BR112012016636B1 - método e sistema de sacarificação de matéria-prima de biomassa - Google Patents

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Abstract

dispersão de estoques de alimentação e materiais de processamento estoques de alimentação de biomassa (por exemplo, biomassa de plantas, biomassa animal e biomassa de resíduos municipais) são processados para produzir produtos úteis, tais como combustíveis. por exemplo, sistemas são descritos que podem converter materiais de estoque de alimentação em uma solução de açúcar que pode, então, ser fermentada para produzir etanol. o estoque de alimentação de biomassa é disperso em um meio líquido e, em seguida, sacarificado.

Description

“MÉTODO E SISTEMA DE SACARIFICAÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA DE BIOMASSA”
Antecedentes [001] Materiais celulósicos e lignocelulósicos são produzidos, processados e utilizados em grandes quantidades em inúmeras aplicações. Muitas vezes, esses materiais são usados uma vez e depois descartados como lixo, ou são simplesmente considerados materiais de resíduos, por exemplo, bagaço de cana, serragem e palha.
[002] Vários materiais celulósicos e lignocelulósico, seus usos e aplicações têm sido descritos nas Patente US 7.307.108,7.074.918,6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 e 5.952.105, e em vários pedidos de patentes, incluindo Fibrous Materiais and Composites, PCT/US2006/010648, depositado em 23 de março de 2006, e Fibrous Materiais and Composites, publicação de pedido de patente US 2007/0045456.
Sumário [003] São aqui revelados processos para sacarificar ou liquefazer um material, por exemplo, uma matéria-prima celulósico ou lignocelulósico, através da conversão da porção celulósica do material em açúcares de baixo peso molecular, por exemplo, utilizando uma enzima. A invenção também se refere à conversão de uma matéria-prima para um produto, por exemplo, por fermentação. Os processos incluem a utilização de sistemas de dispersão para dispersar uma matéria-prima fibroso e/ou de partículas em um meio líquido.
[004] Os processos aqui descritos podem utilizar materiais de baixa densidade a granel, por exemplo matérias-primas celulósicos ou lignocelulósicos, que foram fisicamente pré-tratados para ter uma densidade a granel de menos de cerca de 0,75 g/cm3, por exemplo, inferior a cerca de 0,7,
0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 ou menos, por exemplo, menos do que 0,025 g/cm3.
[005] Tais materiais podem ser especialmente difíceis de dispersar em
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2/54 líquidos, por exemplo, com água ou um sistema de solvente para a sacarificação, fermentação, ou outro processamento. Devido à sua baixa densidade à granel aparente, os materiais tendem a flutuar na superfície do líquido em vez de ser umedecidos e dispersos no líquido. Em alguns casos, os materiais podem ser hidrofóbicos, altamente cristalinos, ou, de outro modo, difíceis de umedecer. Ao mesmo tempo, é desejável processar a matéria-prima em uma dispersão de nível de sólidos relativamente elevada, a fim de obter uma elevada concentração final de açúcar no material sacarificado, ou uma elevada concentração do produto desejado após o processamento (por exemplo, de etanol ou outro(s) álcool(is) após a fermentação). Em alguns casos, utilizando os métodos aqui descritos, o nível de sólidos da dispersão durante o processamento pode ser, por exemplo, de pelo menos 10,15,20,22,5,25,27,5, 30, 35, 40, 45, ou mesmo pelo menos 50 por cento por peso de sólidos dissolvidos. Por exemplo, o nível de sólidos pode ser de cerca de 10 a 50%, por exemplo, cerca de 10-40%, 10-30%, ou 10-20%.
[006] Os inventores descobriram que a dispersão inicial de uma matéria-prima adicionada a um líquido pode ser melhorada pelo uso de certos equipamentos durante a adição da matéria-prima. O equipamento aqui descrito permite que as matérias-primas ou outros sólidos ou líquidos, por exemplo, nutrientes, sejam rápida e facilmente dispersos no líquido, permitindo que uma grande quantidade de matéria-prima seja adicionada ao líquido de forma eficiente. Esta dispersão eficiente de matéria-prima contribui para o tempo de liquefação reduzido e, assim, rendimento elevado, e facilita a produção de uma mistura de nível de sólidos alto.
[007] Em um aspecto, a invenção apresenta um método compreendendo sacarificar uma matéria-prima de biomassa em um recipiente, a matéria-prima de biomassa tendo sido disperso em um meio líquido usando um sistema de dispersão compreendendo uma câmara e, dentro da câmara, um elemento rotativo, que puxa a matéria-prima e o meio de líquido para dentro da
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3/54 câmara axialmente e expele uma dispersão da matéria-prima no meio a partir da câmara radialmente.
[008] Algumas implementações incluem uma ou mais das seguintes características. A matéria-prima pode ter uma densidade a granel de, por exemplo, inferior a cerca de o,5 g/cm3. O meio líquido pode incluir água. O método pode ainda incluir distribuir um agente de sacarificação, por exemplo, uma enzima, para o recipiente. O elemento rotativo pode funcionar como um impulsor e a ação do elemento rotativo dentro da câmara pode ser aquela de uma bomba centrífuga. O método pode ainda incluir a mistura com um misturador de jato durante a sacarificação. O elemento rotativo pode incluir elementos de mistura dispostos coaxialmente com um rotor que está disposto na relação rotor-estator com uma parede lateral da câmara. O sistema de dispersão pode ainda incluir um misturador a jato. O método pode ainda incluir distribuir matéria-prima e/ou um agente de sacarificação para o recipiente de uma fonte disposta do recipiente, por exemplo posicionado acima ou ao lado do recipiente, ou a uma distância a partir do recipiente e em comunicação com o mesmo por meio de um conduíte. A distribuição da matéria-prima pode incluir soprar a matéria-prima para a superfície do meio líquido no recipiente. O método pode ainda incluir distribuir um fluxo de meio líquido a partir da câmara do sistema de dispersão para a matéria-prima na superfície do meio líquido para umedecer a matéria-prima. A matéria-prima pode estar em uma condição substancialmente seca, por exemplo, 0,1 a 15% o teor de humidade, antes da distribuição ao recipiente. A fonte da qual os materiais são distribuídos pode incluir uma tremonha, que pode estar em comunicação com um dispositivo de vibração. O sistema de dispersão pode incluir uma pluralidade de dispositivos de dispersão.
[009] Em algumas modalidades, a sacarificação inclui a adição da matéria-prima para o meio líquido em incrementos discretos, e dispersar cada incremento discreto de matéria-prima para o meio líquido com o sistema de
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4/54 dispersão antes da adição de um outro aumento de matéria-prima. O método pode também incluir o monitoramento de um nível de glicose de uma mistura de matéria-prima, o meio líquido e o agente de sacarificação durante a sacarificação. Matéria-prima adicional e o agente de sacarificação podem ser adicionados ao recipiente durante a sacarificação e dispersado no meio usando o sistema de dispersão.
[0010] Em um outro aspecto, a invenção apresenta um aparelho de sacarificação de matéria-prima que inclui (a) um reservatório, (b) um sistema de distribuição configurado para proporcionar uma matéria-prima de biomassa e um meio líquido para o tanque, (c) um sistema de dispersão configurado para dispersar a matéria-prima de biomassa no meio líquido, (d) um dispositivo de distribuição agente de sacarificação configurado para administrar uma quantidade medida de um agente de sacarificação para o tanque, e (e) um misturador configurado para misturar o conteúdo do tanque.
[0011] Algumas implementações incluem uma ou mais das seguintes características. O sistema compreende uma câmara de dispersão e, dentro da câmara, um elemento rotativo, que puxa a matéria-prima e o meio líquido para a câmara axialmente e expele uma dispersão da matéria-prima no meio a partir da câmara radialmente. O aparelho inclui ainda um controlador que ajusta o funcionamento do dispositivo de distribuição de matéria-prima e/ou o dispositivo de distribuição de agente de sacarificação com base na entrada do monitor de torque. Em alguns casos, o misturador é um misturador a jato. O sistema de distribuição pode incluir um ventilador configurado para soprar a matéria-prima para a superfície do líquido no tanque, e o sistema de dispersão pode ser configurado para fornecer um fluxo de líquido sobre a matéria-prima na superfície do líquido, molhando a matéria-prima.
[0012] Em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método que inclui sacarificação de uma matéria-prima de biomassa em um recipiente contendo um meio líquido, a matéria-prima de biomassa tendo sido disperso no
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5/54 meio líquido por sopro da matéria-prima de biomassa sobre uma superfície do meio líquido no reservatório, contatando a matéria-prima na superfície com um fluxo de líquido para umedecer a matéria-prima, e misturar a matéria-prima e líquido, por exemplo, utilizando um misturador a jato.
[0013] Em algumas implementações, o fluxo de líquido é fornecido através de uma bomba de deslocamento positivo.
[0014] Em um outro aspecto, a invenção caracteriza um método incluindo a sacarificação de uma matéria-prima de biomassa em um recipiente, a matéria-prima de biomassa tendo sido entregue ao recipiente, por sopro da matéria-prima de biomassa sobre a superfície de um meio líquido no recipiente, e disperso no meio líquido usando um sistema dispersante compreendendo uma câmara e, dentro da câmara, um elemento rotativo, o que puxa a matériaprima e o meio líquido para dentro da câmara axialmente e expele uma dispersão da matéria-prima no meio a partir da câmara radialmente para a matéria-prima na superfície do meio líquido.
[0015] O método pode ainda incluir misturar o conteúdo do tanque com um misturador a jato.
[0016] Em um outro aspecto, a invenção apresenta um aparelho de sacarificação de matéria-prima que inclui (a) um reservatório, (b) um sistema de distribuição configurado para proporcionar uma matéria-prima de biomassa e um meio líquido para o tanque, que compreende um ventilador para soprar a matéria-prima da biomassa para dentro do tanque, (c) um dispositivo de distribuição de agente de sacarificação configurado para administrar uma quantidade medida de um agente de sacarificação para o tanque, e (d) um misturador configurado para misturar o conteúdo do tanque.
[0017] Os métodos aqui descritos geralmente proporcionam umectação relativamente rápida e eficaz de um nível de sólidos relativamente elevado de matéria-prima. Ao aumentar o nível de sólidos inicial da matéria-prima na mistura, o processo pode prosseguir mais rapidamente, de forma mais eficiente
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6/54 e mais rentável, e uma elevada concentração resultante pode ser geralmente conseguida no produto final.
[0018] Os processos de sacarificação aqui descritos permitem a uma matéria-prima celulósico ou lignocelulósico ser convertido a uma forma conveniente e concentrada, a qual pode ser facilmente transportada e utilizada em uma outra instalação de fabricação, por exemplo, uma instalação configurada para fermentar soluções de açúcar para álcoois, para fabricar um produto, por exemplo, um combustível tal como o etanol. Tais concentrados podem usar menos água, o que pode resultar em uma economia de custos substanciais de fabricação e de transporte.
[0019] Alguns processos aqui revelados incluem sacarificação da matéria-prima, e transporte da matéria-prima a partir de um local remoto, por exemplo, onde a matéria-prima é produzido ou armazenado, para a facilidade de fabricação. Em alguns casos, a sacarificação pode ocorrer parcialmente ou totalmente durante o transporte.
[0020] Em alguns casos, os sistemas aqui descritos, ou os seus componentes, podem ser portáteis, de modo que o sistema pode ser transportado (por exemplo, por via férrea, caminhão, ou embarcação marítima) a partir de um local para outro. Tal processamento móvel é descrito no número de série US 12/374.549 e no Pedido Internacional WO 2008/011598, cujas divulgações plenas são aqui incorporadas por referência.
[0021] Exemplos de produtos que podem ser produzidos empregando os métodos aqui descritos incluem hidrocarbonetos, proteínas, álcoois (por exemplo, um álcool mono-hídrico ou um álcool di-hídrico), tal como etanol, n-propanol ou n- butanol, ácidos carboxílicos, tais como o ácido acético ou ácido butírico, sais de um ácido carboxílico, uma mistura de ácidos carboxílicos e sais de ácidos carboxílicos e ésteres de ácidos carboxílicos (por exemplo, metila, etila e ésteres n-propil), cetonas, aldeídos, ácidos insaturados alfa, beta, tais como acrílico ácido, olefinas, tais como etileno, e misturas de
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7/54 qualquer destes. Exemplos específicos incluem etanol, propanol, propileno glicol, butanol, 1,4-butanodiol, 1,3- propanodiol, metila ou ésteres etílicos de qualquer um destes álcoois, acrilato de metila, metacrilato de metila, ácido láctico, ácido propiônico, ácido butírico, ácido succínico, ácido 3hidroxipropiónico, um sal de qualquer um dos ácidos e uma mistura de qualquer dos ácidos e sais respectivos. Estes e outros produtos são descritos em USSN 12/417.900, cuja divulgação é aqui incorporada por referência.
[0022] A densidade aparente é determinada utilizando ASTM 018958.
Resumidamente, o método envolve o enchimento de um cilindro de medição de volume conhecido, com uma amostra e obtenção de um peso da amostra. A densidade a granel é calculada dividindo o peso da amostra em gramas pelo volume conhecido do cilindro em centímetros cúbicos.
[0023] Todas as publicações, pedidos de patente, patentes e outras referências mencionadas aqui ou em anexo são incorporadas por referência na sua totalidade para todos os que elas contêm.
Descrição dos Desenhos [0024] A Figura 1 é um diagrama de fluxo que ilustra a hidrólise enzimática da celulose em glicose.
[0025] A Figura 2 é um diagrama de fluxo ilustrando a conversão de uma matéria-prima para etanol através de produção e transporte de uma solução de glicose.
[0026] A Figura 2A é uma ilustração esquemática de um sistema de sacarificação de acordo com uma modalidade.
[0027] A Figura 2B é uma ilustração esquemática de um sistema de sacarificação de acordo com outra modalidade.
[0028] A Figura 3 é um diagrama esquemático de uma instalação de fabricação de etanol que foi adaptada para utilizar as soluções e suspensões aqui reveladas.
[0029] A Figura 4 é uma vista em perspectiva esquemática de um
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8/54 sistema de dispersão de acordo com uma modalidade.
[0030] As Figuras 5 e 5A são vistas esquemáticas em corte transversal e em perspectiva, respectivamente, de um dispositivo de dispersão que pode ser usado no sistema de dispersão mostrado na Figura 4.
[0031] A Figura 6 é uma vista em perspectiva esquemática de um sistema de dispersão de acordo com outra modalidade.
[0032] As Figuras 7 e 7A são diagramas que ilustram os modos de operação alternativos para o sistema de dispersão mostrado na Figura 6.
[0033] A Figura 8 é uma vista em perspectiva esquemática de um elemento de dispersão que pode ser usado no sistema de dispersão mostrado na Figura 6.
[0034] As Figuras 9 e 9 são diagramas que ilustram um fluxo a jato que sai de um bocal.
[0035] A Figura 10 é uma vista em perspectiva esquemática de um agitador de fluxo a jato de acordo com uma modalidade.
[0036] A Figura 10A é uma vista em perspectiva ampliada do propulsor e tubo a jato do agitador de fluxo a jato da Figura 10.
[0037] A Figura 10B é uma vista em perspectiva ampliada de um impulsor alternativo.
[0038] A Figura 11 é uma vista esquemática de um soprador para a distribuição de uma matéria-prima de biomassa.
[0039] A Figura 12 é uma vista em corte transversal de um tanque com uma parte inferior abobadado e dois misturadores a jato que se estendem para dentro do tanque de cima.
Descrição Detalhada [0040] Materiais contendo guano e/ou xileno, por exemplo materiais celulósicos e lignocelulósicos, tais como utilizando os métodos aqui descritos, a biomassa (por exemplo, biomassa da planta, biomassa animal, papel e biomassa de resíduos municipais) podem ser convertidos em processados para
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[0041] A fim de converter a matéria-prima para uma forma que pode ser prontamente processada em uma instalação de fabricação existente, por exemplo, uma planta de proteína de célula única, uma planta de fabricação de enzima, ou uma planta de combustível, por exemplo, uma instalação de
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10/54 fabricação de etanol de grãos, os processos aqui revelados podem utilizar materiais de baixa densidade a granel, por exemplo matérias-primas celulósicos ou lignocelulósicos que foram fisicamente pré-tratados para ter uma densidade a granel de menos de cerca de 0,75 g/cm3, por exemplo, inferior a cerca de 0,7, 0,65, 0,60, 0,50, 0,35, 0,25, 0,20, 0,15, 0,10, 0,05 ou menos, por exemplo, menos do que 0,025 g/cm3. A densidade aparente é determinada utilizando ASTM 018958. Resumidamente, o método envolve o enchimento de um cilindro de medição de volume conhecido, com uma amostra e obtenção de um peso da amostra. A densidade a granel é calculada dividindo o peso da amostra em gramas por o volume conhecido do cilindro em centímetros cúbicos.
[0042] A fim de converter a matéria-prima para uma forma que pode ser prontamente processada, celulose contendo glucano ou xilano na matériaprima é hidrolisada para carboidratos moleculares baixos, tais como açúcares, por um agente de sacarificação, por exemplo, uma enzima ou ácido, um processo referido como sacarificação. Os carboidratos de peso molecular baixo pode, então, ser usado, por exemplo, em uma planta de fabricação existente, tal como uma planta de proteína de célula única, uma planta de fabricação de enzima, ou uma planta de combustível, por exemplo, uma instalação de fabricação de etanol.
[0043] Os materiais que incluem celulose podem ser tratados com o agente de sacarificação por combinação do material e o agente de sacarificação em um meio líquido, por exemplo, um solvente, tal como uma solução aquosa. Métodos para dispersar o material no meio líquido de forma rápida e eficientemente são discutidos em detalhe abaixo. Uma vez que o material foi disperso no meio, o agente de sacarificação, material e o meio líquido são muito bem misturados, em alguns casos, ao longo da sacarificação. Em algumas implementações, o material e/ou o agente de sacarificação são adicionados de forma incrementai, em vez de uma só vez. Por exemplo, uma porção do material pode ser adicionada ao meio líquido, nele disperso, e misturado com
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11/54 o agente de sacarificação até que o material seja pelo menos parcialmente sacarificado, ponto em que uma segunda porção do material é dispersa no meio e acrescentada à mistura. Este processo pode continuar até que uma concentração de açúcar desejada seja obtida.
[0044] Enzimas e organismos de destruição de biomassa que decompõem a biomassa, tais como a celulose e/ou as porções de lignina da biomassa, contêm ou fabricam várias enzimas celulolíticas (celulases) e ligninases ou vários pequenos metabolitos de moléculas de biomassa em destruição. Estas enzimas podem ser um complexo de enzimas que atuam em sinergia para degradar a celulose cristalina ou as porções de lignina da biomassa. Exemplos de enzimas celulolíticas incluem:endoglucanases e celobiohidrolases e celobiases (β-glucosidases). Referindo-se à Figura 1, um substrato celulósico é inicialmente hidrolisado por endoglucanases em localizações aleatórias que produzem intermediários oligoméricos. Estes intermediários são, então, substratos para exo- divisão de glucanases tais como celobiohidrolase para produzir celobiose a partir das extremidades do polímero de celulose. Celobiose é um dimero 1,4-ligado solúvel em água de glicose. Finalmente, celobiase cliva celobiose para produzir glicose. Celulases adequadas serão aqui discutidas em uma seção posterior.
[0045] O tempo requerido para a sacarificação completa dependerá das condições do processo e da matéria-prima e da enzima utilizada. Se sacarificação é realizada em uma unidade de fabricação, sob condições controladas, a celulose pode ser substancialmente inteiramente convertida para glicose em cerca de 12-96 horas. Se sacarificação é realizada parcialmente ou completamente em trânsito, a sacarificação pode demorar mais tempo.
[0046] Em alguns casos, a sacarificação é realizada em um pH de cerca de 4 a 7, por exemplo, cerca de 4,5 a 6, ou cerca de 5 a 6.
[0047] E geralmente preferido que a concentração final de glicose na solução de açúcar seja relativamente elevada, por exemplo, maior do que 10%,
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12/54 ou superior a 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 ou mesmo maior do que 95 % em peso. Isto reduz o volume a ser entregue, e também inibe o crescimento microbiano na solução. Depois de sacarificação, o volume de água pode ser reduzido, por exemplo, por evaporação ou destilação.
[0048] Uma solução de concentração relativamente elevada pode ser obtida através da limitação da quantidade de meio, por exemplo, água, adicionada à matéria-prima com a enzima. A concentração pode ser controlada, por exemplo, controlando a quantidade de sacarificação que ocorre. Por exemplo, a concentração pode ser aumentada pela adição de mais matériaprima para a solução. A solubilidade da matéria-prima no meio pode ser aumentada, por exemplo, através do aumento da temperatura da solução, e/ou por adição de um surfactante tal como será discutido abaixo. Por exemplo, a solução pode ser mantida a uma temperatura de 40-50°C, 50-60°C, 60-80°C, ou mesmo superior.
[0049] Referindo-se à Figura 2, um processo para a fabricação de um álcool, por exemplo, etanol, pode incluir, por exemplo, opcionalmente fisicament pré-tratamento da matéria-prima, por exemplo, para reduzir o seu tamanho (etapa 110), antes e/ou após este tratamento, opcionalmente tratar a matéria-prima para reduzir a sua recalcitrância (etapa 112), e sacarificação da matéria-prima para formar uma solução de açúcar (etapa 114). A sacarificação pode ser realizada por mistura de uma dispersão da matéria-prima em um meio líquido, por exemplo, água com uma enzima (etapa 111), como será discutido em detalhes abaixo. Durante ou após a sacarificação, a mistura (se a sacarificação é para ser parcialmente ou completamente realizada em rota) ou a solução pode ser transportada, por exemplo, por oleoduto, automotor, caminhão ou barcaça, para uma instalação de fabricação (etapa 116). Na fábrica, a solução pode ser bioprocessada para produzir um produto desejado, por exemplo, etanol (etapa 118), que é, então, processado, por exemplo, por destilação (etapa 120). As etapas individuais deste processo serão descritas em detalhe abaixo.
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Se desejado, as etapas de medição de teor de lignina (etapa 122) e definir ou ajustar os parâmetros de processo (etapa 124) pode ser realizada em várias etapas do processo, por exemplo, imediatamente antes da etapa do processo (s) usadas para alterar a estrutura da matéria-prima, como mostrado. Se estas etapas são incluídos, o parâmetros do processo são ajustados para compensar a variação no teor de lignina da matéria-prima, tal como descrito no pedido de patente provisório US 61/151.724, depositado em 11 de fevereiro de 2009, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência.
[0050] A etapa de mistura lll e a etapa de sacarificação 114 podem ser realizadas utilizando, por exemplo, qualquer um dos sistemas mostrados na Figura 2A e 28. Estes sistemas incluem um tanque 136, que inicialmente contém um meio líquido e a seguir contém uma mistura 138 do meio líquido, coma matéria-prima e o agente de sacarificação. O meio líquido é fornecido ao tanque através de um sistema de tubagem valvulado (não mostrado). Os sistemas também incluem uma tremonha 130, em comunicação com uma unidade de dispersão 134. Na modalidade mostrada na Figura 28, a tremonha 130 recebe matéria-prima que foi tratada par reduzir o seu tamanho e, opcionalmente, para reduzir a sua recalcitrância (etapas 110 e 112 supra) por um módulo de pré-tratamento de matéria-prima 132. Em ambas as modalidades, a tremonha pode receber outros ingredientes secos, tais como leveduras e nutrientes, por exemplo, a partir de uma fonte de abastecimento 30. Opcionalmente, um dispositivo de vibração 36 pode ser associado com a tremonha, para facilitar a distribuição de material a partir da tremonha. O sistema também inclui uma unidade de dispersão 134. O meio líquido é aspirado para dentro da unidade de dispersão a partir do tanque 134, e retomado para o tanque pela unidade de dispersão através de um tubo de saída 137. A abertura de saída do tubo 137 pode estar acima do nível do líquido, como mostrado, ou pode, em alguns casos, ser submerso no líquido no tanque. Em alguns casos, dependendo do tipo da unidade de dispersão utilizada (como será
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14/54 discutido abaixo), o sistema pode incluir uma bomba 139, por exemplo, uma bomba de deslocamento positivo, configurada para circular o meio líquido através do sistema de dispersão, e/ou um viscosímetro 141 para monitorar a viscosidade da dispersão e ativar a bomba quando a viscosidade medida atinge um valor pré-determinado.
[0051] Na modalidade mostrada na Figur 2A, a matéria-prima é entregue à superfície do meio líquido no tanque, por exemplo, através de um dispositivo de distribuição 32 tendo um conduite de distribuição 34 (por exemplo, a mangueira outubo). O dispositivo de distribuição 32 pode também ser associado com um dispositivo de vibração 36, para facilitar o fluxo de material para dentro do dispositivo. O dispositivo de distribuição 32 pode ser, por exemplo, um soprador configurado para soprar material em partículas e/ou fibroso a partir de uma fonte para um local remoto a partir da fonte através de uma mangueira, por exemplo, um soprador de isolamento, tal como o soprador FORCE 3 disponível a partir de Intec, Frederick, no Colorado. Um exemplo de um soprador 500 é mostrado esquematicamente na Figura 11. Uma tremonha 502 do soprador 500 recebe o material a partir de uma fonte de material 504, por exemplo, extraindo o material para dentro através da entrada 505 através de um vácuo 506. Uma vez na tremonha, o material é deaglomerado usando um dispositivo de rotação 508, que inclui os braços rotativas 510 que terminam em pás flexíveis 512.0 dispositivo de rotação 508 também varre o material para baixo através de uma abertura 514 para uma câmara de vácuo 516. A distribuição de material para a câmara de vácuo é medida por uma placa ou válvula 518. A câmara de vácuo 516 inclui uma pluralidade de palhetas rotativas 520 que definem câmaras 522. A porção inferior da câmara de vácuo 516 inclui uma passagem 524 através da qual o ar sopra a partir de uma fonte de ar comprimido (não mostrada) em um tubo de saída (por exemplo, conduite de distribuição 34, Figura 2A). As palhetas varrem o material para a passagem em porções individuais, que são sopradas para dentro do tubo de saída, logo
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15/54 que eles estão no lugar adjacente à passagem. As palhetas rotativas 520 giram suficientemente devagar que cada câmara está em posição adjacente à passagem tempo suficiente para que tanto a porção de material e uma certa quantidade de ar são entregues dentro do tubo de saída. Assim, as porções alternadas de ar e o material são entregues ao tubo de saída. A medida que o material passa para baixo do tubo de saída, que pode ser bastante longa, o material e a mistura de ar, que gaseificam o material e mantêm o mesmo movendo-se suavemente através do tubo de saída para o tanque. A taxa de rotação dos membros rotativas no agitador e a trava de ar está orientada em conjunto e pode ser variada pelo usuário com base na matéria-prima, o comprimento do tubo de saída, e outras variáveis.
[0052] Altemativamente, o material pode ser entregue à superfície do líquido, usando outras técnicas, tais como alimentação por gravidade ou um transportador de parafuso.
[0053] Em algumas implementações, o tanque é fornecido com uma tampa flexível permeável ao ar, ou outro dispositivo configurado para permitir o ar de ventilação do tanque durante a distribuição da matéria-prima, enquanto evita que a matéria-prima sopre para fora do tanque e/ou contaminantes entrem no tanque.
[0054] A medida que o material de alimentação é entregue através do conduíte de distribuição 34 sobre a superfície do líquido no tanque, o líquido é descarregado através da saída do tubo 137 da unidade de dispersão 134 sobre o material. O líquido descarregado molha o material de matéria-prima, fazendo com que este afunde no líquido, onde pode ser disperso pela unidade de dispersão 134, opcionalmente em combinação com a ação de mistura de um misturador a jato 144, discutido abaixo.
[0055] E geralmente preferido que a unidade de dispersão 134 e o misturador a jato 144 estejam funcionando quando a matéria-prima é distribuído através do conduíte de distribuição.
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16/54 [0056] Na modalidade mostrada na Figura 28, a matéria-prima é entregue ao tanque através da tremonha 130, que pode receber a matéria-prima a partir de, por exemplo, um módulo de tratamento de matéria-prima 132, e entra na unidade de dispersão 134, onde é disperso no meio líquido, por exemplo, água.
[0057] Em ambas as modalidades, um agente de sacarificação é entregue ao tanque a partir de uma tremonha 140, que inclui um dispositivo de medição 142. O conteúdo do tanque é misturado, por exemplo, por um ou mais misturadores a jato. Um misturador a jato 144 é representado esquematicamente nas Figuras 2A e 28; exemplos de misturadores a jato adequados serão descritos em detalhes abaixo, e também estão descritos no pedido de patente provisório US 61/218.832, depositado em 19 de junho de 2009, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência. O misturador a jato produz um jato a partir da utilização de um motor 146 que aciona uma bomba e/ou um rotor (não mostrados). O torque exercido pelo motor 146 correlaciona-se com o nível de sólidos da mistura no tanque, que, por sua vez, reflete o grau em que a mistura foi sacarificada. O torque é medido por um monitor de torque 148, que envia um sinal a um motor 150 que aciona o transportador 130 e também o dispositivo de medição 142 da tremonha 140. Assim, o fornecimento de matéria-prima tratado e a enzima podem ser interrompidos e retomado como uma função da sacarificação do conteúdo do tanque. Os dados medidos pelo monitor de torque podem também ser usados para ajustar o misturador a jato, por exemplo, para uma menor RPM para um misturador, que utiliza um rotor, ou a uma velocidade a jato inferior para um misturador acionado por bomba. Em vez do, ou em adição ao monitor de torque, o sistema pode incluir um monitor de Amperes (não mostrado), que mede a amperagem de plena carga do motor. Em alguns casos, o misturador a jato pode incluir um conversor de frequência variável (VFD) para permitir que a velocidade do motor seja ajustada.
[0058] O sistema pode também incluir um monitor de calor (não
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17/54 mostrado) que monitoriza a temperatura do meio líquido e ajusta a taxa de alimentação da matéria-prima e/ou as condições de mistura em resposta a aumentos de temperatura. Um tal ciclo de retomo de temperatura pode ser usado para evitar que o meio líquido atinja uma temperatura que vaidesnaturar a enzima.
[0059] Quando um ou mais bombas são usadas nos sistemas aqui descritos, é geralmente preferido que as bomba de deslocamento positivo (PD) sejam utilizadas, por exemplo, cavidade progressiva ou bombas de PD tipo parafuso.
[0060] Em alguns casos, a planta de fabricação pode ser, por exemplo, uma planta de etanol existente com base em grãos ou à base de açúcar ou um que foi adaptada por remoção ou desativação do equipamento a montante do sistema de biotransformação (que, em uma planta de etanol típica geralmente inclui equipamento de recepção de grãos, um moinho de martelos, um misturador de pasta fluida, equipamentos de cozimento e equipamento de liquefação). Assim, a matéria-prima recebido pela planta inserido diretamente no equipamento de fermentação. Uma planta de retroajuste é mostrada esquematicamente na Figura 3. A utilização de uma planta de etanol existente com base em grãos ou à base de açúcar desta maneira é descrita no documento de patente US 12/704.521, depositado em 11 de fevereiro de 2010, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência.
[0061] Em algumas modalidades, em vez de transportar a matéria-prima sacarificado (solução de açúcar) para uma planta de fabricação separada, ou mesmo um tanque separado, a solução de açúcar é inoculada e fermentada no mesmo tanque ou outro recipiente utilizado para a sacarificação.
[0062] A fermentação pode ser realizada no mesmo recipiente, ou pode ser iniciada desta forma e, em seguida, completada durante o transporte como discutido acima. A Sacarificação e a fermentação em um único tanque são descritas no pedido de patente provisório US 61/296.673, depositado em 20 de
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18/54 janeiro de 2010, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência. [0063] Em geral, o nível de oxigênio no recipiente de fermentação deve ser controlado, por exemplo, através do monitoramento do nível de oxigênio e da ventilação do tanque ou gaseificação da mistura, se necessário. E também desejável monitorar o nível de etanol no recipiente, de modo que quando o nível de etanol começa a cair, o processo de fermentação pode ser parado, por exemplo, por aquecimento ou a adição de bissulfito de sódio. Outros métodos de parar a fermentação incluem a adição de um peróxido (por exemplo, ácido peroxi acético ou peróxido de hidrogênio), a adição de ácido succínico ou um seu sal, arrefecendo o conteúdo do recipiente, ou reduzindo a taxa de aspersão de oxigênio. Combinações de quaisquer dois ou mais desses métodos podem ser utilizadas. Se a fermentação é para ser realizada ou completada durante o transporte, o recipiente de transporte (por exemplo, o tanque de um vagão ou caminhão cisterna) pode ser equipado com uma unidade de controle que inclui um monitor de oxigênio e um monitor de etanol, e um sistema de distribuição para a distribuição de bissulfito de sódio (ou outro aditivo de encerramento de fermentação) para o tanque e/ou u sistema para ajustar os parâmetros no tanque para parar a fermentação.
[0064] Se desejado, a mistura a jato pode ser utilizada durante a fermentação, e se a fermentação é conduzida no mesmo recipiente que a sacarificação, o mesmo equipamento pode ser utilizado. No entanto, em algumas modalidades, a mistura a jato não é necessária. Por exemplo, se a fermentação é conduzida durante o transporte, o movimento do carro de trilho ou caminhão tanque pode fornecer agitação adequada.
Dispersão e Mistura
Dispersão [0065] A unidade de dispersão 134 pode incluir qualquer tipo de equipamento de dispersão que molha a matéria-prima com o meio líquido.
Muitas unidades de dispersão incluem uma câmara e um rotor na câmara
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19/54 posicionado de tal modo que a matéria-prima e o meio líquido são atraídos para o rotor axialmente, e forçados para fora radialmente para a periferia do rotor e, assim, através da saída da unidade na forma de uma bomba centrífuga. Dependendo da construção da unidade de dispersão, uma bomba retomo superior pode ser necessária (a bomba 139, discutida acima) para drenar o fluido através da unidade de dispersão em viscosidades elevadas. Algumas unidades de dispersão são construídas para gerar a pressão do fluido muito elevada estática dentro da unidade, quando tais unidades são utilizadas uma bomba de retomo para cima, geralmente não é necessária.
[0066] Um exemplo de um sistema de dispersão adequado 300 é mostrado nas Figuras 4 a 5A. Este sistema gera sucção relativamente baixa e, portanto, uma bomba de retomo para cima é normalmente usada. O sistema de dispersão 300 inclui um compartimento receptor 302, que pode receber matéria-prima a partir de uma tremonha maior ou saco (não mostrado) ou outra fonte e distribuição o mesmo para a unidade de dispersão 301. A unidade de dispersão 301 inclui um alojamento 304, que define uma câmara de dispersão 306 (Figura 5 A), uma entrada de líquido 308, uma entrada de sólidos 310 (Figura 5 A) em comunicação com o compartimento 302, e umasaída 312. O sistema de dispersão 300 também inclui um motor 314 que impulsiona a unidade de dispersão 301, uma interface de controle de usuário 316, e uma unidade pressurizada 318 que ajuda a manter a integridade das vedações dentro da unidade de dispersão 301. Uma válvula (não mostrada) está disposta entre o compartimento de recepção 302 e a entrada de sólidos 310 para medir a distribuição dos sólidos para a unidade de dispersão 301.
[0067] A estrutura interna da unidade de distribuição 301 é mostrada nas Figuras 5 a 5A. Depois de passar através da entrada de sólidos 310, os sólidos são movidos para baixo por um sem-fim 320, à medida que os sólidos são contatados pelo líquido que entra através da entrada de líquido 308. O líquido e os sólidos são, então, misturados por uma série de pás de mistura 322,
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20/54 e finalmente por um rotor 324 (mostrado em pormenor na Figura 5A) que está disposto em um arranjo de rotor/estator em relação à parede lateral da câmara 306. Esta série de elementos de mistura molha os sólidos com o líquido, a níveis crescentes de cisalhamento, resultando em uma dispersão substancialmente homogênea saindo através da saída 312. O impulsor, pelo princípio de Venturi, cria um diferencial de pressão grande entre a câmara 306 e o compartimento 302, que drena o vácuo e contribui, assim, para drenar o material do compartimento de dentro da câmara.
[0068] Outro sistema de dispersão adequado 400 é mostrado nas
Figuras 6 a 8. Este sistema encontra-se comercialmente disponível a partir de IKA® Works, Wilmington, Carolina do Norte, sob o nome comercial CMS 2000. O sistema de Dispersão 400, tal como é fornecido, inclui um tanque de líquidos 402. No entanto, se desejado, o tanque relativamente pequeno 402 pode ser omitido e o restante do sistema canalizado para um tanque maior, por exemplo, um tanque de volume industrial (não mostrado). O sistema 400 também inclui um funil de recepção de sólidos 403, uma unidade de distribuição 401, incluindo um alojamento 404 tendo uma estrutura semelhante à do alojamento 304 discutido acima, um motor 414, uma interface de controle de usuário 416, e uma unidade pressurizada 418.
[0069] A principal diferença entre o sistema de dispersão 400 e o sistema de distribuição 300 está na estrutura interna das unidades de fornecimento 401 e 301. A unidade de dispersão 401, mostrada em detalhes na Figura 8, inclui um rotor 420 que funciona como um impulsor e gera a pressão do fluido muito elevada estática dentro da unidade. Como resultado, a unidade de dispersão funciona na forma de uma bomba centrífuga, e uma bomba de retomo para cima, geralmente não é necessária, mesmo em viscosidades relativamente elevadas.
[0070] O rotor 420 extrai o líquido a partir do tanque para dentro da câmara 406 através da entrada 408 na sucção elevada. O líquido e os sólidos
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21/54 (inserindo através da entrada 410) são drenados axialmente dentro do rotor 420 em alta pressão, e saem do rotor 420 radialmente com o fluxo de alta velocidade turbulenta que dispersa a matéria-prima para o líquido. Uma dispersão substancialmente homogênea sai da câmara através da saída 412 e é enviada para o tanque para sacarificação.
[0071] O sistema de dispersão 400 pode ser operado em vários modos, exemplos dos quais são mostrados nas Figuras 7 e 7A. Na Figura 7, a unidade de dispersão 401 é alimentada através do carregamento da matéria-prima em uma tremonha 422 que está montada na entrada de sólidos do invólucro 404. Uma válvula 424 controla a distribuição da matéria-prima para as unidades de dispersão 401. A matéria-prima pode ser carregado utilizando qualquer técnica de distribuição desejada, por exemplo, manualmente, por transportador, carregador pneumático, ou semelhantes. Na Figura 7A, a matéria-prima é aspirado para fora de um saco ou compartimento 424 usando uma varinha de sucção 426. Neste caso, a distribuição da matéria-prima pode ser controlada através do controle da taxa de aspiração. Outros arranjos podem ser utilizados. [0072] A matéria-prima pode ser fornecido à unidade de dispersão de forma contínua ou intermitentemente, e o sistema de dispersão pode ser executado em um modo de recirculação ou modo uma vez através. Se desejado, a unidade de dispersão pode ser usada para misturar durante a sacarificação, após dispersão inicial ter sido concluída.
Mistura a jato [0073] Uma vez que a amtéria-prima tenha sido substancialmente dispersa no líquido, pode ser desejável desligar o sistema de dispersão e usar um misturador que exige menos energia para misturar ainda mais Misturadores particularmente vantajosos para este fim são conhecidos como misturadores a jato. Em geral, misturadores adequados têm em comum que eles produzem fluxo de alta velocidade de circulação, para o fluxo de exemplo, em um padrão toroidal ou elíptico. Geralmente, os misturadores preferenciais apresentam uma
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22/54 taxa de fluxo de alta massa. Os misturadores preferidos fornecem esta ação de mixagem com o consumo de energia relativamente baixo. É também geralmente preferido que o misturador produza cisalhamento relativamente baixo e evite o aquecimento do meio líquido, uma vez que o cisalhamento e/ou o calor podem afetar prejudicialmente o agente de sacarificação (ou microrganismo, por exemplo, no caso de fermentação). Como será discutido em detalhes abaixo, alguns misturadores preferenciais drenam a mistura através de uma entrada para um elemento de mistura, que pode incluir um rotor ou impulsor e, em seguida expelem a mistura a partir do elemento de mistura através de um bocal de saída. Esta ação de circulação, e a alta velocidade do jato que sai do bocal ajudam na dispersão de material que está flutuando na superfície do líquido ou material que se estabeleceu para o fundo do tanque, dependendo da orientação do elemento de mistura. Os elementos de mistura podem ser posicionados em diferentes orientações para dispersar tanto de flutuação e sedimentação de material, e a orientação dos elementos de mistura pode, em alguns casos, ser ajustável.
[0074] Em alguns sistemas preferidos de mistura, a velocidade v0 do jato, à medida que se encontra com o fluido ambiente é de cerca de 2 a 300 m/s, por exemplo, cerca de 5 a 150m/sou cerca de 10 a 100 m/s. O consumo de energia do sistema de mistura pode ser de cerca de 20 a 1000 KW, por exemplo, 30 a 570 KW, 50 a 500 kW, ou 150 a 250KW para um tanque de 100.000 L.
[0075] A mistura a jato envolve a descarga de um jato submerso, ou um número a jatos submersos, de líquido a alta velocidade em um meio fluido, neste caso, a mistura de matérias-primas de biomassa, meio líquido e um agente de sacarificação. O jato de líquido penetra no meio líquido, com a sua energia sendo dissipada pela turbulência e algum calor inicial. Esta turbulência está associada com gradientes de velocidade (cisalhamento de fluido). O fluido circundante é acelerado e arrastado no fluxo a jato, com este fluxo secundário arrastado aumentando à medida que a distância a partir do bocal de jato
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23/54 aumenta. O impulso do fluxo secundário permanece, em geral, constante à medida que o jato se expande, desde que o fluxo não atinja uma parede, chão ou outro obstáculo. Quanto mais tempo o fluxo continua antes de atingir qualquer obstáculo, mais líquido é arrastado no fluxo secundário, aumentando o fluxo de grandes quantidades no tanque ou recipiente. Quando ele encontra um obstáculo, o fluxo secundário irá perder o impulso, mais ou menos dependendo da geometria do tanque, por exemplo, o ângulo em que o fluxo ✓
colide com o obstáculo. E geralmente desejável orientar os jatos e/ou desenho do tanque de modo que as perdas hidráulicas para as paredes do tanque são minimizadas. Por exemplo, pode ser desejável para o tanque ter uma parte inferior arqueada (por exemplo, uma chapa frontal em abóbada), e para os misturadores a jato serem orientados relativamente perto das paredes laterais, como mostrado na Figura 12. O fundo do tanque (placa de cabeça inferior) pode ter qualquer configuração desejada em forma de cúpula, ou pode ter uma geometria elíptica ou cônica.
[0076] A mistura a jato difere da maioria dos tipos de mistura de líquido/líquido e líquido/sólido na medida em que a força de condução é hidráulica, em vez de mecânica. Em vez de cisalhamento de fluidos e impelir o mesmo em tomo do recipiente de mistura, tal como um agitador mecânico faz, um misturador a jato força o fluido através de um ou mais bocais no interior do tanque, criando jatos de alta velocidade que o entranha outro fluido. O resultado é cisalhamento (fluido contra fluido) e circulação, que misturam o conteúdo do tanque de forma eficiente.
[0077] Referindo-se à Figura 9, o gradiente de velocidade elevado entre o fluxo principal a partir de um jato submerso e o fluido circundante faz turbilhões. A Figura 9A ilustra as características gerais de um jato submerso. A medida que o jato submerso expande-se em tomo do ambiente, o perfil de velocidade achata à medida que a distância (x) a partir do bocal aumenta. Além disso, os gradientes de velocidade dv/dr altera com r (a distância entre a linha
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24/54 central do jato) a uma dada distância x, tal que os vórtices são criados que definem a zona de mistura (a expansão cônica a partir do bocal).
[0078] Em um estudo experimental de um jato submerso no ar (cujos resultados são aplicáveis a qualquer fluido, incluindo a água), Albertson et al. (Diffusion of Submerged Jets, Artigo 2409, Amer. Soc. Of Civil Engineers Transactions, vol. 115:639-697, 1950, p. 657) desenvolveu relações adimensionais para v(x)r=o/vo (velocidade da linha central), v(r)x/v(X)r =o (velocidade de perfil a um dado x),Qx/Qo (arraste de fluxo), e Ex/Eo (variação de energia com x):
(1) velocidade de linha de centro, v (x) r= alvo:
v(r = 0) x
= 6.2 (2) velocidade de perfil em qualquer x, v (r) xlv (x) r= o:
x r1 = 0.79- 33— x2 (3) Fluxo de energia em qualquer x:
(10.21)
E D (10-22) *
onde:
v (r= 0)= velocidade da linha central do jato submerso (m/s), Vo= velocidade do jato que emerge a partir do bocal (m/s), x =distância do bocal (m), r= distância da linha central do jato (m), Do= diâmetro do bocal (m),
Qx = fluxo de fluido através de qualquer dado plano na distância x a partir do bocal (me/s),
Qo =fluxo de fluido emergindo do bocal (m3/s),
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Ε = energia de fluxo de fluido através de qualquer dado plano na distância x a partir do bocal (m 3/s),
Εθ =fluxo de energia de fluido que emerge do bocal (m 3/s).
[0079] (Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical,
David W. Hendricks,CRCPress,2006,p411).
[0080] Mistura a jato é especialmente rentável em aplicações de grande volume (mais de 1.000 galões) e de baixa viscosidade (menos de 1.000 cP). E também geralmente vantajoso que na maioria dos casos a bomba ou motor do misturador a jato não sejam submersos, por exemplo, quando uma bomba usada está geralmente localizada fora do recipiente.
[0081] Uma vantagem da mistura a jato é que a temperatura do fluido ambiente (com exceção de diretamente adjacente à saída do bocal, onde pode haver algum aquecimento localizado) é aumentada apenas ligeiramente, se de todo. Por exemplo, a temperatura pode ser aumentada em menos de 5°C, inferior a 1 o c, ou não em qualquer extensão mensurável.
Agitadores de fluxo a jato [0082] Um tipo agitador de fluxo a jato é mostrado nas Figuras 10 a
10A. Este tipo de misturador está disponível comercialmente, por exemplo, a partir de IKA sob o nome comercial ROTOTRON™. Referindo-se à Figura 10, o misturador 200 inclui um motor 202, que roda um eixo de acionamento 204. Um elemento de mistura 206 é montado na extremidade do eixo de acionamento 204. Como mostrado na Figura 10A, o elemento de mistura 206 inclui um capuz 208 e, dentro do capuz, um rotor 210. Tal como indicado pelas setas, quando o rotor é rodado na sua direção dianteira, o impulsor 210 drena o líquido através da extremidade superior aberta 212 do capuz e força o líquido para fora através da extremidade inferior aberta 214. O líquido que sai da extremidade 214 está na forma de um fluxo de alta velocidade ou de jato. Se o sentido de rotação do impulsor 210 é invertido, o líquido pode ser puxado através da extremidade inferior 214 e ejetado através da extremidade superior 212. Isto
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26/54 pode ser usado, por exemplo, para sugar em sólidos que estão flutuando perto ou na superfície do líquido em um tanque ou recipiente. (Note-se que superior e inferior referem-se à orientação do misturador na Figura 10. O misturador pode ser orientado em um tanque de modo que a extremidade superior está abaixo da extremidade inferior.) [0083] O capuz 208 inclui áreas alargadas 216 e 218 adjacentes a suas extremidades. Estas áreas alargadas acreditam-se que contribuem para o fluxo geralmente toroidal que é observado com este tipo de misturador. A geometria do capuz e do impulsor também concentram o fluxo em um fluxo de alta velocidade usando o consumo de energia relativamente baixo.
[0084] De preferência, a folga entre o capuz 208 e o impulsor 210 é suficiente de modo a evitar moagem excessiva do material à medida que passa através do capuz. Por exemplo, a folga pode ser de pelo menos 10 vezes o tamanho médio de partícula dos sólidos na mistura, de preferência pelo menos 100 vezes.
[0085] Em algumas implementações, o eixo 204 é configurado para permitir a distribuição do gás através do eixo. Por exemplo, o eixo 204 pode incluir um furo (não mostrado) através do qual o gás é entregue, e um ou mais orifícios através dos quais o gás sai na mistura. Os orifícios podem estar dentro do capuz 208, para melhorar a mistura, e/ou em outros locais ao longo do comprimento do eixo 204.
[0086] O impulsor 210 pode ter qualquer geometria desejada que vai aspirar o líquido através do capuz a uma velocidade elevada. O impulsor é, de preferência, um impulsor marinho, tal como mostrado na Figura 1OA, mas pode ter um desenho diferente, por exemplo, um impulsor de Rushton com mostrado na Figura 10B, ou um impulsor de Rushton modificado, por exemplo, inclinado de modo a proporcionar algum fluxo axial.
[0087] A fim de gerar o fluxo de alta velocidade através do capuz, o motor 202 é, de preferência, um motor de torque elevado de alta velocidade,
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27/54 por exemplo, capaz de operar a 500 a 20.000 RPM, por exemplo, 3.000 a 10.000 RPM. No entanto, quanto maior o misturador (por exemplo, quanto maior for o capuz e/ou quanto maior motor) a menor a velocidade de rotação pode ser. Assim, se um misturador grande é usado, tal como um de 5 hp, 10 hp, 20 hp, ou 30 hp ou maiores, o motor pode ser projetado para funcionar a baixas velocidades de rotação, por exemplo, inferior a 2000 RPM, inferior a 1500 RPM , ou mesmo 500 RPM ou menos. Por exemplo, um misturador dimensionado para misturar um tanque de 10.000-20.000 litros pode operar a velocidades de 900 a 1200 RPM. O torque do motor é, de preferência, autoajustável, para manter uma velocidade do rotor relativamente constante à medida que as condições da mistura mudam com o tempo, por exemplo, devido a sacarificação dos sólidos.
[0088] Vantajosamente, o misturador pode ser orientado em qualquer ângulo desejado ou localização no tanque, para dirigir o fluxo a jato em uma direção desejada. Além disso, como discutido acima, dependendo da direção de rotação do impulsor, o misturador pode ser utilizado para drenar o líquido a partir de cada extremidade do capuz.
[0089] Em algumas implementações, dois ou mais misturadores a jato são posicionados no reservatório, com um ou mais sendo configurados para jatear fluido para cima (bombear para cima) e um ou mais sendo configurado para jatear fluido descendentemente (bombear para baixo ). Em alguns casos, um misturador de bombeamento para cima será posicionado adjacente a um misturador de bombeamento para baixo, para aumentar o fluxo turbulento criado pelos misturadores. Se desejado, um ou mais misturadores podem ser comutados entre fluxo ascendente e fluxo descendente durante o processamento. Pode ser vantajoso alternar todos ou a maioria dos misturadores do modo de bombeamento para cima durante a dispersão inicial da matéria-prima no meio liquido, particularmente se a matéria-prima é despejado ou soprado sobre a superfície do liquido, à medida que o
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28/54 bombeamento para cima cria turbulência significativa nasuperfície. O bombeamento para cima pode também ser usado durante a fermentação para ajudar a remover C02 a partir do líquido, fazendo com que o gás gere bolhas na superfície onde ele pode ser ventilado.
[0090] Outros misturadores a jato adequados são descritos no pedido de patente provisório US 61/218.832, depositado em 19 de junho de 2009, e no pedido de patente provisório US 12/782.694, depositado em 24 de maio de 2010, as divulgações de pleno direito que são aqui incorporadas por referência.
MATERIAIS
Materiais da biomassa [0091] A biomassa pode ser, por exemplo, um material celulósico ou lignocelulósico. Tais materiais incluem papel e produtos de papel (por exemplo, papel e papel Kraft polirevestido), madeira, materiais relacionados com madeira, por exemplo, placa de partículas, ervas, cascas de arroz, bagaço, juta, cânhamo, linho, bambu, sisai, abaca, palha, grama, alfafa, feno, espigas de milho, palha de milho, palha de coco e materiais de alto conteúdo de celulose, por exemplo, o algodão. Matérias-primas podem ser obtidas a partir de materiais de sucata virgens têxteis, por exemplo, restos, resíduos pós-consumo, por exemplo, panos. Quando os produtos de papel são usados, eles podem ser materiais virgens, por exemplo, materiais de sucata virgens, ou eles podem ser resíduos pós-consumo.
[0092] Além de matérias-primas virgens, pós-consumidor, industriais (por exemplo, vísceras) e os resíduos de processamento (por exemplo, a partir de efluentes de processamento de papel) podem também ser utilizados como fontes de fibra. Fontes de biomassa podem também ser obtidas ou derivadas de humano (por exemplo, de esgoto), animal ou resíduos de plantas. Materiais adicionais celulósicos e lignocelulósico têm sido descritos nas Patentes US
6.448.307, 6.258.876,6.207.729,5.973.035 e 5.952.105.
[0093] Em algumas modalidades, o material de biomassa inclui um
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29/54 carboidrato que é ou inclui um material que tem uma ou mais 3,4-ligações e tendo um número médio de peso molecular entre cerca de 3.000 e 50.000. Tal carboidrato é ou inclui uma celulose (I), que é derivado a partir de (βglicose 1) por meio de condensação de ligações glicosídicas β (1,4). Esta ligação contrasta-se com aquela para ligações glicosídicas α (1, 4) presentes no
[0094] Materiais à base de amido incluem amido em si, por exemplo, amido de milho, amido de trigo, amido de batata, ou amido de arroz, um derivado de amido, ou de um material que inclui amido, tal como um produto alimentar comestível ou uma colheita. Por exemplo, o material de amido pode ser mandioquinha, trigo, banana, cevada, mandioca, kudzu, oca, sagu, sorgo, batata, batata doce, inhame, batata doce, ou um ou mais grãos, como favas, lentilhas ou ervilhas. Misturas de quaisquer dois ou mais materiais amiláceos também são materiais amiláceos.
[0095] Em alguns casos, a biomassa é um material microbiano. As fontes microbianas incluem, mas não estão limitadas a, qualquer microrganismo que ocorre naturalmente ou geneticamente modificado ou organismo que contém ou é capaz de fornecer uma fonte de carboidratos (por exemplo, celulose), por exemplo, protistas, por exemplo, protistas animal (por exemplo, protozoários, tais como flagelados, amoeboidos, ciliados, e
Sporozoa) e protistas vegetais (por exemplo, algas tais como alveolatos, chlorarachniophytes, criptomônade, euglenidos, glaucofitos, haptofitos,
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30/54 algas vermelhas, stramenopiles, e viridaeplantae). Outros exemplos incluem algas, plâncton (por exemplo, macroplâncton, mesoplâncton, microplâncton, nanoplâncton, picoplanctônicos e fenptoplâncton), fitoplâncton, bactérias (por exemplo, as bactérias gram-positivas, bactérias gram-negativas, e extremófilos) de levedura, e/ou misturas destes. Em alguns casos, a biomassa microbiana pode ser obtida a partir de fontes naturais, por exemplo, o oceano, lagos, massas de água, por exemplo, água salgada ou água fresca, ou em terra. Altemativamente ou em adição, a biomassa microbiana pode ser obtida a partir de sistemas de cultura, por exemplo, em grande escala de sistemas de cultura secos e molhados.
Agentes de Sacarificação [0096] As Enzimas adequadas incluem celobiases e celulases, capazes de degradar a biomassa.
[0097] Celobiases adequadas incluem um celobiase de Aspergillus niger vendido sob a marca registada NO 188 VOZYME™.
[0098] As celulases são capazes de degradar a biomassa, e podem ser de origem fúngica ou bacteriana. Enzimas adequadas incluem celulases do gêneros Bacil/us, Pseudomonas, Humícola,Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium e Trichoderma, e incluem espécies de Humícola, Coprinus, Thie/avia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Penicil/ium ou Aspergillus (ver, por exemplo, EP 458.162), especialmente as que são produzidas por uma cepa selecionada a partir da espécie de Humícola insolens (reclassificada como Scytalidium thermophi/um, ver, por exemplo, Patente US 4.435.307), Coprinus cinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripius gigante, Thielavia terrestre, Acremonium sp., Acremonium persicinum, Acremonium Acremonium, brachypenium Acremonium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum, Acremoniu furatum, de preferência
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31/54 da espécie Humícola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117,65, Cepha/osporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265,95, Acremonium persicinum CBS 169,65, Acremonium Acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium, brachypeníum CBS 866,73, Acremonium dichromospor CBS 683,73, Acremonium obclavato CBS 311,74, Acremonium pinkertoniae CBS 157,70, Acremonium roseogriseum CBS 134,56, Acremonium ínco/oratum CBS 146.62, Acremonium furatum CBS 299.70H. Enzimas celulolíticas podem também ser obtidas a partir de Chrysosporíum, de preferência, de uma cepa de Chrysosporíum /ucknowense. Além disso, Trichoderma (particularmente Trichoderma víride, Trichoderma Reese, e Trichoderma koningil), Bacii/us alcalofflico (ver, por exemplo, Patente US 3.844.890 e EP 458.162), e Streptomyces (ver, por exemplo, EP 458.162) podem ser utilizados.
[0099] Complexos de enzima podem ser utilizado, tais como os disponíveis a partir de Genencore sob o nome comercial ACELLERASE®, por exemplo, complexo enzimático Acellerase ® 1500. Complexo enzimático Acellerase ® 1500 contém múltiplas atividades enzimáticas, principalmente exoglucanase, endoglucanase (2200-2800 CMC U/g), hemi-celulase, e betaglucosidase (525-775 PNPG U/g), e tem um pH de 4,6-5,0. A atividade de endoglucanase do complexo enzima é expressa em unidades de atividade carboximetilcelulose (CMC U), enquanto que a atividade beta-glucosidase é relatada em unidades de pNP-glucósido de atividade (PNPG U). Em uma modalidade, uma mistura de complexo de enzima Acellerase ® 1500 e celobiase Novozyme 188 ΊΜ é usada.
[00100] Em algumas implementações, o agente de sacarificação compreende um ácido, por exemplo, um ácido mineral. Quando um ácido é usado, coprodutos podem ser gerados que são tóxicos para os microrganismos, caso em que o processo pode ainda incluir a remoção de tais
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32/54 coprodutos. A remoção pode ser realizada utilizando um carvão ativado, por exemplo, carvão ativado, ou outras técnicas adequadas.
Agentes de fermentação [00101] O(s)microrganismo(s) utilizado(s) na fermentação pode(m) ser microrganismos naturais e/ou microrganismos de engenharia. Por exemplo, o microrganismo pode ser uma bactéria, por exemplo, uma bactéria celulolítica, um fungo, por exemplo, uma levedura, uma planta ou um protista, por exemplo, uma alga, um protozoário ou um fungo tipo protista, por exemplo, um molde de lodo. Quando os organismos são compatíveis, as misturas de organismos podem ser utilizadas.
[00102] A adequada fermentação de microrganismos tem a capacidade de converter carboidratos, tais como glicose, xilose, arabinose, manose, galactose, oligossacáridos ou polissacarídeos em produtos de fermentação. A fermentação de microrganismos inclui cepas de gênero Sachromyces spp. por exemplo, Sachromyces cerevisiae (fermento de padaria), Sacharomyces distaticus, Sacharomyces uvarum; do gênero K/uyveromyces, por exemplo, as espécies Kluyveromyces marxianus, K/uyveromyces fragi/ís; do gênero Candida, por exemplo, Candida pseudotropica/is, e Candida brassicae, Pichia stipitis (um parente d Candida shehatae, o gênero Clavispora, por exemplo, espécies Clavispora lusítaniae e C/avispora opuntiae, o gênero Pachyso/en, por exemplo, espécies Pachysolen tannophilus, o gênero Bretannomyces, por exemplo, espécies Bretannomyces clausenii (Philippidis, GP, 1996, tecnologia da bioconversão de celulose, no Livro sobre Bíoetanol: Produção e Utilização, Wyman, CE, Ed. Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212).
[00103] Leveduras comercialmente disponíveis incluem, por exemplo,
Red Star®/Lesaffre Etanol Red (disponível a partir de Red Star/Lesaffre, EUA),
FALI® (disponível a partir de Fleischmann's Yeast, uma divisão de Bums
Philip Food lnc., EUA), SUPERSTART® (disponível a partir de Alltech,
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33/54 agora Lalemand), GERT STRAND® (disponível a partir de Gert Strand AB, Suécia) e FERMOL® (disponível a partir de Specialties DSM).
[00104] As bactérias podem também ser utilizada em fermentação, por exemplo, Zymomonas mobilis e Clostridium thermocellum (Filípedes, 1996, supra).
Aditivos
Antibióticos [00105] Enquanto é geralmente preferido ter uma alta concentração de açúcar na solução sacarificada, as concentrações mais baixas podem ser utilizadas, caso em que pode ser desejável adicionar um aditivo antimicrobiano, por exemplo, um antibiótico de largo espectro, em uma concentração baixa, por exemplo, 50 a 150 ppm. Outros antibióticos adequados incluem a anfotericina 8, ampicilina, cloranfenicol, ciprofloxacina, gentamicina, higromicina 8, canamicina, neomicina, penicilina, puromicina, estreptomicina. Antibióticos inibirão o crescimento de microrganismos, durante o transporte e armazenamento, e pode ser usado em concentrações adequadas, por exemplo, entre 15 e 1000 ppm em peso, por exemplo, entre 25 e 500 ppm, ou entre 50 e 150 ppm. Se desejado, um antibiótico pode ser incluído, mesmo se a concentração de açúcar é relativamente alta.
Surfactantes [00106] A adição de agentes surfactantes pode aumentar a taxa de sacarificação. Exemplos de surfactantes incluemtensoativos não-iônicos, tais como um surfactante de polietileno-glicolTween® 20 ou Tween ® 80, agentes tensoativos iônicos ou tensoativos anfóteros. Outros agentes tensoativos adequados incluem etoxilatos de octilfenol, tais como os tensoativos não iônicos de série TRITON™ X comercialmente disponíveis a partir da Dow Chemical. Um surfactante também pode ser adicionado para manter o açúcar que está sendo produzido em solução, particularmente em soluções de concentrações elevadas.
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Meio de sacarificação [00107] Em uma modalidade, o meio tem as seguintes concentrações de componentes:
Base de nitrogênio de levedura 1,7 g/1
✓ Ureia 2,27 g/1
Peptona 6,56 g/1
Surfactante Tween® 10 g/1
Tratamento Físico da matéria-prima
PREPARAÇÃO FÍSICA [00108] Em alguns casos, os métodos podem incluir uma preparação tísica, por exemplo, redução de tamanho de materiais, tal como por corte, trituração, cisalhamento, pulverização ou picar. Por exemplo, em alguns casos, a matéria-prima solto (por exemplo, papel reciclado, materiais de amido, carvão ou grama) é preparado por cisalhamento ou rasgo. Por exemplo, em outros casos, o material é primeiro pré-tratado ou tratado utilizando um ou mais de qualquer dos métodos aqui descritos, tais como radiação, sonicação, oxidação, pirólise, ou Tween® 80 de vapor, e, em seguida, o tamanho reduzido, ou ainda mais o tamanho reduzido. Tratar primeiro e, em seguida, a redução do tamanho pode ser vantajosa uma vez que os materiais tratados tendem a ser mais quebradiços e, por conseguinte, mais fáceis de reduzir o tamanho. As telas e/ou os ímãs podem ser usados para remover objetos de grandes dimensões ou indesejáveis, tais como, por exemplo, rochas ou pregos a partir da corrente de alimentação.
[00109] Os sistemas de preparação dos alimentos podem serconfigurado para produzir fluxos com características específicas, tais como, por exemplo, tamanhos máximos específicos, comprimento para largura específicos, ou relações de áreas superficiais específicas. A preparação física pode aumentar a taxa de reações ou reduzir o tempo de processamento requerido pela abertura dos materiais e tomando-os mais acessíveis aos
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35/54 processos e/ou reagentes, tais como os reagentes em uma solução. A densidade a granel de matérias-primas pode ser controlada (por exemplo, aumentada). Em algumas situações, pode ser desejável preparar um material de baixa densidade a granel, densificar o material (por exemplo, para tomar mais fácil e menos dispendioso transportar para outro local) e, em seguida reverter o material a um estado de densidade inferior a granel.
Redução de Tamanho [00110] Em algumas modalidades, o material a ser processado está sob a forma de um material fibroso que inclui fibras fornecidas por cisalhamento de uma fonte de fibra. Por exemplo, o corte pode ser realizado com um cortador de faca rotativa.
[00111] Por exemplo, uma fonte de fibra, por exemplo, que é recalcitrante ou que tenha o seu nível de recalcitrância reduzido, pode ser cortado, por exemplo, em um cortador de faca rotativa, para proporcionar um primeiro material fibroso. O material fibroso é primeiro passado através de uma primeira tela, por exemplo, tendo um tamanho de abertura média de 1,59 mm ou menos (1/16 polegada, 0,0625 polegada), fornece um segundo material fibroso. Se desejado, a fonte de fibra pode ser cortada antes do cisalhamento, por exemplo, com um triturador. Por exemplo, quando um papel é usado como fonte de fibras, o papel pode ser primeiro cortado em tiras qu são, por exemplo, 1/4 para 1/2 polegadas em amplitude, utilizando um cortador de, por exemplo, um parafuso de retalhamento contrarrotação, tal como os fabricados pela Munson (Utica, NY). Como uma alternativa para a trituração, o papel pode ser reduzido em tamanho por corte para um tamanho desejado utilizando uma guilhotina. Por exemplo, a guilhotina pode ser usada para cortar o papel em folhas que têm, por exemplo, 10 polegadas de largura por 12 polegadas de comprimento.
[00112] Em algumas modalidades, o cisalhamento da fonte de fibra e a passagem do primeiro material fibroso resultante através de um primeiro crivo
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36/54 são realizados simultaneamente. O cisalhamento e a passagem podem também ser realizados em um processo tipo em lote.
[00113] Por exemplo, um cortador de faca rotativa pode ser usado para simultaneamente cisalhar a fibra e crivar o primeiro material fibroso. Um cortador de faca rotativa inclui uma tremonha que pode ser carregada com uma fonte de fibra desfiada preparada por trituração de uma fonte de fibra. A fonte de fibra desfiada, em algumas implementações, a matéria-prima é fisicamente tratado antes da sacarificação e/ou da fermentação. Processos de tratamento físico podem incluir um ou mais de qualquer dos aqui descritos, tais como tratamento mecânico, tratamento químico, irradiação, sonificação, oxidação, pirólise ou explosão de vapor. Os métodos de tratamento podem ser usados em combinações de dois, três, quatro, ou até mesmo de todas estas tecnologias (em qualquer ordem). Quando mais de um método de tratamento é usado, os métodos podem ser aplicados ao mesmo tempo ou em tempos diferentes. Outros processos que alteram a estrutura molecular de uma matéria-prima de biomassa podem também ser usado, sozinho ou em combinação com os processos aqui descritos.
Tratamentos mecânicos [00114] Em alguns casos, os métodos podem incluir mecanicamente tratar a matéria-prima de biomassa. Tratamentos mecânicos incluem, por exemplo, corte, moagem, prensagem, trituração, corte e corte. A moagem pode incluir, por exemplo, moagem, trituração por martelo, moagem a seco ou húmida por rotor/estator, ou outros tipos de moagem. Outros tratamentos mecânicos incluem, por exemplo, pedra de amolar, rachaduras, rasgo mecânico ou rasgar, moer com pinos ou triturar por atrito do ar.
[00115] O tratamento mecânico pode ser vantajoso para abrir, tensionar, quebrar e estilhaçar os materiais celulósicos ou lignocelulósicos, tomando a celulose dos materiais mais suscetível à cisão de cadeia e/ou redução da cristalinidade. Os materiais abertos podem também ser mais
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37/54 susceptíveis à oxidação quando irradiados.
[00116] Em alguns casos, o tratamento mecânico pode incluir uma preparação inicial da matéria-prima, como recebida, por exemplo, redução de tamanho de materiais, tais como por corte, trituração, cisalhamento, pulverização ou corte. Por exemplo, em alguns casos, matéria-prima solto (por exemplo, papel reciclado, materiais de amido, ou grama) é preparado por cisalhamento ou rasgo.
[00117] Altemativamente, ou adicionalmente, o material de matériaprima pode primeiro ser fisicamente tratado por um ou mais dos outros métodos de tratamento físicos, por exemplo, tratamento químico, radiação, sonicação, oxidação, pirólise, ou explosão de vapor e, em seguida tratado mecanicamente. Esta sequência pode ser vantajosa, porque os materiais tratados por um ou mais dos outros tratamentos, como por exemplo, irradiação ou pirólise, tendem a ser mais quebradiços e, por conseguinte, pode ser mais fácil para continuar a alterar a estrutura molecular do material por tratamento mecânico.
[00118] Em algumas modalidades, o material de matéria-prima está na forma de um material fibroso, e tratamento mecânico inclui cisalhamento para expor as fibras do material fibroso. O cisalhamento pode ser realizado, por exemplo, utilizando um cortador de faca rotativa. Outros métodos de tratamento da matéria-prima mecanicamente incluem, por exemplo, moagem ou trituração. A moagem pode ser realizada utilizando, por exemplo, um moinho de martelos, moinho de bolas, moinho de coloide, moinho cônico ou de cone, moinho de disco, moinho de borda, Moinho de Wiley ou moinho de grãos. A moagem pode ser realizada utilizando, por exemplo, um moinho de pedra, moinho de pinos, moinho de café, ou moinho de rebarbas. A moagem pode ser proporcionada, por exemplo, por um pino de vaivém ou outro elemento, tal como é o caso em um moinho de pinos. Outros métodos de tratamento mecânico incluem rasgo mecânica ou rasgar, outros métodos que
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38/54 se aplicam pressão ao material, e moagem por atrito do ar. Tratamentos mecânicos adequados incluem ainda qualquer outra técnica que altera a estrutura molecular da matéria-prima.
[00119] Se desejado, o material mecanicamente tratado pode ser passado através de uma tela, por exemplo, tendo um tamanho de abertura média de 1,59 mm ou menos (1/16 polegada, 0,0625 polegada). Em algumas modalidades, o cisalhamento, ou outro tratamento mecânico, e varredura são realizados simultaneamente. Por exemplo, um cortador de faca rotativa pode ser usado para simultaneamente cisalhar e varrer a matéria-prima. A matériaprima é cortado entre as lâminas estacionárias e as lâminas rotativas para proporcionar um material cisalhado que passa através de uma varredura, e é capturado em um compartimento.
[00120] O material celulósico ou lignocelulósico pode ser tratado mecanicamente em um estado seco (por exemplo, tendo pouca ou nenhuma água livre na sua superfície), um estado hidratado (por exemplo, possuindo até 10 por cento em peso de água absorvida), ou em um estado molhado, por exemplo, tendo entre cerca de 10 por cento e cerca de 75 por cento em peso de água. A fonte de fibra pode mesmo ser tratada mecanicamente, enquanto parcialmente ou totalmente submersa sob um líquido, tal como água, etanol ou isopropanol.
[00121] O material celulósico ou lignocelulósico de fonte de fibra também pode ser tratado mecanicamente sob um gás (tal como um fluxo ou atmosfera de gás diferente do ar), por exemplo, oxigênio ou nitrogênio, ou vapor. [00122] Se desejado, a lignina pode ser removida a partir de qualquer um dos materiais fibrosos que incluem lignina. Além disso, para ajudar na ventilação dos materiais que incluem a celulose, o material pode ser tratado antes ou durante o tratamento mecânico ou a irradiação com o calor, uma substância química (por exemplo, ácido mineral, base ou um oxidante forte, tal como hipoclorito de sódio) e/ou uma enzima. Por exemplo, a moagem pode ser
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39/54 realizada na presença de um ácido.
[00123] Os sistemas de tratamento mecânico podem ser configurados para produzir fluxos com características morfológicas específicas tais como, por exemplo, a área de superfície, porosidade, densidade, e, no caso de matériasprimas fibrosos, características da fibra, como a proporção de comprimento e largura.
[00124] Em algumas modalidades, uma área superficial BET do material mecanicamente tratado é maior do que 0,1 m2/g, por exemplo, maior do que 0,25 m2/g, maior do que 0,5 m2/g, maior do que 1,0 m2/g, maior do que
1,5 m2/g, maior do que 1,75 m2/g, maior do que 5,0 m2/g, maior do que 10 m2/g, maior do que 25 m2/g, maior do que 35 m2/g, maior do que 50 m2/g, maior do que 60 m2/g, maior do que 75 m2/g, maior do que 100 m2/g, maior do que 150 m2/g, maior do que 200 m2/g, ou mesmo maior do que 250 m2/g.
[00125] Uma porosidade do material mecanicamente tratado pode ser, por exemplo, maior do que 20 por cento, maior do que 25 por cento, maior do que 35 por cento, maior do que 50 por cento, maior do que 60 por cento, maior do que 70 por cento, maior do que 80 por cento, maior do que 85 por cento, maior do que 90 por cento, maior do que 92 por cento, maior do que 94 por cento, mais do que 95 por cento, maior do que 97,5 por cento, maior do que 99 por cento, ou mesmo maior do que 99,5 por cento.
[00126] Em algumas modalidades, após o tratamento mecânico, o material tem uma densidade a granel de menos de 0,25 g/cm , por exemplo, de 0,20 g/cm ,0,15 g/cm3, 0,10 g/cm3, 0,05 g/cm3 ou menos, por exemplo, 0,025 g/cm3. Densidade é determinada utilizando ASTM 018958. Resumidamente, o método envolve a medição de enchimento de um cilindro de volume conhecido, com uma amostra e obtenção de um peso da amostra. A densidade a granel é calculada dividindo o peso da amostra em gramas pelo volume conhecido do cilindro em centímetros cúbicos.
[00127] Se a matéria-prima é um material fibroso, as fibras dos
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40/54 materiais fibrosos mecanicamente tratadas podem ter uma proporção relativamente grande de comprimento para diâmetro médio (por exemplo, maior do que 20 para 1), mesmo que tenham sido cortadas mais de uma vez. Além disso, as fibras dos materiais fibrosos aqui descritos podem ter um comprimento relativamente estreito e/ou distribuição de relação comprimento e diâmetro.
[00128] Tal como aqui utilizado, as larguras de fibra média (por exemplo, os diâmetros) são aqueles determinados opticamente, selecionandose aleatoriamente aproximadamente 5000 fibras. Os comprimentos médios de fibras são comprimento de comprimentos ponderados corrigidos. Áreas de superfície de BET (Brunauer, Emmet e Teller) são áreas de superfície de múltiplos pontos e porosidades são aquelas determinadas pela porosimetria de mercúrio.
[00129] Se o segunda matéria-prima é um material fibroso 14, a relação de comprimento para diâmetro médio das fibras do material mecanicamente tratado pode ser, por exemplo, maior do que 8/1, por exemplo, maior do que 10/1, maior do que 15/1, maior do que 20/1, maior do que 25/1, ou maior do que 50/1. Um comprimento médio de fibra do material tratado mecanicamente 14 pode ser, por exemplo, entre cerca de 0,5 mm e 2,5 mm, por exemplo, entre cerca de 0,75 mm e 1,0 mm, e uma largura média (por exemplo, o diâmetro) do material fibroso segundo 14 pode ser, por exemplo, entre cerca de 5 e 50 μιη, por exemplo, entre cerca de 10 pm e 30 pm.
[00130] Em algumas modalidades, se a matéria-prima é um material fibroso, o desvio padrão do comprimento da fibra do material mecanicamente tratado pode ser inferior a 60 por cento de um comprimento médio de fibra do material tratado mecanicamente, por exemplo, menos de 50 por cento do comprimento médio, menos de 40 por cento do comprimento médio, menos de por cento do comprimento médio, menos de 10 por cento do comprimento médio, menos de 5 por cento do comprimento médio, ou mesmo inferior a 1 por
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41/54 cento do comprimento médio.
[00131] Em algumas situações, pode ser desejável preparar um material de baixa densidade a granel, a densidade do material (por exemplo, para tomar mais fácil e menos dispendioso transportar para outro local) e, em seguida reverter o material a um estado de menor densidade a granel. Materiais densificados podem ser processados por qualquer dos métodos aqui descritos, ou qualquer material processado por qualquer dos métodos aqui descritos podem ser subsequentemente densificados, por exemplo, como revelado nos documentos US 12/429.045 e WO 2008/073186, as divulgações completas dos quais são aqui incorporadas por referência.
Tratamento para solubilizar, reduzir recalcitrância ou funcionalizar [00132] Materiais que têm ou não foram fisicamente preparados podem ser tratados para utilização em qualquer processo de produção aqui descrito. Um ou mais dos processos de produção descritos abaixo podem ser incluídos na unidade operacional de redução de recalcitrância discutida acima. Altemativamente, ou além disso, outros processos para a redução de recalcitrância podem ser incluídos.
[00133] Os processos de tratamento utilizados pela unidade de operação de redução de recalcitrância podem incluir um ou mais de irradiação, sonicação, oxidação, pirólise, ou explosão de vapor. Os métodos de tratamento podem ser usados em combinações de dois, três, quatro, ou até mesmo de todas estas tecnologias (em qualquer ordem).
Tratamento por radiação [00134] Uma ou mais sequências de processamento de radiação pode ser usada para processar materiais a partir da matéria-prima, e para fornecer uma grande variedade de fontes diferentes para extrair substâncias úteis a partir de matéria-prima, e para fornecer o material parcialmente degradado orgânico estruturalmente modificado, que funciona como entrada para as etapas de
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42/54 processamento adicionais e/ou sequências. A radiação pode, por exemplo, reduzir o peso molecular e/ou a cristalinidade de matéria-prima. A radiação pode também esterilizar os materiais, ou quaisquer meios necessários para bioprocessar o material.
[00135] Em algumas modalidades, a energia depositada em um material que liberta um elétron a partir da seu orbital atômica é usada para irradiar os materiais. A radiação pode ser proporcionada por (1) partículas carregadas pesados, tais como partículas alfa ou protões, (2) elétrons, produzidos, por exemplo, em decaimento beta ou aceleradores de feixe de elétrons, ou (3) radiação eletromagnética, por exemplo os raios gama, raios X ou raios ultravioleta. Em uma abordagem, a radiação produzida por substâncias radioativas pode ser usada para irradiar a matéria-prima. Em algumas modalidades, qualquer combinação em qualquer ordem ou simultaneamente de (1) até (3) podem ser utilizados. Em uma outra abordagem, a radiação eletromagnética (por exemplo, produzida utilizando emissores de feixe de elétrons) pode ser usada para irradiar a matéria-prima. As doses aplicadas dependem do efeito desejado e da matéria-prima em particular.
[00136] Em alguns casos, quando é desejável cisão de cadeia e/ou funcionalização da cadeia do polímero é desejável, as partículas mais pesadas do que os elétrons, tais como protões, núcleos de hélio, íons de argônio, íons de silício, íons de neônio, íons de carbono, íons de fósforo, íons de oxigênio ou íons de nitrogênio podem ser utilizados. Quando a cisão da abertura de anel de cadeia é desejada, as partículas carregadas positivamente podem ser utilizadas para as suas propriedades de ácido de Lewis para cisão de cadeia de abertura de anel aperfeiçoada. Por exemplo, quando a oxidação máxima é desejada, os íons de oxigênio podem ser utilizados, e quando a nitrogenação máxima é desejada, os íons de nitrogênio podem ser utilizados. A utilização de partículas pesadas e partículas carregadas positivamente é descrita no documento US 12/417.699, a divulgação completa da qual é aqui incorporada
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43/54 por referência.
[00137] Em um método, um primeiro material que é ou inclui celulose tendo um primeiro número médio de peso molecular (MN1) é irradiado, por exemplo, por tratamento com radiação ionizante (por exemplo, sob a forma de radiação gama, radiação de raios X, luz ultravioleta (UV) de 100 nm para 280 nm, um feixe de elétrons ou outras partículas carregadas) para fornecer um segundo material que inclui de celulose tendo um segundo número médio de peso molecular (MN2) menor do que o primeiro número médio de peso molecular. O segundo material (ou o primeiro e segundo material) pode ser combinado com um microrganismo (com ou sem tratamento de enzima) que pode utilizar o segundo material e/ou primeiro ou os seus açúcares de constituintes ou lignina para a produção de um intermediário ou um produto, tal como aqueles aqui descritos.
[00138] Uma vez que o segundo material inclui celulose tendo um peso molecular reduzido em relação ao primeiro material e, em alguns casos, uma cristalinidade reduzida, assim, o segundo material é geralmente mais dispersível, intumescente e/ou solúvel, por exemplo, em uma solução contendo um microrganismo e/ou uma enzima. Estas propriedades tomam o segundo material mais fácil de processar e mais susceptível a agentes químicos, enzimáticos e/ou ao ataque biológico em relação ao primeiro material, o que pode melhorar significativamente a taxa de produção e/ou nível de produção de um produto desejado, por exemplo, etanol. A radiação pode também esterilizar os materiais ou quaisquer meios necessários para bioprocessar o material.
[00139] Em algumas modalidades, o material pode ter um segundo nível de oxidação (02) que é maior do que o nível de oxidação (01) do primeiro material. Um nível mais elevado de oxidação do material pode auxiliar na sua dispersibilidade, habilidade de afundar, e/ou solubilidade, aumentando ainda mais a susceptibilidade do material a agentes químicos,
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44/54 ataque enzimático ou biológico. Em algumas modalidades, para aumentar o nível de oxidação do segundo material em relação ao primeiro material, a irradiação é realizada sob um ambiente oxidante, por exemplo, sob um cobertor de ar ou oxigênio, produzindo um segundo material que é mais oxidado que o primeiro material. Por exemplo, o segundo material pode ter grupos hidroxila, mais grupos aldeído, grupos cetona, grupos éster ou grupos de ácido carboxílico, o que pode aumentar a sua hidrofilicidade.
Radiações Ionizantes [00140] Cada forma de radiação ioniza o material contendo carbono através de interações específicas, tal como determinado pela energia da radiação. Partículas pesadas carregadas principalmente ionizam a matéria através de espalhamento de Coulomb, além disso, essas interações produzem elétrons energéticos que podem ainda ionizam a matéria. As partículas alfa são idênticas às do núcleo de um átomo de hélio e são produzidas pelo decaimento alfa de núcleos radioativos diversos, tais como os isótopos de bismuto, polônio, astato, radônio, frâncio, rádio, atinídeos diversos, tais como actínio, urânio, tório, netúnio, cúrio, califómio, amerício e plutônio.
[00141] Quando as partículas são utilizadas, elas podem ser neutras (sem carga), carregadas positivamente ou negativamente carregadas. Quando carregadas, as partículas carregadas podem suportar uma única carga positiva ou negativa, ou cargas múltiplas, por exemplo, uma, duas, três ou até quatro ou mais cargas. Nos casos em que a cisão de cadeia é desejada,as partículas positivamente carregadas podem ser desejáveis, em pare devido à sua natureza ácida. Quando as partículas são utilizadas, as partículas podem ter a massa de um elétron de repouso, ou maior, por exemplo, 500, 1000, 1500, 2000, 10.000 ou mesmo 100.000 vezes a massa de um elétron de repouso. Por exemplo, as partículas podem ter uma massa de cerca de 1 unidade atômica a cerca de 150 unidades atômicas, por exemplo, desde cerca de 1 unidade atômica para cerca de 50 unidades atômicas, ou a partir de cerca de 1 a cerca
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45/54 de 25, por exemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12 ou 15 amu. Aceleradores utilizados para acelerar as partículas podem ser eletrostáticos CC, eletrodinâmicos CC, lineares RF, lineares de indução magnética ou de onda contínua. Por exemplo, os aceleradores de tipo ciclotron estão disponíveis a partir LBA, Bélgica, tal como o sistema Rhodotron®, enquanto aceleradores tipo CC estão disponíveis a partir de ROÍ, agora IBA Industrial, tais como o Dynamitron®. íons e aceleradores de íons são discutidos em lntroductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, lnc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, Chu, William T., Overview of Light-lon Beam Therapy Columbus-Ohio, ICRU-AIEA Meeting, 18-20 março de 2006, lwata, Y. et ai, Aitemating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-lon Medicai Acelerators Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Escócia e Leaner, C.M. et ai, Status of the Superconducting ECR Ion Sources Venus Proceedings of EPAC 2000, Viena, Áustria.
[00142] Em algumas modalidades, um feixe de elétrons é utilizado como a fonte de radiação. Um feixe de elétrons tem as vantagens de taxas de dose elevada (por exemplo, 1, 5, ou mesmo 10 Mrad por segundo), alto rendimento, menos contenção, e menos equipamento de confmamento. Elétrons podem também ser mais eficientes em causar cisão de cadeia. Além disso, os elétrons possuindo energias de 4-10 MeV podem ter uma profundidade de penetração de 5 a 30 mm ou mais, tal como 40 mm. Em alguns casos, os dispositivos de feixe de múltiplos elétrons (por exemplo, cabeças múltiplas, muitas vezes referidos como cometas) são utilizados para distribuir doses múltiplas de radiação de feixe de elétrons para o material. Esta potência do feixe total alta é geralmente obtida atravé da utilização de múltiplas cabeças de aceleração. Por exemplo, o dispositivo de feixe de elétrons pode incluir duas, quatro, ou mais cabeças de aceleração. Como um exemplo, o dispositivo de feixe de elétrons pode incluir quatro cabeças de aceleração, cada uma dos quais tem uma potência do feixe de 300 kW, para
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46/54 uma potência do feixe total de 1200 kW. O uso de cabeças múltiplas, cada uma das quais tem uma potência do feixe relativamente baixa, impede o aumento da temperatura excessiva no material, impedindo, assim, a queima do material, e também aumenta a uniformidade da dose através da espessura da camada de material. A irradiação com cabeças múltiplas é revelada no pedido de patente provisório US 61/394.851, depositado em 20 de outubro de 2010, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência. [00143] Feixes de elétrons podem ser gerados, por exemplo, por geradores eletrostáticos, geradores de cascata, geradores de transformador, aceleradores de baixa energia com um sistema de varredura, aceleradores de baixa energia com um cátodo linear, aceleradores lineares, e os aceleradores pulsados. Elétron como uma fonte de radiação ionizante pode ser útil, por exemplo, para pilhas relativamente finas de materiais, por exemplo, menos de 0,5 polegada, por exemplo, menos de 0,4 polegada, 0,3 polegada, 0,2 polegada, ou menos do que 0,1 polegada. Em algumas modalidades, a energia de cada elétron do feixe de elétrons é de cerca de 0,3 MeV a cerca de 2,0 MeV (milhões de elétrons volt), por exemplo, desde cerca de 0,5 MeV a cerca de 1,5 MeV, ou a partir de cerca de 0,7 MeV a cerca de 1,25 MeV. [00144] Os dispositivos de irradiação por feixes de elétrons podem ser adquiridos comercialmente de Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Bélgica ou Titan Corporation, San Diego, CA. Energias de elétrons típicas podem ser de 1 MeV, 2 MeV, 4,5 MeV, 7,5 MeV, ou 10 MeV. A potência do dispositivo de irradiação de feixe de elétrons típica pode ser de 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 50 kW, 100 kW, 250 kW, ou 500 kW. O nível de despolimerização da matéria-prima depende da energia de elétrons usado e da dose aplicada, enquanto que o tempo de exposição depende da potência e da dose. As doses típicas podem tomar valores de 1 kGy, 5 kGy, 10 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 100 kGy, ou 200 kGy.
Radiação eletromagnética
Petição 870180052819, de 19/06/2018, pág. 56/69 /54 [00145] Em modalidades em que a irradiação é realizada com radiação eletromagnética, a radiação eletromagnética pode ter, por exemplo, a energia por fóton (em elétrons volts) maior do que 102 eV, por exemplo, maior do que 103, 104, 105, 106, ou mesmo maior do que 107 eV. Em algumas modalidades, a radiação eletromagnética tem energia por fóton entre 104 e 107, por exemplo, entre 105 e 106 eV. A radiação eletromagnética pode ter uma frequência de, por exemplo, maior do que 1016 Hz, maior do que 1017 Hz, 1018, 1019, IO20, ou mesmo maior do que 1021 Hz. Em algumas modalidades, a radiação eletromagnética tem uma frequência entre 1018 e 1022 Hz, por exemplo, entre 1019 a 1021 Hz.
Doses [00146] Em algumas modalidades, a irradiação (com qualquer fonte de radiação ou uma combinação de fontes) é realizada até que o material recebe uma dose de pelo menos 0,25 Mrad, por exemplo, pelo menos, 1,0; 2,5; 5,0; 8,0; 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, ou mesmo pelo menos 100 Mrad. Em algumas modalidades, a irradiação é realizada até que o material recebe uma dose entre 1,0 Mrad e 6,0 Mrad, por exemplo, entre 1,5 Mrad e Mrad 4,0, 2 Mrad e 10 Mrad, 5 Mrad e 20 Mrad, 10 Mrad e 30 Mrad, 10 Mrad e 40 Mrad, ou 20 Mrad e 50 Mrad.
[00147] Em algumas modalidades, a irradiação é realizada a uma taxa de dose entre 5,0 e 1500,0 kilorads por hora, por exemplo, entre 10,0 e 750,0 kilorads/hora ou entre 50,0 e 350,0 kilorads/horas.
[00148] Em algumas modalidades, duas ou mais fontes de radiação são utilizadas, tais como duas ou mais radiações ionizantes. Por exemplo, as amostras podem ser tratadas, em qualquer ordem, com um feixe de elétrons, seguido por radiação gama e luz UV com comprimentos de onda entre cerca de
100 nm a cerca de 280 nm. Em algumas modalidades, as amostras são tratadas com três fontes de radiação ionizante, como um feixe de elétrons, radiação gama, e luz UV energético.
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Sonicação, Pirólise e Oxidação [00149] Além disso para o tratamento de radiação, a matéria-prima pode ser tratado com qualquer um ou mais de pirólise, sonicação, e oxidação. Estes processos de tratamento são descritos no documento USSN 12/417.840, cuja divulgação é aqui incorporada por referência.
Outros processos para solubilizar, reduzir recalcitrância ou para funcionalizar [00150] Qualquer um dos processos do presente parágrafo pode ser usado sozinho, sem qualquer um dos processos aqui descritos, ou em combinação com qualquer um dos processos aqui descritos (por qualquer ordem): explosão de vapor, tratamento químico (por exemplo, tratamento com ácido (incluindo o tratamento com ácido concentrado e diluído, com ácidos minerais, tais como o ácido sulfúrico, ácido clorídrico e ácidos orgânicos, tais como o ácido trifluoracético) e/ou tratamento com base (por exemplo, o tratamento com hidróxido de cal ou de sódio)), o tratamento com UV, o tratamento de extrusão de parafuso (ver, por exemplo, Pedido de Patente US 61/073.530 115.398, depositado em novembro 1817,2008), o tratamento com solvente (por exemplo, o tratamento com líquidos iônicos) e moagem de congelamento (ver, por exemplo,o pedido de patente US 61/081.709,12/502.629).
Produção de combustíveis ácidos, ésteres, e/ou outros produtos [00151] Depois de uma ou mais das etapas de processamento discutidas acima terem sido realizados sobre a biomassa, os carboidratos complexos contidos nas frações de celulose e hemicelulose podem ser processados em açúcares fermentáveis usando um processo de sacarificação, como discutido acima.
[00152] Após a solução de açúcar resultante foi transportado para uma instalação de fabricação, os açúcares podem ser convertidos em uma variedade de produtos, tais como álcoois, por exemplo, etanol, ou ácidos orgânicos. O produto obtido depende do microrganismo utilizado e as
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49/54 condições sob as quais o bioprocessamento ocorre. Estas etapas podem ser realizadas, por exemplo, utilizando o equipamento existente da instalação de fabricação de etanol baseado em milho.
[00153] Os processos de mistura e equipamento aqui discutidos podem também ser utilizados durantebioprocessamento, se desejado. Vantajosamente, os sistemas de mistura aqui descritos não conferem alto cisalhamento para o líquido, e não significativamente aumentam a temperatura global do líquido. Como resultado, os microrganismos usados na bioprocessamento são mantidos em uma condição viável durante o processo. A mistura pode aumentar a velocidade de reação e melhorar a eficiência do processo.
[00154] Em geral, a fermentação utiliza vários microrganismos. A solução de açúcar produzido por sacarificação de materiais lignocelulósicos conterá geralmente xilose, bem como a glicose. Pode ser desejável remover a xilose, por exemplo, por cromatografia, pois alguns microrganismos comumente usados (por exemplo leveduras) não atuam sobre xilose. A xilose pode ser recolhida e utilizada na fabricação de outros produtos, por exemplo, alimentos para animais e do xilitol de adoçante. A xilose pode ser removida antes ou após a distribuição da solução de açúcar para a instalação de fabricação onde a fermentação será executada.
[00155] O microrganismo pode ser um microrganismo natural ou uma engenharia, por exemplo, microrganismos, qualquer dos microrganismos discutidos na seção materiais aqui.
[00156] O pH ótimo para a levedura é de cerca de pH 4 a 5, enquanto que o pH ótimo para Zymomonas é de cerca de pH 5 a 6. Tempos de fermentação típicos são cerca de 24 a 96 horas, com temperaturas na faixa de 26°C a 40°C, no entanto microrganismos termofílicos preferem temperaturas mais elevadas.
[00157] Grupos de ácido carboxílico geralmente baixam o pH da
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50/54 solução de fermentação, tendendo para inibir a fermentação com alguns microrganismos, tais como Pichia stipitis. Deste modo, é, em alguns casos, desejável adicionar base e/ou um tampão, antes ou durante a fermentação, para fazer subir o pH da solução. Por exemplo, hidróxido de sódio ou de cal pode ser adicionado ao meio de fermentação para elevar o pH do meio para intervalo que é ótimo para o microrganismo utilizado.
[00158] A fermentação é, em geral, conduzida em um meio de crescimento aquoso, que pode conter uma fonte de nitrogênio ou outra fonte de nutriente, por exemplo, ureia, juntamente com vitaminas e minerais e metais. É geralmente preferível que o meio de crescimento seja estéril, ou pelo menos tenha uma carga microbiana baixa, por exemplo, a contagem bacteriana. A esterilização do meio de crescimento pode ser realizada de qualquer maneira desejada. No entanto, em preferidas implementações, a esterilização é realizada por irradiação do meio de crescimento ou os componentes individuais do meio de crescimento antes da mistura. A dosagem de radiação é, em geral, tão baixa quanto possível, enquanto ainda obtendo resultados adequados, a fim de minimizar o consumo de energia e custo resultante. Por exemplo, em muitos casos, o meio de crescimento em si ou os componentes do meio de crescimento podem ser tratados com uma dose de radiação de menos de 5 Mrad, tal como menos de 4 Mrad, 3, 2 ou 1. Em casos específicos, o meio de crescimento é tratado com uma dose de entre cerca de 1 e 3 Mrad.
[00159] Em algumas modalidades, a totalidade ou uma porção do processo de fermentação pode ser interrompida antes do açúcar de baixo peso molecular ser completamente convertido em etanol. Os produtos de fermentação intermediários incluem altas concentrações de açúcar e carboidratos. Estes produtos de fermentação intermediários podem ser usados na preparação de alimentos para consumo humano ou animal. Adicionalmente ou altemativamente, os produtos de fermentação intermédios podem ser
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51/54 moídos até um tamanho de partícula fina em um moinho de laboratório de aço inoxidável para produzir uma substância semelhante à farinha.
[00160] Fermentadores móveis podem ser utilizados, como descrito no pedido de patente provisório US 60/832, 735, agora Publicação do Pedido Internacional WO 2008/011598. Do mesmo modo, o equipamento de sacarificação pode ser móvel. Além disso, a sacarificação e/ou a fermentação pode ser realizada em parte ou totalmente durante o trânsito.
Pós-Processamento [00161] Após a fermentação, os fluidos resultantes podem ser destilados utilizando, por exemplo, uma coluna de cerveja para separar o etanol e outros álcoois a partir da maioria da água e sólidos residuais. O vapor que sai da coluna de cerveja pode ser, por exemplo, 35% em peso de etanol e pode ser alimentado para uma coluna de ratificação. Uma mistura de cerca de etanol azeotrópico (92,5%) e água a partir da coluna de ratificação pode ser purificada a etanol (99,5%) puro utilizando peneiras moleculares em fase de vapor. As partes inferiores de coluna de cerveja podem ser enviadas para o primeiro efeito de um evaporador de três efeitos. A coluna de ratificação que flui novamente pelo condensador pode fornecer o calor para este primeiro efeito. Após o primeiro efeito, os sólidos podem ser separados utilizando um centrifugador e secados em um secador rotativo. Uma porção (25%) do efluente centrífugo pode ser reciclada para a fermentação e o resto enviado para os efeitos do segundo e terceiro evaporador. A maior parte do evaporador condensada pode ser devolvida ao processo como condensado razoavelmente limpo com uma pequena porção dividida para tratamento de águas residuais para evitar acumulação de compostos de baixo ponto de ebulição.
Produtos intermediários e produtos [00162] Usando os processos aqui descritos, a biomassa tratada pode ser convertida em um ou mais produtos, tais como energia, combustíveis, alimentos e materiais. Os exemplos específicos de produtos incluem, mas não
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52/54 estão limitados a hidrogênio, álcoois (por exemplo, álcoois monohídricos ou álcoois dihídricos, tais como etanol, n-propanol ou n-butanol), álcoois hidratados ou hídricos, por exemplo, contendo mais de 10%, 20%, 30% ou mesmo maior do que 40% de água, xilitol, açúcares, biodiesel, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido acético e/ou ácido láctico), hidrocarbonetos, coprodutos (por exemplo, proteínas, tais como proteínas celulolíticas (enzimas) ou proteínas celulares individuais), e misturas de qualquer destes em qualquer combinação ou concentração relativa e, opcionalmente, em combinação com quaisquer aditivos, por exemplo, aditivos de combustível. Outros exemplos incluem ácidos carboxílicos, tais como ácido acético ou ácido butírico, sais de um ácido carboxílico, uma mistura de ácidos carboxílicos e sais de ácidos carboxílicos e ésteres de ácidos carboxílicos (por exemplo, metilo, etilo e n-propilo ésteres), cetonas (por exemplo, acetona), aldeídos (por exemplo, o acetaldeído), ácidos insaturados alfa, beta, tais como ácido acrílico e olefinas, tais como etileno. Outros álcoois e derivados do álcool incluem propanol, propileno glicol, 1,4-butanodiol, 1,3-propanodiol, metila ou ésteres etílicos de qualquer um destes álcoois. Outros produtos incluem acrilato de metila, metacrilato de metila, ácido lático, ácido propiônico, ácido butírico, ácido succínico, ácido 3-hidroxipropiónico, um sal de qualquer um dos ácidos e uma mistura de qualquer dos ácidos e respectivos sais.
[00163] Outros intermediários e produtos, incluindo produtos alimentares e farmacêuticos, estão descritos no documento US 12/417.900, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência.
Outras modalidades [00164] Um certo número de modalidades foi descrito. No entanto, será entendido que várias modificações podem ser feitas sem se afastar do espírito e do escopo da divulgação.
[00165] Em algumas implementações, os sistemas aqui discutidos, ou componentes destes sistemas, podem ser portáteis, por exemplo, na forma do
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53/54 equipamento de processamento móvel descrito no documento US 12/374.549 e no Pedido Internacional WO 2008/011598, as divulgações de pleno direito que são aqui incorporadas por referência.
[00166] Em qualquer dos sistemas de dispersão aqui descritos, o fluxo de fluido (líquido e/ou gás) através do sistema de dispersão pode ser contínuo ou pulsado, ou uma combinação dos períodos de fluxo contínuo com intervalos de fluxo pulsado. Quando o fluxo é pulsado, pulsação pode ser regular ou irregular.
[00167] Enquanto os tanques foram aqui referidos, o processo pode ocorrer em qualquer tipo de recipiente ou recipiente, incluindo lagoas, piscinas, tanques e semelhantes. Se o recipiente de mistura no qual ocorre é uma estrutura em terra como uma lagoa, pode ser revestida. O recipiente pode ser coberto, por exemplo, se é ao ar livre, ou descoberto.
[00168] Em uma modalidade alternativa, o sistema de dispersão 134 pode ser omitido nos sistemas mostrados nas Figuras 2A e 28, e uma bomba pode ser usada para aspirar o líquido a partir do tanque e entregá-lo através da saída do tubo 137 para umedecer o material de alimentação, que é, então, dispersa pela ação de mistura do misturador a jato 144. Em tais implementações, a bomba de preferência, é uma bomba de baixo cisalhamento, por exemplo, uma bomba de deslocamento positivo, tal como as bombas de cavidade progressiva disponível a partir de SEEPEX e bombas de lóbulo de Waukesha. E também preferido que a bomba seja capaz de bombear líquidos de alta viscosidade, uma vez que a viscosidade do líquido irá aumentar à medida que mais matéria-prima é adicionado.
[00169] Embora matérias-primas de biomassa tenham sido descritos aqui, outras matérias-primas e misturas de matérias-primas de biomassa com outras matérias-primas podem ser utilizados. Por exemplo, algumas implementações podem utilizar misturas de matérias-primas de biomassa com matérias-primas contendo hidrocarbonetos, tal como divulgado no Pedido de
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54/54 patente provisório US 61/226.877, depositado em 20 de julho de 2009, a divulgação completa do qual é aqui incorporada por referência.
[00170] Assim, outras modalidades estão dentro do escopo das seguintes reivindicações.

Claims (15)

1. Método de sacarificação de matéria-prima de biomassa, caracterizado pelo fato de que compreende:
a sacarificação de uma matéria-prima de biomassa em um recipiente enquanto misturando com um misturador a jato (144), a matériaprima de biomassa tendo sido dispersa em um meio líquido usando um sistema de dispersão (300) que puxa a matéria-prima e o meio líquido para fora do recipiente e recircula a matéria-prima e o meio líquido de volta para o recipiente, o sistema de dispersão tendo uma entrada de sólidos (310) em comunicação com uma fonte de sólidos, uma entrada de líquidos (308) em comunicação com uma fonte de líquidos, e uma saída (312), o sistema de dispersão sendo configurado para dispersar a matéria-prima de biomassa no meio líquido, em que o sistema de dispersão compreende uma câmara (306) e, dentro da câmara, um elemento rotativo que puxa a matéria-prima e o meio líquido para a câmara axialmente através das entradas, e expele uma dispersão da matéria-prima no meio a partir da câmara radialmente, através da saída, para o tanque (136); e em que a matéria-prima apresenta uma densidade a granel menor do que 0,75 g/cm3 e em que, opcionalmente, a matéria-prima compreende um material celulósico ou lignocelulósico.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de dispersão compreende uma bomba de deslocamento positivo (139) e em que, preferencialmente, a bomba de deslocamento positivo compreende uma bomba de cavidade progressiva.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o meio líquido compreende água.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda distribuir um agente de
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5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda distribuir a matéria-prima e/ou um agente de sacarificação para o recipiente a partir de uma fonte disposta fora do recipiente e em que, preferencialmente, a fonte está posicionada acima do recipiente e em que, opcionalmente, a fonte compreende uma tremonha (130) e a tremonha está em comunicação com o dispositivo de vibração (36).
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda distribuir um fluxo de meio líquido para a matéria-prima na superfície do meio líquido para umedecer a matéria-prima e em que, opcionalmente, a matéria-prima está em uma condição seca antes da distribuição ao recipiente.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
6, caracterizado pelo fato de que o sistema de dispersão (300) compreende uma pluralidade de dispositivos de dispersão.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
7, caracterizado pelo fato de que a sacarificação compreende:
adicionar a matéria-prima ao meio líquido em incrementos discretos; e dispersar cada incremento discreto da matéria-prima para o meio líquido com o sistema de dispersão (300) antes da adição de outro incremento de matéria-prima.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda monitorar um nível de glicose de uma mistura da matéria-prima, o meio líquido e o agente de sacarificação durante a sacarificação.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a adição de matéria-prima
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3/4 adicional e agente de sacarificação ao recipiente durante a sacarificação e dispersão da matéria-prima no meio usando o sistema de dispersão (300).
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o recipiente compreende um tanque (136).
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a adição de um agente emulsificante ou agente surfactante à mistura (138) no recipiente.
13. Sistema de sacarificação de matéria-prima de biomassa empregado no método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende:
um tanque (136), um sistema de distribuição configurado para distribuir uma matéria prima de biomassa e um meio líquido para o tanque, um sistema de dispersão (300) tendo uma entrada de sólidos (310) em comunicação com uma fonte de sólidos, uma entrada de líquidos (308) em comunicação com uma fonte de líquidos, e uma saída (312), o sistema de dispersão sendo configurado para dispersar a matéria-prima de biomassa no meio líquido, em que o sistema de dispersão (300) compreende uma câmara (306) e, dentro da câmara, um elemento rotativo que puxa a matéria-prima e o meio líquido para a câmara axialmente através das entradas, e expele uma dispersão da matéria-prima no meio a partir da câmara radialmente, através da saída, para o tanque (136);
um dispositivo de distribuição de agente de sacarificação configurado para distribuir uma quantidade medida de um agente de sacarificação para o tanque, e um misturador a jato (144) configurado para misturar o conteúdo do tanque, o misturador a jato compreendendo um impulsor (210) disposto em um capuz (208).
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4/4
14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o sistema de dispersão compreende uma bomba de deslocamento positivo (139) e em que, opcionalmente, o sistema de dispersão é configurado para distribuir um fluxo de líquido sobre a matéria-prima na superfície do líquido, molhando a matéria-prima.
15. Sistema de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um controlador que ajusta a operação do dispositivo de distribuição de matéria-prima (32) e/ou do dispositivo de distribuição de agente de sacarificação com base na entrada do monitor de torque.
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