BR112014013893B1

BR112014013893B1 - Processo de transformação de um substrato lignocelulósico

Info

Publication number: BR112014013893B1
Application number: BR112014013893-1A
Authority: BR
Inventors: Sylvain Louret; Romain Rousset
Original assignee: IFP Energies Nouvelles
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2021-06-29
Also published as: FR2984356A1; CN104136616A; CA2856207C; UA115138C2; ES2831183T3; WO2013088001A2; HRP20201892T1; AU2012351399A1; MX2014006986A; EP2791346B1; MX352540B; BR112014013893A8; HUE052640T2; JP2015500038A; MY170460A; BR112014013893A2; FR2984356B1; JP6140725B2; WO2013088001A3; CA2856207A1

Abstract

processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito otimizado. a presente invenção refere-se a uma produção de substrato lignocelulósico liquefeito por reação enzimática, no qual se colocam em contato, sob agitação, 10 a 40% em peso de matéria seca de substrato lignocelulósico pré-tratado com água e com enzimas a uma concentração compreendida entre 0,1 e 60 mg de enzimas por gramas de celulose por uma duração compreendida entre 1 e 24 horas, esse processo sendo caracterizado pelo fato de se medir, no decorrer do tempo, pelo menos o valor de uma das características reológicas do meio reacional e pelo fato de, caso se detecte uma diminuição no decorrer do tempo desse valor, se efetuar uma etapa a) a seguinte: a) se aumenta a vazão de alimentação com substrato lignocelulósico pré-tratado, com ou sem modificação da vazão de enzimas e/ou de água; e pelo fato de, caso se detecte um aumento no decorrer do tempo desse valor, se efetuar uma etapa b) a seguinte: b) se aumenta a vazão de alimentação com água e/ou com enzimas, com ou sem modificação da vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um processo de produçãode substrato lignocelulósico liquefeito, a partir da biomassa lignocelulósica. Esse substrato lignocelulósico liquefeito pode, em seguida, ser utilizado em diversas etapas posteriores, tais como, por exemplo, em uma etapa de fermentação para a produção de álcoois, ou para a produção intermediária para a química.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] O desenvolvimento de processos economicamenteconfiáveis de valorização da biomassa lignocelulósica é atualmente um vasto assunto de atualidade. A rarefação dos recursos fósseis e a concorrência com os recursos alimentícios levam a buscar novas vias para a produção de biocarburantes e de intermediários químicos.

[0003] A partir dos anos 70, a transformação da biomassalignocelulósica, após hidrólise dos poli-sacarídeos constitutivos em açúcares, constituiu o objeto de numerosos trabalhos.

[0004] A biomassa lignocelulósica se caracteriza por uma estruturacomplexa constituída de três principais polímeros, a celulose, as hemiceluloses e a lignina, cuja proporção varia segundo as espécies de biomassa lignocelulósica. Uma composição típica, mas não limitativa, é a seguinte: a celulose com um teor compreendido entre 35 e 50%, as hemiceluloses que são poli-sacarídeos essencialmente constituídos de pentoses e de hexoses com um teor compreendido entre 20 e 30% e as ligninas com um teor compreendido entre 15 e 25% do peso. A degradação da biomassa se revela difícil, pois os poli-sacarídeos da parede vegetal (celulose e hemicelulose) são intimamente associados à lignina, que confere às paredes sua rigidez.

[0005] Desses três polímeros, a celulose é a principal fonte de açúcares, pois ela é constituída de glicose, esta podendo ser facilmente valorizada.

[0006] De forma clássica, os processos de valorização da biomassapor via bioquímica compreendem várias etapas. Uma primeira etapa é a coleta e o transporte da biomassa lignocelulósica em um centro de transformação da biomassa. A segunda etapa é o pré-tratamento ou a pré-hidrólise da biomassa que permite tornar a celulose acessível às enzimas e assim produzir um substrato lignocelulósico pré-tratado. A terceira etapa de hidrólise enzimática permite, graças à utilização de uma solução de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas produzidas por micro-organismos e denominada coquetel enzimático, a transformação da celulose em glicose. Essa glicose pode ser em seguida valorizada, por exemplo, em etanol, quando de uma quarta etapa de fermentação por, em geral, o lêvedo Saccharomyces cerevisiae, ou em mistura acetona, butanol, etanol (ABE) por fermentação pelo lêvedo Clostridium acetobutylcum. Uma quinta etapa de destilação permite, em seguida, concentrar as moléculas obtidas.

[0007] Esse substrato lignocelulósico pré-tratado, obtido no final daetapa de pré-tratamento, é um resíduo sólido composto essencialmente de celulose e de lignina sólida.

[0008] Em toda a sequência do texto, exprime-se a concentraçãoem substrato lignocelulósico pré-tratado em percentagem em peso de matéria seca. A matéria seca, expressa em percentagem em peso, é a razão de massa da amostra obtida, após secagem a 105oC durante 24 horas sobre a massa inicial da amostra.

[0009] Na etapa de hidrólise enzimática, esse substratolignocelulósico pré-tratado deve ser misturado com uma solução líquida contendo as enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas. O objetivo sendo de obter uma concentração elevada em açúcares, a etapa de hidrólise enzimática deve ser feita a concentrações elevadas em substratos lignocelulósico pré-tratada, isto é, com elevado teor em matéria seca. A mistura íntima com essa solução líquida contendo as enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas se mostra, portanto, difícil.

[00010] A etapa de hidrólise enzimática pode, portanto, ser realizada com um substrato lignocelulósico pré-tratado diluído por acréscimo de água, de forma a homogeneizar o meio reacional. A diluição na água desse substrato lignocelulósico apresenta o inconveniente de diluir também os açúcares e os oligômeros de açúcares obtidos no final da etapa de hidrólise enzimática. A fim de prevenir esse problema de diluição e de poder assegurar uma concentração em açúcar interessante e confiável, utilizações específicas podem ser consideradas: a alimentação desse substrato lignocelulósico em modo "fed-batch", definido mais abaixo, permite preparar um fundo de reator suficientemente diluído para poder iniciar a reação de hidrólise enzimática e assegurar uma boa mistura. À medida que ocorre o avanço da reação, a mistura tornando-se cada vez mais líquido, é possível acrescentar substrato fresco, de maneira a subir sua concentração. Procedendo-se desse modo, é, então, possível atingir concentrações em substrato elevado e vantajosamente compreendido entre 20 e 30% em peso de matéria seca.

[00011] Esse início de hidrólise de elevado teor em matéria seca apresenta problemas de mistura e de homogeneização. O meio reacional é muito pastoso e viscoso, e que demanda uma agitação específica muito mais complexa do que aquela necessária em fim de hidrólise onde a mistura reacional é tornada mais líquida. É por isso que parece pertinente separar essa hidrólise em duas etapas:- a liquefação corresponde ao início de hidrólise durante a qual o meio reacional é viscoso e demanda um espaço de agitação complexa e uma energia de agitação considerável. Ao contrário, o tempo de permanência é curto, o que permite limitar os volumes a instalar com essa agitação;- a etapa seguinte corresponde à sacarificação no caso em que se prolonga a hidrólise classicamente ou na SSF (simultaneous saccharification and fermentation) no caso em que se introduzem lêvedos para fermentar os açúcares, hidrolisando. Essa etapa demanda uma agitação mais simples, menos energia, mas um tempo de permanência mais longo e, portanto, um volume mais importante.

[00012] Os trabalhos de pesquisa da requerente levaram-na a se interessar mais particularmente pela etapa de liquefação, a fim de seguir melhor seu avanço e otimizar seu comando.

[00013] A presente invenção propõe, portanto, seguir a medida de uma característica reológica do meio reacional, de maneira a otimizar a liquefação, agindo sobre os acréscimos de substrato lignocelulósico, de enzima ou sobre a diluição.

[00014] Um objetivo do processo, segundo a presente invenção é, portanto, fornecer um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito por reação enzimática, permitindo a obtenção de um substrato lignocelulósico liquefeito, apresentando uma reologia compatível com sua transferência para a etapa colocada a jusante, assim como com sua agitação na seguinte reação.

[00015] O pedido de patente US 2010/0255554 descreve um processo de hidrólise da biomassa lignocelulósica em modo "fed-batch" no qual os parâmetros de funcionamento do processo são ajustados, controlando o volume do reator e/ou a frequência de adição da carga biomassa lignocelulósica pré-tratada e eventualmente o acréscimo de enzimas, e o volume e/ou a concentração em açúcares produzidos no reator. Em particular, a carga biomassa lignocelulósica pré-tratada é acrescentada, de maneira sequencial, no reator, cada vez que 70 a 90% de conversão teórica da celulose em glicose são atingidos no meio reacional. É, portanto, o acompanhamento da medida da concentração em açúcares produzidos que constitui o critério de otimização do processo. Esse método requer, portanto, conhecer a taxa de conversão teórica para um substrato determinado, o que, considerando-se a variabilidade dos substratos potencialmente tratados, dificilmente é aplicável.

[00016] Hodge et al., Model-Based Fed-Batch for High-Solids Enzymatic Cellulose Hydrolysis, Appl. Biotechnol (2009) 152:88-107 descreve o processo de hidrólise da biomassa lignocelulósica em modo "fed-batch" baseado na modelização da reação de hidrólise. Portanto, é necessário determinar, para cada substrato ou mistura de substratos, seu comportamento no decorrer da hidrólise, a fim de determinar a melhor estratégia de adição de carga no reator.

[00017] Rosgaard et al., Effects of Substrate Loading on Enzymatic Hydrolysis and Viscosity of Pretreated Barley Straw, Appl. Biochem Biotechnol (2007) 143:27-40 examina o efeito de diferentes estratégias de adição de substrato lignocelulósico pré-tratado sobre os rendimentos em açúcares da hidrólise enzimática. Ela descreve o fenômeno, por outro lado, bem conhecido de queda de viscosidade e à medida que ocorre o avanço da reação. O ensinamento desse artigo não permite generalizar a estratégia de alimentação do substrato e/ou da solução enzimática em caso de mudança de substrato e não considera esforços mecânicos da agitação.

[00018] O pedido de patente US 2010/330638A descreve uma alimentação em modo "Fed-batch" da etapa de hidrólise enzimática, indicando que testes permitem determinar a quantidade de biomassa que pode ser acrescentada a cada batch. É, portanto, necessário efetuar testes prévios à etapa de hidrólise enzimática, quando de cada mudança de tipo de substrato.

[00019] Contrariamente, no estado da técnica anterior, a presente invenção propõe um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito no qual é efetuado um acompanhamento da medida de uma característica reológica do meio reacional, de maneira a otimizar a liquefação.

[00020] Em particular, a presente invenção propõe um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito por reação enzimática, no qual se colocam em contato, sob agitação, 10 a 40% em peso de matéria seca de substrato lignocelulósico pré-tratada com água e com enzimas a uma concentração compreendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramas de celulose por uma duração compreendida entre 1 e 24 horas, esse processo sendo caracterizado pelo fato de se medir, no decorrer do tempo, pelo menos o valor de uma das características reológicas do meio reacional e pelo fato de, caso se detecte uma diminuição no decorrer do tempo desse valor, se efetuar uma etapa a) a seguir:a) se aumenta a vazão de alimentação em substrato lignocelulósico pré-tratada, com ou sem diminuição da vazão de enzimas e/ou de água;e pelo fato de, caso se detecte um aumento no decorrer do tempo desse valor, se efetuar uma etapa b) a seguir:b) se aumenta a vazão de alimentação com água e/ou em enzimas, com ou sem diminuição da vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado.

[00021] Uma vantagem da presente invenção é de fornecer um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito que pode ser conduzido, de maneira automática e independentemente da natureza do substrato tratado.

[00022] Uma outra vantagem da presente invenção é de fornecer um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito que não satisfaz a caracterização prévia do substrato tratado e permitindo assim maior flexibilidade da instalação e uma facilidade de utilização aumentada.

[00023] A presente invenção não necessita também de desenvolvimento de modelo reacional e permanece, portanto, pertinente, independentemente do tipo de substrato ou de coquetel enzimático utilizado.

[00024] Uma outra vantagem da presente invenção é de fornecer um processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito, permitindo acompanhamento e uma adaptação simples à evolução do meio reacional que não necessite de medidas complexas, tais como, por exemplo, a concentração em açúcares no meio.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00025] O substrato lignocelulósico pré-tratado utilizado no processo, segundo a presente invenção, é vantajosamente obtido por processos clássicos de pré-tratamento da biomassa lignocelulósica, tais como, por exemplo, os cozimentos ácidos, os cozimentos alcalinos, a explosão no vapor, os processos organosolv, etc. Os pré-tratamentos desse ácido em condição suave e, por exemplo, no vapor são os mais adaptados. Eles permitem uma boa acessibilidade da celulose na hidrólise.

[00026] O processo, segundo a presente invenção, é vantajosamente um processo de liquefação. Esse processo é vantajosamente realizado em um reator de forma cilíndrica que apresenta uma razão altura/diâmetro vantajosamente compreendido entre 1 e 3.

[00027] Esse reator permite tratar meios viscosos que apresentam uma viscosidade variável e assim utilizar taxas de matéria seca em substrato lignocelulósico que pode atingir os 40% em peso. As taxas de matéria seca elevadas e a viscosidade importante do meio reacional requer que o reator seja equipado com um agitador, permitindo um bom contato entre enzima e substrato e uma boa homogeneidade. Classicamente, o agitador escolhido deve poder tratar escoamentos laminares. Agitadores amplos, até mesmo raspando a parede do reator com velocidades de rotação moderada e exercendo uma ação de malaxagem e empedramento são preferidos. Um exemplo de agitador particularmente adaptado é o Paravisc (EKATO) que permite também o acréscimo de uma contra-hélice que quebra os movimentos de conjunto.

[00028] De acordo com a invenção, o substrato lignocelulósico pré- tratado é colocado em contato no processo, segundo a presente invenção, a uma concentração compreendida entre 10 a 40% em peso de matéria seca de substrato lignocelulósico pré-tratada, de preferência, a uma concentração compreendida entre 16 e 30% em peso de matéria seca e de maneira preferida compreendida entre 18 e 24% em peso de matéria seca.

[00029] De acordo com a invenção, as enzimas são colocadas em contato no processo, segundo a presente invenção, a uma concentração compreendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramas de celulose, de preferência, a uma concentração compreendida entre 5 e 30 mg de enzimas por gramas de celulose e, de maneira preferida, compreendida entre 10 e 20 mg de enzimas por gramas de celulose.

[00030] De acordo com a invenção, a duração de colocação em contato está compreendida entre 1 e 24 horas, de preferência, entre 2 e 12 horas, e, de maneira preferida, entre 4 e 8 horas.

[00031] Esse processo, segundo a presente invenção, se caracteriza pelo fato de se realizar uma medida no decorrer do tempo de pelo menos o valor de uma das características reológicas do meio reacional.

[00032] Essas características reológicas do meio reacional são vantajosamente escolhidas dentre a viscosidade do meio reacional, o binário de torção da árvore do sistema de agitação e a potência elétrica consumida pelo motor. A potência elétrica consumida pelo motor é anotada com Pelec.

[00033] Durante o processo, de acordo com a invenção, isto é, durante a liquefação, a viscosidade do meio reacional, o binário de torção da árvore do sistema de agitação e a potência elétrica consumida pelo motor são características reológicas de acompanhamento do substrato lignocelulósico produzido que apresentam vários interesses. Com efeito, essas características, viscosidade, binário e potência são ligadas entre elas. A potência elétrica consumida pelo motor Pelec é ligada à potência mecânica Pmeca que aciona a árvore de agitação.

[00034] A potência elétrica consumida pelo motor é um parâmetro classicamente medido e seguido sobre as instalações piloto ou industrial.

[00035] As fórmulas seguintes definem as relações entre os diferentes parâmetros:

[00036] Pmeca = f (Pelec), f sendo uma característica de concepção domotor e sendo dada pelo fabricante do motor.

[00037] P meca = 2 πN*C, na qual:

[00038] N é a velocidade de agitação em rotação por segundo,

[00039] C é o binário em N.m,

[00040] e Pmeca é a potência em watt.

[00041] Na agitação, tem-se a seguinte relação:

[00042] Pmeca = pNpN3D5

[00043] p é a densidade do meio reacional em kg.m-3

[00044] D é o diâmetro externo do agitador em m

[00045] Np é uma característica do agitador que depende dageometria da cuba e do regime de escoamento.

[00046] Em regime de escoamento laminar, tem-se a seguinterelação:

[00047] Np = A/Re, daí Pmeca = pAN3D5/Recom A sendo uma constante do sistema de agitação e Re o número deReynolds e Re = PND2/A

[00048] sendo a viscosidade dinâmica média medida em Pascal segundo (Pa.s) do meio reacional com μ = Prr^(ANrD3) = 2TTC/(AD3N)

[00049] Se a viscosidade e o binário de torção da árvore do sistema de agitação forem medidas facilmente acessíveis em pequena escala, a potência elétrica consumida pelo motor Pelec é a grandeza a mais facilmente mensurável na escala industrial. De maneira muito preferida, esse processo, segundo a presente invenção, se caracteriza pelo fato de se realizar uma medida no decorrer do tempo da potência elétrica consumida pelo motor.

[00050] A evolução da potência elétrica consumida pelo motor é, portanto, correlacionada à liquefação do substrato pré-tratado e antes da reação. Caso a potência baixe, isto significa que o substrato lignocelulósico pré-tratado se liquefez e que se pode acrescentar o substrato fresco. Se a potência aumentar, isto significa que se acaba de acrescentar substrato fresco e que é preciso deixar ainda tempo para encontrar o nível de potência, antes do acréscimo.

[00051] De acordo com a invenção, a medida dessas características reológicas do meio reacional é seguida de maneira que, caso se detecte uma diminuição no decorrer do tempo desse valor, efetuar-se-á uma etapa a) a seguir:a) aumenta-se a vazão de alimentação com substrato lignocelulósico pré-tratado, com ou sem modificação da vazão de enzimas e/ou de água;e pelo fato de, caso se detecte um aumento no decorrer do tempo desse valor, efetuar-se-á uma etapa b) a seguir:b) se aumenta a vazão de alimentação com água e/ou com enzimas, com ou sem modificação da vazão com substrato lignocelulósico pré-tratado.

[00052] No caso em que o dito valor é estável ao longo do tempo, é vantajoso manter o fluxo de substrato, enzima e água constantes.

[00053] De acordo com um modo de realização preferido, o processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito por reação enzimática, de acordo com a invenção, opera vantajosamente em modo "fed-batch", segundo a terminologia anglo-saxônica. Nesse caso, esse processo é utilizado em um reator de alimentação contínua no decorrer da qual nenhum estiramento do conteúdo do reator é efetuado.

[00054] De acordo com um outro modo de realização preferido, o processo de produção de substrato lignocelulósico liquefeito por reação enzimática, de acordo com a invenção, opera vantajosamente em modo "quemostato", segundo a terminologia anglo-saxônica. Nesse caso, esse processo é aplicado em um reator com alimentação contínua, no decorrer da qual uma fração do volume reacional é estirada, de maneira a manter a massa do volume reacional constante.

[00055] De acordo com esse modo de realização preferido, no qual esse processo é utilizado em um reator com alimentação contínuo e no caso em que se detecta uma diminuição no decorrer do tempo desse valor, essa etapa a) é utilizada segundo um primeiro modo de realização, no qual se aumenta a vazão de alimentação com substrato lignocelulósico pré-tratado, diminuindo a vazão de enzima e de água, de maneira a conservar um volume reacional constante, nesse caso, a vazão de saída permanece constante.

[00056] Essa etapa a) pode também vantajosamente ser utilizada, conforme um segundo modo de realização, no qual se aumenta a vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado, assim como os fluxos de enzima e de água, de maneira a conservar a concentração em enzima e a taxa de matéria seca constante. A vazão de saída é, então, aumentado para manter o volume reacional constante. Nesse caso, o tempo de reação da liquefação diminui.

[00057] Essa etapa a) pode também vantajosamente ser utilizada conforme um terceiro modo de realização, no qual se aumenta a vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado, mantendo os fluxos de enzima e de água constantes. A vazão de saída é então aumentada para manter o volume reacional constante. Nesse caso, o tempo de reação da liquefação diminui.

[00058] De acordo com esse modo de realização preferido, no qual esse processo é utilizado em um reator com alimentação contínua e no caso em que se detecta um aumento no decorrer do tempo desse valor, essa etapa b) é utilizada segundo um primeiro modo de realização, no qual se diminui a vazão em substrato lignocelulósico âncora pré-tratado, aumentando a vazão de enzima e de água de maneira a conservar um volume reacional constante. A vazão de saída permanece constante.

[00059] Essa etapa b) pode também vantajosamente ser utilizada, de acordo com um segundo modo de realização, no qual se diminui a vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado, assim como os fluxos de enzima e de água, a conservar a concentração em enzima e a taxa de maneira seca constante. A vazão de saída é, então, reduzida para manter o volume reacional constante. Nesse caso, o tempo de reação da liquefação aumenta.

[00060] Essa etapa b) pode também vantajosamente ser utilizada conforme um terceiro modo de realização, no qual se diminui a vazão em substrato lignocelulósico pré-tratado, mantendo os fluxos de enzima e de água constantes. A vazão de saída é também aumentada para manter o volume reacional constante. Nesse caso, o tempo de reação da liquefação aumenta.

[00061] De preferência, as etapas a) e b) são utilizadas por um operador ou automatizada, tal como, por exemplo, por um programa de controle.

[00062] O processo, de acordo com a presente invenção, opera vantajosamente a uma temperatura compreendida entre 40 e 60oC, e, de preferência, entre 45 e 55oC, com um pH compreendido entre 4 e 6 e, de preferência, compreendido entre 4,5 e 5 e à pressão atmosférica.

[00063] A velocidade de agitação depende do tamanho do reator e do agitador.

[00064] No caso em que se mede, no decorrer do tempo, o valor da potência elétrica consumida pelo motor, essa potência elétrica consumida pelo motor levado à massa do volume reacional permanece vantajosamente compreendida entre 0,05 e 4kW/toneladas, e, de preferência, entre 0,5 e 2kW/toneladas.

[00065] A temperatura é também um parâmetro sobre o qual se pode agir.

[00066] Se o valor de uma das características reológicas do meio reacional que se mede no decorrer do tempo for elevado e que as maneiras de operar segundo a etapa b) não permitem diminuí-lo, pode- se aumentar a temperatura por uma duração inferior a 5 horas, de preferência, inferior a 2 horas. Nesse caso, a temperatura é aumentada, de modo que ela permanece compreendida entre 40 e 60oC, e, de preferência, entre 45 e 55oC.

[00067] Essa elevação de temperatura acelera temporariamente a reação, mas tem por consequência desativar as enzimas mais rapidamente. Ela é equivalente a uma elevação temporária da concentração em enzima.

[00068] Caso o valor de uma das características reológicas do meio reacional que se mede no decorrer do tempo seja baixo, e as maneiras de operar segundo a etapa a) não permitem aumenta-lo, pode-se diminuir a temperatura por uma duração inferior a 5 horas, e, de preferência, inferior a 2 horas. Nesse caso, a temperatura é diminuída, de modo que permaneça compreendida entre 40 e 60oC, e, de preferência, entre 45 e 55oC.

[00069] A reação é diminuída, mas as enzimas se desativam menos rapidamente. Essa ação é equivalente a uma baixa temporária da concentração em enzima.

[00070] O processo, de acordo com a invenção, permite, portanto, a obtenção de um substrato lignocelulósico que apresenta uma reologia que facilita seu bombeamento, assim como sua agitação.

[00071] O substrato lignocelulósico liquefeito obtido no final do processo, de acordo com a invenção, pode, portanto, ser facilmente transferido em um outro reator para qualquer etapa posterior.

[00072] O processo, de acordo com a invenção, pode, portanto, ser vantajosamente seguido de qualquer etapa posterior, permitindo a transformação do substrato lignocelulósico liquefeito obtido no final do processo, de acordo com a invenção.

[00073] O processo de acordo com a invenção, pode ser vantajosamente seguido de uma etapa de sacarificação. Essa etapa de sacarificação permite a produção de açúcar por hidrólise enzimática e é prosseguida em condições similares ao processo, de acordo com a invenção, isto é, à liquefação, mas com um sistema de agitação mais simples e uma potência de agitação menor.

[00074] De acordo com um modo de realização preferido, a etapa de sacarificação é vantajosamente realizada em presença de um microorganismo alcoolígeno, de maneira a se obter um mosto de fermentação. Nesse caso, a sacarificação e a fermentação alcoólica são realizadas em uma única etapa, segundo um processo de sacarificação e de fermentação simultâneas desse processo SSF.

[00075] O processo, de acordo com a invenção, pode também ser vantajosamente seguido de uma etapa de produção de uma mistura acetona, butanol, etanol (ABE), essa etapa sendo vantajosamente realizada em presença do lêvedo Clostridium acetobutylcm.

[00076] O processo, de acordo com a invenção, pode também ser vantajosamente seguido de uma etapa de produção de intermediários pela química.

[00077] O exemplo de funcionamento a seguir permite ilustrar o processo, de acordo com a invenção.EXEMPLOSExemplo N° 1, de acordo com a invenção: processo de liquefação em modo Fed-batch

[00078] O exemplo N° 1 trata de um processo de liquefação efetuada em um modo fed-batch. Um princípio consiste em preparar um fundo de cuba com uma parte do substrato lignocelulósico pré-tratado a liquefazer. Isto permite começar a reação com substrato lignocelulósico pré-tratado diluído que permite uma mistura. À medida que ocorre a liquefação e a queda de viscosidade do meio, podem ser feitos acréscimos de substrato fresco, a fim de completar o volume do reator e atingir uma matéria seca importante.

[00079] O substrato lignocelulósico pré-tratado considerado é a palha de trigo. Um tratamento adaptado para tornar a palha reagente à hidrólise é a exposição ao vapor contínuo. Previamente, uma etapa de moagem e uma impregnação ácida são requeridas. Uma grade de 10 a 20 mm é amplamente suficiente. A impregnação ácida é feita em uma solução de ácido sulfúrico com uma taxa de matéria seca de 10% a dose de ácido é de 0,50% em peso de ácido sulfúrico em relação à matéria seca. A biomassa é esgotada e introduzida no reator de explosão ao vapor.

[00080] A exposição ao vapor é efetuada nas seguintes condições operacionais:• T = 200 oC• P = 16 bárias• Tempo de permanência: 5 minutos• Taxa de matéria seca no reator: 20 a 25%

[00081] A palha pré-tratada é, em seguida, levada com pH 4,8 com uma solução concentrada de potassa KOH, depois pode ser prensada para atingir uma matéria seca de 35%. A pureza em celulose do substrato obtida após esse tipo de pré-tratamento é comumente de cerca de 50% em peso.

[00082] A etapa de liquefação é efetuada em um reator de 4 m3 equipado com um agitador de tipo Paravisc de EKATO. O coquetel enzimático utilizado é a Cellic-C Tec2 de Novozima. A solução enzimática tem uma concentração em proteína de 200 g/L e uma densidade de 1,2 aproximadamente.

[00083] As condições operacionais do fed-batch são as seguintes:• Taxa de matéria seca do meio reacional inicial: 10%• Taxa de matéria seca do meio reacional final: 20%• Concentração de enzima: 20 g de solução enzimática/kg de celulose• velocidade de agitação Paravisc: 15 rpm• pH = 4,8, regulado com a potassa concentrada• Temperatura = 50oC, regulada• Acréscimos de substratos lignocelulósico pré-tratado: 5 acréscimos de 320 kg cada um

[00084] Inicialmente vazio, o reator é cheio com 1675 kg de água aos quais são acrescentados 686 kg de substrato lignocelulósico pré- tratado. Coloca-se o reator em aquecimento para atingir a convenção de 50oC. Uma vez essa convenção atingida, introduz-se a totalidade das enzimas requeridas seja 40 kg de solução enzimática. A reação começa então com uma matéria seca de 10% e um volume reacional de aproximadamente 2,4 m3. Denominaremos t0 o instante de acréscimo das enzimas correspondente ao início da reação. Em t0, a potência elétrica consumida pelo motor de agitação levada à massa de meio reacional é de 4,0 kW/toneladas. A reação se desenrolando, a potência elétrica consumida e pelo motor levada à massa de meio reacional cai e acaba por atingir 2,0 kW/toneladas. Faz-se então um primeiro acréscimo de 320 kg de substrato fazendo subir a potência elétrica consumida pelo motor levada à massa de meio reacional. Repete-se esse procedimento até ter efetuado os 5 acréscimos. Geralmente, o último acréscimo é efetuado aproximadamente a t0 + 3h. Deixa-se a reação se desenrolar ainda durante 3 horas, de maneira a fazer cair a viscosidade antes de poder ir à etapa posterior ou passar em modo contínuo. Pode-se esperar atingir uma potência elétrica consumida pelo motor levada à massa de meio reacional de 0,5 kW/toneladas em fim de liquefação.Exemplo N° 2, de acordo com a invenção: processo de liquefação em modo contínuo a partir de um fed-batch

[00085] O exemplo N° 2 trata de um processo de liquefação efetuada em modo contínuo a partir de um modo de fed-batch explicado no exemplo N° 1. Os reagentes e condições operacionais do modo "fed- batch" que permanecem os mesmos. A transição do modo fed-batch para o modo contínuo é feita uma vez que o reator de 4 m3 está cheio e que a potência elétrica consumida pelo motor levada à massa de meio reacional é de 1,0 kW/tonelada. Nesse momento, o produto é estirado em contínua um fluxo que permite conservar um volume reacional constante. Para um tempo de permanência de 4 horas, isto corresponde a vazão de uma tonelada por hora. Nesse mesmo momento, o substrato, água e enzimas são injetados com um fluxo geral idêntico para manter a massa e o volume constante no reator. A vazão mássica de cada fluxo é então a seguinte:- Água: 419 kg/h- solução enzimática: 10 kg/h- substrato: 571 kg/h

[00086] A liquefação continua começa então e três casos de figuras podem se apresentar: - a potência elétrica consumida pelo motor permanece constante, caso no qual não se modificam as vazões de substrato, de solução enzimática ou de água- a potência elétrica consumida pelo motor diminui, caso no qual se pode:- aumentar a vazão de substrato, diminuindo aquela de enzima e de água para conservar um volume constante. A vazão de saída permanece constante. Exemplo: 650 kg/h de substrato, 9 kg/h de enzima, 341 kg/h de água e uma vazão de saída de 1000 kg/h.- aumentar a vazão de substrato, mantendo as vazões de enzima e de água constantes. A vazão de saída deve também ser aumentada para manter o volume constante. Exemplo: 650 kg/h de substrato, 10 kg/h de enzima, 419 kg/h de água e uma vazão de saída de 1079 kg/h.- a potência elétrica consumida pelo motor aumenta, caso no qual se pode:- diminuir a vazão de substrato, aumentando aquele de enzima e de água para conservar um volume constante. A vazão de saída permanece constante. Exemplo: 500 kg/h de substrato, 12 kg/h de enzima, 488 kg/h de água e uma vazão de saída de 1000 kg/h- diminuir a vazão de substrato, mantendo as vazões de enzima e de água constante. A vazão de saída deve também ser aumentada para manter o volume constante. Exemplo: 500 kg/h de substrato, 10 kg/h de enzima, 419 kg/h de água e uma vazão de saída de 929 kg/h.

[00087] Segundo as evoluções da potência elétrica consumida pelo motor levada à massa de meio reacional, é possível comandar assim o processo de liquefação, a fim de manter um ponto de funcionamento caracterizado pela viscosidade com um cisalhamento determinada. O raciocínio é semelhante com um acompanhamento em potência de agitação ou em binário.Exemplo N° 3, de acordo com a invenção: Modo de realização da etapa a)

[00088] O exemplo N° 3 trata dos diferentes modos de realização da etapa a). O reator de liquefação funciona de maneira estável em regime contínuo e as vazões em substrato, água e enzima são respectivamente de 40 kg/h, 59 kg/h e 1 kg/h conforme indicado na Tabela, coluna "Caso nominal".

[00089] Detecta-se no decorrer do tempo uma diminuição dacaracterística reológica medida.

[00090] Partindo-se do caso nominal, aumenta-se o fluxo desubstrato de 40 a 50 kg/h, e diminuem-se as vazões de água e de enzima respectivamente de 59 a 49,5 kg/h e de 1 a 0,5 kg/h. A vazão total é conservada e a característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentado na Tabela, coluna "Caso a)1)".

[00091] Partindo-se do caso nominal, aumenta-se a vazão de substrato de 40 a 50 kg/h, e aumentam-se as vazões de água e de enzima respectivamente de 59 a 73,75 kg/h e de 1 a 1,25 kg/h.

[00092] Em relação ao caso nominal, a razão vazão de água sobre vazão de substrato e a razão vazão de enzima sobre substrato é conservada. A característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentado na Tabela, coluna "Caso a)2)".

[00093] Partindo-se do caso nominal, em um terceiro modo de realização, aumenta-se a vazão de substrato de 40 a 50 kg/h, e conservam-se as vazões de água e de enzima constante. A característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentando na Tabela, Coluna "Caso a)3)".

Tabela 1: Modos de realização da etapa a) - vazões em kg/hExemplo N° 4, de acordo com a invenção: modos de realização da etapa b)

[00094] O exemplo N° 4 trata dos diferentes modos de realização da etapa b). O reator de liquefação funciona de maneira estável em regime contínuo e as vazões em substrato, água e enzima são respectivamente de 40 kg/h, 59 kg/h e 1 kg/h conforme indicado na Tabela, coluna "Caso nominal".

[00095] Detecta-se no decorrer do tempo um aumento dacaracterística reológica medida.

[00096] Partindo-se do caso nominal, em um primeiro modo derealização, diminui-se a vazão de substrato de 40 a 30 kg/h, e aumentam- se as vazões de água e de enzima respectivamente de 59 a 68,5 kg/h e de 1 a 1,5 kg/h. A vazão total é conservada e a característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentando na Tabela, coluna "Caso b)1)".

[00097] Partindo-se do caso nominal, em um segundo modo de realização, diminui-se a vazão de substrato de 40 a 30 kg/h e diminuem- se as vazões de água e de enzima respectivamente de 59 a 44,25 kg/h e de 1 a 0,75 kg/h.

[00098] Em relação ao caso nominal, a razão de vazão de água sobre vazão de substrato e a razão vazão de enzima sobre vazão de substrato é conservado. A característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentado na Tabela, coluna "Caso b)2)".

[00099] Partindo-se do caso nominal, em um terceiro modo de realização, diminui-se a vazão de substrato de 40 a 30 kg/h, e conservam-se as vazões de água e de enzima constante. A característica reológica medida está de novo em seu valor nominal. Esse modo de realização é apresentado na Tabela, coluna "Caso b)3)".

Tabela 2: modos de realização da etapa b) - vazões em kg/h.

Claims

1. Processo de transformação de um substrato lignocelulósico caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:(1) uma etapa de liquefação do substrato na qual colocamos em contato, sob agitação produzida por um motor, 10 a 40% em peso de matéria seca de um substrato lignocelulósico previamente tratado com água e com enzimas em uma concentração compreendida entre 0,1 a 60 mg de enzimas por gramas de celulose durante um período compreendido entre 1 e 24 horas, na qual medimos ao longo do tempo pelo menos o valor da potência elétrica consumida pelo motor do sistema de agitação e, se detectada uma diminuição do dito valor ao longo do tempo, a etapa a) abaixo é executada:a) a vazão de alimentação do substrato lignocelulósico previamente tratado é aumentada, com ou sem modificação da vazão de enzimas e/ou água,e, se detectado um aumento do dito valor ao longo do tempo, a etapa b) abaixo é executada:b) a vazão de alimentação de água e/ou enzimas é aumentada, com ou sem modificação da vazão do substrato lignocelulósico previamente tratadoa potência elétrica consumida pelo motor do sistema de agitação reduzida à massa do volume de reação permanecendo entre 0,5 e 2kW/tonelada,2. ) uma etapa de sacarificação do substrato lignocelulósico liquefeito proveniente da etapa (1), a dita etapa de sacarificação sendo realizada na presença de um microrganismo alcoolígeno de acordo com um método de sacarificação e fermentação simultâneas denominado método SSF.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato lignocelulósico previamente tratado é colocado em contato no método de acordo com a presente invenção em uma concentração compreendida entre 18 e 40%, preferencialmente entre 24 e 40% em peso de matéria seca.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as enzimas são colocadas em contato em uma concentração compreendida entre 10 e 20 mg de enzimas por gramas de celulose.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o período de permanência em contato é compreendido entre 4 e 8 horas.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de liquefação é executada em um reator de alimentação contínua ao longo da qual não é efetuada qualquer retirada do conteúdo do reator.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de liquefação é executada em um reator de alimentação contínua ao longo da qual uma fração do volume de reação é retirada de maneira a manter a massa do volume de reação constante.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a etapa de liquefação é conduzida em uma temperatura compreendida entre 40 e 60°C, em pH entre 4 e 6, e à pressão atmosférica.