BR112014006681B1 - dispositivo para aquecimento de matéria-prima - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO PARA AQUECIMENTO DE MATÉRIA-PRIMA. A presente invenção fornece um dispositivo para aquecimento de matéria-prima, compreendendo uma câmera alongada (140) tendo, pelo menos, uma parte desta de forma cilíndrica. A câmera compreende: (a) uma entrada para receber a matéria-prima e uma saída para retirar a matéria-prima aquecida; (b) um eixo giratório (142) montado de forma coaxial na câmera; e (c) meios (139, 138A) para aquecer as partículas desintegradas da matéria-prima, conforme são transportadas através da câmera. O eixo compreende (i) uma seção de entrada, compreendendo um parafuso (145) para transportar e quebrar a matéria-prima na região de entrada da câmera, caracterizado pelo parafuso compreender entalhes ou ranhuras formadas ao redor da sua circunferência para quebrar a matéria-prima. O eixo compreende, ainda, uma pluralidade de elementos desintegrantes (143) montados em, pelo menos, uma seção média do eixo para desintegrar a matéria-prima. Os elementos desintegrantes projetam-se para fora do eixo e são fixados em um ângulo que é deslocado de uma linha desenhada transversalmente ao eixo.

Description

[0001] CAMPO DA INVENÇÃO

[0002] A presente invenção fornece um dispositivo melhorado para aquecimento de matéria-prima.

[0003] HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[0004] Há um interesse crescente em produzir etanol combustível ou outros produtos de fermentação de matérias-primas lignocelulósicas como, por exemplo, palha de trigo, palha de milho e gramínea.

[0005] Um processo para produzir um produto de fermentação, como etanol, de matérias-primas lignocelulósicas é realizar um pré-tratamento, seguido pela hidrólise enzimática de celulose em glicose. O pré-tratamento geralmente interrompe a estrutura da fibra da matéria-prima lignocelulósica e aumenta a área da superfície da matéria-prima para torná-la acessível à enzimas de celulase. O pré-tratamento pode ser realizado de modo que um alto grau de hidrólise de xilano e apenas uma pequena quantidade de conversão de celulose em glicose ocorra. A celulose é hidrolisada em glicose em uma etapa subsequente que utiliza enzimas de celulase. Outros processos de pré-tratamento, como determinados pré-tratamentos de alcalino, não hidrolisam ou resultam na hidrólise de xilano limitada. Além disso, é possível hidrolisar tanto o xilano quanto a celulose utilizando tratamento químico mais severo, como hidrólise de ácido concentrada.

[0006] Independentemente do método para produzir o açúcar fermentável, a adição de água à matéria-prima resultante para formar chorume é geralmente realizada para facilitar o transporte e manuseio mecânico da matéria-prima celulósica. O chorume consiste em pedaços da matéria-prima lignocelulósica ou partículas em água. Em muitos processos de conversão lignocelulósica descritos na técnica anterior para produzir o açúcar fermentável, o conteúdo de sólido medido como sólidos não dissolvidos (referido aqui como “UDS” [undissolved solids]), está entre 5% e 12% em peso.

[0007] Entretanto, para os processos de conversão lignocelulósica serem mais econômicos, seria desejável operá-los com menor teor de água. O processamento da matéria-prima contendo alto teor de sólidos tem várias vantagens em vários estágios do processo, um dos quais é redução no tamanho do equipamento, que por sua vez, reduz o custo capital. Outros benefícios do baixo teor de água incluem consumo de energia reduzido incluindo as reduções nos custos para bombeamento, aquecimento, resfriamento e evaporação. Além disso, a utilização da água soma gasto significativo ao processo, especialmente em climas áridos.

[0008] Um estágio do processo que particularmente se beneficia do uso de baixos níveis de água é o pré-tratamento ou outros estágios que exigem calor para tratar a matéria-prima. Durante estes tratamentos, a quantidade de energia necessária para aquecimento do chorume da matéria-prima, a montante do reator, ou dentro do próprio reator, é uma função direta da massa total do chorume da matéria-prima, incluindo a água adicionada para transporte da matéria-prima. Operar um processo de pré-tratamento ou hidrólise com baixos níveis de água pode reduzir a energia necessária para o aquecimento. Vários métodos são conhecidos para aquecimento de matéria-prima, incluindo métodos de aquecimento direto, como revestimentos térmicos, adição de água aquecida em uma câmara, como divulgado no Pedido de Patente Canadense n° 2.638.152, ou a adição de vapor ao próprio reator (Patente Norte- Americana n° 5.338.366).

[0009] Um método para reduzir o teor de água, e as exigências de energia consequentes para aquecimento, é desidratar o chorume resultante da matéria-prima e formar um conector compactado de matéria-prima antes de realizar o pré-tratamento ou hidrólise em um reator a jusante (ver WO 2010/022511 co- proprietário e co-pendente, que é incorporado aqui por referência). Conectores de matéria-prima podem ser produzidos por vários dispositivos, como alimentadores helicoidais de tampão e prensas de parafuso pressurizadas. Geralmente o teor de água da matéria-prima é reduzido, de modo que o teor de sólido seja alto o suficiente para a formação de tampão ocorrer. A desidratação pode acontecer dentro de um dispositivo de formação de tampão ou desidratação e formação de tampão pode ser realizada em peças separadas do equipamento. De modo alternativo, é possível eliminar a desidratação a montante da formação de tampão se o teor de sólido da matéria-prima já estiver em uma alta consistência desejada.

[0010] O tampão que é formado pode provar ser difícil de aquecer antes da sua entrada ao reator a jusante. Geralmente o tampão descarrega em grandes segmentos, o que pode ter 0,07620,127 metros (3-5 polegadas) de diâmetro ou ainda maior. Estes grandes segmentos impedem a rápida penetração de vapor ao material fibroso e resultam em distribuições desiguais de temperatura. Os inventores reconheceram que distribuições desiguais de temperatura no tampão, ou segmentos deste, podem resultar em aquecimento ou sobreaquecimento da matéria-prima no reator a jusante. O aquecimento no reator pode resultar na degradação da matéria- prima, enquanto o sobreaquecimento pode resultar na baixa produção de xilose e difícil hidrólise de celulose.

[0011] Assim, há uma necessidade na técnica por um dispositivo melhorado para aquecimento de matéria-prima.

[0012] SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0013] É um objetivo da invenção fornecer um dispositivo melhorado para aquecimento de matéria-prima.

[0014] A presente invenção fornece um dispositivo para aquecimento de matéria-prima, compreendendo uma câmara alongada tendo, pelo menos, uma parte desta em formato cilíndrico. A câmera compreende (a) uma entrada para receber a matéria-prima e uma saída para retirar a matéria-prima aquecida; (b) um eixo giratório montado de forma coaxial na câmera; o eixo incluindo (i) uma seção de entrada, compreendendo um parafuso para transportar e quebrar a matéria-prima na região de entrada da câmera, caracterizado pelo parafuso compreender entalhes ou ranhuras formados ao redor de sua circunferência para quebrar a matéria-prima; e (ii) uma pluralidade de elementos desintegrantes montada em, pelo menos, uma seção média do eixo para desintegrar a matéria-prima, cujos elementos desintegrantes projetam-se para fora do eixo e são fixados em um ângulo que é deslocado de uma linha desenhada transversalmente ao eixo; e (c) meios para aquecer as partículas de matéria-prima desintegrada, conforme são transportadas através da câmera.

[0015] De acordo com uma aplicação da invenção, os entalhes ou ranhuras são em forma de V ou substancialmente em forma de V.

[0016] De acordo com outra aplicação, os elementos desintegrantes são fixados em um ângulo que é deslocado entre aproximadamente 5 a aproximadamente 30° de uma linha desenhada transversalmente ao eixo.

[0017] Ainda em outra aplicação da invenção, os meios para aquecer as partículas de matéria-prima desintegrada compreendem uma ou mais entradas para introduzir vapor.

[0018] De acordo com outra aplicação da invenção, os elementos desintegrantes são dispostos no eixo para varrer a superfície interna de, pelo menos, uma região da câmera.

[0019] De acordo com outra aplicação da invenção, os elementos desintegrantes são configurados, de modo que as bordas externas destes descrevam um ou mais círculos que são concêntricos ou essencialmente concêntricos com relação à superfície interna da câmera.

[0020] Em outra aplicação da invenção, os elementos desintegrantes são pás, barras, chapas, pinos ou braços.

[0021] BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0022] Nos desenhos anexos,

[0023] A Figura 1 é um fluxograma de um método, de acordo com uma aplicação da invenção; e

[0024] A Figura 2 é um corte transversal de um parafuso em dente de serra utilizada em uma câmera de aquecimento, de acordo com uma aplicação da invenção.

[0025] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0026] A descrição a seguir é de uma aplicação preferida somente para fins de exemplo e sem limitação à combinação de características necessárias para realizar a invenção. Os cabeçalhos fornecidos não deverão ser interpretados como limitantes das várias aplicações da invenção. Termos como “compreende”, “compreendendo”, “compreender”, “inclui”, “incluindo” e “incluir” não são limitativos. Além disso, o uso do singular inclui o plural e “ou” significa “e/ou”, salvo se de outra forma indicado. A menos que de outra forma definido no presente documento, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado que geralmente entendido por um especialista na técnica.

[0027] Matéria-prima e redução do tamanho da matéria- prima

[0028] A matéria-prima para o processo é um material lignocelulósico. Pelo termo “matéria-prima lignocelulósica”, deve- se entender qualquer tipo de biomassa de planta, tais como, entre outros, biomassa da planta, culturas cultivadas como, entre outros gramas, por exemplo, entre outros, gramas C4, como gramínea, esparto, azevém, miscanthus, caniço molhado, ou uma combinação destes, resíduos do processamento de açúcar, por exemplo, entre outros, bagaço, como bagaço de cana de açúcar, polpa de beterraba, ou uma combinação destes, resíduos agrícolas, por exemplo, entre outros, palha de soja, resíduo de milho, palha de arroz, palha de cana de açúcar, cascas de arroz, palha de cevada, espiga de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de aveia, cascas de aveia, fibra de milho, ou uma combinação destes, biomassa florestal, por exemplo, entre outros, fibra de polpa de madeira reciclada, serragem folhosa, por exemplo madeira de pinho, madeira macia, ou uma combinação destes. Ainda, a matéria-prima lignocelulósica pode compreender material residual lignocelulósico ou materiais residuais florestais como, entre outros, papel de jornal, papelão e semelhantes. A matéria-prima lignocelulósica pode compreender uma espécie de fibra, ou, de modo alternativo, matéria-prima lignocelulósica pode compreender uma mistura de fibras que origina de diferentes matérias-primas lignocelulósicas. Além disso, a matéria-prima lignocelulósica pode compreender matéria-prima lignocelulósica fresca, matéria-prima lignocelulósica parcialmente seca, matéria-prima lignocelulósica completamente seca, ou uma combinação destes. Além disso, as novas variedades de matéria- prima lignocelulósica podem ser produzidas de qualquer um dos listados acima por cultivo de planta ou por engenharia genética.

[0029] Matérias-primas lignocelulósicas compreendem celulose em uma quantidade maior do que aproximadamente 20%, mais preferivelmente maior do que aproximadamente 30%, mais preferivelmente maior do que aproximadamente 40% (p/p). Por exemplo, o material lignocelulósico pode compreender de aproximadamente 20% a aproximadamente 50% (p/p) celulose, ou qualquer quantidade entre eles. Estas matérias-primas compreendem hemicelulose, incluindo xilano, arabina, manana e galactana. Ainda, a matéria-prima lignocelulósica compreende lignina em uma quantidade maior do que aproximadamente 10%, mais tipicamente em uma quantidade maior do que aproximadamente 15% (p/p). A matéria- prima lignocelulósica pode ainda compreender pequenas quantidades de sacarose, frutose e amido.

[0030] A matéria-prima lignocelulósica é tipicamente submetida à redução de tamanho por métodos incluindo, mas não limitados a, moagem, agito, retalhamento, compressão/expansão ou outros tipos de ação mecânica. A redução de tamanho pela ação mecânica pode ser realizada por qualquer tipo de equipamento adaptado para a finalidade, por exemplo, entre outros dispositivos de redução de tamanho selecionados do grupo que consiste em moinho de martelos, trituradores, prensas, refinadores e despolpadores hidráulicos. A matéria-prima pode ser reduzida em partículas tendo um comprimento de aproximadamente 0,0015875 metros (1/16 pol.) a aproximadamente 0,2032 metros (8 pol.), ou qualquer quantidade entre eles. O comprimento das partículas reduzidas pode também ser pelo menos aproximadamente 90% em peso das partículas tendo um comprimento menor do que aproximadamente 0,127 metros (5 polegadas) ou ainda mais curto; por exemplo, pelo menos aproximadamente 90% em peso das partículas pode ter um comprimento menor do que aproximadamente 4, aproximadamente 3, aproximadamente 2, aproximadamente 1 ou aproximadamente 0,0127 metros (^ polegada). A lavagem pode ser realizada para remover areia, grão e outra partícula que possa causar danos ao equipamento a jusante equipamento. Será entendido que a matéria-prima lignocelulósica não precisa ser submetida à redução de tamanho, por exemplo, se o tamanho da partícula da matéria-prima já estiver entre 0,0127 a 0,2032 metros (^ a 8 polegadas).

[0031] Para fins desta especificação, o tamanho das partículas de matéria-prima é determinado pela análise de imagem, utilizando técnicas conhecidas pelos especialistas na técnica. Um exemplo de uma técnica de análise da imagem adequada é revelado em Igathinathane (Sieveless particle size distribution analysis of particulate materials through computer vision, Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 66:147-158, cujo assunto é aqui incorporado por referência), que reporta análises do tamanho da partícula das várias diferentes matérias-primas do moinho de martelos. A medição pode ser um volume ou um comprimento médio do peso.

[0032] CONSISTÊNCIA DA MATÉRIA-PRIMA

[0033] Antes de inserir a matéria-prima lignocelulósica ao dispositivo de formação de tampão, a quantidade de sólidos não dissolvidos na matéria-prima lignocelulósica pode ser ajustada em uma consistência desejada. A matéria-prima lignocelulósica pode ter uma consistência sólida entre aproximadamente 1 % em peso e aproximadamente 40 % em peso ou entre 4 % em peso e aproximadamente 20 % em peso (sólido seco não dissolvido), ao entrar no dispositivo de formação de tampão e todos os índices entre eles. A porcentagem dos sólidos não dissolvidos secos da matéria-prima lignocelulósica pode ser determinada na entrada de um dispositivo de formação de tampão. A consistência desejada é determinada pelos fatores como bombeamento, exigências da tubulação e outras considerações práticas.

[0034] A consistência (também referida aqui como sólidos não dissolvidos ou “UDS”) da matéria-prima lignocelulósica pode ser determinada por métodos conhecidos pelos técnicos no assunto. Um método conhecido é filtrar uma amostra para remover os sólidos dissolvidos e então secar as amostras em uma temperatura e por um período de tempo que é suficiente para remover a água da amostra de chorume ou material úmido, mas não resulta na degradação térmica dos sólidos da matéria-prima. Após a remoção da água, ou secagem da mesma, os sólidos secos são pesados e o peso da água na amostra de chorume ou material úmido é a diferença entre o peso da amostra de chorume ou sólidos úmidos e o peso dos sólidos secos. A quantidade de sólido seco não dissolvido em um chorume aquosa pode ser referida com a consistência do chorume. A consistência pode ser expressa como o peso dos sólidos secos em um peso de chorume, por exemplo, gramas por quilograma, ou como uma porcentagem em uma base de peso, por exemplo, % (p/p).

[0035] Antes de inserir a matéria-prima lignocelulósica em um dispositivo de formação de tampão, a matéria-prima pode ser molhada em uma solução aquosa incluindo água, ou uma solução compreendendo química.

[0036] DESIDRATAÇÃO

[0037] A matéria-prima pode ser desidratada para aumentar a consistência dos sólidos não dissolvidos dentro de uma faixa desejada antes da formação de tampão. Entretanto, deve ser entendido que s desidratação não pode ser exigida se a consistência da matéria-prima estiver sempre em um nível desejado quando for inserido ao dispositivo de formação de tampão. A desidratação pode envolver a remoção da água sob pressão da matéria-prima, ou na pressão atmosférica, conforme discutido abaixo.

[0038] Um dispositivo de formação de tampão pode ser configurado para desidratar a matéria-prima, embora os respectivos dispositivos separados para desidratação e formação de tampão possam ser empregados. Sem estar limitado, um dispositivo de formação de tampão que incorpora uma seção de desidratação adequada para uso na invenção pode ser uma prensa helicoidal pressurizada ou um alimentador helicoidal de tampão, conforme descrito no WO 2010/022511 co-proprietário e co-pendente, que é incorporado aqui por referência. A água expressa da matéria-prima lignocelulósica pela etapa de desidratação pode ser reutilizada no processo, como colocar em chorume e/ou molhando a matéria-prima resultante.

[0039] Há uma variedade de dispositivos conhecidos que podem ser utilizados para desidratar a matéria-prima antes da formação de tampão. Exemplos incluem drenos, dispositivos de filtração, peneiramento, prensas helicoidais, extrusoras ou uma combinação destes.

[0040] Se a matéria-prima for submetida à desidratação sob pressão, o aumento de pressão pode ser causado por uma ou mais bombas de alta pressão. A bomba ou outro dispositivo alimentador aumenta a pressão da matéria-prima antes da desidratação a, por exemplo, aproximadamente 310,264 kPa (45 psia) a aproximadamente 6205,28 kPa (900 psia), ou aproximadamente 482,633 kPa (70 psia) a aproximadamente 5515,81 kPa (800 psia) ou aproximadamente 965,266 kPa (140 psia) a aproximadamente 5515,81 kPa (800 psia). A pressão pode ser medida com um sensor de pressão localizado em uma porta de entrada da matéria-prima em um dispositivo de desidratação ou um dispositivo de formação de tampão que também desidrata a matéria-prima. De modo alternativo, a matéria-prima submetida a desidratação pode estar em uma pressão atmosférica ou uma pressão abaixo de aproximadamente 310,264 kPa (45 psia).

[0041] Pode haver uma etapa adicional da pré-drenagem da matéria-prima para drenar a solução aquosa do chorume na pressão atmosférica ou pressão mais alta. Este chorume pré-drenado pode então ser submetido a outra desidratação.

[0042] DISPOSITIVOS DE FORMAÇÃO DE TAMPÃO

[0043] A formação de tampão pode ser considerada uma integração de partículas lignocelulósicas em uma massa compacta referida aqui como um tampão. Os dispositivos de formação de tampão formam um tampão que age como uma vedação entre as áreas com pressão diferente. Nas aplicações da invenção, o tampão veda contra pressão mais alta em um dispositivo a jusante do tampão. Entretanto, deve ser entendido que a pressão pode ser mais alta na entrada do dispositivo de formação de tampão.

[0044] Conforme mencionado previamente, o dispositivo de formação de tampão pode desidratar a matéria-prima, ou esta função pode ser realizada por um dispositivo de desidratação a montante. Os dispositivos de formação de tampão que desidratam podem compreender um invólucro ou casca com aberturas pelas quais a água pode passar. O dispositivo de formação de tampão pode ser operado na pressão atmosférica ou sob pressão.

[0045] Sem estar limitado, o dispositivo de formação de tampão pode ser um alimentador tipo parafuso de tampão, uma prensa helicoidal pressurizada, um alimentador tipo parafuso do pistão coaxial ou um dispositivo tipo parafuso modular.

[0046] O tampão da matéria-prima lignocelulósica pode ter um índice de peso de água em sólidos não dissolvidos secos da matéria-prima lignocelulósica de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1, ou aproximadamente 1:1 a aproximadamente 4:1, ou aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 4:1, ou aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 3,5:1, e todos os índices entre eles. O índice de peso da água para secar os sólidos não dissolvidos da matéria-prima lignocelulósica no tampão da matéria-prima lignocelulósica pode ser determinado pelo método descrito previamente. De modo alternativo, o índice de peso da água para secar os sólidos não dissolvidos da matéria-prima lignocelulósica pode ser determinado pelos cálculos de equilíbrio da massa.

[0047] DESINTEGRAÇÃO E CONTATO POR VAPOR

[0048] A matéria-prima lignocelulósica é inserida em uma câmara alongada a jusante, também referida aqui como “câmera de aquecimento de alto cisalhamento” ou uma “câmera de aquecimento”, na qual a matéria-prima é desintegrada em partículas por elementos desintegrantes como é transportado através deles. Tipicamente, a câmera de aquecimento é horizontalmente orientada ou essencialmente horizontalmente orientada. As partículas desintegradas são aquecidas por contato direto com o vapor, permitindo transferência eficiente de calor.

[0049] Pelo menos uma parte da câmera de aquecimento é cilíndrica. Por exemplo, pelo menos uma região média da câmera pode ser cilíndrica e as regiões de entrada e saída da câmera podem ser de uma forma diferente, embora as câmeras que são cilíndricas por todo o seu comprimento axial sejam preferidas. Deve ser entendido que o termo “cilíndrico” inclui forma frusto- cônica ou outras formas que são substancialmente cilíndricas.

[0050] O tampão, ou segmentos deste, não precisam ser inseridos diretamente à câmera de aquecimento. Qualquer um de uma variedade de dispositivos conhecidos pode ser posicionado entre o dispositivo de formação de tampão e a câmera de aquecimento. Sem estar limitando, exemplos destes dispositivos incluem dispositivos de restrição mecânica, dispositivos de restrição, raspadores e condutores. Deve ser entendido que o tampão pode quebrar em segmentos conforme é descarregado do dispositivo de formação de tampão, ou em outros dispositivos posicionados a jusante do dispositivo de formação de tampão, ou conforme é inserido na câmera de aquecimento.

[0051] A câmera compreende meios de adição de vapor para adição direta de vapor e um eixo giratório montado geralmente de forma coaxial dentro da câmera compreendendo um ou mais elementos desintegrantes que projetam para fora do eixo. Vantajosamente, foi observado que a desintegração efetiva de um tampão ou segmentos do tampão pode ser obtida utilizando elementos desintegrantes que transmitem energia ao tampão ou segmentos do tampão em uma ação de cisalhamento. Conforme discutido abaixo, os parâmetros operacionais podem ser selecionados conforme exigido para desintegração ótima da matéria-prima.

[0052] Conforme utilizado aqui, o termo “elemento desintegrante” se refere a um ou mais membros dispostos no eixo que transporta o tampão da matéria-prima ou segmentos deste pela câmera e que transmite cisalhamento suficiente à matéria-prima, assim produzindo partículas de matéria-prima desintegrada quando o eixo gira em uma velocidade adequada. Os elementos desintegrantes podem compreender pás, barras, chapas, pinos, braços, ou uma combinação destes.

[0053] Deve ser entendido que os elementos desintegrantes podem variar no comprimento.

[0054] Envolvedores de desintegração que transformam o tampão ou segmentos deste em partículas desintegradas. Por partículas desintegradas, entende-se que, na câmera de aquecimento, torrões de fibra que se originam do tampão são quebrados em suas partículas constituintes, ou que os torrões são substancialmente reduzidos no tamanho na câmera de aquecimento de alto cisalhamento. Sem estar limitando, se a palha de trigo for utilizada, os torrões podem ser menores do que aproximadamente 10 mm, ou preferivelmente menores do que aproximadamente 5 mm na sua menor dimensão.

[0055] A velocidade de ponta dos elementos desintegrantes é selecionada para causar a desintegração da matéria-prima e é geralmente mais alta do que a utilizada nos condutores de mistura conhecidos em outras indústrias. A velocidade de ponta dos elementos desintegrantes pode estar entre aproximadamente 200 m/min e aproximadamente 1000 m/min, ou entre aproximadamente 450 e aproximadamente 800 m/min ou qualquer faixa entre eles. A ação de cisalhamento é geralmente uma função da forma dos elementos desintegrantes, o número de elementos desintegrantes (se mais do que um elemento desintegrante for utilizado) e a velocidade de ponta. Estes parâmetros podem ser ajustados conforme necessário para atingir uma taxa desejada de cisalhamento.

[0056] Em algumas aplicações da invenção, os elementos desintegrantes estão localizados no eixo em, pelo menos, uma região média deste. A região de entrada do eixo pode compreender meios para alimentar e transportar o tampão, ou segmentos deste, à região média do eixo onde uma desintegração mais agressiva da matéria-prima pode ocorrer. A região de saída do eixo pode compreender meios para conduzir o tampão à saída da câmera.

[0057] Em outras aplicações da invenção, os elementos desintegrantes estão localizados nas regiões de entrada e/ou saída do eixo. De acordo com estas aplicações, os elementos nas regiões de entrada e/ou saída do eixo não transportam apenas a matéria- prima, mas também desintegram a matéria-prima. Em algumas aplicações da invenção, a região de entrada do eixo compreende um alimentador em fita, um parafuso de lance de corte ou um parafuso em dente de serra. Esta configuração pode melhorar a capacidade de produtividade e reduzir o bloqueio a montante da câmera de aquecimento.

[0058] Alguns ou todos os elementos desintegrantes podem ser dispostos na direção do movimento da matéria-prima através da câmara de aquecimento para facilitar o transporte da matéria-prima através deles. Ou seja, um elemento desintegrante pode ser montado no eixo em um ângulo deslocado de uma linha desenhada transversal à câmara de aquecimento. Esta configuração pode reduzir a distribuição do tempo de residência da matéria-prima, que por sua vez reduz o sobreaquecimento da matéria-prima. Por exemplo, elementos desintegrantes podem ser montados no eixo em um ângulo, ou seja, deslocado entre 0 e aproximadamente 45° de uma linha desenhada transversalmente ao eixo. Por exemplo, os elementos desintegrantes podem ser montados no eixo em um ângulo, ou seja, deslocado entre 1 e aproximadamente 45° de uma linha desenhada transversalmente ao eixo, ou em um ângulo, ou seja, deslocado entre 5 e aproximadamente 30° de uma linha desenhada transversalmente ao eixo.

[0059] Os meios de adição de vapor podem compreender uma ou mais entradas para injeção direta de vapor. A introdução do vapor ao longo do comprimento da câmara em pontos de injeção espaçados permite mais aquecimento das partículas de matéria- prima. O vapor pode ser introduzido através da entrada da matéria- prima, entradas dispostas ao longo do comprimento da câmara, ou uma combinação destes. Adicionalmente, a química utilizada para o pré-tratamento ou hidrólise pode ser introduzida na câmara de aquecimento.

[0060] A pressão operacional e a temperatura da câmara de aquecimento tipicamente corresponderão à pressão e temperatura do reator a jusante. A pressão operacional da câmara pode ser pelo menos aproximadamente 90 psia. Exemplos de pressões operacionais adequadas incluem entre aproximadamente 90 e aproximadamente 680 psia.

[0061] A temperatura da câmara de aquecimento será maior do que aproximadamente 100°C. Exemplos das faixas de temperatura incluem entre aproximadamente 100°C e aproximadamente 280°C, ou entre aproximadamente 160°C e aproximadamente 260°C.

[0062] Em algumas aplicações da invenção, os elementos desintegrantes projetam para fora do eixo e são configurados de modo que as bordas externas deste descrevam um ou mais círculos que são concêntricos ou essencialmente concêntricos com relação à superfície interna da câmara. Pelo termo “essencialmente concêntrico”, entende-se que a excentricidade de um ou mais círculos descritos pelas bordas externas é menor do que aproximadamente 10% do diâmetro da câmara de aquecimento.

[0063] De acordo com uma aplicação da invenção, a distância entre a superfície interna da câmara e a borda externa do elemento desintegrante, ou seja, mais próximo à superfície interna (também referida aqui como “folga”) é menor do que aproximadamente 10% do diâmetro interno da câmara. Conforme mencionado previamente, os comprimentos dos elementos desintegrantes podem variar. Consequentemente, a folga é medida na borda externa do elemento desintegrante, ou seja, mais próxima à superfície interna da câmara. Em algumas aplicações da invenção, a folga está entre aproximadamente 2% e aproximadamente 8%, ou entre aproximadamente 2,5% e aproximadamente 6% do diâmetro interno da câmara.

[0064] Os elementos desintegrantes são dispostos no eixo para limpar a superfície interna de, pelo menos, uma região da câmara. Limpar a superfície interna da câmara pelo menos em uma região desta, os elementos desintegrantes podem reduzir ou remover a construção em escala, incluindo depósitos de lignina que podem reduzir o transporte e capacidade de mistura da câmara de aquecimento.

[0065] Pelo termo “limpar”, entende-se que a distância entre a superfície interna da câmara e a borda externa do elemento desintegrante, ou seja, mais próxima à superfície interna é menor do que 5% do diâmetro interno da câmara. Utilizando esta folga, a construção em escala pode ser removida da superfície interna da câmara ou a construção pode ser reduzida. Exemplos de faixas adequadas da folga para limpar incluem aproximadamente 1,0% a aproximadamente 5,0%, aproximadamente 1,5% a aproximadamente 4,5%, ou aproximadamente 2,0% a aproximadamente 4,0%.

[0066] Ainda, se elementos desintegrantes discretos são montados no eixo, por exemplo, pás, barras, chapas, pinos, braços, o espaçamento entre os elementos adjacentes, pode ser escolhido para eliminar as zonas estagnadas na superfície interna da câmara entre os elementos desintegrantes adjacentes onde depósitos orgânicos acumulam na superfície interna da câmara. Por exemplo, os elementos desintegrantes podem sobrepor para fornecer limpeza axial contínua pelo menos por uma região da câmara, assim reduzindo ou eliminando as zonas estagnadas.

[0067] Complementarmente ao presente invenção, a composição da matéria-prima lignocelulósica compreende: (i) partículas desintegradas da matéria-prima lignocelulósica; (ii) aproximadamente 15 a aproximadamente 30 % em peso de sólidos não dissolvidos, em que os sólidos não dissolvidos compreendem entre aproximadamente 20 e aproximadamente 60 % em peso de celulose e entre aproximadamente 10 e aproximadamente 30 % em peso de xilano; e (iii) um ácido mineral, em que a matéria-prima não contem principalmente lascas de madeira ou polpa, e em que o pH da composição da matéria-prima está entre aproximadamente 0,5 e aproximadamente 3,5.

[0068] De acordo com algumas aplicações da invenção, o teor de sólido não dissolvido é 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 ou 30 % em peso. A faixa de sólidos não dissolvidos na composição da matéria-prima pode incluir limites numéricos de qualquer um destes valores. De acordo com outras aplicações da invenção, o teor de sólido não dissolvido está entre aproximadamente 18 e aproximadamente 28 % em peso.

[0069] De acordo com outras aplicações da invenção, o pH da composição da matéria-prima é 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0 ou 3,5. A faixa de pH da composição da matéria-prima pode incluir limites numéricos de qualquer um destes valores. De acordo com outras aplicações da invenção, o pH está entre aproximadamente 0,5 e aproximadamente 3,0. O ácido mineral pode ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico ou qualquer combinação destes. Sem estar limitando, o ácido pode ser ácido sulfúrico.

[0070] Os sólidos não dissolvidos podem conter 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 ou 60 % em peso celulose. A faixa do teor de celulose nos sólidos não dissolvidos pode incluir limites numéricos de qualquer um destes valores. De acordo com outras aplicações da invenção, o teor de celulose nos sólidos não dissolvidos pode estar entre aproximadamente 30 e aproximadamente 60 % em peso.

[0071] Os sólidos não dissolvidos podem conter 10, 15, 20, 25 ou 30 % em peso de xilano. A faixa do teor de xilano nos sólidos não dissolvidos pode incluir limites numéricos de qualquer um destes valores. De acordo com outras aplicações da invenção, o teor de xilano nos sólidos não dissolvidos pode ser entre aproximadamente 15 e aproximadamente 30 % em peso.

[0072] A temperatura da composição pode estar entre aproximadamente 100°C, 120, 140, 160, 180, 190, 200, 220, 240, 260 ou 280°C. A faixa de temperatura pode incluir limites numéricos de qualquer um destes valores. De acordo com outras aplicações da invenção, a faixa de temperatura está entre 160 e 280°C.

[0073] Pela frase “não principalmente contém”, entende-se que a composição da matéria-prima não contém mais do que aproximadamente 50 % em peso de lascas de madeira ou polpa. Em algumas aplicações da invenção, a composição da matéria-prima não contém principalmente biomassa florestal.

[0074] PRÉ-TRATAMENTO E HIDRÓLISE

[0075] Após aumentar a temperatura das partículas de matéria-prima desintegrada na câmara de aquecimento, elas podem ser pré-tratadas ou hidrolisadas.

[0076] O termo “pré-tratamento” ou “pré-tratar” significa um processo no qual a matéria-prima lignocelulósica reage sob as condições que interrompem a estrutura da fibra e que aumenta a susceptibilidade ou acessibilidade da celulose dentro das fibras de celulose para etapas subsequentes de conversão enzimática ou química. Uma parte do xilano na matéria-prima lignocelulósica pode ser hidrolisada em xilose e outros produtos de hidrólise em um processo de pré-tratamento, embora os processos de pré-tratamento que não hidrolisam o xilano também sejam abrangidos pela invenção. Nas aplicações da invenção, a quantidade de xilano hidrolisado em xilose é maior do que aproximadamente 50, aproximadamente 60, aproximadamente 70, aproximadamente 80 ou aproximadamente 90 % em peso.

[0077] Pelo termo “matéria-prima pré-tratada”, entende-se uma matéria-prima que foi submetida ao pré-tratamento de modo que a celulose contida nas fibras celulósicas tenha uma susceptibilidade ou acessibilidade aumentada nas etapas subsequentes de conversão enzimática ou química. A matéria-prima pré-tratada contém celulose que estava presente na matéria-prima antes do pré-tratamento. Em algumas aplicações, pelo menos uma parte do xilano contido na matéria-prima lignocelulósica é hidrolisada para produzir pelo menos xilose em um pré-tratamento.

[0078] De acordo com as aplicações da invenção, o pré- tratamento ou hidrólise pode ou não incluir o uso de química (por exemplo, pré-tratamento hidrotérmico) e o pré-tratamento ou hidrólise pode ser um processo de vários estágios ou um único que produz açúcar fermentável ou prepara a matéria-prima para conversão subsequente em açúcar fermentável. Todos ou parte dos polissacarídeos contidos na matéria-prima pode ser convertida em açúcares oligoméricos ou monoméricos, ou uma combinação destes durante o pré-tratamento ou hidrólise. Em outras aplicações da invenção, o pré-tratamento ou hidrólise inclui o uso de solventes orgânicos, agentes oxidantes, ou ácidos inorgânicos ou bases. A lignina pode ou não ser removida durante o pré-tratamento ou hidrólise.

[0079] De acordo com uma aplicação da invenção, pelo menos uma parte de polissacarídeos contidos na matéria-prima lignocelulósica é hidrolisada para produzir um ou mais monossacarídeos.

[0080] Vários tipos de reatores podem ser utilizados para pré-tratar ou hidrolisar a matéria-prima incluindo dois ou mais reatores, dispostos em série ou paralelos.

[0081] De acordo com uma aplicação da invenção, o reator é um reator vertical, que pode ser tanto um reator vertical com fluxo para cima ou para baixo. Em outra aplicação da invenção, o reator é um reator horizontal ou inclinado. O reator pode ser equipado com um mecanismo interno, como um parafuso, condutor, raspador ou mecanismo semelhante para conduzir a matéria-prima lignocelulósica através dele e/ou para auxiliar na descarga do reator.

[0082] A química para penetrar ou hidrolisar a matéria- prima pode ser somada à matéria-prima durante um processo de umedecimento realizado antes da desidratação, antes da formação de tampão, na câmara de aquecimento, no dispositivo de formação de tampão, no reator, ou uma combinação destes.

[0083] De acordo com as aplicações da invenção, a pressão no reator está entre aproximadamente 90 psia e aproximadamente 680 psia e qualquer pressão entre eles. A pressão no reator pode ser medida com um ou mais sensores de pressão. Se um ou mais reatores são configurados de modo que haja diferentes níveis de pressão dentro de cada, a pressão na localização onde a matéria-prima entra no primeiro reator é considerada aqui como a pressão do reator.

[0084] Em algumas aplicações da invenção, a matéria-prima lignocelulósica é tratada no reator sob condições acídicas. Para condições acídicas, um pH adequado é de aproximadamente 0 a aproximadamente 3,5 ou aproximadamente 0,2 a aproximadamente 3 ou aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3 e todos os valores de pH entre estes.

[0085] De acordo com outras aplicações da invenção, os ácidos somados para definir as condições acídicas no reator são ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico ou qualquer combinação deste. A adição de ácido sulfuroso inclui a adição de dióxido de enxofre mais água ou ácido sulfuroso. Ácidos orgânicos podem também ser utilizados, sozinhos ou em combinação com um ácido mineral.

[0086] De acordo com outra aplicação da invenção, o alcalino somado para definir as condições alcalinas na zona de reação é amônia, hidróxido de amônia, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou qualquer combinação deste.

[0087] Uma temperatura e tempo adequados de reação no reator dependerá de um número de variáveis, incluindo o pH no reator e o grau, se houver, no qual a hidrólise dos polissacarídeos é desejada.

[0088] Sem estar limitando, o pré-tratamento da matéria- prima lignocelulósica pode ocorrer sob condições acídicas ou alcalinas. Em um processo de pré-tratamento acídico, de acordo com as aplicações exemplares da invenção, o tempo no reator de pré- tratamento pode ser de aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos ou aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 600 segundos ou aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 180 segundos e qualquer período entre eles. A temperatura pode ser aproximadamente 150°C a aproximadamente 280°C e qualquer temperatura entre eles. O pH para o pré-tratamento pode ser entre aproximadamente 0,5 e aproximadamente 3, ou entre aproximadamente 1,0 e aproximadamente 2,0.

[0089] Em um processo de pré-tratamento alcalino, o período no reator é de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 120 minutos ou aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 60 minutos e todas as vezes entre eles, e em uma temperatura adequada de aproximadamente 20°C a aproximadamente 220°C ou aproximadamente 120°C a aproximadamente 220°C e todas as temperaturas entre eles.

[0090] A expansão de fibra de amônia (AFEX | ammonia fiber expansion), que é um método de pré-tratamento alcalino, pode produzir pouco ou nenhum monossacarídeo. Certamente, se um tratamento AFEX for empregado na zona de reação, o hidrolisado produzido da zona de reação poderá produzir qualquer monossacarídeo.

[0091] De acordo com o processo AFEX, a biomassa celulósica entra em contato com a amônia ou hidróxido de amônia, que é tipicamente concentrado, em uma câmara de pressão. O contato é mantido por um tempo suficiente para permitir que a amônia ou hidróxido de amônia aumente (ou seja, descristalize) as fibras de celulose. A pressão é então rapidamente reduzida permitindo que a amônia aumente ou ferva e exploda a estrutura de fibra da celulose. A amônia aumentada pode então ser recuperada de acordo com os processos conhecidos. O processo AFEX pode ser realizado em aproximadamente 20°C a aproximadamente 150°C ou em aproximadamente 20°C a aproximadamente 100°C e todas as temperaturas entre estas. A duração deste pré-tratamento pode ser aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos, ou qualquer período entre estes.

[0092] O pré-tratamento da amônia diluída utiliza mais soluções diluídas de amônia ou hidróxido de amônia do que AFEX. Este processo de pré-tratamento pode ou não produzir qualquer monossacarídeo. O pré-tratamento da amônia diluída pode ser conduzido em uma temperatura de aproximadamente 100 a aproximadamente 150°C ou qualquer temperatura entre estas. A duração para este pré-tratamento pode ser aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 20 minutos, ou qualquer período entre estes.

[0093] Quando o hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio é utilizado no pré-tratamento, a temperatura pode ser aproximadamente 100°C a aproximadamente 140°C, ou qualquer temperatura entre estas, a duração do pré-tratamento pode ser aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 120 minutos, ou qualquer período entre estes, e o pH pode ser aproximadamente pH 11 a aproximadamente 13, ou qualquer pH valor entre estes.

[0094] De modo alternativo, um processo de hidrólise acídica ou alcalina pode ser operado sob condições suficientemente duras para hidrolisar a celulose em glicose e outros produtos.

[0095] A hidrólise acídica, ou seja, dura suficiente para hidrolisar xilano e celulose pode ser conduzida por aproximadamente 10 segundos a aproximadamente 20 minutos, ou qualquer período entre estes. A temperatura pode ser entre aproximadamente 180°C e aproximadamente 260°C, ou qualquer temperatura entre estas. O pH pode ser entre 0 e aproximadamente 1 ou qualquer pH entre eles.

[0096] A hidrólise alcalina, ou seja, dura suficiente para hidrolisar xilano e celulose pode ser conduzida em aproximadamente 125°C a aproximadamente 260°C, ou aproximadamente 135°C a aproximadamente 260°C, ou aproximadamente 125°C a aproximadamente 180°C, ou qualquer temperatura entre estas, por aproximadamente 30 minutos a aproximadamente 120 minutos, ou qualquer período entre estes e aproximadamente no pH 13 a aproximadamente 14, ou qualquer pH entre estes.

[0097] A matéria-prima pré-tratada ou hidrolisada pode ser descarregada em um dispositivo de descarga como um descarregador em parafuso, um descarregador com furo limpo, um descarregador giratório, um descarregador do tipo pistão e semelhantes. Dois ou mais reatores, dispostos em série ou em paralelo, podem ser utilizados.

[0098] A matéria-prima pré-tratada ou hidrolisada que sai da zona de reação pode ser despressurizada e resfriada, por exemplo, entre aproximadamente 30°C e aproximadamente 100°C. Em uma aplicação da invenção, a pressão é reduzida a aproximadamente pressão atmosférica. O resfriamento e despressurização podem ser realizados por uma ou mais câmaras de expansão.

[0099] HIDRÓLISE ENZIMÁTICA E FERMENTAÇÃO

[00100] Se a hidrolisada ou matéria-prima pré-tratada que sai do reator contém celulose, ela pode ser submetida à hidrólise de celulose com enzimas de celulase. Pelo termo “enzimas de celulase”, “celulase”, ou “enzimas”, entende-se que as enzimas que catalisam a hidrólise de celulose em produtos como glicose, celobiose, e outros celo-oligossacarídeos. A celulase é um termo genérico que denota uma mistura de várias enzimas compreendendo exo-celobiohidrolases (CBH | cellobiohydrolases), endoglucanases (EG | endoglucanases) e β-glicosidases (βG | β-glucosidases) que podem ser produzidas por um número de plantas e microorganismos. O processo da presente invenção pode ser realizado com qualquer tipo de enzimas de celulase, independente da sua fonte.

[00101] Opcionalmente, antes da hidrólise enzimática, os açúcares que surgem do pré-tratamento são separados dos componentes da matéria-prima não hidrolisada no chorume pré- tratado. Expedientes para realizar a separação incluem, entre outros, filtração, centrifugação, lavagem ou outros processos conhecidos para remover os sólidos da fibra ou sólidos suspensos. O fluxo aquoso de açúcar pode então ser concentrado, por exemplo, por evaporação com membranas ou semelhantes. Quaisquer traços sólidos são tipicamente removidos por microfiltração.

[00102] Em uma aplicação, o fluxo de açúcar aquoso separado dos sólidos da fibra é fermentado para produzir uma química de interesse, incluindo, entre outros, um sucroálcool. O sucroálcool pode ser selecionado de xilitol, arbitol, eritritol, manitol e galactitol. Preferivelmente, o sucroálcool é xilitol. De modo alternativo, o açúcar é convertido em um álcool, como etanol ou butanol, por fermentação com uma bactéria ou fungo recombinante que ocorre naturalmente.

[00103] Geralmente, uma temperatura na faixa de aproximadamente 45°C a aproximadamente 55°C, ou qualquer temperatura entre elas, é adequada para a maioria das enzimas de celulase, embora a temperatura possa ser mais alta para enzimas de celulase termofílicas. A dosagem de enzima de celulase é escolhida para atingir um nível suficientemente alto de conversão de celulose. Por exemplo, uma dosagem apropriada de celulase pode ser aproximadamente 5,0 a aproximadamente 100,0 Unidades de Papel de Filtro (FPU | filter paper units, ou IU) por grama de celulose, ou qualquer quantidade entre elas. A FPU é uma medição padrão familiar aos técnicos no assunto e é definida e medida de acordo com Ghose (1987, Pure e Appl. Chem. 59:257-268). O nível de dosagem de β-glicosidase pode ser aproximadamente 5 a aproximadamente 400 β-glicosidase unidades por grama de celulose, ou qualquer quantidade entre eles, ou de aproximadamente 35 a aproximadamente 100 β-glicosidase unidades por grama de celulose, ou qualquer quantidade entre eles. A unidade de β-glicosidase também é medida de acordo com o método de Ghose (supra).

[00104] A hidrólise enzimática da celulose continua por aproximadamente 24 horas a aproximadamente 250 horas, ou qualquer quantidade de tempo entre eles, dependendo do grau de conversão desejado. O chorume então produzido é uma solução aquosa, compreendendo glicose, xilose, outros açúcares, lignina e outro sólido suspenso não convertido. Outros açúcares que podem ser produzidos na zona de reação também podem estar presentes na solução aquosa. Os açúcares são prontamente separados do sólido suspenso e podem processados conforme necessário, por exemplo, entre outros, fermentação para produzir produtos de fermentação, incluindo, entre outros, etanol ou butanol por levedura ou bactérias. Se o etanol for produzido, a fermentação pode ser realizada com uma levedura, incluindo, entre outros Saccharomyces cerevisiae.

[00105] Os açúcares dissolvidos que são submetidos à fermentação podem incluir não apenas a glicose liberada durante a hidrólise de celulose, mas também açúcares que surgem de um pré- tratamento, a saber, xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação destes. Estes açúcares podem ser fermentados juntos com a glicose produzida pela hidrólise de celulose ou eles podem ser inseridos em uma fermentação separada. Em uma aplicação da invenção, estes açúcares são convertidos em etanol, com a glicose da hidrólise de celulose, por uma variedade de levedura Saccharomyces cerevisiae tendo a capacidade de converter tanto a glicose quanto a xilose em etanol. A variedade Saccharomyces cerevisiae pode ser geneticamente modificada de modo que seja capaz de produzir este valioso subproduto (vide, por exemplo, Patente Norte-Americana No. 5,789,210, que está incorporada aqui por referência), embora foi informado que algumas variedades de levedura Saccharomyces cerevisiae sejam naturalmente capazes de converter xilose em etanol.

[00106] DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[00107] Conforme visto na figura 1, um chorume da matéria-prima lignocelulósica tendo uma consistência de aproximadamente 1% a aproximadamente 10% (p/p), preferivelmente aproximadamente 3% a aproximadamente 5% (p/p) na linha do chorume 102 é bombeada por meios de bomba 104 através da linha de alimentação 106 na prensa helicoidal de desidratação pressurizada indicada pelo número de referência geral 108. A prensa helicoidal de desidratação pressurizada 108 compreende uma casca sólida 105 tendo uma porta de entrada da matéria-prima 112 e uma porta de pressão 114. A linha de alimentação 106 insere a matéria-prima lignocelulósica na prensa helicoidal de desidratação 108 através da porta de entrada da matéria-prima 112 em uma pressão de, por exemplo, aproximadamente 482,633 kPa (70 psia) a aproximadamente 6205,28 kPa (900 psia). A pressão pode ser determinada medindo a pressão com um sensor de pressão localizado na porta de entrada da matéria-prima 112.

[00108] Uma peneira 116 está disposta dentro da casca 105 para fornecer um espaço externo 118 entre a peneira e a circunferência interna da casca 105. Um parafuso 120 é concentricamente e giratoriamente montado dentro da peneira 116. Os lances 122 do parafuso 120 são geralmente de diâmetro externo constante e presos em um eixo do parafuso com um diâmetro central que aumenta da extremidade de entrada 124 à extremidade de saída 126 da prensa helicoidal de desidratação pressurizada 108.

[00109] Água e qualquer outro líquido, incluindo sólidos dissolvidos, que foram expressos do chorume da matéria-prima lignocelulósica são removidos no espaço 118, que serve como uma câmara de coleta para a água removida. O espaço 118 é conectado através da porta de pressão 114 em uma turbina 132 que extrai a água removida através de uma linha de pressão 130. A água removida, ou pressão, pode então ser enviada a um sistema de recomposição de chorume de retorno do pressão (não mostrado) através da linha 134.

[00110] A matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada sai da desidratação e formação de zona do tampão da prensa helicoidal 108 na extremidade de saída 126. O índice do peso dos sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada preferivelmente está na faixa de aproximadamente 1:5:1 a aproximadamente 4:1. O índice de peso da água em sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica desidratada pode ser determinado coletando uma amostra da matéria- prima de, por exemplo, extremidade de saída 126 da prensa helicoidal, e determinando o índice de peso na amostra pelo método descrito acima. De modo alternativo, o índice de peso da água em sólidos secos da matéria-prima lignocelulósica na matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada pode determinado pelos cálculos de equilíbrio da massa.

[00111] A extremidade de saída 126 da prensa helicoidal pressurizada 108 é operativamente conectada a uma zona do tampão 136. Um tampão da matéria-prima lignocelulósica parcialmente desidratada é forçado através da zona do tampão 136 e é descarregado na saída do tampão 137. Também pode haver um dispositivo retentor (não mostrado) na saída do tampão 137.

[00112] Uma porta de entrada do vapor 138 e/ou portas 138A são fornecidas por uma fonte de vapor através da linha de entrada de vapor 139. O tampão da matéria-prima parcialmente desidratada, que contém água na faixa de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 vezes o peso dos sólidos secos da matéria-prima, é inserido em uma câmara de aquecimento de alto cisalhamento 140 através de uma câmara de alimentação 141.

[00113] Na câmara de aquecimento de alto cisalhamento 140, o tampão da matéria-prima, ou segmentos deste, é desintegrado em partículas, que são aquecidas pelo contato direto do vapor através do vapor introduzido pela linha 139 e/ou portas 138A. O vapor pode também ser introduzido ao corpo da câmara de aquecimento 140. Conforme mencionado previamente, o tampão pode quebrar em segmentos conforme é descarregado da prensa helicoidal pressurizada 108, ou conforme é inserido a outros dispositivos posicionados a jusante da prensa helicoidal 108.

[00114] A câmara de aquecimento 140 é um dispositivo cilíndrico, horizontalmente orientado tendo um eixo giratório concêntrico 142 montado de forma coaxial na câmara. O eixo concêntrico 142 compreende uma pluralidade de elementos desintegrantes 143 montada na sua região média e que projeta radialmente dela. Alguns elementos desintegrantes compreendem uma extremidade distal 144, ou seja, “em forma de T” para limpar a superfície interna da câmara 140, conforme descrito abaixo. A região de entrada do eixo 142 compreende um parafuso de entrada 145 para conduzir o tampão, ou segmentos deste, à região média da câmara. Além disso, um parafuso de saída 146, com altura oposta, é fornecida em uma região de saída do eixo 142 para descarregar a matéria-prima aquecida desintegrada produzida na câmara de aquecimento 140 em um reator de pré-tratamento 152.

[00115] A ação de cisalhamento é transmitida ao tampão da matéria-prima ou segmentos deste, na câmara de aquecimento 140 pela pluralidade de elementos desintegrantes 143.

[00116] A velocidade de ponta do eixo é de modo que os segmentos da matéria-prima sejam desintegrados e esteja tipicamente dentro de uma faixa entre 450 m/min a aproximadamente 800 m/min para atingir a ótima desintegração. A extensão da ação de cisalhamento é amplamente uma função do número e forma dos elementos desintegrantes vezes a velocidade de ponta. Durante a desintegração, o tampão da matéria-prima ou segmentos deste é quebrado em pequenas partículas.

[00117] Cada elemento desintegrante é configurado de modo que a folga entre a superfície interna da câmara 140 e a borda externa da extremidade distal “em forma de T” 144 de cada elemento desintegrante seja menor do que 4 % do diâmetro interno da câmara 140. Esta folga permite que os elementos desintegrantes 143 limpem a superfície interna da câmara 140.

[00118] Além disso, os elementos desintegrantes 143 são dispostos no eixo 142 de modo que haja limpeza axial contínua da superfície interna da câmara 140. De acordo com esta aplicação da invenção, as partes finais de cada elemento desintegrante “em forma de T” sobrepõem as partes finais correspondentes de um elemento adjacente em forma de T. Isso permite que a área limpa por cada elemento em forma de T sobreponha a área limpa por um elemento em forma de T adjacente de modo que não haja zonas estagnadas para depósitos orgânicos acumularem na superfície interna da câmara.

[00119] De acordo com outra aplicação da invenção, os elementos desintegrantes são “em forma de Y”. Além disso, uma combinação de elementos desintegrantes “em forma de Y” e “em forma de T” pode ser disposta no eixo.

[00120] O parafuso 145 para conduzir o tampão, ou segmentos deste, na região média da câmara 140 pode ser o parafuso em dente de serra. Cortes transversais de várias configurações do parafuso adequados para uso na invenção são mostrados na Figura 2. A disposição deste parafuso na região de entrada facilita o transporte do tampão, ou segmentos deste, através da câmara de aquecimento 140. Além disso, um parafuso em dente de serra funciona para desintegrar o tampão da matéria-prima ou segmentos, conforme entra na câmara de aquecimento.

[00121] A matéria-prima aquecida e desintegrada é descarregada da câmara de aquecimento 140 no reator de pré- tratamento 152, que compreende uma câmara cilíndrica horizontalmente orientada, na qual está montado um transportador helicoidal 154 com aletas 156. O reator de pré-tratamento 152 opera em uma pressão de aproximadamente 620,528 kPa (90 psia) a aproximadamente 4688,43 kPa (680 psia), um pH de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3,0 e uma temperatura de aproximadamente 160°C a aproximadamente 260°C. A matéria-prima lignocelulósica é tratada no reator por um período de aproximadamente 10 a aproximadamente 600 segundos. O pH desejado no reator 152 pode ser obtido somando ácido à matéria-prima lignocelulósica antes da entrada da prensa helicoidal pressurizada.

[00122] Um dispositivo de descarga 158 descarrega a matéria-prima pré-tratada do reator de pré-tratamento 152. Subsequentemente, a matéria-prima pré-tratada é expandida em uma câmara ou câmaras de expansão (não mostrados) para resfriar antes da hidrólise enzimática.

Claims (5)

1. "DISPOSITIVO PARA AQUECIMENTO DE MATÉRIA- PRIMA", compreendedo: uma câmara (140) alongada com, pelo menos, uma parte respectiva de forma cilíndrica, a referida câmara (140) compreendendo: (a) uma entrada para receber a matéria-prima e uma saída para retirar a matéria-prima aquecida; (b) um eixo giratório (142) montado de forma coaxial na câmara (140), o referido eixo compreendendo (i) uma seção de entrada, compreendendo um parafuso (145) para transportar e quebrar a matéria-prima na região de entrada da câmara (140), caracterizado pelo parafuso (145) compreender entalhes ou ranhuras formadas ao redor da sua circunferência para quebrar a matéria-prima; e (ii) uma variedade de elementos desintegrantes (143) montada em, pelo menos, uma seção média do eixo (142) para desintegrar a matéria-prima, cujos elementos desintegrantes (143) se projetam para fora do eixo (142) e são fixados em um ângulo que é deslocado a partir de uma linha desenhada transversalmente ao eixo (142); e (c) meios (139, 138A) para aquecer as partículas de matéria-prima desintegrada, conforme são transportadas através da câmara (140); Em que, os elementos desintegrantes (143) estão dispostos no referido eixo para varrer a superfície interna de, pelo menos, uma região da câmara (140), sendo que os elementos desintegrantes (143) são configurados de modo que as bordas externas respectivas descrevam um ou mais circulos que são concêntricos ou essencialmente concêntricos com relação à superfície interna da câmara (140).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos entalhes ou ranhuras serem em forma de V ou substancialmente em forma de V.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos elementos desintegrantes (143) serem fixados em um ângulo que é deslocado entre 5 a 30° de uma linha desenhada transversalmente ao eixo (142).

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos meios para aquecimento das partículas de matéria-prima desintegrada compreenderem uma ou mais entradas para introdução de vapor.

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelos elementos desintegrantes (143) serem lâminas, barras, pás, pinos, braços ou uma combinação respectiva

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