se fazer a hidrólise. o método compreende as etapas de: impregnar o material celulósico com um gás reativo solúvel em água, tal como dióxido de enxofre (so2) ou dióxido de carbono (co2), em uma câmara de impregnação para obter material impregnado; e aquecer o material impregnado para obter material pré-tratado, em que o material celulósico é comprimido imediatamente antes ou quando é transferido para a câmara de impregnação. um sistema correspondente também é previsto.

Description

MÉTODO PARA FAZER UM PRODUTO QUÍMICO ALVO POR PRÉTRATAMENTO DE UM MATERIAL LIGNO-CELULÓSICO E USINA PARA PRODUÇÃO DO REFERIDO PRODUTO QUÍMICO ALVO
Campo da invenção
Esta invenção refere-se ao campo de preparação de um alvo químico a partir de material celulósico
Antecedentes
Diversos produtos químicos (tais como etanol, butanol e ácido succínico) podem ser obtidos a partir de material 10 celulósico num processo que envolve a hidrólise do material celulósico para obter mono- e dissacarídeos, seguido pela conversão biológica dos sacarídeos no alvo químico.
Na etapa de hidrólise, enzimas ou ácidos minerais podem ser usados para hidrolisar os polissacarídeos da 15 celulose. Para que tais polissacarídeos se tornem mais accessíveis aos agentes hidrolíticos, o material celulósico pode ser pré-tratado. O pré-tratamento é particularmente importante quando o material celulósico é material lignocelulósico, pois a lignina da ligno-celulose protege os 20 polissacarídeos celulósicos contra a atividade hidrolítica.
Foram descritos diversos pré-tratamentos no estado da técnica anterior. A explosão a vapor, oxidação úmida e explosão de fibra de amônia são algumas das variantes 25 propostas. O tratamento alcalino é outra (ver, por exemplo, patentes WO09025547 e US5693296A). Diversos pré-tratamentos baseados em condições ácidas mais brandas também foram sugeridas.
Além disso, foram descritos diversos métodos baseados no tratamento mecânico do material celulósico.
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Resumo da invenção
Os inventores descobriram que a impregnação com um gás solúvel em água, que seja reativo por si ou quando dissolvido em água, seguido de aquecimento, é um método promissor para o pré-tratamento de material celulósico, tal como lasca de madeira lascas de madeira e biogás. Os inventores observaram, contudo, que tem sido dificil controlar e prever o resultado de tal pré-tratamento. Os inventores concluem que o grau de impregnação varia conforme a ocasião.
Dessa forma, um dos objetivos desta invenção propiciar a controlabilidade do pré-tratamento de material celulósico.
Faz-se uma relação discriminada de incorporações, apresentada para fornecer os diversos aspectos, características e combinações desta invenção.
Breve descrição das figuras
A Figura 1 mostra um sistema para pré-tratamento do material ligno-celulósico.
A Figura 2 é uma representação simplificada de um alimentador com tampão de rosca que pode ser usado no contexto desta descoberta.
A Figura 3 mostra a quantidade de SO2(g) (kg/h) (♦) adicionado no pré-tratamento de lascas de madeira e o pH () da pasta resultante antes (Fig. 3A) e depois (Fig. 3B) de ser usado um alimentador com tampão de rosca para transferir as lascas de madeira para a câmara de impregnação. Os dados representam períodos de cinco dias de pré-tratamento contínuo (o eixo-x mostra os dias).
Descrição detalhada
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Como um primeiro aspecto desta invenção, é assim fornecido um método de pré-tratamento de material celulósico antes da hidrólise, compreendendo as etapas:
a) impregnar o material celulósico com um gás reativo solúvel em água, tal como dióxido de enxofre (SO2) ou dióxido de carbono (CO2) , numa câmara de impregnação para obter material impregnado; e
b) aquecer o material impregnado para obter material pré- tratado, em que o material celulósico fica comprimido ao ser transferido para a câmara de impregnação.
Os inventores conceberam que compreenderam o material celulósico durante sua transferência para a câmara de impregnação resulta numa impregnação mais eficiente quando comparada à transferência do material celulósico sem compressão.
Sem se vincular a qualquer teoria cientifica especifica, os inventores acreditam que a compressão serve para controlar o conteúdo de matéria seca do material celulósico a ser impreqnado. Isto é, embora os conteúdos de matéria seca do material celulósico bruto possam variar num grau substancial ao longo do tempo (por exemplo, de uma estação para outra), os conteúdos de matéria seca do material comprimido variarão menos. Particularmente, os inventores acreditam que a compressão reduza a quantidade de umidade presente na superfície do material celulósico. Acredita-se que isso seja vantajoso, pois SO2 e CO2 gasosos são altamente solúveis em água e a umidade da superfície pode, dessa forma, evitar que SO2 ou CO2 gasoso penetrem no material celulósico (acredita-se que uma penetração eficiente é uma das maiores causas de uma impregnação
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4/22 eficiente).
Além disso, a compressão pode aumentar a área da superfície específica do material celulósico por esmagálo. Isso também pode facilitar a impregnação. Em 5 particular, a área da superfície específica de material celulósico relativamente seco, tal como espigas de milho, pode ser significativamente aumentado durante a compressão.
Além disso, e de novo sem se vincular a qualquer teoria científica específica, uma vez que o material 10 comprimido na maior parte dos casos se expandirá ao entrar na câmara de impregnação, acredita-se que o gás reativo solúvel em água (tal como SO2 ou CO2) na câmara de impregnação seja sugado ao material que se expande em alguma medida. Em outras palavras, a expansão pode 15 propiciar uma penetração eficiente.
O efeito benéfico da compressão sobre os resultados da impregnação é mostrado abaixo em Exemplos.
Além da previsibilidade aumentada, esta invenção pode propiciar também o menor consumo do gás reativo solúvel em 20 água.
De modo alternativo, o material celulósico pode ser comprimido logo antes de ser transferido para a câmara de impregnação, o que significa que em nenhuma etapa do processamento, o material celulósico é processado entre a 25 compressão e a transferência para a câmara de impregnação.
Em incorporações do primeiro aspecto desta invenção, o material celulósico pode assim ser comprimido em um grau tal que ele se expanda ao entrar na câmara de impregnação e/ou seu conteúdo de matéria seca aumenta.
Também, em incorporações do primeiro aspecto desta
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5/22 invenção, o material celulósico pode ser sujeito a uma pressão de pelo menos 5 bar, bem como, pelo menos 10 bar, bem como, pelo menos 30 bar durante a compressão.
Além disso, em incorporações alternativas ou complementares do primeiro aspecto desta invenção, a densidade bruta do material celulósico é aumentada em pelo menos 20 %, bem como, pelo menos 40%, bem como, pelo menos 60%, bem como, pelo menos 80%, bem como, pelo menos 100%. O aumento da densidade bruta pode variar consideravelmente entre diferentes materiais celulósicos e pode, por exemplo, depender da forma das peças individuais do material celulósico antes da compressão.
O conteúdo de matéria seca é a relação entre o peso do material quando completamente seco e o peso do material. Frequentemente, o conteúdo de matéria seca é expresso como percentagem de peso (%p.). O conteúdo de matéria seca de um material é, assim, uma medida da quantidade de componentes sem água no material.
Conforme explicado acima, o conteúdo de matéria seca do material celulósico pode ser aumentado durante a compressão. Em incorporações do primeiro aspecto, o material celulósico pode ser comprimido na medida em que o conteúdo de matéria seca é aumentado em pelo menos 5%, bem como, pelo menos 8%. Aqui, o aumento do conteúdo de matéria seca (DM) é calculado (DMapós a compressão DMantes da compressão ) /DMantes da compressão) . Muitos materiais lignocelulósicos têm um conteúdo de matéria seca de cerca de 50 %. Assim, se o DM for de 50% antes da compressão e 55 % depois da compressão, o aumento é de (55-50)/50 = 10 %. Normalmente, os materiais celulósicos de menor conteúdo de
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6/22 matérias secas are desidratados em maior escala durante a compressão do que material celulósicos de maior conteúdo de matéria secas.
conteúdo de matéria seca do material celulósico pode também ser usado para controlar a compressão. Em incorporações do primeiro aspecto desta invenção, o conteúdo de matéria seca de material celulósico pode, assim, ser medido e o grau de compressão do material celulósico transferido para a câmara de impregnação pode 10 ser adaptado em resposta ao conteúdo medido de matéria seca. Mesmo quando é possível medir o conteúdo de matéria seca do material celulósico antes da compressão, a medição é preferivelmente realizada em material celulósico que tenha sido tenha sido comprimido, tal como material 15 celulósico na câmara de impregnação.
O grau de compressão pode ser, por exemplo, aumentado se o conteúdo medido de matéria seca estiver abaixo de um primeiro valor de referência e diminuído se o conteúdo medido de matéria seca estiver acima de um segundo valor de 20 referência.
A medição e adaptação acima mencionadas de compressão podem fornecer propriedades mais estáveis do material a ser impregnado e, desse modo, ter um resultado mais previsível da impregnação.
A transferência e compressão do primeiro aspecto podem ser, por exemplo, obtidos por meio de um alimentador com tampão de rosca. Os alimentadores com tampão de roscas são discutidos abaixo com maiores detalhes..
Ao usar um alimentador com tampão de rosca, o grau de 30 compressão pode ser adaptado pelo ajuste da velocidade do
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7/22 alimentador com tampão de rosca; quanto menos a velocidade, maior a taxa de compressão.
Ademais, o alimentador com tampão de rosca pode compreender um pilar que fica colocado de modo a fracionar o plug de material comprimido que sai do alimentador com tampão de rosca. O pilar, que normalmente é ajustável, aplica uma pressão no plug. O grau de compressão pode assim ser adaptado pelo ajuste da pressão aplicada pelo pilar; quanto maior a pressão aplicada, maior a taxa de compressão. Para facilitar isso, a parte do pilar que está conectada ao plug pode ser disposta num pistão.
Para facilitar o fracionamento do plug, o pilar pode compreender uma ponta voltada para o plug. O desenho dessa ponta pode ser adaptado a um determinado material celulósico.
Exemplos de alimentadores cor ti tampão de rosca que
podem ser usados no contexto desta invenção são
apresentados nas patentes US 5996770 e WO 91/04371. Além
disso, existem alimentadores com tampão de rosca na
Andritz (tal como Impressafiner) e na Metso •
No contexto desta invenção, a gás reativo solúvel em
água refere-se a um gás que reage com um material celulósico, tal como um material ligno-celulósico, ou que se dissolve em água para formar uma solução que reage com o material celulósico. Nas incorporações preferidas, o gás reativo solúvel em água é CO2 ou SO2. No caso de CO2, SO2 ou de outros gases levemente ácidos, a solução em água compreende prótons reativos.
A impregnação do material celulósico com um gás reativo solúvel em água pode ser obtida pela adição de um
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8/22 gás reativo solúvel em água na câmara de impregnação. Isso pode assim fornecer uma quantidade controlada de gás a ser adicionado ao material celulósico. Além disso, o gás reativo solúvel em água pode, além disso, estar presente na 5 câmara de impregnação assim que o material celulósico entra na câmara de impregnação, o que propicia uma rápida e eficiente impregnação do material celulósico na câmara de impregnação.
método do primeiro aspecto pode ser continuo, o que significa que por um período de tempo, o material celulósico é continuamente transferido para a câmara de impregnação e material impregnado é continuamente transferido para o aquecimento. Além disso, material prétratado pode ser continuamente transferido a partir do 15 aquecimento.
No contexto desta invenção, as pressões nela definidas é a pressão absoluta na câmara de impregnação. Dessa forma, as pressões nela definidas em bar é pressão absoluta. A unidade bar seria, por essa razão, também expressa como 20 bara.
Os inventores mostraram que uma eficiente impregnação pode ser obtida sem aumentar a pressão na câmara de impregnação.
Em incorporações do primeiro aspecto desta invenção, a 25 pressão na câmara de impregnação pode assim ser de 0.5-15 bar, bem como 0.5-10 bar, bem como 0.5-5.0 bar, bem como 0.7-3.0 bar, bem como 0.8-1.5 bar. Como em outros exemplos, a pressão na câmara de impregnação pode ser 1.0-5.0 bar, bem como de 1.0-3.0 bar, bem como de 1.0-1.5 bar. Os 30 inventores além disso também perceberam que quanto maior a
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9/22 temperatura, a eficiência da impregnação pode ficar prejudicada, em particular no caso de impregnação de SO2, o que se deve provavelmente à volatilidade de SO2 (g) . Em incorporações do primeiro aspecto desta invenção, a temperatura de impregnação pode assim ser de 5 a 120 °C, bem como de 5 a 95 °C.
Nos Exemplos abaixo, mostra-se que as impregnações de SO2 produzem resultados satisfatórios. Os inventores acreditam que até mesmo as impregnações de SO2 podem ser mais eficientes, e que as impregnações com outros gases levemente ácidos, tal como CO2, também provavelmente funcionam. Numa incorporação preferida desta invenção, o material celulósico é, dessa forma, impregnado com SO2. Em outras incorporações, o material celulósico é impregnado com CO2. Existem, contudo, alguns benefícios no uso de CO2. Em primeiro lugar, CO2 é isento de enxofre, o que é vantajoso do ponto e vista ambiental. Em segundo lugar, CO2 pode ser obtido a partir da fermentação de material hidrolisado a jusante do pré-tratamento. CO2 é, por exemplo, produzido quando açúcares são fermentados para etanol usando-se levedura como agente de fermentação.
Em incorporações do primeiro aspecto, a pressão na câmara de impregnação is 0.5-15 bar, bem como 0.5-10 bar, bem como 0.5-5.0 bar, bem como 0.7-3.0 bar, bem como 0.81.5 bar quando se usa CO2. Os inventores descobriram que pressões dentro dessas faixas dão resultados satisfatórios quando se usa CO2.
Nos Exemplos abaixo, SO2 é adicionado na forma de gás. Além disso, a maior parte do SO2 na câmara de impregnação está na forma gasosa.
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Em incorporações do primeiro aspecto, a pressão na câmara de impregnação é de 0.5-10 bar, bem como de 0.5-5.0 bar, bem como 0.7-3.0 bar, bem como 0.8-1.5 bar, quando se usa SO2. Os inventores descobriram que pressões dentro dessas faixas dão resultados satisfatórios quando se usa SO2.
Em incorporações do primeiro aspecto, 0.1-10 % (p/p) de SO2 é adicionado por matéria seca adicionada de material celulósico. Consequentemente, quando 100 kg de material celulósico, calculado como matéria seca, são transferidos para a câmara de impregnação, 0.1-10 kg de SO2 pode ser adicionado ao mesmo. Em algumas incorporações, 0.25 - 2 % (p/p) de SO2 é adicionado à matéria seca adicionada de material celulósico.
O material celulósico desta invenção pode ser qualquer material que contenha celulose. Exemplos de tais materiais são: lixo municipal de papel, materiais de madeira, resíduos da agricultura e de colheitas. O material de madeira pode ser resíduos florestais, tais como lascas de madeira, serragem ou rejeitos de usinas de papel. O resíduo municipal de papel pode ser papel reciclado ou papelão.
Como exemplos, o material celulósico pode compreender materiais de ligno-celulose da agricultura, tal como, resíduos de milho ou frutos (palha, espigas).. Os resíduos de agricultura podem ser também palha de milho, fibra de milho, espigas de milho, palha de trigo, bagaço de cana, polpa de beterraba, palha de arroz ou palha de soja, e colheitas energéticas podem ser plantas de crescimento rápido ou gramíneas com talos.
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Quando se trabalha com material ligno-celulósico, um pré-tratamento eficiente é particularmente importante, pois a celulose e as fibras de hemi-celulose do material nativo de ligno-celulose estão fortemente associados com lignina, que torna-os menos acessíveis para hidrólise.
Conforme uma incorporação proferida, o material
celulósico desta invenção é, dessa forma, material ligno-
celulósico. 0 material ligno-celulósico pode ser
selecionado a partir do material de madeira, resíduos de
agricultura e colheitas energéticas, que estão discutidas
acima.
Nos exemplos abaixo, os inventores mostram as vantagens do método do primeiro aspecto com uso de lascas de madeira como material. Os inventores tem também usado o método do primeiro aspecto usando bagaço de cana de açúcar como material de partida.
O aquecimento da etapa b) é normalmente realizado sob pressão, tal como a pressão de 5-50 bar. O aquecimento pode ser realizado em uma ou mais etapas. O aquecimento normalmente é conseguido pela adição de vapor pressurizado.
O método do primeiro aspecto normalmente faz parte de um processo para fabricação de um produto químico alvo. Um processo desse pode envolver uma ou mais das seguintes etapas subsequentes ao pré-tratamento:
c) hidrólise do material pré-tratado para obter um hidrolisado;
d) fermentação do hidrolisado para obter um produto químico alvo que contenha caldo de fermentação;
e) separação do produto químico alvo para obter um produto químico alvo que contenha fração e uma fração
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12/22 residual;
f) tratamento anaeróbico da fração residual para obter biogás e uma fração de água residual.
Numa hidrólise, celulose e opcionalmente hemicelulose polissacarideos são degradado para sacarideos de cadeia mais curta, normalmente monossacarideos e/ou dissacarideos. A hidrólise da etapa c) pode ser, por exemplo, hidrólise enzimática, em que é usada a ação catalítica de uma ou mais enzimas. Alternativamente, a hidrólise da etapa c) pode ser hidrólise ácida, em que os polissacarideos estão submetidos a um menor pH, tal como um pH de 1-3. A hidrólise ácida é normalmente realizada sob temperatura e pressão elevados. A hidrólise ácida pode ser realizada em uma ou mais etapas. A pessoa versada na técnica pode sem qualquer esforço maior adaptar uma hidrólise ácida ou enzimática a um determinado contexto industrial.
No caso de hidrólise enzimática, o material prétratado (que normalmente está na forma de uma pasta) pode ser neutralizado pela adição de um agente de neutralização, tal como um sal de uma base (tal como, NaOH, Ca (OH) 2, Ca(CO3) ou hidróxido de amônia. O material pré-tratado pode ser, por exemplo, neutralizado para alcançar um pH de 4-7. A finalidade primária da neutralização é obter um pH sob o qual as enzimas operem bem, ou no caso de SSF, sob o qual as enzimas e o agente de fermentação opere bem (ver explicação de SSF abaixo). Diferentes enzimas e agentes de fermentação podem ter diferentes pH ótimos. Além disso, a temperatura do material pré-tratado pode ser ajustada antes da hidrólise ou SSF.
Na fermentação, os sacarideos de cadeia mais curta são
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13/22 convertidos no produto químico alvo por um ou mais agentes de fermentação, tal como levedura e/ou bactérias. Por exemplo, os agentes de fermentação podem compreender um primeiro agente capaz de converter hexoses para o produto químico alvo e um segundo agente capaz de converter pentoses no produto químico alvo. Também, o mesmo agente de fermentação pode ser capaz de converter tanto pentoses como hexoses em produtos químicos alvo.
Se a hidrólise for enzimática, a hidrólise e a fermentação podem ser realizadas simultaneamente, isto é, no mesmo vaso.
Tal processo é às vezes chamado de
Sacarificação Simultânea e Fermentação (SSF). A pessoa versada na técnica pode, sem maior esforço, adaptar uma fermentação ou um SSF a um determinado contexto industrial.
Um resíduo sólido que compreenda lignina pode ser obtido a partir de uma das etapas b)-f). Isto pode ser um produto valioso que pode ser usado como combustível, por exemplo, na produção de calor ou eletricidade.
O produto químico alvo desta invenção pode ser qualquer produto químico que possa ser produzido a partir de sacarídeos de cadeia curta por agentes de fermentação. Exemplos de tais produtos químicos são: etanol, butanol e ácido succínico.
O método do primeiro aspecto pode assim representar algumas das primeiras etapas num método para fabricação do produto químico alvo, tal como etanol a partir de celulose.
Nos processos de fabricação de etanol, os agentes de fermentação são normalmente leveduras. Na técnica, foram descritas leveduras capazes de converter hexoses e pentoses, respectivamente. A pessoa versada na técnica
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14/22 conhece as diferentes cadeias de levedura que têm sido adaptadas às condições presentes no processo de fabricação de etanol a partir de celulose. Entretanto, deve ser compreendido que esta invenção não se limita a qualquer cadeia especifica de levedura ou método de fermentação.
Como um segundo aspecto desta invenção, nela é fornecido um sistema que compreende uma câmara de impregnação para a impregnação do material celulósico com um gás reativo solúvel em água (tal como SO2 ou CO2) conectado à unidade de aquecimento para aquecer material impregnado celulósico, em que um alimentador com tampão de rosca para alimentar o material celulósico para a câmara de impregnação é disposto na câmara de impregnação. O sistema é primariamente destinado a ser parte de uma usina para produção de um produto químico alvo, tal como etanol, a partir de um material celulósico.
As incorporações do primeiro aspecto descrito acima aplicam-se mutatis mutandis ao segundo aspecto. Além disso, as vantagens do segundo aspecto acompanham a partir da discussão acima sobre o método do primeiro aspecto e as incorporações do mesmo.
Algumas incorporações não limitadoras do segundo aspecto são de modo geral descritas abaixo.
Em incorporações do segundo aspecto, a câmara de impregnação pode compreender pelo menos uma entrada para o gás reativo solúvel em água. A(s) entrada(s) pode(m) ser, por exemplo, disposta(s) acima da parte de baixo da câmara de impregnação. Tal disposição pode ser vantajosa, pois água pode se acumular na parte de baixo da câmara de impregnação, e permitir que gás SO2 ou CO2 passe por uma
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15/22 camada de água poderia reduzir a quantidade de SO2 ou CO2 disponível para a impregnação, pois o gás SO2 ou CO2 é muito solúvel em água. (Claro que isto se aplica também a outros gases solúveis em água). Em algumas incorporações, a câmara de impregnação pode compreender pelo menos duas, bem como, pelo menos três ou guatro, entradas. Um número maior de entradas pode propiciar distribuição ainda mais uniforme
do gás no material celulósico presente na câmara de
impregnação.
Em incorporações do segundo aspecto, a câmara de
impregnação pode ter uma metade superior e uma metade
inferior e o alimentador com tampão de rosca pode ser disposto na metade superior. Dispondo a entrada do material celulósico (aqui, o alimentador com tampão de rosca) na metade superior da câmara de impregnação, a força de gravidade pode ser utilizada para movimentar o material celulósico através da câmara de impregnação. Parafusos de transporte podem ser úteis nessa tarefa.
Dessa forma, a câmara de impregnação pode compreender uma saída para material impregnado celulósico que é colocado na metade inferior (tal como, próximo à parte de baixo acima) da câmara de impregnação. Tal saída é então conectada à unidade de aquecimento.
Em incorporações do segundo aspecto, um segundo alimentador com tampão de rosca para a transferência de material impregnado celulósico saído da câmara de impregnação para a unidade de aquecimento pode ser disposto na conexão entre a câmara de impregnação e a unidade de aquecimento. Consequentemente, tal alimentador com tampão de rosca pode ser conectada à saída da câmara de
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16/22 impregnação .
aquecimento normalmente é realizado em sobre pressão, e um alimentador com tampão de rosca é uma alternativa eficiente para movimentar um material de uma 5 zona de menor pressão para uma zona de maior pressão.
Observe que esta não é a razão para usar um alimentador com tampão de rosca para transferir o material celulósico para a câmara de impregnação.
Em algumas incorporações, mais de uma unidade de aquecimento pode ser incluída no sistema. Na técnica, a unidade de aquecimentos são algumas vezes denominados reatores.
Em incorporações, a usina ou sistema do segundo aspecto podem também compreender uma u mais das seguintes 15 unidades (colocadas à jusante da unidade de aquecimento):
uma unidade de hidrólise conectada a uma unidade de aquecimento por hidrolises do material pré-tratado a partir da unidade de aquecimento;
a unidade de fermentação conectada à unidade de hidrólise para fermentar hidrolisado vindo da unidade de hidrólise; sendo a unidade de separação conectada à unidade de fermentação para a separação de um produto químico alvo a partir do caldo de fermentação vindo da unidade de fermentação;
uma unidade de tratamento anaeróbico conectado à unidade de separação para a produção de biogás a partir de uma fração residual de vinda da unidade de separação.
A unidade de hidrólise pode, por exemplo, ser adaptada para hidrólise enzimática e, em tal caso, uma unidade de 30 neutralização pode ser disposta na conexão entre a unidade
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17/22 de aquecimento e a unidade de hidrólise. A unidade de neutralização pode ser, por exemplo, um vaso em que o material pré-tratado pode ser pode ser misturado com um agente de neutralização, tal como um sal ou uma base.
Além disso, se uma unidade de hidrólise estiver adaptada para hidrólise enzimática, a unidade de hidrólise e a unidade de fermentação podem estar no mesmo equipamento.
Em tal caso, o equipamento é adaptado para
SSF.
Existem diversas incorporações da unidade de fermentação, ou fermentadores. Um fermentador pode ser adaptado para SSF.
A unidade de separação pode ser, por exemplo, a unidade de destilação. A técnica de destilação é, frequentemente, usada para separar etanol de calda de fermentação.
Em incorporações, a usina ou sistema do segundo aspecto podem compreender um dispositivo para medição do conteúdo de matéria seca do material celulósico, que gera um sinal na base de medição do conteúdo de matéria seca e aplica o sinal gerado ao alimentador com tampão de rosca, em que o referido alimentador com tampão de rosca responde ao sinal aplicado, adaptando o grau de compressão do material celulósico no alimentador com tampão de rosca. Normalmente, o grau de compressão do material celulósico é aumentado em resposta ao sinal que indicar que o conteúdo é baixo e diminuído em resposta a um conteúdo elevado de matéria seca. Adaptar o grau de compressão pode, por exemplo, ser adaptar a velocidade do alimentador com tampão de rosca ou adaptar a pressão aplicada pelo pilar, em que uma velocidade mais baixa ou uma pressão mais elevada
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18/22 resulta num grau maior de compressão. Outros mecanismos de controle estão discutidos acima em associação com o primeiro aspecto.
O dispositivo pode, por exemplo, compreender um gerador de radiação e um detector de radiação para a medição do conteúdo de matéria seca. O gerador de radiação pode, por exemplo, ser um gerador de micro-ondas e o detector um detector de microondas. Alternativamente ou como um complemento, o gerador de radiação pode ser um gerador de Infravermelho (IV) e o detector pode ser um detector de IV.
O dispositivo pode ser disposto na câmara de impregnação de modo tal que o conteúdo de matéria seca do material celulósico que sai do alimentador com tampão de rosca (i.e. o material celulósico que entra na câmara de impregnação) pode ser medido.
Exemplos
Um exemplo não limitador de um método e sistema para o pré-tratamento de material ligno-celulósico é descrito com referência à Fig 1. Material ligno-celulósico, tal como bagaço de cana de açúcar ou lascas de madeira, é adicionado a um alimentador com tampão de rosca 2 colocado na parte de cima de uma câmara de impregnação 3. Enquanto o material ligno-celulósico é transferido para a câmara de impregnação 3 no alimentador com tampão de rosca 2, ele fica comprimido e, dessa forma, é desidratado. Na saida do alimentador com tampão de rosca 2, o material ligno-celulósico comprimido tem a forma de um plug que forma uma vedação hermética que evita o vazamento de SO2 (g) para fora da câmara de impregnação 3. A parte superior da câmara de impregnação 3
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pode compreender uma zona 4 de mistura em que o plug e dividido em peças menores para facilitar sua impregnação. A mistura pode ser obtida por diversas técnicas, por exemplo, o alimentador com tampão de rosca 2 pode compreender um pilar disposto para dividir o plug. SO2 (g) é adicionado na câmara de impregnação 3. O gás pode, por exemplo, ser adicionado através de diversas entradas dispostas acima da parte de baixo da câmara de impregnação. Um segundo alimentador com tampão de rosca 5 fica disposto na parte de baixo na câmara de impregnação 3 para alimentar o material impregnado para a unidade de aquecimento 6. O plug formado no segundo alimentador com tampão de rosca 5 propicia uma pressão maior na unidade de aquecimento 6, em que vapor pressurizado é usado para completar o pré-tratamento do material ligno-celulósico. O material ligno-celulósico prétratado normalmente fica na forma de uma pasta após o tratamento térmico na unidade de aquecimento 6. A pasta, que sai da unidade de aquecimento através da saída 7, pode ser então hidrolisada. Se a hidrólise for enzimática, a pasta is normalmente neutralizada antes de qualquer contato com as enzimas.
Um exemplo não limitador de um alimentador com tampão de rosca está descrito com referência à Fig 2. O alimentador com tampão de rosca 20 compreender um parafuso 21 que, segundo operação, transfere e comprime o material adicionado ao alimentador com tampão de rosca 20. O material adicionado ao alimentador com tampão de rosca 20 normalmente forma um plug na saída 22 do alimentador com tampão de rosca 20. 0 alimentador com tampão de rosca 20 pode, além disso, compreender um pilar 23 disposto para
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20/22 dividir o plug quando passa pela saída 22. O pilar 24 pode compreender uma ponta aguda 24 para facilitar a divisão. A pressão aplicada pelo pilar 23 no plug pode ser ajustável. Comparação de pré-tratamento com e sem compressão
Em geral, os inventores observaram que o pH do líquido expelido do material impregnado no alimentador com tampão de rosca 5 (ver Fig 1) e o pH do líquido oriundodo material pré- tratado/pasta se tornou mais estável quando o alimentador com tampão de rosca foi usado paraa transferência de lascas de madeira para a câmarade impregnação.
A figura 3 ilustra o efeito do alimentador com tampão de rosca em pré-tratamento contínuo de lascas de madeira na usina piloto da SEKAB em Õrnskõldsvik, Suécia.
Nas experiências que embasam a figura 3, uma câmara de impregnação foi conectada à primeira unidade de aquecimento, que, por sua vez, foi a uma segunda unidade de aquecimento. Lascas de madeira foram alimentadas para a câmara de impregnação e uma pasta (material pré- tratado) foi obtida a partir da segunda unidade de aquecimento.
Na primeira parte das experiências, 2 kg/h de SO2 (g) foram adicionados na câmara de impregnação. Um parafuso de transporte não compactante foi disposto para a transferência das lascas de madeira para a câmara de impregnação. A pressão na câmara de impregnação era, aproximadamente, a atmosférica. Além disso, vapor foi adicionado à primeira e à segunda unidade de aquecimento de modo tal que a pressão era de 6 bar na primeira unidade de aquecimento e de 20 bar na segunda unidade de aquecimento. Lascas de madeira foram continuamente pré-tratadas por um
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21/22 período de cinco dias e o pH do líquido oriundo da pasta foi medido. Os dados resultantes estão apresentados na figura 3A, que mostra que o pH variou de modo substancial e que o pH geralmente descia ao longo do período da primeira parte das experiências.
Na segunda parte das experiências, cerca de 1 kg/h de SO2(g) foram adicionados para a câmara de impregnação. Além disso, um alimentador com tampão de rosca foi disposto para a transferência das lascas de madeira para a câmara de impregnação. A compressão no alimentador com tampão de rosca resultou na desidratação das lascas de madeira.
Novamente, a pressão na câmara de impregnação era aproximadamente a atmosférica. Foi adicionado vapor à primeira e à segunda unidade de aquecimentos. A pressão na primeira unidade de aquecimento foi gradualmente aumentada a partir de cerca de 2 bar a cerca de 6 bar durante o período de cinco dias de pré-tratamento contínuo. A pressão na segunda unidade de aquecimento foi novamente de 20 bar.
O pH do líquido da pasta foi medido e os dados resultantes estão apresentados na figura 3B, que mostra que o pH variou no mesmo grau. A tendência geral do pH pode ser observada.
Se os resultados da figura 3A e 3B forem comparados, pode se concluir que o pH ficou mais estável quando foi usado o alimentador com tampão de rosca; as variações na figura 3B são menores que na figura 3A, e a figura 3B mostra a tendência geral. Além disso, um fornecimento de kg/h de SO2(g) após a instalação do alimentador com tampão de rosca resultou em pH similar ao do fornecimento de 2 kg/h de SC>2(g) antes da instalação. 0 alimentador com
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22/22 tampão de rosca assim propiciou menor consumo de SO2. Além disso, os inventores acreditam que a primeira etapa de aquecimento (baixa pressão) é a de menor importância e que ela pode ser omitida. É também notável que o pH permaneceu 5 estável na segunda parte das experiências, mesmo quando foi mudada a pressão no primeiro aquecimento.

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para fazer um produto químico alvo por pré-tratamento de um material ligno-celulósico, hidrólise do material pré-tratado e fermentação do hidrolisado, o método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:
    a) impregnar o material ligno-celulósico com dióxido de enxofre gasoso (SC»2(g) ) ou dióxido de carbono (CO2 (g) ) em uma câmara de impregnação para obter material impregnado, em que a pressão na câmara de impregnação está entre 0,5 e 5,0 bar e, em que a temperatura da impregnação está entre 5 e 120 °C;
    b) aquecer o material impregnado para obter material pré-tratado, em que o material ligno-celulósico é comprimido imediatamente antes ou ao ser transferido para a câmara de impregnação e em que o material ligno-celulósico é submietido a uma pressão de pelo menos 5 bar durante a compressão;
    c) hidrolisar o material pré-tratado, usando hidrólise ácida ou enzimática, para obter um hidrolisado; e
    d) fermentar o hidrolisado para obter um produto químico alvo contendo caldo de fermentação, em que a hidrólise enzimática e a fermentação podem ser realizadas separada e/ou simultaneamente.
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que 0,1 a 10,0% (p/p) de SO2 são adicionados por matéria seca de material ligno-celulósico.
  3. 3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de:
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    e) separar 0 produto químico alvo para obter um produto químico alvo contendo uma fração e uma fração residual • 4 . Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que 0 produto químico alvo é selecionado a partir do grupo composto por etanol, butanol e ácido succínico. 5. Método, de acordo com qualquer uma das
    reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o teor de matéria seca (p/p) do material ligno-celulósico é aumentado quando o material ligno-celulósico é comprimido.
  4. 6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o teor de matéria seca (p/p) de material ligno-celulósico é medido e o grau de compressão do material ligno-celulósico transferido para a câmara de impregnação é adaptado em resposta ao teor medido de matéria seca.
  5. 7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que um alimentador por parafuso com tampão é empregado para o transporte e a compressão do material ligno-celulósico e o grau de compressão é controlado pelo ajuste das propriedades do alimentador por parafuso com tampão.
  6. 8. Usina para produção de um produto químico alvo a partir de um material ligno-celulósico, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:
    uma câmara de impregnação (3) para impregnar o material ligno-celulósico com um gás reativo solúvel em água, tal como dióxido de enxofre (SO2) ou dióxido de
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