BR112015001901B1

BR112015001901B1 - Método para produzir um líquido de açúcar

Info

Publication number: BR112015001901B1
Application number: BR112015001901-3A
Authority: BR
Inventors: Jumpei Kishimoto; Atsushi Minamino; Hiroyuki Kurihara; Katsushige Yamada
Original assignee: Toray Industries, Inc.
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CN104520445B; CN104520445A; JPWO2014024952A1; US9863011B2; MY172925A; US20150191801A1; WO2014024952A1; BR112015001901A2; AU2013300498A1; AU2013300498B2; CA2879546C; JP6287210B2; CA2879546A1

Abstract

método para produzir um líquido de açúcar trata-se de um método para produzir uma solução de açúcar filtrando-se uma solução de açúcar derivada de celulose através de uma ou mais membranas de separação selecionadas a partir de uma membrana de ultrafiltração, uma membrana de nanofiltração e uma membrana de osmose reversa, em que as membranas de separação que estão sujas como um resultado da filtração estão limpas com o uso de um fluido de limpeza que contém uma substância ácida e um composto aromático. como um resultado, é possível limpar, de maneira eficaz, as membranas de separação sujas.

Description

MÉTODO PARA PRODUZIR UM LÍQUIDO DE AÇÚCAR

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção refere-se a um método para produzir um líquido de açúcar a partir de celulose.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[002] Recentemente, a utilização de biomassa como um material alternativo ao petróleo chamou a atenção devido às preocupações sobre a depleção de recursos de petróleo e aquecimento global. Em particular, os métodos para preparar açúcares através de hidrólise de biomassa que contém polissacarídeos como amido ou celulose foram ativamente estudados. Isso se deve ao fato de que vários produtos químicos podem ser produzidos através de fermentação microbiana com uso de açúcares como matérias-primas.

[003] Um líquido de açúcar derivado de celulose contém: açúcar; e, como impurezas, partículas finas insolúveis em água como lignina, sílica, sais de cálcio, proteínas agregadas e celulose não decomposta, macromoléculas solúveis em água como oligossacarídeos, polissacarídeos, tanino e proteínas, inibidores de fermentação com peso molecular baixo, sais inorgânicos, ácidos orgânicos e similares. Como métodos para remover tais impurezas, um método de separação de partículas finas no lado de alimentação através de filtração com uso de uma membrana de microfiltração, um método de separação de macromoléculas solúveis em água no lado de alimentação através de filtração com uso de uma membrana de ultrafiltração e um método de remoção de compostos com peso molecular baixo como inibidores de fermentação a partir do lado do filtrado através de uma membrana de nanofiltração ou uma membrana de osmose reversa são conhecidos (Documento de Patente 1).

LISTA DE CITAÇÃO DOCUMENTO DE PATENTE

[004] Documento de Patente 1: WO 2010/067785

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO PROBLEMA DA TÉCNICA

[005] Os presentes inventores concluíram que, em um processo de remoção de impurezas a partir de um líquido de açúcar derivado de celulose com uso de uma membrana de separação, a obstrução da membrana de separação ocorre à medida que a operação continua por um longo tempo. Em vista disso, um objeto da presente invenção é fornecer um método de lavagem para impedir que uma membrana de separação seja obstruída pelas impurezas em um líquido de açúcar derivado de celulose, especialmente macromoléculas solúveis em água, em um processo para produzir um líquido de açúcar derivado de celulose com uso de uma membrana de separação, desse modo, fornecendo um método para a remoção com eficiência de impurezas a partir do líquido de açúcar derivado de celulose.

SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA

[006] Os presentes inventores estudaram assiduamente vários métodos de lavagem para solucionar os problemas mencionados acima e, como um resultado, os presentes inventores concluíram, supreendentemente, que a lavagem de membrana com uma solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida provoca um efeito de lavagem notável, muito embora a lavagem de membrana com uma solução aquosa que contém um composto aromático sozinho não possa provocar qualquer efeito de lavagem especial. A presente invenção foi concluída com base nessas constatações.

[007] Ou seja, a presente invenção inclui as seguintes constituições (1) a (7):

(1) Um método para produzir um líquido de açúcar, que compreende uma etapa de filtrar um líquido de açúcar derivado de celulose através de uma ou mais membranas de separação selecionadas a partir do grupo que consiste em uma membrana de ultrafiltração, uma membrana de nanofiltração e uma membrana de osmose reversa, em que o método compreende lavar a(s) membrana(s) de separação depois da filtração com água para lavagem que contém uma substância ácida e um composto aromático.
(2) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com (1), em que a substância ácida é um tipo ou dois ou mais tipos selecionados a partir do grupo que consiste em ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido oxálico, ácido cítrico e ácido acético.
(3) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com (1) ou (2), em que o composto aromático é um tipo ou dois ou mais tipos selecionados a partir do grupo que consiste em hidroximetilfurfural (HMF), furfural, ácido coumárico, ácido ferúlico, coumaramida, ferulamida e vanilina.
(4) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com qualquer um de (1) a (3), em que a água para lavagem é uma derivada de um filtrado obtido passando-se um líquido de açúcar derivado de celulose através de uma membrana de nanofiltração e/ou uma membrana de osmose reversa.
(5) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com qualquer um de (1) a (4), em que o líquido de açúcar derivado de celulose é um líquido de açúcar derivado de celulose filtrado através de uma membrana de microfiltração.
(6) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com qualquer um de (1) a (5), em que a membrana de separação é lavada através de filtração de fluxo cruzado da água para lavagem através da(s) membrana(s) de separação.
(7) O método para produzir um líquido de açúcar de acordo com (6), em que uma velocidade linear da água para lavagem em uma superfície de membrana é de 5 a 50 cm/s.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO

[008] De acordo com a presente invenção, é possível impedir que a membrana de separação seja obstruída pelas impurezas peculiares a um líquido de açúcar derivado de celulose em baixo custo enquanto se impede a degradação da membrana e, portanto, uma membrana de separação obstruída pode ser reutilizada no processo para produzir o líquido de açúcar derivado de celulose.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[009] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma constituição básica de um dispositivo de lavagem de membrana de separação para realizar a presente invenção.

[010] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um dispositivo de lavagem de membrana de separação que tem tanto uma função para realizar o tratamento de membrana de um líquido de açúcar quanto uma função de realizar a lavagem de uma membrana de separação.

[011] A Figura 3 é um diagrama esquemático de um dispositivo de lavagem de membrana de separação que tem independentemente uma função de realizar o tratamento de membrana de um líquido de açúcar e uma função de realizar a lavagem de uma membrana de separação.

[012] A Figura 4 é um diagrama esquemático geral de um sistema para a produção de um líquido de açúcar derivado de celulose a partir de um produto pré-tratado de uma biomassa que contém celulose.

DESCRIÇÃO DAS REALIZAÇÕES

[013] O líquido de açúcar derivado de celulose, conforme referido no presente documento, significa um líquido de açúcar obtido como um resultado de hidrólise de uma biomassa que contém celulose. O método de hidrólise de uma biomassa que contém celulose não é especificamente limitado e prefere-se um método em que o tratamento hidrotérmico, tratamento com ácido, tratamento com álcali, sacarificação de enzima e semelhantes são apropriadamente combinados. O líquido de açúcar derivado de celulose contém monossacarídeos como glicose, xilose e manose; os polissacarídeos solúveis em água como celobiose, celo oligossacarídeo e xilo oligossacarídeo. Tais sacarídeos podem ser usados como matérias-primas de fermentação (fontes de carbono) para micróbios e podem ser convertidos por micróbios em etanol, ácido lático ou aminoácidos.

[014] Adicionalmente, o líquido de açúcar derivado de celulose contém, como outros componentes além de tais sacarídeos, várias impurezas como partículas finas como: lignina que não foi decomposta no processo de hidrólise, sílica, sais de cálcio, proteínas agregadas e celulose não decomposta; macromoléculas solúveis em água como oligossacarídeos, polissacarídeos, tanino e proteínas; inibidores de fermentação com peso molecular baixo; sais inorgânicos; e ácidos orgânicos. Tais impurezas podem ser classificadas em dois tipos, ou seja, componentes solúveis em água e componentes insolúveis em água. Prefere-se que os componentes insolúveis em água sejam previamente removidos como sólidos através de separação de sólido e líquido do líquido de açúcar derivado de celulose.

[015] Os exemplos do método de separação de sólido e líquido do líquido de açúcar derivado de celulose incluem centrifugação, filtração através de uma membrana de microfiltração e semelhantes. A filtração através de uma membrana de microfiltração torna possível remover até mesmo os componentes insolúveis em água com tamanho em mícron e, portanto, é desejável que o líquido de açúcar derivado de celulose na presente invenção seja previamente filtrado através de uma membrana de microfiltração além da filtração através de uma membrana de separação no ultimo estágio. A membrana de microfiltração para uso no presente documento pode ser uma descrita no documento no WO 2010/067785.

[016] Na presente invenção, o líquido de açúcar derivado de celulose é filtrado através de qualquer uma ou mais membranas de separação de uma membrana de ultrafiltração, uma membrana de nanofiltração e uma membrana de osmose reversa. A filtração do líquido de açúcar derivado de celulose através de membrana de separação pode ser realizada de acordo com o método descrito no documento № WO 2010/067785. As membranas de separação para uso na presente invenção também podem ser aquelas descritas no documento № WO 2010/067785.

[017] Nos casos em que o líquido de açúcar derivado de celulose é filtrado através da membrana de separação mencionada acima, a membrana de separação poderia ser obstruída no uso em longo prazo da mesma. Na presente invenção, a membrana de separação obstruída é lavada com uma solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida (doravante, a mesma pode ser referida como água para lavagem). A etapa de lavar a membrana de separação com uma solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida (doravante, a mesma pode ser referida como uma etapa de lavagem de membrana) é descrita abaixo.

[018] O composto aromático conforme referido na presente invenção é um hidrocarboneto cíclico de acordo com a regra de Huckel, ou seja, um composto que tem uma estrutura de hidrocarboneto cíclico em que a quantidade de π-elétrons satisfaz 4n + 2 (n representa um número inteiro positivo que inclui 0) e os exemplos preferidos do mesmo incluem hidroximetilfurfural (HMF), furfural, ácido coumárico, ácido ferúlico, coumaramida, ferulamida, vanilina e semelhantes. A água para lavagem para uso na presente invenção pode conter um tipo sozinho ou dois ou mais tipos de compostos aromáticos.

[019] A substância ácida, conforme referido na presente invenção, é um ácido definido por Arrhenius, ou seja, uma substância que gera um íon de hidrogênio em uma solução aquosa e os exemplos da mesma incluem ácidos inorgânicos como ácido sulfúrico, ácido nítrico e ácido clorídrico, ácidos orgânicos como ácido acético, ácido oxálico e ácido cítrico, e semelhantes. A água para lavagem para uso na presente invenção pode conter um tipo sozinho ou dois ou mais tipos das substâncias ácidas.

[020] Na etapa de lavagem de membrana na presente invenção, uma membrana de separação é lavada com água para lavagem que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida. Uma solução aquosa que contém um composto aromático sozinho não poderia fornecer qualquer efeito de lavagem de membrana especial e apenas no caso onde a solução contenha uma substância ácida junto com a mesma, sendo que a solução pode remover, eficientemente, os componentes que podem se aderir à superfície dentro da membrana de separação e induzir à obstrução de membrana e recuperar, de maneira notável, a taxa de filtração através da membrana de separação. Uma solução aquosa que contém uma substância ácida sozinha poderia solucionar o problema de obstrução de membrana em algum grau, mas apenas no caso onde a solução contém, adicionalmente, um composto aromático, o efeito de lavagem poderia ser ainda mais notável.

[021] Na etapa de lavagem de membrana na presente invenção, espera-se que os sais de cálcio, proteínas, oligossacarídeos e semelhantes nos componentes de obstrução de membrana de separação possam ser removidos pela substância ácida e que os inibidores de fermentação derivados de lignina e semelhantes possam ser removidos pelo composto aromático. Conforme descrito acima, uma solução aquosa que contém um composto aromático sozinho não poderia fornecer qualquer efeito de lavagem especial, mas apenas no caso onde a solução contém uma substância ácida junto com a mesma, a taxa de filtração através da membrana de separação pode ser recuperada. A razão de a mesma não ser clara, mas provavelmente, pode-se considerar que os inibidores de fermentação derivados de lignina nos componentes de obstrução teriam uma estrutura revestida com sais de cálcio, proteínas, oligossacarídeos ou semelhantes e, portanto, na lavagem com uma solução aquosa que contém um composto aromático sozinho, o líquido de lavagem não alcançaria os inibidores de fermentação derivados de lignina.

[022] Na presente invenção, a faixa de concentração da substância ácida na água para lavagem é mais preferivelmente de 100 a 5.000 ppm no total.

[023] A faixa de concentração do composto aromático na água para lavagem é preferivelmente de 500 a 10.000 ppm no total, mais preferivelmente de 5.000 a 10.000 ppm no total.

[024] Na etapa de lavagem de membrana na presente invenção, a faixa de temperatura da água para lavagem não é especificamente limitada, mas é preferivelmente de 10 a 90 °C. Isso é porque, em temperatura mais baixa do que 10 °C, a viscosidade da água para lavagem seria extremamente alta e diminuiria o efeito de lavagem de membrana e em temperatura mais alta do que 90 °C, a própria membrana de separação seria danificada pelo calor, então o desempenho da filtração da membrana seria, desse modo, piorado.

[025] A solução aquosa que contém um composto aromático e uma substância ácida podem ser preparadas adicionando-se o composto aromático e a substância ácida à água ou adicionando-se uma substância ácida a uma solução aquosa que contém, previamente, o composto aromático. Os exemplos específicos das mesmas incluem um filtrado preparado através de filtração de um líquido de açúcar derivado de celulose através de uma membrana de nanofiltração e/ou uma membrana de osmose reversa (doravante, referido como filtrado de NF (nanofiltração), ou semelhantes). Sabe-se que o filtrado de NF ou semelhantes contém o composto aromático. A solução preparada adicionando-se à mesma uma substância ácida para estar em uma faixa de concentração a partir de 0,1 a 5 g/l é preferivelmente usada como a água para lavagem na presente invenção. Em um processo de produção do líquido de açúcar derivado de celulose, o filtrado de NF ou semelhantes é geralmente descartado como um líquido residual, mas reutilizar esse como água para lavagem para membranas de separação, no presente, provoca a economia de água e essa é uma vantagem econômica na presente invenção.

[026] Os exemplos do método de lavagem de uma membrana de separação com água para lavagem incluem um método de imersão de uma membrana de separação em água para lavagem, um método de filtragem de água para lavagem através de uma membrana de separação através de filtração convencional (dead-end), um método de filtragem de água para lavagem através de uma membrana de separação através de filtração de fluxo cruzado. Desses, um método de filtração de água para lavagem através de uma membrana de separação através de filtração de fluxo cruzado é preferido uma vez que a formação dos fluxos paralelos à superfície de membrana permite que o processo de lavagem prossiga enquanto os componentes que causam obstrução são lavados depois de sua remoção pela água para lavagem.

[027] Na lavagem de membrana em que a água para lavagem é submetida à filtração de fluxo cruzado através de uma membrana de separação, a velocidade linear da água para lavagem na superfície de membrana é preferivelmente de 5 a 50 cm/s, mais preferivelmente de 10 a 50 cm/s. Isso é porque, quando a velocidade linear for mais baixa do que 5 cm/s, o efeito de lavagem na superfície da membrana de separação seria insuficiente e quando a velocidade linear for mais alta do que 50 cm/s, o efeito de lavagem poderia, dificilmente, mudar mesmo se a velocidade linear na superfície de membrana fosse aumentada ainda mais. A velocidade linear da água para lavagem na superfície de membrana pode ser controlada aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de fluxo da bomba de envio de água para lavagem.

[028] No método de lavagem de membrana em que a água para lavagem é submetida à filtração de fluxo cruzado através da membrana de separação na presente invenção, para a lavagem da parte de dentro dos poros na membrana de separação, é preferido realizar a lavagem enquanto se aplica uma diferença de pressão transmembrana. No entanto, por outro lado, quando a diferença de pressão transmembrana dada à membrana for muito grande, então, os componentes que causam a obstrução da membrana seriam fortemente pressionados na superfície de membrana, para que o desempenho de lavagem na superfície de membrana fosse, desse modo, reduzido. A partir desse ponto de vista, no método de lavagem de membrana em que a água para lavagem é submetida à filtração de fluxo cruzado através da membrana de separação na presente invenção, é desejável que a diferença de pressão transmembrana a ser aplicada seja de 5 kPa a 1 MPa em casos de uma membrana de ultrafiltração e a diferença de pressão transmembrana a ser aplicada seja de 0,5 a 3 MPa em casos de uma membrana de nanofiltração ou membrana de osmose reversa. A diferença de pressão transmembrana significa a diferença na pressão causada entre ambos os lados de uma membrana durante o tratamento de membrana, ou seja, a pressão diferencial entre o lado da solução ultrafiltrada (concentrado) e o lado do filtrado. No caso onde a diferença de pressão transmembrana durante a lavagem é menor do que a faixa supramencionada, então, a quantidade da água para lavagem capaz de atravessar os poros da membrana seria extremamente baixa, para que os poros sejam insuficientemente lavados. Por outro lado, quando a diferença de pressão transmembrana durante a lavagem é mais do que a faixa supramencionada, então, a quantidade da água para lavagem para atravessar os poros da membrana seria excessiva e o consumo da água para lavagem aumentaria de maneira não econômica. Dependendo do tipo da membrana, o fluxo de filtração da água para lavagem abrangido pelas faixas da velocidade linear de superfície de membrana e pela diferença de pressão transmembrana poderia ser geralmente de cerca de 0,05 a 0,5 m/dia.

[029] O efeito de lavagem de membrana pela etapa de lavagem de membrana é avaliado com base na extensão de recuperação do fluxo de filtração de membrana pela lavagem, cujo fluxo de filtração de membrana diminuiu devido à obstrução relativa àquela de uma membrana não usada. Ou seja, o fluxo de filtração de cada uma dentre a membrana obstruída antes da lavagem e a membrana obstruída depois da lavagem dividido pelo fluxo de filtração de uma membrana não usada é definido como a porcentagem de filtração (%) e a diferença na porcentagem de filtração causada pela lavagem ou o nível da porcentagem de filtração depois da lavagem, foi usada para a avaliação do efeito de lavagem. Seria considerado que o valor máximo da porcentagem de filtração é geralmente 100%. Na presente invenção, em termos de tratamento de membrana de um líquido de açúcar derivado de celulose, uma membrana cuja porcentagem de filtração diminuiu para menos do que 70% foi julgada como inutilizável uma vez que a membrana não é adequada para o uso prático por causa de sua baixa velocidade de processamento, enquanto uma membrana cuja porcentagem de filtração era não menos do que 70% foi julgada como utilizável para o tratamento de membrana de um líquido de açúcar uma vez que a membrana é suficientemente prática em vista da velocidade de processamento. Ou seja, a etapa de lavagem de membrana na presente invenção possibilita reutilizar uma membrana de separação que tem uma porcentagem de filtração diminuída de menos do que 70% para filtração de um líquido de açúcar derivado de celulose, através da recuperação da porcentagem de filtração para não menos do que 70%.

[030] Em seguida, as realizações dos dispositivos na presente invenção são descritas abaixo. O dispositivo para realizar a presente invenção inclui, pelo menos, um tanque de retenção de água para lavagem em que a água para lavagem é retida e uma bomba de circulação e duto de circulação para circular a água para lavagem até uma membrana. Prefere-se que o dispositivo inclua uma válvula para controlar a pressão através da água para lavagem na superfície de membrana. O dispositivo para realizar a presente invenção é descrito abaixo com referência aos desenhos. Nos desenhos para a presente invenção, a seta sólida indica um fluxo de um sólido ou líquido e um cano.

[031] A Figura 1 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo da constituição mais básica de um dispositivo para realizar a presente invenção. A Figura 2 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo de aplicação fornecido incluindo-se as exigências incluídas na Figura 1 e que fazem com que o tanque de retenção de água para lavagem também tenha uma função como um tanque de fornecimento de líquido de açúcar 14 para uso no tratamento de membrana do líquido de açúcar. A Figura 3 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo de aplicação que inclui, além das exigências incluídas na Figura 1, um sistema de tratamento de membrana independente para o líquido de açúcar, em que a operação de válvulas permite o câmbio entre a etapa de tratamento de membrana e a etapa de lavagem de membrana. A Figura 4 é uma vista esquemática geral de um sistema para a produção de um líquido de açúcar derivado de celulose a partir de um produto pré-tratado de uma biomassa que contém celulose.

[032] O dispositivo na Figura 1 é descrito em detalhes. A água, um composto aromático e uma substância ácida são postas no tanque de retenção de água para lavagem 1 para reter a água para lavagem no mesmo. A água para lavagem retida no tanque de retenção de água para lavagem 1 é fornecida para um módulo de membrana de fluxo cruzado 4 através de uma bomba de circulação 3 que tem a capacidade de controlar a taxa de fluxo do líquido. Consequentemente, a água para lavagem atravessa um duto de circulação 10 e retorna novamente para o tanque de retenção de água para lavagem. A diferença de pressão transmembrana pode ser controlada pelo grau de abertura/fechamento de uma válvula de controle 5 e através do controle da taxa de fluxo na bomba de circulação. A diferença de pressão transmembrana pode ser calculada com uso de calibres de pressão 11 a 13. Ou seja, a diferença entre a média dos valores medidos pelo calibre de pressão 11 e pelo calibre de pressão 13 e do valor medido pelo calibre de pressão 12 pode ser referida como a diferença de pressão transmembrana.

[033] O dispositivo na Figura 2 é descrito abaixo em detalhes. O dispositivo mostrado na Figura 2 tem tanto uma função de realizar o tratamento de membrana de líquido de açúcar quanto uma função de realizar a lavagem de membrana. O tanque de fornecimento de líquido de açúcar 14 que retém um líquido de açúcar durante o tratamento de membrana de líquido de açúcar também é usado como um tanque de retenção de água para lavagem durante a lavagem da membrana. A água para lavagem é preparada adicionando-se água, um composto aromático e uma substância ácida ao tanque de preparação de água para lavagem 8 e é posta no tanque de fornecimento de líquido de açúcar por meio da bomba de envio de água para lavagem 9. Durante a lavagem, a água para lavagem retida no tanque de fornecimento de líquido de açúcar 14 é fornecida para um módulo de membrana de fluxo cruzado 4 por uma bomba de circulação 3 que tenha capacidade de controlar a taxa de fluxo do líquido. Consequentemente, a água para lavagem atravessa um duto de circulação 10 e retorna de novo para o tanque de retenção de água para lavagem. A diferença de pressão transmembrana pode ser controlada pelo grau de abertura/fechamento de uma válvula de controle 5 e através do controle da taxa de fluxo na bomba de circulação. A diferença de pressão transmembrana pode ser calculada com uso de calibres de pressão 11 a 13. Ou seja, a diferença entre a média dos valores medidos pelo calibre de pressão 11 e pelo calibre de pressão 13 e do valor medido pelo calibre de pressão 12 pode ser referido como a diferença de pressão transmembrana.

[034] O dispositivo na Figura 3 é descrito abaixo em detalhes. O dispositivo mostrado na Figura 3 tem, separadamente, uma função de realizar o tratamento de membrana de sacarídeos e uma função de realizar a lavagem de membrana e a operação de válvulas tridirecionais 16 e 17 permite alternar entre essas funções. No tratamento de membrana do líquido de açúcar, o líquido de açúcar fornecido para um tanque de fornecimento de líquido de açúcar 14 é enviado para um módulo de membrana de fluxo cruzado 4 por uma bomba de envio de líquido de açúcar 15. Em termos de lavagem de membrana, o dispositivo inclui o tanque de retenção de água para lavagem 1 para reter água para lavagem no mesmo. A água para lavagem retina no tanque de retenção de água para lavagem 1 é fornecida para um módulo de membrana de fluxo cruzado 4 por uma bomba de circulação 3 que tem a capacidade de controlar a taxa de fluxo do líquido. Consequentemente, a água para lavagem atravessa um duto de circulação 10 e retorna de novo para o tanque de retenção de água para lavagem. A diferença de pressão transmembrana pode ser controlada pelo grau de abertura/fechamento de uma válvula de controle 5 e através do controle da taxa de fluxo na bomba de circulação. A diferença de pressão transmembrana pode ser calculada com uso de calibres de pressão 11 a 13. Ou seja, a diferença entre a média dos valores medidos pelo calibre de pressão 11 e pelo calibre de pressão 13 e do valor medido pelo calibre de pressão 12 pode ser referida como a diferença de pressão transmembrana.

[035] O dispositivo na Figura 4 é descrito abaixo em detalhes. A biomassa que contém celulose é misturada com uma enzima de sacarificação em um tanque de reação de sacarificação 21, para realizar hidrólise. A pasta aquosa depois da reação de sacarificação é transferida por um meio de transferência de pasta aquosa 22 para um dispositivo de separação de sólido e líquido 24 e separada em um resíduo sólido 25 e um líquido de açúcar primário. O líquido de açúcar primário é retido em um tanque de fornecimento 27 para uma membrana de ultrafiltração e, então, fornecido por uma bomba de fornecimento 28 para uma membrana de ultrafiltração até um módulo de membrana de ultrafiltração 30, em que o líquido de açúcar primário é separado em um concentrado de macromolécula e um líquido de açúcar secundário (filtrado). O concentrado de macromolécula é circulado pelo tanque de fornecimento 27 para uma membrana de ultrafiltração e pela bomba de fornecimento 28 para uma membrana de ultrafiltração, para ser ainda mais concentrado. O líquido de açúcar secundário é retido em um tanque de fornecimento 31 para uma membrana de nanofiltração e, então, fornecido por uma bomba de fornecimento 32 para uma membrana de nanofiltração até um módulo de membrana de nanofiltração 34, em que o líquido de açúcar secundário é separado em um líquido de açúcar concentrado e um filtrado de NF (nanofiltração). O líquido de açúcar concentrado circula pelo tanque de fornecimento 31 para uma membrana de nanofiltração e pela bomba de fornecimento 32 para uma membrana de nanofiltração, para ser ainda mais concentrado. O filtrado de NF é retido em um tanque de fornecimento 35 para uma membrana de osmose reversa e, então, fornecido por uma bomba de fornecimento 36 para uma membrana de osmose reversa até um módulo de membrana de osmose reversa 39, em que o filtrado de NF é separado em um concentrado RO (osmose reversa) e um filtrado RO (osmose reversa). O concentrado RO circula pelo tanque de fornecimento 35 para uma membrana de osmose reversa e pela bomba de fornecimento 36 para uma membrana de osmose reversa, para ser ainda mais concentrado. O concentrado RO retido no tanque de fornecimento de membrana de osmose reversa é uma solução aquosa que contém um composto aromático e um ácido é posto na solução a partir do tanque de fornecimento de ácido 44 e por meio da bomba de envio de ácido 45 preparando, desse modo, a água para lavagem no tanque de fornecimento de membrana de osmose reversa. A água para lavagem retorna do tanque de fornecimento 35 para uma membrana de osmose reversa através de uma bomba de lavagem de membrana 40 para o módulo de membrana de ultrafiltração 30 ou o módulo de membrana de nanofiltração 34 e é reutilizada para a lavagem dos módulos de membrana. O filtrado RO é retido em um tanque de filtrado 41 para uma membrana de osmose reversa, e, conforme exigido, retorna através de uma bomba de tanque de filtrado 42 para uma membrana de osmose reversa para o tanque de reação de sacarificação 21, módulo de membrana de ultrafiltração 30 ou módulo de membrana de nanofiltração 34, para ser reutilizado para controlar a concentração de sólidos na reação de sacarificação e lavar os módulos de membrana. O tanque de reação de sacarificação 21, a separação de sólido e a unidade de líquido 24, o tanque de fornecimento 27 para uma membrana de ultrafiltração, o tanque de fornecimento 31 para uma membrana de nanofiltração, o tanque de fornecimento 35 para uma membrana de osmose reversa e o tanque de filtração 41 para uma membrana de osmose reversa são separadamente incluídos em um incubador (23, 26, 29, 33, 37 e 43, respectivamente) e cada etapa pode, portanto, ser realizada enquanto a temperatura do líquido de açúcar é mantida.

Exemplos

[036] Os exemplos da presente invenção são descritos abaixo, mas a presente invenção não se limita aos mesmos.

(Exemplo de referência 1) método para Preparar a Membrana Obstruída

[037] A fim de avaliar o efeito de lavagem de membrana pela presente invenção precisamente, muitas membranas com a mesma condição de contaminação precisam ser preparadas. Um método para preparar tais membranas é descrito abaixo.

[038] Como uma biomassa que contém celulose, a palha de arroz que foi pulverizada para 2 mm foi usada. A biomassa que contém celulose foi imersa em água e processada com uso de autoclave (fabricada por Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 180 °C por 5 minutos com agitação. A pressão nesse tempo era 10 MPa. Consequentemente, o componente de biomassa processado foi submetido à separação de sólido e líquido por meio de centrifugação (3.000 G). Para o componente de solução, "Accellerase DUET" (fabricado por Genencor Kyowa Co. Ltd.) foi adicionado e a reação foi permitida a prosseguir em 50 °C por 24 horas para obter um líquido de açúcar derivado do componente de solução. Consequentemente, o tratamento com uma prensa de filtro (fabricada por Yabuta Industries Co., Ltd., MO-4) foi realizado para remover a celulose não decomposta e lignina, para obter um líquido de açúcar derivado de biomassa. Ademais, submetendo-se o líquido de açúcar à filtração através de uma membrana de microfiltração com um tamanho de poro de 0,22 μm, os componentes insolúveis em água com tamanho em mícron foram removidos. O então obtido líquido de açúcar em uma quantidade de cerca de 40 l foi submetido à filtração através de um módulo de membrana em espiral composto de uma membrana de ultrafiltração, membrana de nanofiltração ou membrana de osmose reversa. Independente do tipo da membrana, a temperatura da operação foi definida em 50 °C e a velocidade linear da superfície de membrana foi definida em 20 cm/s. A pressão da operação sob a qual a filtração foi realizada era 0,1 MPa no caso de uma membrana de ultrafiltração, 2 MPa no caso de uma membrana de nanofiltração e 4 MPa no caso de uma membrana de osmose reversa. A operação foi interrompida quando o fluxo de filtração diminuiu para não mais do que 0,05 m/dia. Cada módulo de membrana em espiral cujo fluxo de filtração foi diminuído por tal operação foi desmontado e a porção de membrana foi cortada na forma de uma folha com um tamanho de 190 mm × 140 mm.

[039] Nos Exemplos abaixo, as membranas com formato de folha obtidas dessa maneira foram submetidas aos testes de lavagem e testes de penetração com uso de uma unidade de membrana plana e compacta "SEPA CF-II" (fabricada por GE Osmonics; área de membrana eficaz, 140 cm2) que pode ser usada como um verificador de filtração compacto para um módulo de membrana em espiral.

(EXEMPLO DE REFERÊNCIA 2) MÉTODO PARA MEDIR FLUXO DE FILTRAÇÃO E MÉTODO PARA AVALIAR EFEITO DE LAVAGEM DE MEMBRANA

[040] A medição de fluxo de filtração foi realizada em uma temperatura de 25 °C e uma velocidade linear da superfície de membrana de 20 cm/s tanto para a membrana de ultrafiltração quanto para a membrana de osmose reversa. A pressão da operação foi definida para 0,1 MPa no caso de uma membrana de ultrafiltração, 2 MPa no caso de uma membrana de nanofiltração e 4 MPa no caso de uma membrana de osmose reversa. Sob essas condições, água pura foi filtrada por 1 minuto e o fluxo de filtração médio (m/dia) durante esse processo foi medido. Nesse instante, a circulação de fluxo cruzado não foi realizada e o fluxo cruzado foi diretamente descarregado. Como um dispositivo de separação de membrana, uma unidade de membrana plana e compacta que corresponde ao módulo em espiral descrito no Exemplo de referência 1 foi usado.

[041] Nos Exemplos abaixo, o fluxo de filtração foi medido pela operação descrita acima para cada uma dentre uma membrana não usada, uma membrana obstruída antes da lavagem e uma membrana obstruída depois da lavagem. O valor medido do fluxo de filtração para cada uma dentre a membrana obstruída antes da lavagem e a membrana obstruída depois da lavagem dividido pelo valor medido do fluxo de filtração para a membrana não usada foi definido como a porcentagem de filtração (%) a e a recuperação da porcentagem de filtração pela lavagem ou o nível da porcentagem de filtração depois da lavagem foi usada para a avaliação da efeito de lavagem de membrana. Poderia se considerar que o valor máximo da porcentagem de filtração seja geralmente 100%.

(EXEMPLO DE REFERÊNCIA 3) ANÁLISE DE COMPOSTOS AROMÁTICOS POR HPLC

[042] As concentrações de HMF, furfural, ácido coumárico, ácido ferúlico, coumaramida, ferulamida e vanilina na solução aquosa foram quantificadas sob as condições de HPLC seguintes com base na comparação com as amostras padrão. Uma vez que as amostras padrão para coumaramida e ferulamida não estavam comercialmente disponíveis, as mesmas foram obtidas através de síntese sob medida (fabricante: VSN).

[043] Dispositivo: cromatografia de líquido de alto desempenho "Lachrom elite" (fabricada por Hitachi, Ltd.)

[044] Coluna: "Synergi 2.5 μm Hydro-RP 100A" (fabricado por Phenomenex)

[045] Método de detecção: detector de Arranjo de Diodo

[046] Taxa de fluxo: 0,6 ml/min.

[047] Temperatura: 40 °C

(EXEMPLO 1) LAVAGEM DE MEMBRANA DE ULTRAFILTRAÇÃO COM SOLUÇÃO AQUOSA QUE CONTÉM COMPOSTO AROMÁTICO E SUBSTÂNCIA ÁCIDA

[048] Para uma membrana de ultrafiltração resistente ao calor (fabricada por DESAL; série "HWS UF") que tem um fluxo de filtração diminuído, que foi obtida de acordo com o método no Exemplo de referência 1, a lavagem de membrana foi realizada sob as seguintes 15 condições no total: a água pura foi usada como água para lavagem (condição 1); uma solução aquosa que contém ácido clorídrico sozinho em uma concentração de 0,5 g/l foi usada como água para lavagem (condição 2); uma solução aquosa que contém furfural sozinho em uma concentração de 0,5 g/l foi usada como água para lavagem (condição 3); uma solução aquosa que contém ácido clorídrico em uma concentração de 0,5 g/l e que contém qualquer um composto aromático selecionado a partir do grupo de HMF, furfural, ácido coumárico, ácido ferúlico, coumaramida, ferulamida e vanilina em uma concentração de 0,5 g/l, respectivamente, foi usada como água para lavagem (condições 4 a 10); e uma solução aquosa que contém furfural em uma concentração de 0,5 g/l e que contém qualquer uma substância ácida selecionada a partir do grupo de ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido cítrico, ácido oxálico e ácido acético em uma concentração de 0,5 g/l, respectivamente, foi usada como água para lavagem (condições 11 a 15). Usando-se 2 l da água para lavagem, a lavagem de membrana foi realizada por 20 minutos em uma temperatura de água para lavagem de 25 °C, sob uma pressão de operação de 0,1 MPa e em uma velocidade linear da superfície de membrana de 30 cm/s com circulação do fluxo cruzado. Como um dispositivo de separação de membrana, uma unidade de membrana plana e compacta que corresponde ao módulo em espiral descrito no Exemplo de referência 1 foi usada. O fluxo de filtração foi medido pelo método no Exemplo de referência 2 antes e depois da lavagem de membrana. A taxa de fluxo de filtração antes da lavagem de membrana foi referida como a mesma dentre todas as condições e o valor medido para uma das condições foi referido como o fluxo de filtração antes da lavagem de membrana comum para todas as condições. Os valores da porcentagem de filtração convertidos a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 foram mostrados na Tabela 1. O valor medido do fluxo de filtração da membrana não usada era 0,258 m/dia. Conforme é evidente a partir da Tabela 1, no caso onde a lavagem de membrana foi realizada com água pura, a porcentagem de filtração foi notavelmente recuperada, conforme comparado com aquela no caso antes da lavagem, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. No caso onde a solução aquosa que contém furfural sozinho foi usada, a recuperação da porcentagem de filtração era semelhante àquela no caso onde a água pura foi usada e qualquer efeito especial não foi fornecido. No caso onde a solução aquosa que contém ácido clorídrico sozinho foi usada, a taxa de filtração foi recuperada em comparação com o caso onde a água pura foi usada, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. Por outro lado, nos casos onde a solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida foram usadas, a porcentagem de filtração foi notoriamente recuperada em qualquer combinação e foi suficiente para a reutilização da membrana.

(EXEMPLO 2) LAVAGEM DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO COM SOLUÇÃO AQUOSA QUE CONTÉM COMPOSTO AROMÁTICO E SUBSTÂNCIA ÁCIDA

[049] Para uma membrana de nanofiltração resistente ao calor (fabricada por DESAL; série "HWS NF") que tem um fluxo de filtração diminuído, que foi obtida de acordo com o método no Exemplo de referência 1, a lavagem de membrana foi realizada da mesma maneira que no Exemplo 1, exceto que a pressão de operação foi alterada para 2 MPa. Os valores da porcentagem de filtração convertidos a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 são mostrados na Tabela 2. O valor medido do fluxo de filtração através da membrana não usada foi 0,246 m/dia. Como um resultado, conforme é evidente a partir da Tabela 2, no caso onde a lavagem de membrana foi realizada com água pura, a porcentagem de filtração foi recuperada de maneira notável em comparação com aquela no caso antes da lavagem, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. No caso onde a solução aquosa que contém furfural sozinho foi usada, a recuperação da porcentagem de filtração era semelhante àquela no caso onde a água pura foi usada e qualquer efeito especial não foi fornecido. No caso onde a solução aquosa que contém ácido clorídrico sozinho foi usada, a porcentagem de filtração foi recuperada em comparação com o caso onde a água pura foi usada, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. Por outro lado, nos casos onde a solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida foi usada, a porcentagem de filtração foi recuperada notoriamente em qualquer combinação e era insuficiente para a reutilização da membrana.

(EXEMPLO 3) LAVAGEM DE MEMBRANA DE OSMOSE REVERSA COM SOLUÇÃO AQUOSA QUE CONTÉM COMPOSTO AROMÁTICO E SUBSTÂNCIA ÁCIDA

[050] Para uma membrana de osmose reversa resistente ao calor (fabricada por DESAL; série "HWS RO") que tem um fluxo de filtração diminuído, que foi processada de acordo com o método no Exemplo de referência 1, a lavagem de membrana foi realizada da mesma maneira que no Exemplo 1, exceto que a pressão de operação foi alterada para 4 MPa. Os valores da porcentagem de filtração convertidos a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 são mostrados na Tabela 3. O valor medido do fluxo de filtração através da membrana não usada era 0,245 m/dia. Como um resultado, conforme é evidente a partir da Tabela 3, no caso onde a lavagem de membrana foi realizada com água pura, a taxa de filtração foi recuperara de maneira notável em comparação com aquela no caso antes da lavagem, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. No caso onde uma solução aquosa que contém furfural sozinho foi usada, a recuperação da taxa de filtração era semelhante àquela no caso onde a água pura foi usada e qualquer efeito especial não foi fornecido. No caso onde uma solução aquosa que contém ácido clorídrico sozinho foi usada, a taxa de filtração foi recuperada em comparação com aquela no caso onde a água pura foi usada, mas ainda era insuficiente para a reutilização da membrana. Por outro lado, nos casos onde uma solução aquosa que contém tanto um composto aromático quanto uma substância ácida foi usada, a taxa de filtração foi notoriamente recuperada em qualquer combinação e era suficiente para a reutilização da membrana.

(EXEMPLO 4) INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE LINEAR DA SUPERFÍCIE DE MEMBRANA NO EFEITO DE LAVAGEM DE MEMBRANA

[051] Para uma membrana de nanofiltração resistente ao calor (fabricada por DESAL; série "HWS NF") que tem um fluxo de filtração diminuído, que foi obtida de acordo com o método no Exemplo de referência 1, as condições de membrana foram realizadas sob a mesma condição que a condição 5 no Exemplo 2, exceto que a condição de velocidade linear da superfície de membrana foi alterada para as seguintes 6 condições no total: 5 cm/s, 10 cm/s, 30 cm/s, 50 cm/s, 70 cm/s e 90 cm/s. Os valores da porcentagem de filtração convertidos a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 são mostrados na Tabela 4. O valor medido do fluxo de filtração através da membrana não usada era 0,246 m/dia. Como um resultado, conforme é evidente a partir da Tabela 4, a recuperação da porcentagem de filtração era maior em uma velocidade linear da superfície de membrana mais alta e alcançou o limite superior em 50 cm/s ou mais.

(EXEMPLO 5) INFLUÊNCIA DE CONCENTRAÇÃO DE COMPOSTO AROMÁTICO NO EFEITO DE LAVAGEM

[052] A lavagem de membrana foi realizada de acordo com o mesmo método que aquele sob a condição 5 no Exemplo 2, exceto que a concentração de furfural na água para lavagem foi alterada para as seguintes 6 condições no total: 500 ppm, 1.000 ppm, 3.000 ppm, 5.000 ppm, 7.000 ppm e 10.000 ppm. Os valores da porcentagem de filtração convertidos a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 foram mostrados na Tabela 5. O valor medido do fluxo de filtração através da membrana não usada era 0,246 m/dia. Conforme é evidente a partir da Tabela 5, a efeito de lavagem de membrana aumentou com o aumento na concentração de furfural e o efeito de lavagem de membrana alcançou o ponto mais alto em uma concentração de 5 g/l ou mais.

(EXEMPLO 5) LAVAGEM DE MEMBRANA COM FILTRADO OBTIDO ATRAVÉS DE FILTRAÇÃO DE LÍQUIDO DE AÇÚCAR DERIVADO DE CELULOSE ATRAVÉS DE MEMBRANA DE NANOFILTRAÇÃO

[053] De acordo com o método do Exemplo de referência 1, um líquido de açúcar derivado de celulose foi filtrado através de uma membrana de nanofiltração para produzir um filtrado de NF. Ademais, uma parte do filtrado de NF foi filtrada através de uma membrana de osmose reversa ("UTC-80", fabricada por Toray Industries) em temperatura ambiente sob uma pressão de operação de 6 MPa para preparar concentrados RO em que a concentração de componente aumentou para cerca de 6 vezes, 10 vezes e 20 vezes, respectivamente (doravante, esses são referidos como filtrado de NF por 6 vezes, filtrado de NF por 10 vezes, filtrado de NF por 20 vezes, respectivamente). Esses líquidos foram analisados para a concentração de composto aromático nos mesmos de acordo com o método do Exemplo de referência 3 e os resultados são mostrados na Tabela 6.

[054] A lavagem de membrana foi realizada sob a mesma condição que no Exemplo 2, exceto que a água para lavagem foi alterada para aquela preparada adicionando-se ácido clorídrico ao filtrado de NF, ao filtrado de NF por 6 vezes, ao filtrado de NF por 10 vezes e ao filtrado de NF por 20 vezes de modo que estejam, cada um, em uma quantidade de 0,5 g/l. Os valores da porcentagem de filtração convertida a partir do fluxo de filtração de acordo com o Exemplo de referência 2 foram mostrados na Tabela 7. O valor medido do fluxo de filtração através da membrana não usada era 0,246 m/dia. Conforme é evidente a partir das Tabelas 6 e 7, o efeito de lavagem de membrana era maior em uma concentração de composto aromático mais alta.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[055] De acordo com a presente invenção, um método para lavar uma membrana de separação em um método para produzir um líquido de açúcar que inclui uma etapa de filtrar um líquido de açúcar derivado de celulose através de qualquer uma ou mais membranas de separação dentre uma membrana de ultrafiltração, uma membrana de nanofiltração e uma membrana de osmose reversa pode ser usado.
LISTA DE SINAIS DE REFERÊNCIA
1 Tanque de retenção de água para lavagem
3 Bomba de circulação
4 Módulo de membrana de fluxo cruzado
5 Válvula de controle
8 Tanque de preparação de água para lavagem
9 Bomba de envio de água para lavagem
10 Duto de circulação
11 Calibre de pressão
12 Calibre de pressão
13 Calibre de pressão
14 Tanque de fornecimento de líquido de açúcar
15 Bomba de envio de líquido de açúcar
16 Válvula tridirecional
17 Válvula tridirecional
21 Tanque de reação de sacarificação
22 Meio de transferência de pasta aquosa
23 Incubador
24 Separação de sólido e unidade de líquido
25 Resíduo sólido
26 Incubador
27 Tanque de fornecimento for membrana de ultrafiltração
28 Bomba de fornecimento for membrana de ultrafiltração
29 Incubador
30 Módulo de membrana de ultrafiltração
31 Tanque de fornecimento para membrana de nanofiltração
32 Bomba de fornecimento para membrana de nanofiltração
33 Incubador
34 Módulo de membrana de nanofiltração
35 Tanque de fornecimento para membrana de osmose reversa
36 Bomba de fornecimento para membrana de osmose reversa
37 Incubador
39 Módulo de membrana de osmose reversa
40 Bomba de lavagem de membrana
41 Tanque de filtrado para membrana de osmose reversa
42 Bomba de tanque de filtrado para membrana de osmose reversa
43 Incubador
44 Tanque de fornecimento de ácido
45 Bomba de envio de ácido

Claims

MÉTODO PARA PRODUZIR UM LÍQUIDO DE AÇÚCAR, que compreende:
uma etapa de filtrar um líquido de açúcar derivado de celulose através de uma ou mais membranas de separação selecionadas a partir do grupo que consiste em uma membrana de ultrafiltração, uma membrana de nanofiltração e uma membrana de osmose reversa,
caracterizado pelo método compreender lavar a(s) membrana(s) de separação depois da filtração com água para lavagem contendo uma substância ácida e um composto aromático,
em que o composto aromático é um ou mais selecionado a partir do grupo que consiste em ácido coumárico, ácido ferúlico, coumaramida, ferulamida e vanilina, e uma concentração de composto aromático na água para lavagem é 1.000 a 10.000 ppm.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela substância ácida ser um tipo ou dois ou mais tipos selecionados a partir do grupo que consiste em ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido oxálico, ácido cítrico e ácido acético.
MÉTODO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela água para lavagem ser um derivado de um filtrado obtido passando-se um líquido de açúcar derivado de celulose através de uma membrana de nanofiltração e/ou uma membrana de osmose reversa.
MÉTODO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo líquido de açúcar derivado de celulose ser um líquido de açúcar derivado de celulose filtrado através de uma membrana de microfiltração.
MÉTODO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela membrana de separação ser lavada através de filtração de fluxo cruzado da água para lavagem através da(s) membrana(s) de separação.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por uma velocidade linear da água para lavagem em uma superfície de membrana ser de 5 a 50 cm/s.