BR112014028021A2 - método para produzir pelo menos um composto orgânico volátil e para produzir uma biomassa úmida que pode ser armazenada contendo os compostos orgânicos voláteis. - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA PRODUZIR COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS A PARTIR DE MATERIAL DE BIOMASSA Modalidades da presente invenção proveem a produção eficiente e econômica e a recuperação de etanol ou outros compostos orgânicos voláteis, tais como ácido acético, a partir de material de biomassa sólida, particularmente em uma grande escala, tal como na comercialização ou em escala industrial. De acordo com um aspecto da invenção, o método compreende (a) gerar pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de material de biomassa preparado através da adição de um micróbio, opcionalmente um ácido, e opcionalmente, uma enzima para uma biomassa sólida; (b) armazenar o material de biomassa preparado por pelo menos cerca de 24 horas em uma instalação de armazenamento para permitir a produção de pelo menos um composto orgânico volátil a partir de pelo menos uma porção do açúcar na biomassa sólida; e (c) capturar o pelo menos um composto orgânico volátil através do uso de um sistema de recuperação sem solvente.

Description

“MÉTODO PARA PRODUZIR COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS A PARTIR DE MATERIAL DE BIOMASSA” Campo da invenção
[001] Modalidades desta invenção se referem em geral a um processo para produzir compostos orgânicos voláteis, tais como etanol, a partir do material de biomassa, e mais particularmente para a fermentação e a recuperação de tais compostos orgânicos voláteis a partir do material de biomassa. Particularmente, a invenção provê um método para produzir compostos orgânicos voláteis a partir de material de biomassa. Fundamentos da invenção
[002] Esta seção tem por intenção introduzir vários aspectos da técnica, que podem estar associados com modalidades de exemplo da presente invenção. Acredita-se que esta discussão auxilie na provisão de um quadro para facilitar um melhor entendimento de aspectos particulares da presente invenção. De maneira apropriada, deve ser entendido que esta seção deve ser lida neste sentido, e não necessariamente como admissões de qualquer técnica anterior.
[003] Como as fontes de petróleo do mundo continuam a diminuir existe uma necessidade crescente por materiais alternativos que podem ser substituídos por vários produtos de petróleo, particularmente combustíveis de transporte. Nas regulações ambientais dos EUA, tais como o Clean Air Act de 1990, proveem incentivos para o uso de combustíveis oxigenados em automóveis. Etanol ou éter metil butil terciário (MTBE) aumentam o conteúdo de oxigênio na gasolina e reduzem as emissões de monóxido de carbono. Uma vantagem principal para o uso de etanol é que o combustível é produzido a partir de fontes renováveis. Níveis atmosféricos de dióxido de carbono, um gás do efeito estufa, podem ser diminuídos substituindo combustíveis fósseis com combustíveis renováveis.
[004] Atualmente muito esforço está em andamento para produzir bioetanol que é derivado a partir de materiais de biomassa renováveis, tais como milho, colheitas de açúcar, colheitas de energia, e resíduo sólido. À ] produção de etanol convencional a partir de milho tipicamente compete . com recursos de alimento valiosos, que podem ser cada vez mais amplificados pelo aumento das condições de clima mais severas, tais como secas e inundações, que impactam de maneira negativa a quantidade de colheita colhida a cada ano. A competição da produção de etanol convencional pode aumentar os preços dos alimentos. Enquanto outras colheitas têm servido como o material de biomassa para a produção de etanol, comumente eles não são adequados para as implementações globais devido aos requisitos do clima para tais colheitas. Por exemplo, etanol também pode ser produzido de maneira eficiente a partir de cana de açúcar, mas apenas em certas áreas do mundo, tal como no Brasil, que possuem um clima que pode suportar a colheita quase durante todo o ano.
[005] Enquanto outras abordagens de produção de etanol que não usam milho estão disponíveis, elas ainda são poucas. Por exemplo, Henk e Linden na Colorado State University investigaram a produção de etanol em estado sólido a partir de sorgo (ver Solid State Ethanol Production from Sorghum, Linda L. Henk e James C. Linden, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 57/58, 1996, pp. 489-501). Eles notaram que para sorgo doce a ser usada com sucesso para a produção de etanol, três problemas precisam ser endereçados: . Armazenamento de carboidrato; * — Acessibilidade da fração lignocelulósica para hidrólise enzimática de hemicelulose e celulose; e * —Ummeiomais econômico de recuperar o etanol a partir do sorgo doce.
[006] No seu processo, eles destacaram que a disponibilidade sazonal e a capacidade de armazenamento do sorgo doce são importantes fatores nos EUA e desta biomassa renovável. A extração de açúcar e a capacidade de armazenamento são dois problemas sérios que limitaram o : uso de sorgo doce como um substrato para a produção de etanol. . Aplicações tradicionais visionam o uso de suco contendo cerca de 10 a 15% de açúcar que foi extraído ou pressionado a partir de polpa de sorgo doce. O suco é então tanto fermentado diretamente para álcool quanto evaporado para melaços para o armazenamento. A fermentação direta do suco para etanol é um processo sazonal, alcançado por apenas um tempo curto após a coleta. Este apresenta desafios no aumento de escala da fermentação em estado sólido a partir de um estágio experimental para um está prático maior, tal como escala industrial. Por exemplo, a janela de coleta curta necessita de um espaço de investimento de capital de armazenamento substancial e instalações de recuperação para processar a quantidade de pico por um curto período de tempo enquanto o espaço e o equipamento podem ficar dormentes ou ser subutilizados para o tempo ocioso.
[007] A estratégia de Henk e Linden para alguns dos problemas de fazer sorgo doce para etanol foi investigar o uso de fermentação em estado sólido armazenada úmida integrada em um método econômico para o armazenamento por longo período de etanol em sorgo doce. Enquanto Henk e Linden mostram alguns aprimoramentos no processo global, ainda existem um número de desvantagens, incluindo a quantidade de etanol que eles são capazes de produzir. Tais sistemas propostos tendem a tornar a produção de bioetanol ainda mais cara tipicamente necessitando de equipamento caro que precisa de manutenção de custos. Ainda, Henk e Linden mostram viabilidade de fermentação em estado sólido de sorgo em uma escala experimental mas não provê detalhes para um aumento de escala da operação.
[008] Por exemplo, Henk e Linden não proveem qualquer meio para recuperar economicamente o etanol e outros compostos orgânicos voláteis a partir da biomassa material sólido. Henk e Linden e outros não se ] endereçaram aos obstáculos que tornam a produção de etanol a partir da . fermentação de sorgo em estado sólido viável economicamente quando é operado em uma grande escala, particularmente uma escala industrial.
[009] Outros também reconheceram desafios para recuperar economicamente o etanol e outros compostos orgânicos voláteis a partir da biomassa material sólido. Por exemplo, Webster ef al. reportou que o uso de uma colheitadeira de foragem for sorgo doce resulta em deterioração de suco rápido e portanto não uma solução atrativa para trazer sorgo doce para moinhos de açúcar (ver Observations of the Harvesting, Transporting and Trial Crushing of Sweet Sorghum in a Sugar Mill, Webster, A., et al, 2004 Conference of the Australian Society of Sugar Cane Technologist, Brisbane, Queensland, Austrália (maio de 2004)) Andrzejewski e Eggleston reportaram os desafios na fabricação de sorgo doce dos EUA para etanol (ou outros usos) giram de maneira viável em torno do armazenamento do suco por causa da janela de colheita relativamente estreita de sorgo doce nos Estados Unidos da América (ver Development of commercially viable processing technologies for sweet sorghum at USDA- ARS-Southern Regional Research Center in New Orleans, Andrzejewski e Eggleston, Sweet Sorghum Ethanol Conference, 26 jan 2012). Em particular, os desafios incluem (1) a clarificação (remoção de partículas suspensas e túrbidas) do suco bruto para tornar adequado a concentração e/ou a fermentação, (ii) a estabilização do suco ou suco parcialmente concentrado para o uso sazonal com bom custo-benefício (carga de alimentação de líquido), e (111) a concentração do suco para xarope para o armazenamento, fornecimento durante o ano, e transporte eficiente (carga de alimentação de líquido).
$/62
[0010] Bellmer desejou aprimorar o processo otimizando condições em torno da remoção do suco a partir de sólidos antes do processamento (ver The untapped potential of Sweet Sorghum as a Bioenergy feedstock, ' Bellmer, D., Sweet Sorghum Ethanol Conference, 26 jan 2012). Wu et al. . reconhecem os desafios técnicos para o uso de sorgo doce para biocombustíveis, incluindo um curto período de coleta para maior conteúdo de açúcar, e degradação de açúcar rápida durante o armazenamento (ver Features of sweet sorghum juice and their performance in ethanol fermentation, X. Wu et al., Industrial Crops and Products 31:164-170, 2010). Em particular, o estudo mostrou que tanto quanto 20% dos açúcares fermentáveis pode ser perdido em 3 dias. Bennet e Annex notaram as limitações do uso de sorgo para a produção de etanol que envolvem o custo de transporte de material e capacidade de armazenamento (ver Farm-gate productions costs of sweet sorghum as a bioethanol feedstock, Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, Vol. 51(2):603-613, 2008). Enquanto Bennet e Annex estavam a par de produção de etanol direta na ensilagem inoculada com levedura, eles concluíram que tal método de produção direta não foi prático por causa dos problemas relacionados à separação de etanol a partir da silagem, perdas de armazenamento de ensilagem (até 40% nos silos do estilo depósito), e o uso possível da silagem como uma fermentação carga de alimentação alternativa ainda deve ser examinada para aplicações em escala industrial.
[0011] Shen e Liu desejam se endereçar ao armazenamento efetivo e de tempo mais longo de caule fresco ou suco pelo sorgo doce seco primeiro de maneira a preserve os açúcares, então planejam usar o material durante o ano para a produção de etanol, adicionando desta forma custos do material que lidam com a secagem, espalhando o sorgo doce para a secagem, bem como adicionando restrições para o processo necessitando de condições climáticas adequadas para alcançar secagem apropriada (ver
Research on Solid-State Ethanol Fermentation Using Dry Sweet Sorghum Stalk Particles with Active Dry Yeast, Shen, Fei e Liu, R., Energy & Fuels, 2009, Vol. 23, pgs. 519-525). Imam e Capareda desejam processar o suco Ú antes da fermentação e para aumentar as taxas de fermentação usando uma . variedade de opções tais como a autoclave (tratamento com calor), congelamento, e para aumentar a concentração de açúcar (ver Ethanol Fermentation from Sweet Sorghum Juice, Imam, T. e Capareda, S., AS ABE, 2010 AS ABE Annual International Meeting, Pittsburge, PA (junho de 2010)).
[0012] Bellmer, Huhnke, e Godsey notaram desafios para usar sorgo em produção de etanol como: (i) capacidade de armazenamento de carboidratos em sorgo doce, (ii) degradação rápida de açúcar/carboidrato no caule após a colheita, (1ii) tempo de prateleira curto do suco expresso, (iv) produção de xarope (remoção de água) muito dispendiosa (ver The untapped potential of sweet sorghum as a bioenergy feedstock, Bellmer, D., Huhnke, R., e Godsey, C, Biofuels 1(4) 563-573, 2010). Eles usaram um fermentador de fase sólida, que são recipientes metálicos incluindo tambores rotativos e brocas de parafuso, que necessitam de equipamento. Adicionalmente, o uso de um fermentador em fase sólida também está sujeito à janela de colheita da colheita, por exemplo, sorgo doce. Da mesma forma, Noah e Linden notaram capacidade de armazenamento e extração de açúcar ineficiente como as maiores desvantagens para o uso de sorgo doce para combustíveis e produtos químicos.
[0013] Em suma, obstáculos no uso de sorgo e outras plantas contendo os açúcares fermentáveis incluem o fato de que eles estão apenas disponíveis sazonalmente e armazenamento é dispendioso, que torna um desafio usar infraestrutura de maneira eficiente e para agendar o trabalho; extração de açúcar e capacidade de armazenamento são dois obstáculos críticos já que a conversão deve ser iniciada imediatamente após a coleta para evitar o derramamento.
[0014] Assim, existe uma necessidade para um processo para produzir etanol e outros compostos orgânicos voláteis em uma grande ' escala a partir do material de biomassa que se endereça pelo menos a estes . obstáculos, tais como preferivelmente que não competem com a fonte de alimento mundial. Sumário
[0015] Modalidades da presente invenção proveem um número de vantagens sobre processos convencionais. Modalidades da invenção permitem a produção econômica de etanol e outros compostos orgânicos voláteis a partir de plantas que contêm açúcar fermentável se endereçando aos desafios, parte do que foi notada acima, tal como as necessidades de plantas descentralizadas, pequenas janelas de colheita, degradação rápida de açúcares, e grande investimento em equipamento.
[0016] Em certas modalidades, a fermentação pode ser alcançada pelo armazenamento do material de biomassa preparado em uma ou mais pilhas, reduzindo desta forma ou eliminando a necessidade por equipamento caro se comparado com o processo de fermentação da técnica anterior que em geral requer investimento de capital significativo. Modalidades da invenção permitem a fermentação em conjunto com armazenamento de produto onde colheitas de fermentação de açúcar fermentável da técnica anterior geralmente necessitam de colheita no momento para evitar o derramamento, que torna a operação da técnica anterior sensível ao tempo.
[0017] Modalidades da invenção permitem que a instalação de recuperação corra de maneira contínua por todo o ano de uma maneira controlada independente da janela de colheita, alargando desta forma as localizações geológicas disponíveis para posicionar uma instalação de recuperação, incluindo áreas com uma Janela de colheita relativamente curta. Por exemplo, plantas de etanol de cana de açúcar no Brasil tipicamente por cerca de nove meses por ano já que esta é a janela de colheita para a cana de açúcar no Brasil. Nos EUA, a mesma planta pode ' apenas operar cerca de três a cinco meses por ano por causa do requisito : para a colheita no momento acoplada com o tempo curto de disponibilidade de colheita. Modalidades da presente invenção eliminam ou minimizam a necessidade para a colheita no momento que permite a produção de etanol durante todo o ano independentemente da janela de colheita da colheita de açúcar.
[0018] Modalidades da invenção proveem controle sobre o período de fermentação e armazenamento onde existe degradação mínima dos compostos orgânicos voláteis por até 700 dias, permitindo desta forma uma janela de colheita curta onde a cultura está mais próxima para o seu potencial de açúcar pico e rendimento de campo. Isto permite a colheita na condição ótima em vês de processos convencionais que podem precisar comprometer o nível de produção de açúcar e rendimento de campo para obter uma janela de colheita mais longa.
[0019] Adicionalmente, as modalidades da invenção permitem produção de etanol em maior escala ou outros compostos orgânicos voláteis, incluindo recuperação de quantidades suficientes para a comercialização ou outras aplicações industriais.
[0020] Em uma modalidade particular, é provido um método para produzir pelo menos um composto orgânico volátil compreendendo: gerar pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de material de biomassa preparado compreendendo pelo menos um aditivo adicionado para uma biomassa sólida compreendendo um açúcar, em que o dito pelo menos um aditivo compreendem um micróbio, e opcionalmente, um ácido e/ou uma enzima; armazenar o material de biomassa preparado por pelo menos cerca de 24 horas em uma instalação de armazenamento para permitir a produção de pelo menos um composto orgânico volátil a partir de pelo menos uma porção do açúcar; e capturar o pelo menos um composto orgânico volátil alimentando o material de biomassa armazenado para um sistema de ] recuperação sem solvente para separar o material de biomassa armazenado . em pelo menos um componente de gás compreendendo o pelo menos um composto orgânico volátil e um componente sólido.
[0021] Em uma modalidade, a etapa de capturar compreende: introduzir o material de biomassa preparado para um compartimento fechado de um sistema de recuperação sem solvente, em que o material de biomassa preparado contém um ou mais compostos orgânicos voláteis; contactar o material de biomassa preparado com uma corrente de vapor superaquecido no compartimento fechado para vaporizar pelo menos uma porção de um conteúdo de líquido inicial no material de biomassa preparado, a dita corrente de vapor superaquecido compreendendo pelo menos um composto orgânico volátil; separar um componente de gás e um componente sólido a partir do material de biomassa preparado, o dito componente de gás compreendendo pelo menos um composto orgânico volátil; e reter pelo menos uma porção do componente de gás para o uso como parte da corrente de vapor superaquecido.
[0022] Em outra modalidade, é provido um método para produzir uma biomassa úmida que pode ser armazenada contendo os compostos orgânicos voláteis, o dito método compreendendo: adicionar pelo menos um aditivo para pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de uma biomassa sólida para gerar um material de biomassa preparado, a dita biomassa sólida compreendendo uma planta de produção de açúcar, em que o dito pelo menos um aditivo compreendem um micróbio, e opcionalmente, um ácido e/ou uma enzima; e permitir a conversão de pelo menos uma porção do açúcar no material de biomassa preparado para um composto orgânico volátil; em que o material de biomassa é capaz de ser armazenado por cerca de 700 dias sem a degradação significativa do composto orgânico volátil.
[0023] Em adição às funcionalidades descritas acima, modalidades da invenção permitem a produção econômica de combustíveis alternativos, ' tais como etanol e outros compostos orgânicos voláteis, a partir de plantas . que contêm açúcar fermentável se endereçando aos desafios, tais como custos de armazenamento e de transporte, pequenas janelas de colheita, degradação rápida de açúcares, e grande investimento em equipamento. Aspectos das modalidades descritas aqui são aplicáveis a qualquer material de biomassa, tal como plantas contendo os açúcares fermentáveis. As funcionalidades das modalidades da presente invenção permitem o uso econômico de várias plantas para produzir combustíveis alternativos e produtos químicos e não estão limitados a sorgo e outras plantas que sofrem de desafios similares. Tais colheitas desafiadoras são destacadas aqui pois outros métodos e sistemas não foram capazes de usar economicamente estas colheitas desafiadoras para produzir combustíveis e produtos químicos. Desta forma, o movimento específico de sorgo não está intencionado para ser limitante, mas em vez disso ilustra uma aplicação particular das modalidades da invenção.
[0024] Outras funcionalidades e vantagens das modalidades da presente invenção serão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada. No entanto, deve ser entendido que a descrição detalhada e os exemplos específicos, enquanto indicam modalidades preferidas da invenção, são dadas por meio de ilustração apenas, já que várias alterações e modificações dentro do espírito e do escopo da invenção serão aparentes para os peritos na técnica a partir desta descrição detalhada. Breve Descrição dos Desenhos
[0025] Estes desenhos ilustram certos aspectos de algumas das modalidades da invenção, e não devem ser usados para limitar ou definir a invenção.
[0026] A FIG. 1 é um diagrama de uma modalidade para processar material de biomassa de acordo com certos aspectos da presente invenção.
[0027] A FIG. 2 é um diagrama de outra modalidade para processar ' material de biomassa de acordo com certos aspectos da presente invenção. . Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas
[0028] Modalidades da presente invenção proveem a produção eficiente e econômica e a recuperação de etanol ou outros compostos orgânicos voláteis, tais como ácido acético, a partir de material de biomassa sólida, particularmente em uma grande escala, tal como na comercialização ou em escala industrial. De acordo com um aspecto da invenção, o método compreende (a) gerar pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de material de biomassa preparado através da adição de um micróbio, opcionalmente um ácido, e opcionalmente, uma enzima para uma biomassa sólida; (b) armazenar o material de biomassa preparado por pelo menos cerca de 24 horas em uma instalação de armazenamento para permitir a produção de pelo menos um composto orgânico volátil a partir de pelo menos uma porção do açúcar na biomassa sólida; e (c) capturar o pelo menos um composto orgânico volátil através do uso de um sistema de recuperação sem solvente.
[0029] Como usado aqui, o termo "biomassa sólida" ou "biomassa” se refere pelo menos uma matéria biológica a partir de organismos vivos ou recentemente vivos. Biomassa sólida inclui matéria de planta ou animal que pode ser convertida para fibras ou outros produtos químicos industriais, incluindo biocombustíveis. Biomassa sólida pode ser derivada a partir de vários tipos de plantas ou árvores, incluindo miscanto, gramíneas, cânhamo, milho, álamo tropical, salgueiro, sorgo, cana de açúcar, beterraba sacarina, e qualquer cana energética, e uma variedade de espécies de árvore, que variam de eucalipto para óleo de palma (óleo de palma). Em uma modalidade, a biomassa sólida compreende pelo menos uma planta de produção de açúcar fermentável. A biomassa sólida pode compreender dois ou mais tipos de planta diferentes, incluindo planta de produção de açúcar fermentável. Os diferentes tipos de planta podem ter a mesma estação de ' colheita ou diferentes estações de colheita. Em uma modalidade preferida ' não intencionada de limitar o escopo da invenção, sorgo é selecionado, devido ao seu alto rendimento em terras menos produtivas e alto conteúdo de açúcar.
[0030] O termo "açúcar fermentável" se refere a oligossacarídeos e monossacarídeos que podem ser usados como uma fonte de carbono (por exemplo, pentoses e hexoses) por um microrganismo para produzir um produto orgânico tal como álcoois, ácidos orgânicos, ésteres, e aldeídos, sob condições anaeróbias e/ou aeróbias. Tal produção de um produto orgânico pode ser referida em geral como fermentação. A pelo menos uma planta de produção de açúcar fermentável contém açúcares fermentáveis dissolvidos na fase água do material de planta em um ponto de tempo durante seu ciclo de crescimento. Exemplos não limitantes de plantas de produção de açúcar fermentável incluem sorgo, cana de açúcar, beterraba sacarina, e cana energética. Em particular, cana de açúcar, cana energética, e sorgo tipicamente contêm a partir de cerca de 5% até cerca de 25% de açúcar solúvel p/p na fase água e possuem conteúdo de umidade entre cerca de 60% e cerca de 80% em uma base úmida quando eles estão próximos da produção de açúcar fermentável potencial máxima ou na sua produção de açúcar fermentável potencial máxima (por exemplo, concentração de açúcar fermentável máxima).
[0031] O termo "base úmida" se refere pelo menos à porcentagem de massa que inclui água como parte da massa. Em uma modalidade preferida, a planta de produção de açúcar é sorgo. Qualquer espécie ou variedade do gênero sorgo que provê a conversão microbiana de carboidratos para compostos orgânicos voláteis (VOCs) pode ser usada.
Para as modalidades usando sorgo, a planta provê certos benefícios, incluindo ser eficiente em água, bem como tolerante ao calor e à seca. Estas propriedades tornam a cultura adequada para muitas localizações, incluindo ' várias regiões em toda a terra, tal como China, África, Austrália, e nos ' EUA, tais como porções das Planícies Elevadas, o Oeste e por todo o sul do Texas.
[0032] Nas modalidades usando sorgo, o sorgo pode incluir qualquer variedade ou combinação de variedades que podem ser coletadas com maiores concentrações de açúcar fermentável. Certas variedades de sorgo com propriedades preferidas algumas vezes são referidas como “sorgo doce”. O sorgo pode incluir uma variedade que pode ou não conter umidade suficiente para suportar o processo de sumo na operação de moagem de cana de açúcar. Em uma modalidade preferida, a biomassa sólida inclui uma variedade de sorgo de açúcar T produzido comercialmente por Advanta e/ou um parente macho de Açúcar T, que também é um produto disponível comercialmente de Advanta. Em uma modalidade preferida, a cultura usada possui a partir de cerca de 5 até cerca de 25 brix, preferivelmente a partir de cerca de 10 até cerca de 20 brix, e mais preferivelmente a partir de cerca de 12 até cerca de 18 brix. O termo "brix" aqui se refere pelo menos ao conteúdo de glicose, frutose e sacarose em uma solução aquosa onde um grau brix é 1 grama de glicose, frutose e/ou sacarose em 100 gramas de solução e representa a resistência da solução como porcentagem em peso (% p/p). Em outra modalidade preferida, o conteúdo de umidade da cultura usada é a partir de cerca de 50% a 80%, preferivelmente pelo menos 60%.
[0033] Em uma modalidade, a cultura é um parente macho de Açúcar T com um valor de brix de cerca de 18 e a conteúdo de umidade de cerca de 67%. Em outra modalidade, a cultura é Açúcar T com um valor de brix de cerca de 12 em um conteúdo de umidade de cerca de 73%. Nestas modalidades particulares, os valores de brix e de conteúdo de umidade foram determinados por refratômetro manual.
[0034] Após pelo menos um aditivo (um micróbio, opcionalmente, ' um ácido e/ou enzima) é adicionado à biomassa sólida, se torna um . material de biomassa preparado onde o pelo menos um aditivo facilita a conversão de açúcar fermentável para um VOC (tal como etanol). Como foi notado acima e adicionalmente descrito abaixo, o material de biomassa preparado pode ser armazenado por um certo período de tempo para permitir que mais VOCs sejam gerados pelo processo de conversão. Pelo menos um composto orgânico volátil então é recuperado a partir do material de biomassa preparado. Compostos orgânicos voláteis são conhecidos dos peritos na técnica. O EPA dos EUA provê descrições de compostos orgânicos voláteis (VOC), um o qual é qualquer composto de carbono, excluindo monóxido de carbono, dióxido de carbono, ácido carbônico, carbetos metálicos ou carbonatos, e carbonato de amônio, que participa em reações fotoquímicas atmosféricas, exceto aqueles designados por EPA como tendo reatividade fotoquímica desprezível (ver http://www.epa.gOv/iag/voc2.htmltdefinition). — Outra — descrição — de compostos orgânicos voláteis, ou VOCs, é qualquer composto químico orgânico em que a composição torna possível que eles evaporem sob condições atmosféricas internas normais de temperatura e de pressão. Esta é a definição geral de VOCs que é usada na literatura científica, e é consistente com a definição usada para qualidade de ar interno. Condições atmosféricas internas normais de temperatura e de pressão se referem a faixa de condições usualmente encontradas em construções ocupadas por pessoas, e assim pode variar dependendo do tipo de construção e sua localização geográfica. Uma condição atmosférica interna normal de exemplo é provida pela International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) e o National Institute of Standards and Technology (NIST). O padrão da IUPAC é uma temperatura de 0ºC (273,15 K, 32ºF) e uma pressão absoluta de 100 kPa (14,504 psi), e a definição de NIST é uma temperatura de 20ºC (293,15 K, 68ºF) e uma pressão absoluta de 101,325 ] kPa (14,696 psi).
. [0035] Como a volatilidade de um composto em geral é maior menor é a temperatura de ponto de ebulição, a volatilidade de compostos orgânicos algumas vezes é definida e classificada pelos seus pontos de ebulição. De maneira apropriada, um VOC pode ser descrito pelo seu ponto de ebulição. Um VOC é qualquer composto orgânico tendo uma faixa de ponto de ebulição de cerca de 50 graus C a 260 graus C medida em uma pressão atmosférica padrão de cerca de 101,3 kPa. Muitos compostos orgânicos voláteis que podem ser recuperados e/ou adicionalmente processados a partir de VOCs recuperados das modalidades da presente invenção possuem aplicações nas indústrias de sabores e de perfume. Exemplos de tais compostos podem ser ésteres, cetonas, álcoois, aldeídos, hidrocarbonetos e terpenos. A seguinte Tabela 1 provê adicionalmente exemplos não limitantes de compostos orgânicos voláteis que podem ser recuperados e/ou adicionalmente processados a partir de VOCs recuperados a partir do material de biomassa preparado.
Tabela 1 Ácido suceínico Ácido propiônico Ácido 2-metil butírico Acetato de metil | Acetato de etila Lactato de propil | Acetona 2-metil-1-propanol 2,3-metil-I-butanol — | 3-buten2rol |
[0036] Etanol é um composto orgânico volátil preferido. Desta forma, muitos exemplos mencionam de maneira específica etanol. Esta menção específica, no entanto, tem por intenção limitar a invenção. Deve ser entendido que aspectos da invenção também se aplicam igualmente a outros compostos orgânicos voláteis. Outro composto orgânico volátil ' preferido é ácido acético.
. [0037] Modalidades “da presente invenção proveem o armazenamento de longo prazo do material de biomassa sólida sem a degradação significativa para os compostos orgânicos voláteis contidos no material de biomassa preparado, e eles proveem a preservação de açúcar para permitir a geração continuada de VOCs. Como é usado neste contexto, “Significativo” se refere pelo menos a dentro da margem de erro quando se mede a quantidade ou a concentração dos compostos orgânicos voláteis no material de biomassa preparado. Em uma modalidade, a margem de erro é de cerca de 0,5%.
[0038] De maneira apropriada, modalidades da presente invenção permitem a produção contínua de VOCs sem dependência da duração da colheita, desta forma eliminando ou minimizando o tempo ocioso de uma planta de recuperação em processos de recuperação e colheita no momento tradicionais. Desta forma, modalidades da presente invenção permitem a colheita da cultura no seu pico sem compromissos tipicamente feitos para aumentar a temporada de colheita, tal como colheita um pouco mais cedo e mais tarde do que o tempo de pico. Ou seja, modalidades da invenção permitem a colheita em altos rendimentos de campo e altas concentrações de açúcar, tais como quando a colheita selecionada alcançou sua concentração de açúcar de pico ou quantidade de açúcares fermentáveis que podem ser convertidos para um composto orgânico volátil, mesmo se isto resulta em um período de colheita mais curto. Em uma modalidade, a biomassa sólida é colhida ou preparada quando está em cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, ou cerca de 100% da sua concentração de açúcar fermentável potencial máxima. Desta forma,
modalidades da presente invenção, particularmente a fase de recuperação, pode ser operada de maneira contínua durante todo o ano sem pressão de tempo do medo de estragar a biomassa sólida e VOCs contidos no mesmo. ] Enquanto modalidades da presente invenção permitem a colheita da . biomassa sólida próximo do seu potencial máximo de produção de açúcar ou no seu potencial máximo de produção de açúcar, o material de biomassa sólida pode ser coletado em qualquer ponto quando é considerado para conter uma quantidade adequada de açúcar. Adicionalmente, a janela de colheita varia dependendo do tipo de safra e da localização geográfica. Por exemplo, a janela de colheita de sorgo na América do Norte pode variar a partir de cerca de 1 a 7 meses. No entanto, no Brasil e em outras áreas equatoriais e quase equatoriais, a janela de colheita pode ser até de doze meses.
[0039] Nas modalidades usando plantas as a biomassa sólida, a biomassa sólida pode ser coletada ou colhida a partir do campo usando qualquer meio adequado conhecido dos peritos na técnica. Em uma modalidade, a biomassa sólida compreende um componente de caule e um componente de folha da planta. Em outra modalidade, a biomassa sólida compreende adicionalmente um componente de grão. Em uma modalidade preferida, a biomassa sólida é colhida com uma colheitadeira de forragem ou silagem (um cortador de forragem ou silagem). Uma colheitadeira de forragem ou silagem se refere a equipamento agrícola usado para fazer silagem, que é grama, milho ou outra planta que foi cortada em pequenos pedaços, e compactada em um silo de armazenamento, depósito de silagem, ou em bolsas de silagem. Uma colheitadeira de forragem ou silagem possui um mecanismo de corte, tal como tanto um tambor (cabeça de corte) ou um volante com um número de facas fixadas a ele, que corta e transfere o material cortado para um receptáculo ou seja tanto conectado com a colheitadeira quanto com outro veículo que viaja ao lado. Uma colheitadeira de foragem é preferida pois provê benefícios sobre a colheitadeira de cana de açúcar ou sistema enfardado seco. Por exemplo, uma colheitadeira de foragem provê material com maior densidade do que ' a colheitadeira de cana de açúcar, desta forma permitindo um transporte ' mais eficiente do material colhido. Em uma modalidade, usando uma colheitadeira de foragem resulta em sorgo colhido com uma densidade volumétrica de cerca de 400 kg/m?, comparado com cana de açúcar colhida com uma colheitadeira de cana de açúcar com densidade de cerca de 300 kg/m, e para o sorgo colhido com uma colheitadeira de cana de açúcar com uma densidade de cerca de 200 kg/m*. Em geral, material com maior densidade volumétrica é mais barato de transportar, o que tende a limitar a área geográfica em que a cultura de cana colhida pode ser coletada.
[0040] Assim, uma colheitadeira de foragem é um modo geral mais barato de coletar a biomassa selecionada, tais como sorgo, do que uma colheitadeira de cana ou sistema enfardado seco. Sem estar ligado por teoria, acredita-se que as economias de custo são devidas em parte aos maiores rendimentos de material e a maior densidade volumétrica da biomassa sólida colhida por uma colheitadeira de foragem. A biomassa sólida pode ser cortada em qualquer comprimento. Em uma modalidade, os comprimentos de corte da colheitadeira podem ser definidos para uma faixa de cerca de 3 mm até cerca de 80 mm, preferivelmente cerca de 3 mm até cerca de 20 mm, com exemplos de cerca de 3 mm até cerca de 13 mm de comprimentos de corte sendo mais preferidos. Nestes comprimentos de corte preferidos, não houve descarga aquosa observável na colheitadeira de foragem, então as perdas foram mínimas. Quando um comprimento de corte é selecionado, a colheitadeira provê biomassa com um tamanho médio ou distribuição de comprimento de cerca do comprimento de corte selecionado. Em uma modalidade, a distribuição de tamanho média do componente sólido que sai do sistema de recuperação pode ser ajustada como for desejado, o que pode ser feito ajustando o comprimento de corte da colheitadeira.
[0041] Pelo menos um aditivo é adicionado à biomassa sólida para ' facilitar e/ou acelerar a conversão de carboidratos apropriados para . compostos orgânicos voláteis. Após aditivos selecionados terem sido adicionados, a biomassa sólida pode ser referida como material de biomassa preparado. Em uma modalidade, o material de biomassa preparado pode compreender pelo menos uma ou qualquer combinação de plantas de produção de açúcar fermentável listadas acima. Em uma modalidade preferida, os aditivos selecionados podem ser adicionados de maneira conveniente usando a colheitadeira durante a colheita.
[0042] Modalidades da invenção proveem a operação em escala aumentada para gerar pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) do material de biomassa preparado em um período de colheita particular. Para as modalidades usando uma colheitadeira de foragem, a colheitadeira de foragem auxilia em alcançar a quantidade em escala aumentada. Em uma modalidade, pelo menos cerca de 711.232 kg (700 tons), preferivelmente pelo menos cerca de 1.016.047 Mg (1 milhão de tons), tais como pelo menos 1.219.256 Mg (1,2 milhão de tons), ou mais preferivelmente cerca de pelo menos 5.080.235 Mg (5 milhões de tons) de material de biomassa preparado são gerados em uma janela de colheita particular com base nas condições de crescimento de uma região específica, tal como cerca de 1 a 7 meses na América do Norte para o sorgo. Em uma modalidade, até
101.604.700 Mg (100 milhões de tons) de biomassa preparada são geradas em um período de colheita particular.
[0043] O pelo menos um aditivo pode ser adicionado em qualquer ponto durante e/ou após o processo de colheita. Em uma modalidade preferida usando uma colheitadeira de foragem, aditivos são adicionados para a biomassa sólida durante o processo de colheita para gerar um material de biomassa preparado. Em particular, colheitadeiras de foragem são projetadas para adicionar de maneira eficiente tanto aditivos sólidos quanto líquidos durante a colheita. Como foi mencionado acima, os ' aditivos adicionados incluem pelo menos um micróbio (por exemplo, uma . levedura), e opcionalmente, um ácido e/ou uma enzima. Em uma modalidade preferida, os aditivos selecionados são adicionados como soluções. Detalhes adicionais dos aditivos potenciais são adicionalmente providos abaixo.
[0044] Para as modalidades usando uma colheitadeira de foragem ou um equipamento similar, os aditivos selecionados podem ser adicionados durante a colheita em todas as fases, tais como antes dos rolos de alimentação de admissão, durante a admissão, no corte, após o corte, através do soprador, após o soprador, no acelerador, no crescimento (ou bico), e/ou após o crescimento. Em uma modalidade onde ácido e enzima são adicionados, o ácido é adicionado próximo dos rolos de alimentação de admissão, e um micróbio e a enzima são adicionados no crescimento. Em uma modalidade particular, uma colheitadeira de foragem Krone Big X com um motor V12 com um coletor de quase 914,4 cm (30 pés) de largura é usado. Em uma modalidade usando o sistema Krone, o ácido é adicionado como uma solução através da tubulação flexível que descarregou a solução logo na frente dos rolos de alimentação. Deste modo, o fluxo de líquido pode ser monitorado de maneira visual, que mostrou a solução de ácido e biomassa sólida rapidamente misturada dentro da câmara de corte. Em outra modalidade, a adição de ácido também foi demonstrada como uma prática viável usando uma colheitadeira de foragem Case New Holland FX 58. Em certas modalidades, a colheitadeira de foragem usada pode incluir uma cremalheira de bordo para conter aditivos, pelo menos aqueles selecionados para ser adicionados durante a colheita. Em outra modalidade, os aditivos selecionados para ser adicionados durante a colheita podem ser rebocados atrás da colheitadeira em um trailer. Por exemplo, em uma modalidade, foi demonstrado que um trailer de utilidade modificado equipado com tanques contendo soluções de : aditivo de levedura, enzimas e ácido pode ser empregado com interferência . mínima com operações normais da colheitadeira, mantendo desta forma substancialmente o custo esperado e a duração do processo de colheita. Por exemplo, uma configuração de colheita normal e rendimento de biomassa que emprega uma colheitadeira de silagem que viaja em cerca de 4 milhas por hora mantém uma taxa de coleta similar de cerca de 4 milhas por hora quando equipada com certos aditivos como descrito acima em uma modalidade.
[0045] Nas modalidades da presente invenção, o material de biomassa preparado eventualmente é transportado para uma instalação de armazenamento onde é armazenado por um período de tempo para permitir a produção de pelo menos um composto orgânico volátil a partir de pelo menos uma porção do açúcar fermentável da biomassa sólida. Os detalhes da fase de armazenamento são providos adicionalmente abaixo. Em certas modalidades, aditivos selecionados também podem ser adicionados na instalação de armazenamento. Por exemplo, em uma modalidade, os aditivos selecionados podem ser adicionados durante o descarregamento ou após a biomassa sólida ter sido descarregada na instalação de armazenamento. Em uma modalidade, um sistema de transporte é usado para auxiliar com a adição de aditivos selecionados na instalação de armazenamento. Aditivos adicionados na instalação de armazenamento para biomassa sólida podem ser aqueles que não foram adicionados ou quantidade adicional daqueles adicionados anteriormente. De maneira apropriada, aditivos selecionados portanto podem ser adicionados em qualquer ponto a partir do início do processo de colheita para antes do armazenamento do material de biomassa preparado na área de armazenamento ou instalação, tal como em pontos onde o material é transferido.
[0046] Como foi mencionado acima, aditivos para as modalidades da presente invenção incluem pelo menos um micróbio e opcionalmente, . um ácido e/ou uma enzima. Aditivos selecionados podem ser adicionados para a biomassa sólida em qualquer ordem. Em uma modalidade preferida, um ácido é adicionado à biomassa sólida antes de adicionar um micróbio para inocular o material para prover um ambiente de crescimento atrativo para o micróbio.
[0047] Em uma modalidade preferida, ácido é adicionado para reduzir o pH da biomassa sólida para uma faixa que facilita e/ou acelera crescimento microbiano adicionado ou indígena selecionado, que aumenta produção de etanol e/ou compostos orgânicos voláteis. O ácido também pode parar ou desacelerar a respiração da planta, que consome açúcares fermentáveis intencionados para a subsequente produção de VOC. Em uma modalidade, ácido é adicionado até o pH da biomassa sólida estar entre cerca de 2,5 e cerca de 5.0, preferivelmente em uma faixa de a partir de cerca de 3,7 até cerca de 4,3, e mais preferivelmente cerca de 4,2. O ácido usado pode incluir ácidos conhecidos, tais como ácido sulfúrico, ácido fórmico, ou ácido fosfórico. A seguinte Tabela 2 provê exemplos não limitantes de um ácido que pode ser usado de maneira individual ou em combinação. Tabela 2 Ácido fosfórico | Ácido maleico
[0048] Em uma modalidade preferida, após a biomassa sólida alcançar o pH desejado com a adição de ácido, um micróbio é adicionado. Um micróbio no contexto do aditivo se refere pelo menos a um organismo vivo adicionado para a biomassa sólida que é capaz de impactar ou afetar o material de biomassa preparado. Um efeito ou impacto de exemplo a partir dos micróbios adicionados inclui prover fermentação ou outro metabolismo para converter açúcares fermentáveis a partir de várias fontes, incluindo material celulósico, em etanol ou outros compostos orgânicos voláteis. ] Outro efeito ou impacto de exemplo pode ser a produção de certas enzimas : que ajudam a desconstruir celulose no material de biomassa preparado para açúcares fermentáveis que podem ser metabolizados para etanol ou outro VOC. Mais um efeito ou impacto de exemplo provido por um micróbio inclui produção de compostos tais como vitaminas, cofatores, e proteínas que podem aprimorar a qualidade, e assim o valor, de um subproduto eventual que pode servir como alimentação para animais. Adicionalmente, atividade microbiana provê calor para a pilha. Partes das paredes da célula microbiana ou outro catabólito ou anabólito também pode oferecer produtos químicos com valor adicionado que podem ser recuperados por uma unidade de recuperação. Estes impactos e efeitos também podem ser providos por micróbios indígenas para a biomassa sólida.
[0049] Qualquer micróbio que é capaz de impactar ou afetar o material de biomassa preparado pode ser adicionado. Em uma modalidade preferida, os micróbios podem incluir micróbios usados em aplicações de silagem, de alimentação animal, de vinho e de fermentação de etanol industrial. Em uma modalidade, o micróbio selecionado inclui levedura, fungos e bactérias de acordo com a aplicação e o perfil desejado da molécula orgânica a ser feita. Em uma modalidade preferida, levedura é o micróbio selecionado. Em outra modalidade, a bactéria pode ser adicionada para fazer ácido lático ou ácido acético. Certos fungos também podem ser adicionados para fazer estes ácidos.
[0050] Por exemplo, Acetobacterium acetii pode ser adicionado para gerar ácido acético; Lactobacillus, Streptococcus thermophilus podem ser adicionados para gerar ácido lático; Actinobacillus succinogenes, Mannheimia succiniciproducens, e/ou Anaerobiospirillum succiniciproducens podem ser adicionados para gerar ácido succínico; Clostridium acetobutilicum pode ser adicionado para gerar acetona e butanol; e/ou Aerobacter aerogenes podem ser adicionados para gerar ' butanodiol.
. [0051] A seguinte Tabela 3 provê exemplos não limitantes de micróbios preferidos, que podem ser usados de maneira individual ou em combinação.
Tabela 3 Saccharomyces Saccharomyces Saccharomyces Saccharomyces fermentatti cerevisae japonicas bayanus Saccharomyces Saccharomyces Clostridium Clostridium exiguous chevalieri acetobutilicum amylosaccharobutilpropylicum Clostridium propyl- | Clostridium Clostridium Aerobacter species butilicum viscifaciens propionicum Aerobacter Zymomonas mobilis —) Zymomonas Clostridium species daerogenes species Saccharomyces Bacillus species Clostridium Lactobacillus buchneri species thermocellum Lactobacillus Enterococcus faecium | Pediococeus Propionibacteria plantarum species Acetobacterium Streptococcus Lactobacillus Lactobacillus species acetii thermophilus paracasei Actinobacillus Mannheimia Anaerobiospirillum sSuccinogenes succiniciproducens — | succiniciproducens
[0052] Micróbios — preferidos — também incluem cepas de Saccharomyces cerevisiae que podem tolerar altas concentrações de etanol e são fortes competidores na sua respectiva comunidade microbiana. Os micróbios podem ser mesófilos ou termófilos. Termófilos são organismos que crescem melhor em temperaturas acima de cerca de 45ºC, e são encontrados em todos os três domínios da vida: Bactéria, Archaea e Eukarya. Mesófilos em geral são ativos entre cerca de 20 graus C e 45 graus C. Em uma modalidade usando uma cepa de Saccharomyces cerevisiae, a cepa pode vir a partir de uma fonte comercialmente disponível tal como Biosaf de Lesaffre, Etanol Red de Phibro, e levedura líquida ativada Lallamand. Se o micróbio é obtido a partir de uma fonte comercial, o micróbio pode ser adicionado de acordo com a taxa recomendada do provedor, que tipicamente está baseado no conteúdo de açúcar esperado por quilo úmido, onde água está incluída no cálculo de massa. O termo "quilo úmido" se refere pelo menos à unidade de massa incluindo água. À quantidade recomendada pode ser ajustada de acordo com as condições de ' reação. O micróbio adicionado pode compreender uma cepa ou múltiplas . cepas de um micróbio particular. Em uma modalidade, os micróbios são adicionados em uma taxa de até 500 mL por quilo úmido de biomassa sólida. Em uma modalidade particular usando levedura comercialmente disponível, cerca de 300 mL de preparação de levedura são adicionados por quilo úmido de biomassa sólida. Em outra modalidade, uma cepa de levedura adicional pode ser adicionada. Por exemplo, Etanol Red pode ser adicionado em uma taxa entre cerca de 0,001 kg/quilo úmido até cerca de 0,5 kg/quilo úmido, particularmente cerca de 0,1 kg/quilo úmido. Em mais uma modalidade, outra cepa de levedura pode ser adicionada, por exemplo, Biosaf, em uma taxa entre cerca de 0,001 kg/quilo úmido e até cerca de 0,5 kg/quilo úmido, particularmente cerca de 0,1 kg/quilo úmido. É entendido que outras quantidades de qualquer cepa de levedura podem ser adicionadas. Por exemplo, cerca de 10%, cerca de 20%, cerca de 30%, cerca de 40%, cerca de 50%, cerca de 60%, cerca de 70%, cerca de 80%, cerca de 90%, cerca de 1,5 vezes, cerca de 2 vezes, cerca de 2,5 vezes, ou cerca de 3 vezes das quantidades providas de micróbios podem ser adicionadas.
[0053] Em certas modalidades, uma enzima é adicionalmente adicionada. A enzima pode ser uma que auxilia na geração de açúcares fermentáveis a partir de materiais de planta que são mais difíceis para o micróbio metabolizar, tal como diferentes materiais celulósicos, e/ou para aprimorar o valor de um subproduto eventual que serve como alimentação animal, tal como tornando a alimentação mais digerível. A enzima também pode ser um antibiótico, tal como uma lisozima como discutido adicionalmente abaixo. A enzima adicionada pode incluir um tipo de enzima ou muitos tipos de enzimas. A enzima pode vir a partir de preparações de enzima disponíveis comercialmente. Exemplos não limitantes de enzimas que auxiliam na conversão de certos materiais de ' planta difíceis de metabolizar em açúcares fermentáveis incluem celulases, ' hemicelulases, ácido ferúlico esterases, e/ou proteases. Exemplos adicionais também incluem outras enzimas que tanto proveem quanto auxiliam a provisão para a produção de açúcares fermentáveis a partir da carga de alimentação, ou aumentar o valor do subproduto de alimentação eventual.
[0054] Em certas modalidades, as enzimas que auxiliam na conversão de certos materiais de planta difíceis de metabolizar em açúcares fermentáveis podem ser produzidas pela planta em si, por exemplo, in- plantae. Exemplos de plantas que podem produzir celulases, hemicelulases, e outras enzimas de degradação de polímero de planta podem ser produzidas dentro das plantas que crescem são descritas nas publicações de patente e de patente WO2011057159, WO2007100897, WO09811235, e US6818803, que mostram que enzimas para despolimerizar paredes de célula de planta podem ser produzidas em plantas. Em outra modalidade, o ensilamento pode ser usado para ativar tais enzimas produzidas por planta bem como condicionar a biomassa para processamento adicional.
[0055] Um exemplo é descrito na publicação de patente WO201096510. Se for usado, tais plantas transgênicas podem ser incluídas na colheita em qualquer quantidade. Por exemplo, certas modalidades podem empregar enzimas in-plantae produzidas em plantas usando plantas transgênicas particulares exclusivamente como uma carga de alimentação, ou incorporando as plantas transgênicas de uma maneira intercalada dentro de colheitas semelhantes ou diferentes.
[0056] Em certas modalidades que incluem tais enzimas de degradação de polímero de planta, etanol pode ser produzido a partir de frações celulósicas da planta. Em uma modalidade particular, quando a enzima Novazymes CTEC2 foi adicionada para um sistema de armazenamento de sorgo em excesso da quantidade recomendada, cerca de ' 100 vezes mais do que a quantidade recomendada, cerca de 152% da . eficiência de conversão de etanol teórica com base no conteúdo de açúcar livre inicial foi alcançada. Enquanto tal quantidade de enzimas pode ser adicionada usando formulações comercialmente disponíveis, fazer isto pode ser dispendioso. Por outro lado, tal quantidade de enzimas pode ser obtida de uma maneira com melhor custo-benefício através do crescimento de plantas transgênicas que produzem estas enzimas pelo menos de maneira intercalada dentre a colheita de biomassa.
[0057] A produção de etanol a partir de celulose ocorrida durante a fase de armazenamento, por exemplo, na silagem e foi estável por cerca de 102 dias de armazenamento, após o qual o experimento foi terminado. Isto demonstra que, sob as condições daquele experimento particular, um excesso de tal atividade de enzima resulta em pelo menos cerca de 52% produção de etanol usando os açúcares fermentáveis a partir de celulose. Sem intenção de estar ligado por teoria, para certas modalidades, a adição imediata de ácido durante a colheita no experimento pode ter diminuído o PH, desta forma induzindo potencialmente a atividade da enzima, que de outra forma pode danificar as plantas se for produzida enquanto as plantas ainda estavam crescendo.
[0058] Em uma modalidade preferida, se uma enzima é adicionada, a enzima pode ser de qualquer família de preparações de celulase. Em uma modalidade, a preparação de celulose usada é Novozymes Cellic CTec 2 ou CTec 3. Em outra modalidade, uma preparação de enzima fibrolítica é usada, particularmente, Liquicell 2500. Se for usado, a quantidade de enzima adicionada para degradar polímero de planta pode ser qualquer quantidade que alcança a conversão desejada de material de planta para açúcar fermentável, tal como a quantidade recomendada. Em uma modalidade particular, cerca de 80.000 FPU até cerca de 90.000.000 FPU, preferivelmente cerca de 400.000 FPU até cerca de 45.000.000 FPU, mais ' preferivelmente cerca de 800.000 FPU até cerca de 10.000.000 FPU da . enzima é adicionada por quilo úmido de biomassa. O termo "FPU" se refere a Unidade papel Filtro, que se refere pelo menos à quantidade de enzima necessária para liberar 2 mg de açúcar redutor (por exemplo, glicose) a partir de um pedaço de 50 mg de papel filtro Whatman No. 1 em 1 hora a 50ºC em aproximadamente pH 4,8.
[0059] Em certas outras modalidades, aditivos selecionados adicionados podem incluir outras substâncias capazes de desacelerar ou controlar o crescimento microbiano. Exemplos não limitantes destas outras substâncias incluem antibióticos (incluindo enzimas de antibióticos), tal como Lysovin (lisozima) e Lactrol& (Virginiamicina, um inibidor de bactéria). O controle do crescimento bacteriano pode permitir que o micróbio apropriado acelere e/ou proveja a produção de compostos orgânicos voláteis. Antibiótico é um termo geral para algo que suprime ou mata a vida. Um exemplo de um antibiótico é um inibidor de bactéria. Em uma modalidade, um antibiótico seletivo ou seja intencionado de impactar bactérias e não outros micróbios é usado. Um exemplo de um antibiótico seletivo é Lactrol, que afeta as bactérias mas não afeta as leveduras.
[0060] Em uma modalidade particular, se for usado, Lactrol pode ser adicionado em taxas de cerca de 1 a 20 partes por milhão (ppm) p/v (pelo de Lactrol por volume de líquido) como dissolvido na fase água do material de biomassa preparado, por exemplo, em cerca de em cerca de 5 ppm p/v. Em uma modalidade usando uma enzima para controlar o crescimento de bactérias, lisozima preferivelmente é usada. A lisozima pode vir a partir de uma fonte comercial. Uma preparação de lisozima comercialmente disponível de exemplo é Lysovin, que é uma preparação da enzima lisozima que foi declarada permitida para o uso em alimento, tal como vinho.
[0061] A enzima e/ou outro material antibiótico, se for usado, pode : ser adicionado independentemente ou em conjunto entre si e/ou com o . micróbio. Em certas modalidades, outros compostos que servem como nutrientes para os micróbios facilitando e/ou provendo a produção do composto orgânico volátil também pode ser adicionado como um aditivo.
A seguinte Tabela 4 provê exemplos não limitantes de outras substâncias, incluindo antibióticos, que podem ser adicionados para a biomassa sólida.
Tabela 4 de potássio potássio oxicloro que incluem cloreto Fosfato de diamônio Biotina
[0062] Leveduras e outros micróbios que são anexados aos sólidos de maneira individual, como pequenos agregados, ou biofilmes foram mostrados para ter tolerância aumentada para compostos inibitórios. Sem intenção de estar ligado por teoria, parte da fermentação de longo prazo pode ser possível ou melhorada por tal ligação de micróbio para sólidos.
Desta forma, o material de biomassa preparado que inclui o micróbio otimizado para a ligação microbiana bem como aditivos que podem ligar microrganismos podem passar por um maior grau de fermentação e ou eficiência de fermentação. Substâncias que proveem e/ou facilitam a fermentação de longo prazo são diferentes de substâncias que aumentam a taxa de fermentação. Em certas modalidades, um aumento na taxa de fermentação não é um fator importante como a fermentação de longo prazo, particularmente por um período de muitas semanas ou meses.
[0063] A sequência provê quantidades particulares de aditivos aplicados a uma modalidade específica. Se for usado, a taxa e a quantidade de adição de um ácido varia com a capacidade de tamponamento da particular biomassa sólida a qual o particular ácido é adicionado. Em uma modalidade particular usando ácido sulfúrico, 9,3% p/p de ácido sulfúrico é adicionado em taxas de até cerca de 10 litros/kg de biomassa úmida, por exemplo, em cerca de 3,8 litros/kg de biomassa úmida para alcançar um pH ' de cerca de 4,2. Em outras modalidades, a taxa vai variar dependendo da . concentração e do tipo de ácido, líquido e outro conteúdo e capacidade de tamponamento da particular biomassa sólida, e/ou pH desejado. Nesta particular modalidade, Lactrol é adicionado em uma taxa de cerca de 3,2 g/quilo úmido de biomassa sólida. Leveduras ou outros micróbios são adicionados de acordo com a taxa recomendada a partir do provedor, tal como de acordo com o conteúdo de açúcar esperado por quilo úmido. Em uma particular modalidade, a levedura líquida estabilizada Lallemand é adicionada em cerca de 532 ml (18 fl oz) por quilo úmido, e Novozymes Cellic CTec2 é adicionado em cerca de 591 ml (20 fl oz) por quilo úmido.
[0064] Em uma modalidade preferida, aditivos selecionados são adicionados para a corrente de biomassa sólida durante a colheita de acordo com aspectos da invenção descrita acima para gerar o material de biomassa preparado. Preferivelmente, o material! de biomassa preparado é transportado para uma instalação de armazenamento para permitir para a conversão de carboidratos do material de biomassa preparado para compostos orgânicos voláteis da quantidade desejada e/ou esperam recuperação dos compostos orgânicos voláteis. Qualquer dispositivo e/ou método de transporte adequado pode ser usado, tal como veículos, trens, etc., e qualquer método adequado para posicionar o material de biomassa preparado para o meio de transporte. Exemplos não limitantes de veículos que podem ser usados para transportar o material de biomassa incluem caminhões basculantes de descarga final, caminhões basculantes de descarga lateral, e caminhões de silagem de autodescarga. Em uma modalidade preferida, um caminhão de silagem é usado. Nas modalidades usando uma colheitadeira de foragem para coletar a biomassa, o transporte de tal biomassa sólida é mais eficiente do que o transporte de materiais coletados por meios convencionais, tais como tarugos de cana de açúcar, já que a densidade volumétrica é maior na biomassa sólida cortada com uma i colheitadeira de foragem. Ou seja, materiais cortados em menores pedaços . empacotam de maneira mais densa do que materiais em tarugos. Em uma modalidade, a faixa de densidades volumétricas em um caminhão de silagem varia entre cerca de 150 kg/m? e cerca de 350 kg/m?, por exemplo, cerca de 256 kg/m”. Como em certas modalidades, todos os aditivos selecionados são adicionados durante a colheita, preferivelmente na colheitadeira, o micróbio pode começar a interagir com a biomassa durante o transporte, e deste modo o transporte não é prejudicial ao processo geral.
[0065] A biomassa, seja preparada ou não, é distribuída para pelo menos uma área de armazenamento ou instalação. A instalação de armazenamento pode estar localizada em qualquer distância a partir do sítio de coleta. Aditivos selecionados podem ser adicionados se eles ainda não foram adicionados ou se quantidades ou tipos adicionais precisam ser adicionalmente adicionados para gerar o material de biomassa preparado. Em uma modalidade preferida, a biomassa preparada é armazenada em pelo menos uma pilha em uma superfície preparada por um período de tempo. A instalação pode incorporar topografia natural ou feita pelo homem. Estruturas feitas pelo homem podem incluir estruturas existentes no sítio que não foram projetadas inicialmente para a silagem, tais como canais e lagoas de tratamento de água. Exemplos não limitantes de uma superfície preparada incluem uma superfície de concreto, asfalto, cinzas volantes ou do solo. A pelo menos uma pilha pode ter qualquer dimensão ou forma, que pode depender das condições de operação, tais como o espaço disponível, a quantidade de biomassa, a duração de armazenamento desejada, etc.
[0066] Em uma modalidade particular, pelo menos uma pilha de material de biomassa preparado é formada tendo uma altura em uma faixa de a partir de cerca de 304,8 cm (10 pés) até cerca de 914,4 em (30 pés). Em outra modalidade, a altura da pelo menos uma pilha é maior do que ' 914,4 cm (30 pés). Em uma modalidade, pelo menos uma pilha de material : de biomassa preparado contém pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de material de biomassa preparado, que pode ser quilos úmidos. Em outra modalidade, pelo menos uma pilha contém 25.401,1 Mg (25.000 tons) (ou quilos úmidos) de material de biomassa preparado. Em outra modalidade, a pelo menos uma pilha de material de biomassa preparado contém pelo menos cerca de 101.604,7 Mg (100.000 tons) (ou quilos úmidos) de material de biomassa preparado. Em mais uma modalidade, pelo menos uma pilha de material de biomassa preparado contém pelo menos cerca de
1.016.047 Mg (1.000.000 tons) ou (quilos úmidos), tal como 1.200.000 quilos úmidos, de material de biomassa preparado. Em uma modalidade, a pelo menos uma pilha contém até cerca de 10.000.000 tons, e em outra modalidade, até 101.604.700 Mg (100.000.000 tons) (ou quilos úmidos) de material de biomassa preparado.
[0067] O processo de conversão de açúcares fermentáveis é uma reação exotérmica. Muito calor, no entanto, pode ser prejudicial ao processo de conversão se a temperatura está na faixa letal para os micróbios no material de biomassa preparado. No entanto, em uma modalidade usando cerca de 700 quilos úmidos de biomassa e acumulando até cerca de 365,8 cm (12 pés), a produção de etanol e a estabilidade foram satisfatórias. Portanto pilhas maiores provavelmente não sofrerão de excesso de aquecimento. Em uma modalidade, uma porção interna da pilha mantém uma temperatura em uma faixa de a partir de cerca de 20 graus C a cerca de 60 graus C para os micróbios de todos os tipos, incluindo termófilos. Em uma modalidade que não emprega termófilos, uma porção interna da pilha mantém uma temperatura em uma faixa de a partir de cerca de 35 graus C a cerca de 45 graus C.
[0068] O material de biomassa preparado que é armazenado como pelo menos uma pilha na instalação de armazenamento também pode ser S referido como um agregado de biomassa armazenado úmido. Após a adição dos aditivos selecionados, pelo menos uma porção da biomassa sólida é convertida para compostos orgânicos voláteis, tais como fermentação de açúcares para etanol. Em uma modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado por um período de tempo suficiente para alcançar um ambiente de anaerobiose. Em uma modalidade preferida, o ambiente de anaerobiose é alcançado em cerca de 24 horas. Em outra modalidade, o ambiente de anaerobiose é alcançado em mais do que cerca de 4 horas. Em mais uma modalidade, o ambiente de anaerobiose é alcançado em até cerca de 72 horas.
[0069] A pilha pode ficar ereta livremente o pode ser formada em outra estrutura, tal como um depósito de silagem, projetado para aceitar a silagem, incluindo provisões para coletar escoamento aquoso e lixiviado, posicionamento de uma lona sobre a biomassa, e para facilitar tanto o descarregamento eficiente do caminhão de silagem inicial para o depósito quanto a remoção da biomassa durante o ano. Os depósitos individuais podem ser dimensionados em cerca do tamanho para suportar requisitos de carga de alimentação anuais de cerca de 700 quilo úmidos a 100.000.000 quilo úmidos ou mais. Por exemplo, a instalação de armazenamento pode ter 50 depósitos, onde cada depósito individual pode aceitar 100.000 quilos úmidos de material de biomassa preparado para um total de um máximo de cerca de 5.000.000 quilo úmidos de material armazenado em qualquer momento. Outras quantidades de inventário de exemplo de material de biomassa preparado em qualquer instalação de armazenamento incluem pelo menos cerca de 10 tons, cerca de 25.401,1 Mg (25.000 tons), cerca de
101.604,7 Mg (100.000 tons), cerca de 1.016.047 Mg (1.000.000 tons),
cerca de 1.219.256 Mg (1.200.000 tons), cerca de 1.524.070 Mg (1.500.000 tons), cerca de 10.160.470 Mg (10.000.000 tons), e até cerca de
101.604.700 Mg (100.000.000 tons). Em uma modalidade preferida onde ' etanol é o composto orgânico volátil de escolha, cerca de 52,9 L (14 . galões) até cerca de 60,5 L (16 galões) de etanol são recuperados por um quilo úmido de material de biomassa preparado. Os números providos são exemplares e não têm por intenção limitar a quantidade de material de biomassa preparado que uma instalação de armazenamento pode acomodar. i [0070] Em uma modalidade particular, a pilha de armazenamento inclui adicionalmente um sistema de coleta de lixiviado. Em uma modalidade, o sistema de coleta é usado para remover lixiviado coletado a partir da pilha de armazenamento. Por exemplo, o sistema de coleta de lixiviado pode ser adaptado para remover líquido a partir da pilha em certos pontos durante o período de armazenamento. Em outra modalidade, o sistema de coleta de lixiviado é adaptado para circular o líquido na pilha de armazenamento. Por exemplo, a circulação pode envolver retirar pelo menos uma porção do líquido recuperado e rotear de volta para a pilha, preferivelmente na porção de topo ou próximo da porção de topo. Tal recirculação permite maiores tempos de retenção de certas porções dos líquidos na pilha, mesmo quando a fase de recuperação do material de biomassa preparado começa e porções do componente não líquido do material de biomassa preparado são enviadas para a unidade de recuperação. O maior tempo de retenção resulta em maior tempo de reação microbiana, e assim, maiores concentrações de compostos orgânicos voláteis, tais como etanol.
[0071] Qualquer sistema adequado de coleta de lixiviado conhecido dos peritos na técnica pode ser empregado como descrito. Em uma modalidade particular, o sistema de coleta de lixiviado compreende pelo menos uma calha ao longo do fundo da pilha, preferivelmente posicionada próximo do meio, da pilha de armazenamento ou do depósito se um for usado, onde a pilha de armazenamento é preparada em um grau projetado para direcionar líquido a partir do material de biomassa preparado para a ' calha e fora para um receptáculo de coleta desejado ou roteado para outras : aplicações.
[0072] Em outra modalidade, o sistema de coleta de lixiviado compreende um ou mais condutos perfurados, preferivelmente tubos feitos de cloreto de polivinil (PVC), que correm ao longo do fundo da pilha para permitir que o líquido coletado nos condutos seja direcionado para longe a partir da pilha.
[0073] Em uma modalidade, enquanto o material de biomassa preparado é adicionado para o depósito ou depositado no topo da superfície preparada, um trator ou outro implemento pesado é acionado sobre a pilha repetidamente para facilitar o empacotamento. Em uma modalidade, as faixas de empacotamento a partir de cerca de 112,1 kg/m? (7 Ibs/ft?) até cerca de 800,9 kg/m? (50 Ibs/ftº) para o material de biomassa preparado. Em uma modalidade preferida, o empacotamento é a partir de cerca de 480,5 kg/m? (30 lbs/ft) até cerca de 800,9 kg/m? (50 Ibs/ft), particularmente cerca de 704,8 kg/m? (44 Ibs/ft*). Em uma modalidade, a compactação do material de biomassa preparado em uma pilha facilita e/ou permite que um ambiente de anaerobiose seja alcançado nos períodos de tempo preferidos descritos acima. Em outra modalidade, após o empacotamento ser realizado ou durante o tempo em que o empacotamento está sendo realizado, uma membrana impermeável ao ar é posicionada na pilha, tipicamente uma lona plástica adequada para a finalidade. Em uma modalidade particular, a lona é posicionada na pilha tão cedo quanto for prático. Por exemplo, a lona é posicionada na pilha dentro de um período de 24 horas.
[0074] Em uma modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado por pelo menos cerca de 24 horas e preferivelmente pelo menos cerca de 72 horas (ou 3 dias) para permitir a produção de compostos orgânicos voláteis, tais como etanol. Em uma modalidade, o material de ] biomassa preparado é armazenado por cerca de três dias, preferivelmente . dez dias, mais preferivelmente maior do que dez dias. Em uma modalidade, o período de tempo para o armazenamento da biomassa preparada é de cerca de | dia até cerca de 700 dias, preferivelmente cerca de 10 a 700 dias. Em outra modalidade, o material de biomassa é armazenado por até cerca de três anos. Em uma modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado por um período de tempo suficiente para permitir uma eficiência de conversão de açúcar para pelo menos um composto orgânico volátil de pelo menos cerca de 95% da eficiência de produção teórica como calculada através de uma avaliação estequiométrica da rota bioquímica relevante. Em outra modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado por um período de tempo suficiente para permitir uma eficiência de conversão de açúcar calculada para pelo menos um composto orgânico volátil de pelo menos cerca de 100%. Em mais uma modalidade, o material de biomassa preparado é preparado com certos aditivos, tais como enzimas, que permitem uma eficiência de conversão de açúcar calculada para pelo menos um composto orgânico volátil de até cerca de 150% do valor teórico com base na quantidade inicial de açúcares fermentáveis disponíveis. Sem intenção de estar ligado por teoria, acredita- se que, em eficiência de 100% ou próximo da eficiência de 100%, os compostos orgânicos voláteis são produzidos tanto a partir dos açúcares fermentáveis inicialmente disponíveis quanto dos açúcares fermentáveis a partir de material celulósico ou outro polimérico no material de biomassa preparado, que pode ser alcançado por hidrólise enzimática ou hidrólise ácida facilitada por certos aditivos aplicados à biomassa.
[0075] Os produtos orgânicos voláteis produzidos, tais como etanol, permanecem estáveis no material de biomassa armazenado preparado pela duração do período de armazenamento. Em particular, o material de biomassa preparado pode ser armazenado até 700 dias sem a ] degradação significativa para os compostos orgânicos voláteis. . “Significativo” neste contexto se refere pelo menos a dentro da margem de erro quando se mede a quantidade ou a concentração dos compostos orgânicos voláteis no material de biomassa preparado. Em uma modalidade, a margem de erro é 0,5%. Foi demonstrado que o etanol permanece estável na pilha após pelo menos cerca de 330 dias sem perdas de etanol significativas observadas. Este aspecto das modalidades da presente invenção é importante pois provê pelo menos oito meses de armazenamento estável, que permite a recuperação e a produção de VOCs durante todo o ano com uma janela de colheita de apenas cerca de quatro meses. Modalidades da invenção proveem vantagens significativas sobre o processamento no momento convencional que pode apenas ser capaz de operar durante a janela de colheita de quatro meses por ano. Ou seja, modalidades da invenção permitem que uma planta opere durante todo o ano usando apenas uma janela de colheita de quatro meses, reduzindo desta forma o custo de capital para uma planta do mesmo tamanho que aquela usada para o processamento no momento.
[0076] Ainda, em uma modalidade que emprega uma lona, está previsto que o posicionamento de solo ou outro meio em torno das bordas da lona para 1) prover peso para reter a lona arriada; e também 2) para atuar como um biofiltro do gás de saída a partir da pilha. Em tal modalidade, biofiltros são eficientes para desintoxicação/degradação de compostos orgânicos e monóxido de carbono. O material de biomassa preparado também pode ser armazenado como módulos comprimidos, pilhas de passar por cima, depósitos, silos, bolsas, tubos ou fardos enrolados ou outro sistema de armazenamento anaeróbio.
[0077] Em uma modalidade, a corrente de gás de saída a partir de uma pilha de material de biomassa preparado foi monitorada e foi descoberto que apenas pequenos níveis de compostos orgânicos, e também 1 níveis muito baixos de óxidos de nitrogênio, estavam presentes. Por exemplo, as Tabelas 5.1, 5.2, e 5.3 abaixo mostram a análise de várias amostras de gás de saída coletadas durante a fase de armazenamento de uma implementação de certas modalidades da invenção. A designação "BDL" se refere a uma quantidade abaixo do limite que pode ser detectado. Summa e Tedlar se referem aos recipientes de amostragem de gás disponíveis comercialmente. Tabela 5.1 Tipode | IDdo Jo qun,| %de | %de | %de %de ] %de CO, recipiente | recipiente | ”* O, No CH. CO, HO normalizado Bolsa A BDL 1,722 | 7,84 | BDL | 95,90 5,23 85,21 Tedlar Dos BDL | 230 |912| BDL | 8997 5,97 82,62 Tedlar
T Bolsa E BDL | 071 |357| BDL | 9745 | 55 90,18 Tedlar ROLA D BDL | 072 |318| BDL | 9750 | so7 90,14 Tedlar EE E em [4 a [mo [as [36 | ea oa a aaa an] dt] oa aa] ms ae] Summa ] Summa Summa Tabela 5.2 Tipo de ID do %de | ppmv | %de | ppmv ppmv ppmv ppmy ppmv recipiente | recipiente | O, de CO | CO; | deHC | de NO | de NO) | de NOx | de SO, Bolsa A 13 717) 10 3,8 570 | BDL Tedlar Boa 19 | 662 | 739 | 25 | 12290 | 12540 Tedlar Bolsa c 06 | 29 |753]| 158 27,20 | 3610 | à Tedlar | Bolsa D | 06 35 |757| 22 7,9 | 56,50 | 64,40 5 | Tedlar ea E 35 | 668) 43 3,0 | 20,30 | 23,90 Tedlar Tabela 5.3 [Tipode | 1IDdo | ppmvde | ppmvde |] ppmvde | ppmvde2- | pomv de | ppmv de |)
[ recipiente etanol propanol | o E a o fm [a | ae [ss — E o ET Te [Ds [os [e [os
[0078] Modalidades da presente invenção, apesar de relativamente não contidas no depósito, devem ser ambientalmente benignas. Ainda assim, certos aspectos da presente invenção encaixam bem com o uso de solo ou outro meio como um biofiltro posicionado em torno dos e nos depósitos já que a fuga de gás a partir de baixo da lona é radial por natureza. Desta forma, os vapores possuem uma maior quantidade de área de superfície em contato com as bordas da pilha. Nas modalidades usando um biofiltro, as liberações da fase vapor passam através do biofiltro (tal como solo ou composto) posicionado próximo da massa da borda antes de entrar para a atmosfera. O biofiltro retém muitos poluentes ambientais potenciais e odores liberados pela pilha de armazenamento, e ele elimina ou reduz bastante os gases de saída potencialmente perigosos liberados a partir da pilha de armazenamento.
[0079] Em uma modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado até não conter mais do que cerca de 80% em peso de líquido. O material de biomassa preparado é armazenado até conter pelo menos cerca de 4 até cerca de 5% a mais do que o conteúdo inicial. Neste estágio, o agregado de biomassa armazenado úmido não é considerado “cerveja” ainda já que ele ainda contém cerca de 20% de sólidos. Em uma modalidade, o material de biomassa preparado é armazenado até conter entre cerca de 2% em peso e cerca de 50% em peso de etanol, e preferivelmente entre cerca de 4% em peso e cerca de 10% em peso de etanol. O equilíbrio do líquido é primariamente água mas pode conter muitos outros compostos orgânicos, tais como ácido acético, ácido lático, etc.
[0080] Modalidades da presente invenção permitem que a biomassa Ú sólida seja colhida em uma janela de colheita muito mais curta do que . operações de sumo de cana de açúcar típicas, o que permite 1) uma área geográfica muito maior onde as instalações podem ser posicionadas, 2) colheita da cultura quando a cultura possui o seu potencial de rendimento mais alto, 3) colheita da cultura no seu potencial de concentração de açúcar mais alto, 4) “menor janela de colheita ainda econômica, e 5) desacoplamento da necessidade de coletar o sumo a partir da biomassa para a fermentação. Além disso, aspectos da presente invenção permitem operações de escala aumentada, tais como na faixa industrial ou de comercialização. Em uma modalidade, pelo menos cerca de 10.160 kg (10 tons) de material de biomassa preparado são gerados através da adição de um micróbio, um ácido, e opcionalmente uma enzima para a biomassa sólida. Outras quantidades são providas acima.
[0081] O preparo do material de biomassa das modalidades da invenção em geral também pode ser referido como fermentação em estado sólido. Uma vez que o material de biomassa preparado foi armazenado pela quantidade desejada de tempo e/ou contém uma concentração desejada de compostos orgânicos voláteis, tais como etanol, pode ser roteado para o sistema de recuperação para a recuperação de compostos orgânicos voláteis particulares. O sistema de recuperação e instalação de armazenamento podem estar localizados em qualquer distância um do outro. Modalidades de sistemas e métodos descritos aqui permitem a flexibilidade na localização geográfica de ambos e as suas localizações um com relação ao outro. Em uma modalidade particular, o sistema de recuperação está localizado em aproximadamente 0,8 até cerca de 3,21 quilômetros (0,5 até Ú cerca de 2 milhas) a partir da instalação de armazenamento. Qualquer . método adequado e/ou equipamento pode ser usado para transferir o material de biomassa preparado a partir da instalação de armazenamento para o sistema de recuperação. Em uma modalidade, uma tremonha de alimentação é usada. Em uma modalidade, um ensilador de silagem, um carregador de extremidade frontal ou escavadeira, um eixo helicoidal de varredura ou outro sistema de eixo helicoidal podem ser usados para posicionar o material de biomassa preparado para a tremonha de alimentação. O material pode ser posicionado diretamente para a tremonha de alimentação ou pode ser transferido pelo sistema de transporte, tal como o sistema de correia. A tremonha de alimentação contendo o material de biomassa preparado então pode ser acionada para o sistema de recuperação.
[0082] O sistema de recuperação é sem solvente e utiliza uma corrente de vapor superaquecido para vaporizar o líquido no material de biomassa preparado para um componente de gás, que então pode ser coletado. Um vapor superaquecido é um vapor ou seja aquecido acima da sua temperatura de saturação na pressão de operação. Em uma modalidade preferida, após o sistema de recuperação alcançar o estado estacionário, a corrente de vapor superaquecido compreende apenas vapor evaporado previamente a partir do material de biomassa preparado, de forma que nenhum outro gás é introduzido, reduzindo desta forma o risco de combustão dos compostos orgânicos voláteis e/ou a diluição da corrente de produto recuperada dos compostos orgânicos voláteis. O componente sólido remanescente é descarregado a partir do sistema e pode ter vários usos subsequentes. Uma porção do vapor é removida como produto e o restante é reciclado de volta para o uso na transferência de calor para material de biomassa preparado que chega fresco. O vapor superaquecido contacta diretamente a biomassa transferindo energia e vaporizando o líquido presente no mesmo. A fonte de calor ou de energia térmica não ' contacta diretamente o material de biomassa preparado. Assim, o sistema . de recuperação de VOC também pode ser descrito como provendo contato de calor “indireto”.
[0083] Para prover a recuperação sem solventes de compostos orgânicos voláteis, o sistema de recuperação compreende um compartimento que permite que o vapor superaquecido escoe de uma maneira contínua, isto é, como uma corrente. Em uma modalidade, o compartimento possui uma forma de ciclo. Em outra modalidade, o compartimento compreende um tambor rotativo. O compartimento possui uma entrada através da qual o material de biomassa preparado pode entrar. Em uma modalidade, a entrada compreende uma válvula rotativa apertada por pressão, parafuso de plugue, ou outro dispositivo similar, que pode ajudar na separação do material de biomassa preparado para aumentar a área de superfície exposta para a corrente de vapor superaquecido.
[0084] Em mais uma modalidade, o sistema compreende um mecanismo de remoção de água para remover pelo menos uma porção do líquido no material de biomassa preparado antes do líquido ser vaporizado. A remoção do líquido pode ocorrer antes do material de biomassa preparado entrar no compartimento e/ou enquanto o material de biomassa preparado entra no compartimento. O líquido a partir do material de biomassa preparado contém pelo menos um composto orgânico volátil, que pode ser recuperado por processamento adicional do líquido, tal como a alimentação do líquido para uma coluna de destilação. O líquido pode ser roteado diretamente para uma unidade de processamento adicional, tal como uma coluna de destilação. Alternativamente ou em adição a, o sistema inclui adicionalmente uma unidade de coleta para coletar o líquido removido a partir do material de biomassa preparado. Qualquer porção do líquido coletado então pode ser adicionalmente processada.
[0085] Em uma modalidade, o mecanismo de remoção de água : compreende um componente adaptado para apertar o líquido a partir do . material de biomassa preparado. Em tal modalidade, o ato de apertar pode ser realizado enquanto o material de biomassa preparado está sendo alimentado para o compartimento. Por exemplo, a entrada pode compreender um mecanismo de apertar para apertar o líquido a partir do material de biomassa preparado enquanto ele é introduzido para o compartimento. Alternativamente ou em adição a, o aperto pode ser realizado separadamente antes do material de biomassa preparado entrar no compartimento. Um exemplo não limitante de tal mecanismo de apertar é uma alimentadora de parafuso de plugue.
[0086] Em uma modalidade, o mecanismo de remoção do líquido compreende uma prensa mecânica. Exemplos não limitantes de tipos de prensas mecânicas incluem prensas de filtro de correia, prensas do tipo em V, prensas de anel, prensas de parafuso e prensas de tambor. Em uma modalidade particular de uma prensa de filtro de correia, o material de biomassa preparado é sanduichado entre duas correias porosas, que são passadas sobre e sob os rolos para espremer a umidade para fora. Em outra modalidade particular, uma prensa de tambor compreende um tambor perfurado com um rolo de prensa giratório dentro dele que pressiona o material contra o tambor perfurado. Em mais uma modalidade, em uma bacia centrifugadora, o material entra em uma bacia cônica girando em que os sólidos se acumulam no perímetro.
[0087] O compartimento provê um espaço onde a corrente de vapor superaquecido pode contactar o material de biomassa preparado para vaporizar o líquido a partir do material de biomassa preparado. À vaporização de pelo menos uma porção do líquido provê um componente de gás e um componente sólido do material de biomassa preparado.
O sistema compreende adicionalmente uma unidade de separação onde o componente sólido do material de biomassa preparado pode ser separado a ' partir do componente de gás, então cada componente pode ser removido . como for desejado para o processamento adicional.
Em uma modalidade, a unidade de separação compreende um coletor centrífugo.
Um exemplo de tal coletor centrífugo é um equipamento de ciclone com alta eficiência.
Em uma modalidade preferida, a unidade de separação também serve como uma saída para o componente sólido.
Por exemplo, a unidade de separação pode descarregar o componente sólido a partir do sistema de recuperação sem solvente.
Existe uma saída separada para o componente de gás onde ele pode sair do sistema para o processamento adicional, tal como a destilação.
Em uma modalidade, a unidade de separação é adicionalmente acoplada a uma segunda válvula rotativa apertada por pressão ou semelhantes para extrusar ou descarregar o componente sólido.
Em uma modalidade, o vapor superaquecido é mantido em uma temperatura alvo ou desejada acima da sua temperatura de saturação através de um componente de troca térmica acoplado com uma fonte de calor onde o vapor superaquecido não contacta a fonte de calor.
A transferência de calor entre a fonte de calor e o sistema ocorre através de convecção para o vapor superaquecido.
Em uma modalidade, a fonte de calor pode incluir elementos elétricos ou vapores quentes através de um trocador de calor apropriado.
Em uma modalidade, a pressão de operação está em uma faixa a partir de cerca de 6,89 kPa man (1 psig) até cerca de 827,3 kPa man (120 psig). Em uma modalidade preferida, a pressão de operação está em uma faixa a partir de cerca de 20,6 kPa man (3 psig) até cerca de 275,7 kPa man (40 psig). Em uma modalidade particularmente preferida, o sistema é pressurizado em uma pressão de operação de cerca de 413,6 kPa man (60 psig) para forçar o componente vapor do sistema.
[0088] Em uma modalidade, na partida do sistema de recuperação, o material de biomassa preparado é introduzido para o compartimento através da entrada. À corrente inicialmente é usada como o vapor ' superaquecido para vaporizar inicialmente o líquido no material de . biomassa preparado. O vapor superaquecido se move continuamente através do compartimento. Quando o material de biomassa preparado entra na corrente de vapor superaquecido, se torna fluidizado onde escoa através do compartimento como um fluido. Enquanto o material de biomassa preparado é introduzido, entra em contato com a corrente de vapor superaquecido. Calor a partir do vapor superaquecido é transferido para o material de biomassa preparado e vaporiza pelo menos uma porção do líquido no material de biomassa preparado e é separado a partir do componente sólido, que ainda pode conter umidade. O componente de gás contém compostos orgânicos voláteis produzidos no material de biomassa preparado. Em uma modalidade preferida, quando o líquido a partir do material de biomassa preparado começa a vaporizar, pelo menos uma porção do líquido vaporizado pode ser reciclada no sistema já que fluido superaquecido. Ou seja, durante qualquer ciclo, pelo menos uma porção do líquido vaporizado permanece no compartimento para servir como vapor superaquecido em vez de ser coletado para o processamento adicional, até o próximo ciclo onde mais material de biomassa preparado é alimentado para o sistema.
[0089] Em uma modalidade preferida, durante o procedimento de partida inicial, o fluido superaquecido pode ser purgado como for necessário, preferivelmente continuamente (de maneira intermitente ou constante), até que o estado estacionário seja alcançado onde o vapor superaquecido compreende apenas líquido vaporizado do material de biomassa preparado. O componente de gás e componente sólido pode ser coletado através da respectiva saída. Calor pode ser adicionado continuamente (de maneira intermitente ou constante) para o sistema através do trocador de calor acoplado com a fonte de calor para manter a temperatura do vapor superaquecido, para manter uma pressão de operação ' desejada no sistema, ou para manter uma taxa de vaporização alvo. Várias : condições do sistema, tal como a taxa de fluxo da corrente de vapor superaquecido, pressão, e temperatura, pode ser ajustada para alcançar a taxa de remoção de líquido e/ou compostos orgânicos voláteis desejada.
[0090] Em uma modalidade, o componente de gás coletado é condensado para o processamento adicional, tal como ser transferido para um processo de purificação para obter uma maior concentração dos compostos orgânicos voláteis de escolha. Em uma modalidade preferida, o componente de gás coletado é alimentado diretamente para uma coluna de destilação, que provê economias de energia não usada para condensar o componente de gás. Em outra modalidade, o componente de gás é condensado e alimentado para a próxima etapa de purificação como líquido.
[0091] Em uma modalidade, antes de entrar na fase de recuperação, o material de biomassa preparado possui um conteúdo de líquido inicial de cerca de pelo menos 10% em peso e até cerca de 80% em peso com base no material de biomassa. Em uma modalidade particular, o conteúdo de líquido inicial é de pelo menos cerca de 50% em peso com base no material de biomassa. Em uma modalidade, o conteúdo de líquido inicial compreende a partir de cerca de 2 a 50% em peso, e preferivelmente a partir de cerca de 4 a 10% em peso de etanol com base no conteúdo de líquido inicial.
[0092] Em uma modalidade, o componente sólido coletado contém a partir de cerca de 5% em peso até cerca de 70% em peso, e preferivelmente a partir de cerca de 30% em peso até cerca de 50% em peso de líquido dependendo do alvo de remoção de etanol. Em outro componente, o componente de gás coletado contém entre cerca de 1% em peso e cerca de 50% em peso de etanol, preferivelmente entre cerca de 4% em peso e cerca de 15% em peso de etanol. Em uma modalidade, o sistema ' de recuperação recupera a partir de cerca de 50% até cerca de 100% dos . compostos orgânicos voláteis contidos no material de biomassa preparado. O tempo de residência da biomassa preparada varia com base em vários fatores, incluindo o alvo de remoção de composto orgânico volátil. Em uma modalidade, o tempo de residência do material de biomassa preparado no compartimento está em uma faixa de a partir de cerca de 1 até cerca de 10 segundos. Em uma modalidade, o sistema de recuperação pode ser operado entre cerca de 6 kPa man (0,06 barg) e cerca de 1.600 kPa man (16 barg). O termo "barg" se refere a medidor de bar como é entendido por um perito na técnica, e 1 bar é igual a 0,1 MegaPascal. Em uma modalidade, o gás no sistema de recuperação possui uma temperatura em uma faixa de a partir de cerca de 100ºC até cerca de 375ºC, particularmente a partir de cerca de 104ºC até cerca de 372ºC, e o componente sólido que sai do sistema possui uma temperatura de menos do que cerca de 50ºC. O componente sólido coletado pode ser usado em outras aplicações. Exemplos não limitantes incluem alimentação animal, alimentação para um queimador de biomassa para fornecer energia de processo ou gerar eletricidade, ou adicionalmente convertido para etanol por meio de um processo de etanol celulósico (tanto nova fermentação em uma pilha de silagem quanto alimentação para uma unidade de pré-tratamento para qualquer processo de etanol celulósico) ou a alimentação para qualquer outro processo de biocombustível que requer biomassa lignocelulósica.
[0093] As condições de operação do sistema de recuperação sem solvente incluem pelo menos um de temperatura, pressão, velocidade de escoamento e tempo de residência. Qualquer uma destas condições ou uma combinação destas condições podem ser controladas para alcançar um alvo ou alvo de remoção desejado, tal como a quantidade do conteúdo de líquido inicial removido ou a quantidade do líquido que permanece no componente líquido separado que sai do sistema de recuperação. Em uma modalidade, ' pelo menos uma condição de operação é controlada para alcançar a . remoção de cerca de 10 a 90% em peso, preferivelmente cerca de 45 a 65% em peso, e mais preferivelmente cerca de 50% em peso, do conteúdo de líquido inicial.
[0094] Em uma modalidade preferida, o aumento da temperatura do sistema em pressão constante vai fazer com que o líquido na biomassa seja vaporizado de maneira mais rápida e assim para um dado tempo de residência vai fazer com que uma maior porcentagem do líquido na biomassa seja evaporada. A taxa de fluxo de vapor que sai do sistema precisa ser controlada para corresponder com a taxa de vaporização do líquido a partir da biomassa de maneira a alcançar estado estacionário e também pode ser usado como um mecanismo para controlar a pressão do sistema. O aumento da pressão do sistema vai fazer com que mais energia seja armazenada na fase vapor no sistema o que então pode ser usado para auxiliar no processamento adicional ou para ajudar a mover o vapor para a próxima unidade de processamento a jusante. O aumento do tempo de residência da biomassa no sistema faz com que mais calor seja transferido a partir da fase vapor para a biomassa o que resulta em mais líquido sendo vaporizado.
[0095] Em uma modalidade de exemplo específica, o sistema de recuperação compreende um secador de vapor superaquecido pneumático de ciclo fechado, que pode ser obtido a partir de fontes disponíveis comercialmente. Em uma modalidade, o secador de vapor superaquecido pneumático de ciclo fechado é um modelo SSD'TY de GEA Barr-Rosin Inc. Outros equipamentos disponíveis comercialmente adequado incluem o Processador de Vapor Superaquecido, SSPTWM de GEA Barr-Rosin Inc, o
Secador de Anel a partir de várias companhias incluindo GEA Barr-Rosin Inc. e Dupps; o Secador sem ar de Dupps; o Secador de Tambor Rotativo QuadPass!Y” De DuppsEvactherm'M, Secagem por Vapor Superaquecido de : Vácuo de Eirich; o secador de tambor rotativo usando vapor superaquecido . de Swiss Combi Ecodry; e o Secador sem ar de Ceramic Drying Systems Ltd.
[0096] Mais outros tipos de secadores indiretos que podem servir como a unidade de recuperação de compostos orgânicos voláteis para este processo são secadores de bandeja de batelada, secadores rotativos de contato indireto, secadores de vácuo de batelada rotativos, e secadores agitados. O princípio básico para estes secadores é que eles estarão englobados e anexados a um sistema de vácuo para remover vapores a partir dos sólidos enquanto eles são gerados (também diminuindo a pressão com o vácuo os voláteis são removidos mais facilmente). Os sólidos úmidos contactam uma superfície quente tal como as bandejas ou pás, o calor é transferido para os sólidos úmidos fazendo com que os líquidos evaporem e então eles podem ser coletados no sistema de vácuo e condensados.
[0097] A FIG. 1 ilustra um sistema de recuperação de VOC de exemplo e processo que emprega um secador de vapor superaquecido, referenciado como o sistema 100. Em uma modalidade particular, o vapor superaquecido seco pode ser obtido a partir de GEA Barr-Rosin Inc. Na FIG. 1, material de biomassa preparado | contendo etanol e/ou outros VOCs seguindo a fermentação em estado sólido nas pilhas de silagem é alimentado para o compartimento 3 através da entrada 2. Na modalidade particular mostrada, a entrada 2 compreende uma extrusora de parafuso. Como mostrado na FIG. 1, pelo menos uma porção do líquido do material de biomassa preparado 1 é removida antes de entrar no compartimento 3. O mecanismo de remoção de água pode ser uma alimentadora de parafuso de plugue através da qual o material de biomassa preparado 1 passes. Pelo menos uma porção do líquido removida do material de biomassa 1 pode ser roteada diretamente para a etapa de destilação 11 através da corrente 15 : sem passar através do sistema de recuperação 100. Opcionalmente, um . descarregador pode ser acoplado com a saída do mecanismo de remoção de água pode ser usado para facilitar a introdução de material de biomassa desidratado para o compartimento 3.
[0098] Em referência à FIG. 1, o sistema de recuperação 100 compreende o compartimento 3, que pode ser pressurizado, mostrado como um conduto que possui um diâmetro, um comprimento e uma forma apropriados, adaptado para prover as condições de operação desejadas, tais como tempo de residência de material de biomassa preparado 1, transferência de calor para o vapor superaquecido, e a temperatura e a “ — pressão de operação. Após entrar no compartimento 3, durante a operação em estado estacionário, material de biomassa preparado 1 contacta vapor superaquecido que escoa através do sistema 100 em uma temperatura alvo ou desejada e se torna fluidizado. Como descrito acima, em uma modalidade preferida, o vapor superaquecido, ou pelo menos uma porção do mesmo, é o componente vapor obtido a partir de materiais de biomassa preparados anteriormente alimentados para o sistema 100 para a recuperação de VOC. A biomassa fluidizada escoa através do compartimento 3 em uma taxa de fluxo alvo e permanece em contato com o vapor superaquecido por um tempo de residência alvo suficiente para evaporar a quantidade desejada do líquido a partir do material de biomassa preparado 1. Na modalidade mostrada, o fluxo do vapor superaquecido e material de biomassa preparado 1 através do sistema 100 é facilitado pelo ventilador do sistema 14. O sistema 100 pode ter um ou mais ventiladores. A taxa de fluxo ou a velocidade do vapor superaquecido e material de biomassa 1 pode ser controlada pelo ventilador do sistema 14. O material de biomassa | escoa através do compartimento 3 e alcança a unidade de separação 4, que é preferivelmente um separador de ciclone, onde um componente vapor e um componente sólido do material de biomassa 1 são ' separados entre si. Como mostrado, o componente vapor é roteado para . longe do componente sólido através da corrente de topo 5 e a porção remanescente do material de biomassa | é considerada um componente sólido, que é descarregado a partir da unidade de separação 4 como componente sólido 7, preferivelmente pela extrusora de parafuso 6. Pelo menos uma porção do componente sólido descarregado 7 pode ser usada como alimentação animal, combustível de queimador, ou carga de alimentação de biomassa para outros processos de biocombustíveis.
[0099] Em referência à FIG. 1, uma porção do componente vapor, referenciada como a corrente 8, é retida e reciclada como uma porção do vapor superaquecido usada para vaporizar material de biomassa preparado recém introduzido. Na modalidade mostrada, o componente vapor retido na corrente 8 é roteado através do trocador de calor 9 para aquecer o mesmo para a temperatura de operação alvo. A fonte de calor pode incluir vapor, eletricidade, gases de combustão quentes ou qualquer outra fonte de calor aplicável conhecida dos peritos na técnica.
[00100] Em uma modalidade preferida, a temperatura é controlada tal que a pressão no sistema é mantida no alvo e existe energia presente adequada para evaporar a quantidade desejada do líquido. A pressão também pode ser controlada através da taxa de fluxo da corrente de vapor superaquecido e o calor que entra para o trocador de calor 9. Preferivelmente, o sistema de recuperação 100 opera continuamente onde material de biomassa preparado | é continuamente alimentado em uma taxa desejada, e componente vapor 10 e componente sólido 6 são continuamente removidos em uma taxa contínua. Em uma modalidade preferida, o componente vapor “fresco” 8 a partir de uma corrida é retido continuamente em uma taxa alvo a ser usada como a corrente de vapor superaquecido para a próxima corrida. Qualquer uma destas taxas é ajustável para alcançar as condições de operação desejadas. Como 1 mencionado, ventilador do sistema 14 circula a corrente de vapor . superaquecido através do sistema 100 e pode ser ajustado para obter a taxa de fluxo alvo ou a velocidade alvo.
[00101] Em referência à FIG. 1, a porção remanescente da corrente de componente vapor 5, representada como o numeral 10 é roteada para uma etapa de destilação 11. Dependendo da configuração de destilação, a porção de componente vapor 10 pode ser condensada antes da purificação adicional ou preferivelmente alimentada diretamente para a coluna de destilação as a vapor. Em uma modalidade preferida, o produto de destilação a partir da etapa de destilação 11 possui um conteúdo de etanol de cerca de 95,6% em peso de etanol (o azeótropo de etanol/água), que pode ser adicionalmente purificado para acima de cerca de 99% em peso usando tecnologia de desidratação de etanol comum, que é mostrado como a etapa 12. O produto etanol final 13 tipicamente será usado então como um biocombustível para misturar com a gasolina.
[00102] A FIG. 2 ilustra outro sistema de recuperação e processo de exemplo que emprega um secador de vapor superaquecido, referenciado como o sistema 200 ou seja representativo do Secador de Anel provido por vários fabricantes. O material de biomassa preparado 201 é alimentado para o sistema 200 através da entrada 202, que preferivelmente compreende uma extrusora de parafuso. Em uma modalidade, pelo menos uma porção do líquido do material de biomassa preparado 201 é removida antes de entrar no sistema 200. O mecanismo de remoção de água pode ser uma alimentadora de parafuso de plugue através da qual o material de biomassa preparado 201 passes. Pelo menos uma porção do líquido removida do material de biomassa 201 pode ser roteado diretamente para a etapa de destilação 211 através da corrente 215 sem passar através do sistema de recuperação 200. Opcionalmente, um descarregador pode ser acoplado com a saída do mecanismo de remoção de água pode ser usado para facilitar a ' introdução de material de biomassa desidratado para o compartimento 203. . [00103] Em referência à FIG. 2, o sistema de recuperação 200 compreende o compartimento 203, que preferivelmente compreende um tambor rotativo que provê as condições de operação alvo para a recuperação de VOC, incluindo tempo de residência de material de biomassa preparado 201, transferência de calor para o vapor superaquecido, e a temperatura e a pressão de operação.
Após entrar no compartimento 203, durante a operação em estado estacionário, material de biomassa preparado 201 contacta vapor superaquecido que escoa através do sistema 200 na temperatura de operação e taxa de fluxo e se torna fluidizado.
Como descrito acima, em uma modalidade preferida, o vapor superaquecido, ou pelo menos uma porção do mesmo, é o componente vapor obtido a partir do material de biomassa preparado alimentado anteriormente para o sistema 200 para a recuperação de VOC.
A biomassa fluidizada escoa através do compartimento 203 em uma taxa de fluxo alvo e permanece em contato com o vapor superaquecido para o tempo de residência alvo para alcançar a vaporização alvo do líquido a partir da biomassa.
A biomassa fluidizada então alcança a unidade de separação 204, que é preferivelmente um separador de ciclone, onde o componente vapor e componente sólido são separados entre si.
Como mostrado, o componente vapor é roteado para longe do componente sólido através da corrente de topo 205, e componente sólido 207 é descarregado a partir da unidade de separação 204. Como mostrado, o componente sólido 207 sai do sistema 100 através da extrusora 206 e pode ter subsequentes usos como foi mencionado acima.
Uma porção do componente vapor, referenciada como a corrente 208, é retida e reciclada como uma porção do vapor superaquecido usada para vaporizar material de biomassa preparado recém introduzido. Como mostrado, componente vapor retido 208 é roteado através do trocador de calor 209 para aquecer o mesmo para a temperatura desejada ou alvo. A fonte de ] calor ou fonte de energia térmica pode incluir vapor, eletricidade, gases de , combustão quentes ou qualquer outra fonte de aquecimento desejada. Como mostrado, gás de combustão quente é usado. A temperatura é controlada tal que a pressão no sistema é mantida no alvo e existe energia presente adequada para evaporar a quantidade desejada do líquido. À pressão também pode ser controlada através da taxa de fluxo da corrente de vapor superaquecido e o calor que entra para o trocador de calor 209.
[00104] Em referência à FIG. 2, a porção remanescente da corrente de componente vapor 205, representada como o numeral 210 é roteada para uma etapa de destilação. Dependendo da configuração de destilação, a porção de componente vapor 210 pode ser condensada antes da purificação adicional ou preferivelmente alimentada diretamente para a coluna de destilação as a vapor. O produto a partir da etapa de destilação pode adicionalmente ser concentrado usando processos conhecidos.
[00105] Preferivelmente, o sistema de recuperação 200 opera continuamente onde material de biomassa preparado 201 é continuamente alimentado em uma taxa desejada, e componente vapor 210 e componente sólido 206 são continuamente removidos em uma taxa contínua. Em uma modalidade preferida, o componente vapor “fresco” 208 a partir de uma corrida é retido continuamente em uma taxa alvo a ser usada como a corrente de vapor superaquecido para a próxima corrida. Todas estas taxas são ajustáveis para alcançar as condições de operação desejadas. O ventilador do sistema 214 cria um ciclo de circulação de corrente de vapor superaquecido e pode ser ajustada para obter a taxa de fluxo alvo.
[00106] Através do uso de um sistema de recuperação sem solvente de acordo com aspectos da presente invenção, os pontos de transferência de calor no sistema, isto é, adição de calor para o sistema e transferência de calor para o material de biomassa preparado, ocorrem na fase vapor em uma modalidade preferida, que provê uma vantagem faz com que a . transferência de calor de fase vapor (convecção) seja mais eficiente do que a transferência de calor de fase sólida (condução) no material de biomassa i preparado, que é um mau condutor já que possui propriedades isolantes. Como foi mencionado acima, em certas modalidades, uma vez que o estado estacionário é alcançado no vapor diferente daquele vaporizado a partir do líquido do material de biomassa preparado contacta o componente sólido e componente de gás do material de biomassa preparado no sistema, que evita ou reduz a diluição que pode vir a partir da adição de vapor de processo ou outro vapor para reabastecer a corrente de vapor superaquecido. O componente de gás coletado pode ser alimentado diretamente para uma coluna de destilação para a separação dos compostos orgânicos voláteis desejados, que podem prover economias de energia significativas. A vantagem deste sistema é que os vapores que contactam os sólidos úmidos são apenas aqueles vapores que foram removidos anteriormente a partir dos sólidos de forma que não existe diluição ou risco de explosão, etc.
[00107] Os seguintes exemplos são apresentados para ilustrar adicionalmente a invenção, mas eles não devem ser interpretados como limitantes do escopo da invenção. Modalidades ilustrativas Exemplo À
[00108] Neste exemplo, várias amostras de sorgo cortado fresco são misturadas com uma variedade de componentes adicionados como listado na Tabela A. | e são armazenados nos tubos de silagem por 258 dias. À quantidade de etanol produzido em cada experimento é mostrada na fileira de fundo da tabela. As taxas de adição dos aditivos selecionados são mostradas na Tabela A.2.
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Tabela A.2 Taxas de Aditivo Lo LACTROL L6 — [gkgómido =— | Ethanol Red [oM —-- [kgkgúmido =— | Bios No | kgkgúmido — | : Celulase CE-2 0,22 Amilase 0,11 - ácido sulfúrico concentrado 93%
[00109] Os experimentos do Exemplo A demonstram o princípio da produção de etanol nas pilhas de silagem e a duração daquele armazenamento. Adicionalmente, os efeitos demonstrados de certo aditivo. Todos os casos no exemplo produziram uma quantidade significativa de etanol que indica as modalidades da invenção podem ser bem robustos. Na Tabela A.1l, todas menos a última fileira descrevem que aditivos passam pelo teste. A fileira de fundo descreve o resultado em termos da produção de etanol pelo fato de que o experimento. Em geral, os experimentos com ácido mostraram a estabilidade superior para aqueles sem ácido. Independentemente disso os experimentos sem ácido ainda rendem a produção de etanol, indicando um que aditivo ácido é opcional. Exemplo B
[00110] No Exemplo B, três experimentos adicionais são mostrados na Tabela B.1. As taxas de adição dos aditivos selecionados são mostradas na Tabela B.2. Tabela B.1 Experimentos 2011 Com ácido | Com ácido eperimento E Massa estimada 457.221 kg (450 tons) | 457.221 kg (450 | 101.604 kg (100 tons. tons Conteúdo de umidade Depósito Tubo de silagem Levedura Levedura líquida | Levedura líquida | Levedura líquida | Lallemand Lallemand Lallemand Inibidor de bactéria Lactro] Lactrol Celulose para glicose Novozymes — Cellic | Novozymes Novozymes CTec2 Cellic CTec2 Cellic CTec2 | 13 mm ] Resultado (litros de etanolkg seco 192,78 181,44 inicial) ] 330
Tabela B.2
Y Novozymes Cellic CTec2 | 0,59 L/kg úmido | 9,3% de ácido sulfúrico concentrado ' [00111] Os experimentos do Exemplo B também demonstram os efeitos dos certos aditivos, bem como os efeitos de escala. Os Experimentos | e 2 do Exemplo B foram conduzidos no mesmo depósito que demonstra que esta tecnologia de fermentação é adequada e eficiente em escala comercial. Exemplo C
[00112] Nestes experimentos, o GEA SSDTYM é usado como a unidade de recuperação sem solvente. Na Tabela C.1 abaixo, a seção de topo descreve certas propriedades do material de biomassa preparado que foi alimentado para o sistema. A próxima seção descreve a condição do componente sólido que sai do sistema de recuperação sem solvente. A terceira seção mostra as condições de operação do sistema de recuperação sem solvente e a última seção origina as taxas de recuperação dos componentes líquidos principais: etanol, ácido acético e água. O que é mostrado aqui em todos os casos é a capacidade de recuperar >90% do etanol ou seja nos sólidos (100% em alguns casos), e a capacidade de variar a quantidade de recuperação de etanol e água com base nas condições do sistema de recuperação sem solventes. As amostras 10, 11, e 12 abaixo também contêm quantidades significativas de ácido acético, e mostram que este processo também pode ser usado para a recuperação eficiente de ácido acético.
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Exemplo D
[00113] Algumas das condições testadas proveem pré-tratamento suficiente da biomassa que vem a partir da unidade de recuperação de ' voláteis para permitir a conversão de alguma celulose remanescente para : biomassa. Condições a partir das amostras 6 e 7 no Exemplo C acima produzem quantidades estatisticamente significativas de etanol quando uma pequena quantidade de enzimas e de levedura foram adicionadas à amostra do componente sólido remanescente e foram armazenados em um ambiente anaeróbio. Outras condições testadas foram das amostras 3, 4, 8, 10, e 12.
Estas amostras não produziram etanol quando posicionadas nas mesmas condições de teste que as amostras 6 e 7. A conclusão a partir disto é que sob as condições de teste descritas nos números de amostra 6 e 7, certas modalidades da presente invenção podem ser usadas para a subsequente produção de etanol celulósico ensilando o componente sólido a partir da unidade de recuperação de orgânicos voláteis.
Exemplo E
[00114] Nestes experimentos, uma pilha de 711.232 kg (700 tons) foi preparada de acordo com aspectos da invenção e armazenada em um depósito. No dia 504 de armazenamento no depósito, três amostras foram tomadas a partir do topo, centro, e fundo da pilha, todos mostraram níveis similares de compostos. As amostras foram armazenadas em 4 graus C.
Prep. Da amostra:
[00115] As amostras foram apertadas através de uma seringa de 60 mL sem filtração, e o líquido foi coletado.
Condições de teste: 1) As amostras foram testadas com um Agilent 7890 GC com um espectrômetro de massa 5975 C sob as seguintes condições: * — Autoamostrador Agilent CTC com opção de espaço aéreo * seringa aquecida de 2,5 ml, 1 ml de tamanho de injeção para entrada de S/SL (2 130 ºC, 20:1 de razão de divisão . Separação em uma coluna 60M DB 624, 0,25 id com filme de 1,4 um ' [00116] As amostras foram preparadas por 0,25 ml em um frasco de . 20 ml de espaço aéreo. 1 ml de vapor foi injetado após o equilíbrio a 60ºC por 10 min. 2) As amostras foram testadas com um Agilent 6890 GC com um espectrômetro de massa 5973 sob as seguintes condições: * — Autoamostrador de espaço aéreo Perkin Elmer Turbomatrix 40 . 60 M DB5 MS 0,25 mm id, filme de 1,0 um; 100:1 de razão de divisão
[00117] As amostras foram preparadas posicionando 0,25 ml em um frasco de espaço aéreo de 20 ml. Vapor foi injetado por 20 segundos após o equilíbrio a 90ºC por 15 min.
[00118] Os seguintes compostos foram identificados no espaço aéreo sob ambas as condições, indicando que estes compostos foram produzidos e potencialmente podem ser recuperados usando o sistema de recuperação sem solvente e capturado durante um subsequente processo de destilação em certas modalidades. 2-metil-|-propano] | 2-propen-l-ol 2-metil-] -butano] [3-buten-2o] BE + O ununubúuEOs
[00119] Modificações adicionais e modalidades alternativas de vários aspectos da invenção serão aparentes para os peritos na técnica em virtude desta descrição. De maneira apropriada, esta descrição deve ser interpretada como ilustrativa apenas e é para o propósito de ensinar os peritos na técnica a maneira geral de realizar a invenção. Deve ser entendido que as formas da invenção mostradas e descritas aqui devem ser tomadas como as modalidades presentemente preferidas. Elementos e

Claims (1)

  1. materiais podem ser substituídos por aqueles ilustrados e descritos aqui,
    partes e processos podem ser revertidos, e certas funcionalidades da invenção podem ser usadas de maneira independente, tudo como pode ser ' aparente para um perito na técnica após ter o benefício desta descrição da . invenção.
    Alterações podem ser feitas nos elementos descritos aqui sem fugir do espírito e do escopo da invenção como descrita nas seguintes reivindicações.
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