BR112015023370B1 - Método de tratamento de uma biomassa para dissolver a lignina nela contida, mas não a celulose e processo de preparação de glicose a partir de uma biomassa de lignocelulose - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE TRATAMENTO DE UMA BIOMASSA PARA DISSOLVER A LIGNINA NELA CONTIDA, MAS NÃO A CELULOSE E PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE GLICOSE A PARTIR DE UMA BIOMASSA DE LIGNOCELULOSE. A presente invenção se refere a um método aperfeiçoado para tratar uma biomassa de lignocelulose com o objetivo de dissolver a lignina nela contida, ao passo que a celulose não se dissolve. A pasta de celulose obtida pode ser usada para produzir glicose. Para além disso, a lignina pode ser isolada para uso posterior na indústria química renovável como uma fonte de produtos químicos de plataforma aromática.

Description

[001] A presente invenção se refere a um método melhorado de tratamento de uma biomassa de lignocelulose com o objetivo de dissolver a lignina nela contida, enquanto que a celulose não se dissolve. A pasta de celulose obtida pode ser utilizada para produzir glicose. Para além disso, a lignina pode ser isolada para uso posterior na indústria química renovável como uma fonte de produtos químicos de plataforrma aromática.

[002] Os carboidratos, tais como os açúcares, podem ser usados para produzir uma gama de produtos que podem ser utilizados como produtos químicos e solventes, por exemplo os açúcares podem ser fermentados para fabricar bioetanol. A lignina e a hemicelulose podem também ser usadas para fabricar uma variedade de combustíveis e produtos bioquímicos. Atualmente, os biocombustíveis são em geral derivados de recursos alimentares. Isto conduz a diversos problemas, uma vez que existe competição com o fornecimento de alimentos para as matérias-primas; o rendimento é baixo por unidade de área de terreno, e é necessária uma elevada utilização de energia para o crescimento das culturas. É possível produzir o açúcar necessário por hidrólise do amido, ou pode-se usar a sacarose produzida por plantas como a cana-do-açúcar ou a beterraba sacarina. Os problemas poderiam ser atenuados se se pudesse usar a parte lenhosa de plantas de resíduos agrícolas, resíduos florestais e culturas energéticas.

[003] As partes lenhosas ou estruturais da planta evoluíram para resistir à degradação. Elas são constituídas principalmente por celulose, hemicelulose e lignina. É necessário o pré-tratamento do material para quebrar a estrutura. Em geral, o pré-tratamento envolve uma ou mais das seguintes operações: remoção da hemicelulose; modificação e solubilização da lignina; hidrólise das ligações hemicelulose-lignina; e redução da cristalinidade das fibras de celulose. Isto torna a celulose mais acessível a enzimas. Quaisquer potenciais inibidores da etapa de fermentação que sejam formados, são removidos durante a etapa de condicionamento.

[004] Foram anteriormente descritas várias estratégias de pré-tratamento. Estas incluem a explosão a vapor, catálise com ácido diluído ou uma base, expansão das fibras com amônia, despolpamento com solventes orgânicos e pré-tratamento biológico. Todos estes processos têm as suas desvantagens. O pré-tratamento com líquidos iônicos foi também descrito. Os líquidos iônicos (IL) são sais que são líquidos à temperatura de interesse. A combinação de ânions e cátions pode ser escolhida de modo a atender à aplicação particular requerida.

[005] A patente WO10/0056790 descreve o uso de IL essencialmente isentos de água para dissolver a biomassa, que pode depois ser separada usando vários solventes. As patentes WO08/090155 e WO08/090156, descrevem ambas o uso de IL para dissolver todos os componentes da biomassa, p. ex. a lignina, hemicelulose e celulose. Em estes métodos, a celulose é separada dos outros componentes, normalmente por adição de um solvente apropriado, de modo a que a celulose possa ser separada por precipitação. Dois relatórios recentes que aplicam líquidos iônicos contendo [MeSO4]- e cátions dialquilimidazólio para tratamento da biomassa, concluiram que o líquido iônico não é capaz de reforçar a digestibilidade nem da madeira de bordo nem das espigas de milho.

[006] A patente WO2008/112291 descreve o uso de líquidos iônicos para pré-tratar uma biomassa contendo lignina, de modo a aumentar o rendimento em uma reação de sacarificação posterior. O IL é utilizado para expandir a estrutura da biomassa incluindo a celulose, e não para conseguir qualquer dissolução da lignocelulose. A lignina pode ser recuperada como um sólido pós-sacarificação.

[007] A patente US2010-0081798 descreve o uso de IL contendo um ânion poliatômico para solubilizar lignocelulose. A celulose se dissolve no IL.

[008] A patente WO2005/017252 divulga o uso de IL com um ânion aromático para dissolver a lignina da biomassa, permitindo que as fibras celulósicas obtidas sejam adicionalmente processadas.

[009] A patente WO 2005/017001 descreve o uso de líquidos iônicos tais como o cloreto de 1-butil-3- metilimidazólio para dissolver material lignocelulósico usando irradiação por microondas e/ou pressão. A lignina pode ser removida da solução antes da celulose ser precipitada. O líquido iônico dissolve tanto a lignina como o material celulósico. O cátion compreende um anel heterocíclico de 5 ou 6 membros, opcionalmente fundido a um anel benzênico.

[010] A patente WO2012/080702 descreve o uso de IL para dissolver a lignina contida em uma biomassa de lignocelulose, enquanto que a celulose permanece não dissolvida e não expandida. Isto permite que a pasta de celulose produzida seja mecanicamente separada antes de sofrer sacarificação. A lignina pode também ser separada por precipitação a partir do IL por simples adição de um antissolvente tal como a água. Isto significa que o IL pode ser reciclado.

[011] Estudos anteriores utilizaram cátions peralquilados ou aromáticos volumosos, em geral dialquilimidazólio. Estes são de utilização dispendiosa, e, deste modo, não apropriados para finalidades comerciais. O custo dos líquidos iônicos é um dos principais dissuasores do seu uso no pré-tratamento de biomassa e na separação da celuluse/lignina. As alquilaminas simples são fabricadas em uma escala a granel a partir de precursores simples e são, por conseguinte, mais baratas. Os líquidos iônicos podem ser preparados a partir destas alquilaminas por adição de um ácido adequado tal como o ácido sulfúrico, que está disponível a baixo custo.

[012] A presente invenção se refere a um método de tratar uma biomassa de lignocelulose para dissolver a lignina nela contida, mas não a celulose, que compreende: (a) O contato da biomassa de lignocelulose com uma composição compreendendo um líquido iônico para produzir uma pasta de celulose, em que o líquido iônico compreende (i) um cátion de Fórmula I

em que A1 a A4 são cada um deles independentemente selecionados de H, um grupo alifático, um carbociclo C3-6, uma arila C6-10, uma alquilarila, e uma heteroarila; ou uma sua mistura e (ii) um ânion ou uma sua mistura, selecionado de um alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSO3]-, hidrogenossulfato [HSO4]-, hidrogenossulfito [HSO3]-, dihidrogenofosfato [H2PO4]-, hidrogenofosfato [HPO4]2- e acetato [MeCO2]-, em que se o ânion for acetato, então a composição compreende ainda 10-40% v/v de água. De preferência, o ânion não é acetato.

[013] O IL é de preferência aquecido com a biomassa a 100-180 °C, de preferência a 120-140 °C. A reação é levada a cabo durante 15 min.-22 horas, de preferência 20 min.-13 horas, mais de preferência 30 min.-8 horas, isto é, 45 min., 1 hora, 2 horas, 3 horas, 4 horas, 5 horas, 6 horas, 7 horas, 9 horas, 10 horas, 11 horas, 12 horas, 15 horas, 17 horas, 20 horas. De preferência, a mistura é agitada por exemplo a 50-200 rpm.

[014] Tal como usado no presente documento, o termo “biomassa lignocelulósica” se refere a material biológico vivo ou morto que pode ser usado em um ou mais dos processos divulgados. Ela pode compreender qualquer material celulósico ou lignocelulósico, e inclui materiais que compreendem celulose, e opcionalmente compreendem ainda hemicelulose, lignina, amido, oligossacarídeos e/ou monossacarídeos, biopolímeros, derivados naturais de biopolímeros, suas misturas e produtos de decomposição. Pode também compreender componentes adicionais, tais como proteínas e/ou lípidos. A biomassa pode ser derivada de uma única fonte, ou pode compreender uma mistura derivada de mais de uma fonte. Alguns exemplos específicos de biomassa incluem, mas não estão limitados a, culturas bioenergéticas, resíduos agrícolas, resíduos sólidos municipais, resíduos sólidos industriais, lamas da fabricação do papel, resíduos de jardim, resíduos de madeira e florestais. Outros exemplos de biomassa incluem, mas não se limitam a, grãos de milho, espigas de milho, resíduos de colheitas tais como caules de milho, palha de milho, gramas, incluindo Miscanthus X giganteus Miscanthus sinensis e Miscanthus sacchariflorus, trigo, palha de trigo, feno, palha de arroz, switchgrass, papel usado, bagaço da cana-do-açúcar, sorgo, soja, componentes obtidos da moagem de grãos, árvores (p. ex. pinheiro), ramos, raízes, folhas, aparas de madeira, pasta de madeira, serradura, arbustos e silvados, vegetais, frutos, flores, estrume de animais, alimentação de multicomponentes, e biomassa de crustáceos (isto é, biomassa quitinosa). Pode ser preferível tratar a biomassa antes do uso no método da invenção. Por exemplo, a biomassa pode ser tratada mecanicamente, p. ex. por moagem ou trituração.

[015] Em uma modalidade preferida, a biomassa é contatada com a composição de líquido iônico antes do tratamento mecânico. Foi verificado que o tratamento da biomassa fornecida como aparas de madeira pode reduzir a energia requerida para moer a biomassa. A composição de IL parece funcionar como um lubrificante durante a fase de moagem. A biomassa lignocelulósica, fornecida como aparas de madeira, pode ser brevemente impregnada com uma composição de IL a temperatura ligeiramente elevada (70-100 °C, de preferência 90 °C) antes de ser aplicada uma etapa mecânica de redução do tamanho. A composição de IL pode se contatada com a biomassa por qualquer período de tempo, desde vários minutos até 18 horas ou mais, de preferência de 5 minutos a 1 hora. Isto pode ser seguido de um tratamento adicional com uma composição de líquido iônico tal como descrita no presente documento para solubilizar adicionalmente o teor em lignina da biomassa.

[016] Tal como usado no presente documento, “líquido iônico” se refere a uma espécie ionizada (isto é, cátions e ânions). Tipicamente, ele possui um ponto de fusão abaixo de cerca de 100 °C. Qualquer dos ânions listados abaixo pode ser utilizado em combinação com qualquer dos cátions listados abaixo para produzir um líquido iônico para uso na invenção.

[017] A lignina na biomassa lignocelulósica é solúvel no líquido iônico à temperaura de tratamento, mas a celulose não é, de tal modo que é produzida uma pasta que compreende a celulose. Outros componentes tais como a hemicelulose podem também de preferência se dissolver no líquido iônico.

[018] O cátion é um íon amônio, um seu derivado ou uma sua mistura. Estes cátions têm a fórmula geral

em que A1 a A4 são cada um deles independentemente selecionados de H, um grupo alifático, um carbociclo C3-6, uma arila C6-10, uma alquilarila, e uma heteroarila. De preferência, pelo menos um de A1 a A4 é H. De preferência, A1 a A4 são cada um deles independentemente selecionados de H e um grupo alifático. Em uma modalidade, um de A1 a A4 é H e os três restantes são cada um deles independentemente um grupo alifático. Alternativamente, dois de A1 a A4 são cada um deles H e os dois restantes são cada um deles independentemente um grupo alifático. Alternativamente, um de A1 a A4 é um grupo alifático e os três restantes são todos eles H. De preferência, o cátion não é amônio (NH4+), isto é, pelo menos um de A1 a A4 não é H.

[019] O termo “grupo alifático”, tal como usado no presente documento, se refere a um hidrocarboneto de cadeia linear ou ramificada que é completamente saturada ou que contém uma ou mais unidades de insaturação. Assim, um grupo alifático pode ser uma alquila, alcenila ou alcinila, de preferência com 1 a 12 átomos de carbono, de preferência até 6 átomos de carbono, ou mais de preferência até 4 átomos de carbono. O grupo alifático pode ter 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, ou 12 átomos de carbono.

[020] O termo “alquila”, tal como usado no presente documento, é tipicamente um grupo ou unidade alquila linear ou ramificada contendo de 1 a 20 átomos de carbono, tal como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ou 19 átomos de carbono. De preferência, o grupo ou unidade alquila contém 110 átomos de carbono, isto é, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ou 10 átomos de carbono, tal como um grupo ou unidade alquila C1-4 ou alquila C1-6, por exemplo metila, etila, n-propila, i- propila, n-butila, i-butila e t-butila, n-pentila, metilbutila, dimetilpropila, n-hexila, 2-metilpentila, 3- metilpentila, 2,3-dimetilbutila, e 2,2-dimetilbutila.

[021] O termo “alcenila”, tal como usado no presente documento, é tipicamente um grupo ou unidade alcenila linear ou ramificada contendo de 2 a 20 átomos de carbono, tal como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ou 19 átomos de carbono. De preferência, o grupo ou unidade alcenila contém 2-10 átomos de carbono, isto é, 2, 3, 4, 5,6, 7, 8, 9, ou 10 átomos de carbono, tal como um grupo ou unidade alcenila C2-4 ou alcenila C2-6, por exemplo etenila, 1- propenila, 2-propenila, 1-butenila, 2-butenila, 3-butenila, 1-pentenila, 2-pentenila, 3-pentenila, 4-pentenila, 1- hexenila, 2-hexenila, 3-hexenila, 4-hexenila, e 5-hexenila.

[022] O termo “alcinila”, tal como usado no presente documento, é tipicamente um grupo ou unidade alcinila linear ou ramificada contendo de 2 a 20 átomos de carbono, tal como 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, ou 19 átomos de carbono. De preferência, o grupo ou unidade alcinila contém 2-10 átomos de carbono, isto é, 2, 3, 4, 5,6, 7, 8, 9, ou 10 átomos de carbono, tal como um grupo ou unidade alcinila C2-4 ou alcinila C2-6, por exemplo etinila, 1- propinila, 2-propinila, 1-butinila, 2-butinila, 3-butinila, 1-pentinila, 2-pentinila, 3-pentinila, 4-pentinila, 1- hexinila, 2-hexinila, 3-hexinila, 4-hexinila, e 5-hexinila.

[023] O termo “carbociclo”, tal como usado no presente documento, se refere a um grupo cíclico saturado ou parcialmente insaturado com 3 a 6 átomos de carbono no anel, isto é, 3, 4, 5, ou 6 átomos de carbono. Um carbociclo é de preferência uma “cicloalquila”, que, tal como usada no presente documento, se refere a um grupo cíclico de um hidrocarboneto completamente saturado. De preferência, um grupo cicloalquila é um grupo cicloalquila C3-C6.

[024] O termo “grupo arila C6-10”, tal como usado no presente documento, designa um grupo arila constituído por 6, 7, 8, 9 ou 10 átomos de carbono, e inclui grupos de anéis condensados tais como um grupo de um anel monocíclico, ou um grupo de um anel bicíclico, e outros semelhantes. Especificamente, exemplos de “grupos arila C6-10” incluem o grupo fenila, grupo indenila, grupo naftila ou o grupo azulenila, e outros semelhantes. Deve notar-se que anéis condensados tais como o indano e tetraidronaftaleno estão também incluídos nos grupos arila.

[025] O termo “alquilarila”, tal como usado no presente documento, se refere a um grupo alquila tal como definido abaixo, substituído com uma arila tal como definida acima. O componente alquila de um grupo “alquilarila” pode ser subsituído com um ou mais dos substituintes listados acima para um grupo alifático, e o componente arila ou heteroarila de um grupo “alquilarila” ou “alquil-heteroarila” pode ser substituído com qualquer um ou mais dos substituintes listados acima para grupos arílicos e carbocíclicos. De preferência, a alquilarila é a benzila.

[026] O termo “heteroarila”, tal como usado no presente documento, se refere a um sistema de anéis aromáticos monocíclicos ou bicíclicos com 5 a 10 átomos no anel, isto é, 5, 6, 7, 8, 9, ou 10 átomos no anel, pelo menos um átomo no anel que é um heteroátomo selecionado de O, N ou S.

[027] Um grupo alifático, arílico, heteroarílico, ou carbocíclico, tal como referido no presente documento, pode ser não substituído ou pode ser substituído com um ou mais substituintes independentemente selecionados do grupo que consiste em grupos halo, alquila C1-6, -NH2, - NO2, -SO3H, -OH, alcoxi, -COOH, ou -CN.

[028] O termo “átomo de halogênio” ou “halo” utilizado no presente documento designa um átomo de flúor, um átomo de cloro, um átomo de bromo, um átomo de iodo e outros semelhantes, de preferência um átomo de flúor ou um átomo de cloro, e mais de preferência um átomo de flúor.

[029] O líquido iônico pode conter um dos cátions listados, ou uma sua mistura.

[030] De preferência, o cátion é um alquilamônio ou uma sua mistura. Opcionalmente, um ou mais dos grupos alquila pode(m) ser substituído(s) com -OH para formar um alcanolamônio, que também pode ser referido como um alcoolamônio. Tal como usado no presente documento, um “alquilamônio” inclui trialquilamônios, dialquilamônios, monoalquilamônios, e alcoolamônios incluindo trialcoolamônios, dialcoolamônios e monoalcoolamônios. Os trialquilamônios incluem o trimetilamônio, trietilamônio, e o trietanolamônio. Exemplos de dialquilamônios incluem o dietilamônio, diisopropilamônio, e o dietanolamônio. Os monoalquilamônios incluem o metilamônio, etilamônio, e o monoetanolamônio.

[031] Um outro cátion preferido é o dietilbenzilamônio.

[032] O ânion é selecionado entre um alquilsulfato C1-20 [AlquilSO4]-, alquilsulfonato C1-20 [AlquilSO3]-, hidrogenossulfato [HSO4]-, hidrogenossulfito [HSO3]-, dihidrogenofosfato [H2PO4]-, hidrogenofosfato [HPO4]2- e acetato, [MeCO2]- ou uma sua mistura, desde que se o ânion for acetato, então a composição compreenderá 10-40% v/v de água. De preferência o ânion é selecionado de metilsulfato [MeSO4]-, hidrogenossulfato [HSO4]-, metanossulfonato [MeSO3]-, e acetato [MeCO2]-.

[033] Os líquidos iônicos preferidos para uso na invenção são o [alquilamônio][HSO4], por exemplo hidrogenossulfato de trietilamônio [Etil3NH][HSO4], hidrogenossulfato de dietilamônio [Etil2NH2][HSO4], e o hidrogenossulfato de etilamônio [EtilNH3][HSO4].

[034] Os líquidos iônicos podem ser preparados por métodos conhecidos do perito na técnica, ou obtidos comercialmente.

[035] Foi surpreendentemente descoberto que o rendimento na etapa de sacarificação pode ser melhorado se a composição de pré-tratamento compreender água. Por conseguinte, em uma modalidade preferida, a composição compreende o IL e 5-40% v/v de água. De preferência, a composição compreende 20-30% v/v de água, de preferência 1020% v/v.

[036] Foi também descoberto que a presença de um excesso de ácido acelera o pré-tratamento, o que resulta em uma melhoria na remoção da lignina e, assim, em rendimentos melhorados para a sacarificação, uma vez que a lignina interfere com a ligação da enzima. Deste modo, o rendimento para a glicose é melhorado. Por conseguinte, em uma modalidade preferida, a composição compreende ainda 0,0120% v/v de ácido, de preferência 1-5% v/v de ácido. A adição de uma pequena quantidade de ácido acelera significativamente o processo de pré-tratamento quando outras variáveis tais como o teor de água e a temperatura são mantidos constantes. O ácido pode ser selecionado de qualquer ácido forte conhecido, tal como o ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido iodídrico, ácido perclórico e ácido bromídrico. De preferência, o ácido é o ácido sulfúrico ou fosfórico.

[037] Os líquidos iônicos da presente invenção dissolvem a lignina contida na biomassa, mas não dissolvem a celulose. A maior parte da celulose permanece sólida, de preferência pelo menos 90%, mais de preferência 95%. A maior parte da celulose permanece não expandida, de preferência pelo menos 90%, mais de preferência 95%, ainda mais de preferência 99%. A expansão pode ser medida por métodos bem conhecidos dos peritos na técnica. Um desses métodos é a medição dos diâmetros e comprimentos das fibras antes e depois do tratamento usando um microscópio ótico ou SEM, ou por difração de pós. A celulose sólida pode ser facilmente removida da fase líquida mecanicamente, por exemplo por filtração. A pasta separada pode então ser lavada e usada no processo de sacarificação. Isto remove a necessidade de uma etapa separada de precipitação para se obter a celulose, uma vez tratada a biomassa. Assim, em uma modalidade preferida, o método da invenção compreende ainda a etapa de separação do líquido iônico da pasta produzida. Foi surpreendentemente descoberto que a solubilidade da lignina é mais alta em IL que contenha um cátion de alquilamônio, em comparação com um cátion à base de imidazólio. Por exemplo, o rendimento para a lignina obtida foi superior para o sulfato de trietilamônio [HNEt3][HSO4] em comparação com o hidrogenossulfato de 1- butilimidazol [C4Him] [HSO4] - 30% em peso vs. 25% em peso a 90 °C.

[038] Em uma modalidade preferida, a pasta é lavada com água ou um solvente orgânico miscível com o líquido iônico. A eficiência da separação e a recuperação do líquido iônico podem ser melhoradas por lavagem da pasta com água ou com um solvente orgânico que seja miscível com o líquido iônico. A água ou o solvente orgânico é removido antes ou potencialmente depois da lignina ser precipitada. Exemplos de solventes orgânicos adequados incluem álcoois alifáticos tais como o metanol e o etanol.

[039] É possível separar por precipitação a lignina dissolvida nas composições de IL. Por conseguinte, em uma outra modalidade preferida, o método compreende ainda (c) a adição de um antissolvente ao líquido iônico que foi separado da pasta, para separar por pecipitação a lignina dissolvida; e (d) a separação do sólido precipitado do antissolvente/líquido iônico.

[040] Tal como usado no presente documento, um “antissolvente” é um líquido que faz com que a lignina se separe por precipitação do líquido iônico contendo a lignina solubilizada produzida na etapa (a). Em geral, um “antissolvente” é um solvente no qual a lignina é insolúvel. O antissolvente é de preferência água. O líquido iônico pode ser recuperado por remoção do antissolvente, por exemplo por evaporação. O líquido iônico resultante pode então ser reciclado para ser usado de novo no método. Assim, em uma outra modalidade, o método compreende ainda (e) a remoção do antissolvente do líquido iônico obtido em (d). Uma vez que a presença de alguma água durante a etapa (a) melhora o rendimento, é necessária menos energia para secar o IL.

[041] A pasta de celulose obtida a partir do método da invenção pode ser usada para ser submetida a sacarificação e se obter glicose. Esta pode então ser utilizada no processo de fermentação para se obter biocombustível e produtos bioquímicos. Deste modo, em um segundo aspeto, a invenção fornece um processo de preparação de glicose a partir de biomassa de lignocelulose, que compreende a submissão de uma pasta de celulose obtenível por meio de métodos apropriados da invenção a hidrólise enzimática. Em um outro aspeto, a invenção fornece glicose obtida por meio desta hidrólise.

[042] Enzimas apropriadas para uso no processo incluem preparações comercialmente disponíveis de celulases tais como a T. reseei celulase e a Novozyme 188 celobiase, que também contém atividade hemicelulolítica. Outras enzimas úteis incluem as esterases, quer as acetilesterases, quer as feruloilesterases, que clivam substituintes que são esterificados para originarem hemicelulose. O processo é de preferência levado a cabo em um meio aquoso, a um pH adequado para as enzimas. As condições podem ser otimizadas em relação ao pH, temperatura e meio usado, dependendo da mistura de enzimas requerida. Tais métodos são bem conhecidos do especialista. O processo é de preferência levado a cabo de acordo com “Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass” (NREL/TP-510-42629), data de publicação 3/21/2008.

[043] Em um outro aspeto, a invenção se refere a lignina obtida por métodos adequados, tais como descritos no presente documento.

[044] A invenção vai agora ser descrita nos exemplos não limitativos que se seguem, com referência às seguintes figuras:

[045] A Figura 1 esboça o processo de desconstrução da lignocelulose por líquidos iônicos. O material lavado, rico em carboidratos (CRM), pode de seguida ser adicionalmente processado para produzir uma variedade de produtos que podem ser utilizados como combustíveis, produtos químicos e solventes, por exemplo os açúcares podem ser fermentados para fabricar bioetanol. A lignina obtida (parte inferior, lado esquerdo) pode também ser usada para fabricar uma gama de produtos bioquímicos ou biocombustíveis.

[046] A Figura 2 mostra a desconsrução de Miscanthus em [RxNHy][HSO4]80%.

[047] A Figura 3 ilustra os resultados do ensaio de sacarificação enzimática a 50 °C durante 72 horas como uma porcentagem dos açúcares com base em 0,1 g de CRM recuperado após o processo de tratamento com líquido iônico.

[048] A Figura 4 mostra os resultados do ensaio de sacarificação enzimática a 50 °C durante 72 horas como uma porcentagem do CRM com base em 0,1 g de CRM recuperado após o processo de tratamento com líquido iônico.

[049] A Figura 5 ilustra o espetro de RMN de 13C com polarização cruzada com rotação em torno do ângulo mágico (CP-MAS) para Miscanthus giganteus não tratada e Miscanthus pré-tratada com hidrogenossulfato de trietilamônio a 80%p em misturas de água a 20%p a 120 °C. A figura mostra que os picos pertencentes à lignina e à hemicelulose das amostras não tratadas desapareceram, sugerindo que a lignina e a hemicelulose foram removidas após o processo de pré- tratamento.

[050] A Figura 6 ilustra os difratogramas de raios X de Miscanthus giganteus não tratada, e da pasta resultante após tratamento com hidrogenossulfato de trietilamônio a 80%p em misturas de água a 20%p durante 8, 16, 24 horas. Não existe qualquer evidência de transformação da estrutura da celulose cristalina I nativa em celulose II, que é observada se a celulose estiver expandida ou dissolvida.

EXEMPLOS EXEMPLO 1 SÍNTESE DE LÍQUIDOS IÔNICOS [HNR3] [HSO4]

[051] H2SO4 a 95%p (2,5 moles, 245 g) foi dissolvido em água destilada (200 mL), resultando em uma solução 12 M de H2SO4. Esta solução foi adicionada gota-a- gota à amina (isto é, 2,5 moles, 252,5 g de trietilamina) no decorrer de 1 hora. Este processo foi conduzido em um banho de gelo para manter a temperatura baixa. Após aquecimento à temperatura ambiente, a mistura foi agitada vigorosamente durante a noite. Foi removido o excesso de água do líquido iônico por meio de um evaporador rotativo, e este foi posteriormente seco em vácuo durante a noite.

DESCONSTRUÇÃO DA BIOMASSA EM LÍQUIDOS IÔNICOS [HNR3] [HSO4]

[052] Na Figura 1 está sumariado um fluxograma do processo de desconstrução. Miscanthus giganteus (1,0 g com base na secagem em uma estufa) com tamanhos de partícula de 180-850 μm foi carregada em um frasco de cultura. Foram adicionados líquido iônico [HNR3][HSO4] (8 mL) e água destilada (2 mL), dando um volume total de 10 mL. O frasco foi fechado com uma tampa de rosca de forma apertada, colocado em uma estufa e incubado a 120 °C durante 22 h. Depois de completada a incubação, a mistura foi filtrada, dando material rico em carboidratos (CRM) e licor. O CRM foi lavado com metanol (MeOH) três vezes e depois seco à temperatura ambiente por alguns dias. Os filtrados foram coletados e combinados com o licor. A solução combinada foi então seca para evaporar o MeOH, dando origem ao licor concentrado. Foi de seguida adicionada água ao licor concentrado, precipitando a lignina. O CRM foi guardado para o ensaio de sacarificação enzimática. A lignina precipitada foi seca à temperatura ambiente. O processo foi repetido para a desconstrução em outros líquidos iônicos.

SACARIFICAÇÃO

[053] A sacarificação enzimática foi efetuada de acordo com a LAP “Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass” (NREL/TP-510-42629), data de publicação 3/21/2008. As enzimas foram a T. reseei celulase e a Novozyme 188 celobiase, que também contém atividade hemicelulolítica e pode, por conseguinte, hirolisar o xilano (ambas da Sigma-Aldrich). Os rendimentos para a glicose e a hemicelulose foram calculados com base no teor de glicose e hemicelulose na biomassa não tratada, respetivamente.

EXEMPLO 2

[054] Foi comparada a influência do número de átomos de hidrogênio presentes no íon amônio. Foram preparados líquidos iônicos em que o cátion continha 1, 2, ou 3 grupos etila, e se comparou o desempenho, tal como se mostra na Tabela 1. A recuperação da pasta se refere aos carboidratos totais recuperados no sólido. A porcentagem (%) solubilizada se refere à porcentagem de biomassa que se dissolveu no líquido iônico.

[055] A Figura 2 mostra uma comparação da desconstrução de Miscanthus em vários alquilamônios, [RxNHy][HSO4]80%, em que R é etila, x é 1-3 e y é 1-3.

[056] O tratamento foi levado a cabo a 120 oC durante 22 h. Para o [NH4][HSO4], a massa recuperada foi de mais de 200%. O bissulfato de amônio ([NH4][HSO4]) é um sal, em oposição a um líquido iônico. O sal cristalizou na pasta, de modo que o rendimento calculado é extremamente elevado devido a contaminação com o solvente sólido. Os hidrogenossulfatos de alquilamôio testados foram líquidos iônicos. A recuperação da pasta melhora à medida que o número de grupos alquila aumenta no cátion usado no líquido iônico.

[057] A atividade dos líquidos iônicos foi comparada levando a cabo uma curta reação de sacarificação. A reação não foi efetuada durante mais tempo, caso contrário os rendimentos poderiam[A.B.1] ser demasiado elevados para se ser capaz de fazer uma comparação significativa entre os diferentes cátions.

[058] A Figura 3 mostra os resultados do ensaio de sacarificação enzimática a 50 °C durante 72 Horas como porcentagem dos açúcares. A Figura 4 mostra os resultados do ensaio de sacarificação enzimática a 50 °C durante 72 Horas como porcentagem do CRM.

[059] Os rendimentos para os açúcares (tanto glicose como xilose, tal como se mostra como porcentagem de celulose ou de hemicelulose convertida nas colunas marcadas Y na Tabela 1) são mais elevados para o cátion [HNEt3], com [H2NEt2] perto. No entanto, o [H2NEt2] dissolve mais hemicelulose e/ou lignina. O [H3NEt] dissolve ainda mais hemicelulose e lignina, e tem uma porcentagem mais baixa de conversão em glicose. Assim, sob as mesmas condições reacionais, os rendimentos de sacarificação aumentam, tal como determinados pelo “Total hidrolisado” na Tabela 1, quando um cátion com mais grupos alquila é usado no líquido iônico.TABELA 1

X = Por exemplo para [NH4][HSO4], apenas 10,13% da biomassa foi hidrolisada a glicose. X” = Por exemplo para [NH4][HSO4], após tratamento, 33,47% da biomassa era celulose não hidrolisada. Y = Por exemplo para [NH4][HSO4], 23,25% de conversão se refere a: (10,13% de celulose hidrolisada / 43,6% (celulose em mischantus) x 100 = 23,25% 1. Rendimento de sacarificação em relação à lignocelulose global não tratada (X). 2. Rendimento em relação ao valor teórico possível, p. ex., % de glicose obtida a partir dos 43,6% de celulose contida em Miscanthus antes do tratamento (Y). 3. Quantidade de celulose não recuperada por sacarificação enzimática em relação à quantidade total na biomassa global não tratada (X’’). 4. Quantidade de hemicelulose não recuperada por sacarificação enzimática em relação às quantidades totais na biomassa global não tratada (X’’).

EXEMPLO 3 1. PRÉ-TRATAMENTO DA BIOMASSA:

[060] Foram adicionados 8 g de hidrogenossulfato de trietilamônio seco (razão ácido:base de 1:1 mol/mol) e 2 g de água (menos a quantidade de umidade introduzida pela biomassa) a tubos de pressão ACE de 15 mL com tampa de Teflon e O-ring de silicone e misturados, tendo- se de seguida adicionado Miscanthus X gigantheus seca ao ar (os caules inteiros, moídos e peneirados, na gama dos tamanhos de partícula de 180-850 μm). O frasco foi tapado de forma apertada e colocado em uma estufa durante 24 horas a 120 °C. Todos os experimentos foram efetuados em triplicado.

2. FRACIONAMENTO

[061] O frasco ACE foi deixado a resfriar até à temperatura ambiente (RT). Foram adicionados 40 mL de etanol absoluto e a suspensão foi transferida para um tubo de centrifugação de plástico de 50 mL. O tubo foi deixado à RT por 1 h e centrifugado por 50 minutos à velocidade máxima. O sólido foi separado da solução líquido iônico-etanol contendo lignina, através de decantação cuidadosa. O líquido foi coletado em um balão de fundo redondo limpo de 250 mL com uma barra de agitação. Foram adicionados 40 mL de etanol fresco e a lavagem e separação repetidas mais 3 vezes. A pasta foi transferida para agitadores de celulose e extraída com um Soxhlet com 150 mL de etanol absoluto durante 20 h no total. As lavagens combinadas do líquido iônico-etanol foram secas com um evaporador rotativo ou um evaporador paralelo a 40 °C até o IL se ter solidificado.

[062] A pasta úmida foi seca no agitador durante a noite. Uma vez seca, a pasta foi transferida do agitador para um pedaço de folha de alumínio tarada em uma balança analítica, o peso seco ao ar registrado e a pasta armazenada em um saco de plástico rotulado. O teor em umidade da pasta foi determinado para se calcular o rendimento para a pasta seca na estufa.

3. PRECIPITAÇÃO DA LIGNINA E LAVAGEM:

[063] O licor de IL seco foi misturado com água destilada (1 g de IL : 3 mL de água destilada) e deixado durante pelo menos 1 h, depois transferido para um tubo de centrifugação de 50 mL e centrifugado por 40 minutos. A lignina foi separada da solução por decantação. O precipitado foi lavado por adição de água destilada (a mesma quantidade que para a precipitação, 1 g de IL : 3 mL de água destilada), seguido de centrifugação durante 40 minutos e decantação (repetições de 2x da lavagem da pelota de lignina). Depois da terceira decantação, a lignina foi seca usando uma estufa de vácuo a 45 °C e o rendimento determinado.

SACARIFICAÇÃO ENZIMÁTICA

[064] As pastas secas ao ar foram submetidas a sacarificação enzimática seguindo o procedimento da LAP “Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass” (NREL/TP-510-42629). As enzimas foram a T. reseei celulase e a Novozyme 188 celobiase, que também contém atividade hemicelulolítica e pode, por conseguinte, hidrolisar o xilano (ambas da Sigma-Aldrich).

ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO

[065] O teor em glucano, hemicelulose e lignina de Miscanthus não tratada foi determinado levando a cabo os seguintes procedimentos da LAP “Preparation of samples for compositional analysis” (NREL/TP-510-42620) e “Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass” (NREL/TP- 510-42618). Os extratos em Miscanthus giganteus não tratada foram removidos e quantificados de acordo com a LAP “Determination of extractives in biomass” (NREL/TP-510- 42619).

[066] O peso da biomassa de lignocelulose seca na estufa (ODW) foi determinado de acordo com o procedimento descrito na LAP “Determination of Total Solids in Biomass and Total Dissolved Solids in Liquid Process Samples” (NREL/TP- 510-42621).

[067] A Tabela 2 apresenta os rendimentos do fracionamento após pré-tratamento de Miscanthus com hidrogenossulfato de trietilamônio a 80% em misturas de água a 20%p (razão ácido:base de 1:1) a 120 °C durante 24 h. O solvente de lavagem usado para separar a pasta do IL/lignina foi o etanol. São também apresentados os rendimentos para a glicose e xilose após 7 dias de sacarificação enzimática da fração da pasta. O teor em lignina foi de 24,5%, o teor em xilose de 24,3% e o teor em glucano na biomassa não tratada de 47,7%. É mostrado que o rendimento para a lignina é mais elevado do que o verificado com sais de alquilimidazólio, enquanto que os rendimentos da sacarificação são bons.

[068] A Figura 5 ilustra o espetro de RMN de 13C com polarização cruzada com rotação em torno do ângulo mágico (CP-MAS) para Miscanthus giganteus não tratada e Miscanthus pré-tratada com hidrogenossulfato de trietilamônio a 80%p em misturas de água a 20%p a 120 °C. A figura mostra que os picos pertencentes à lignina e à hemicelulose das amostras não tratadas desapareceram, sugerindo que a lignina e a hemicelulose foram removidas após o processo de pré- tratamento.

[069] A Figura 6 ilustra os difratogramas de raios X de Miscanthus giganteus não tratada, e da pasta resultante após tratamento com hidrogenossulfato de trietilamônio a 80%p em misturas de água a 20%p durante 8, 16, 24 horas. Não existe qualquer evidência de transformação da estrutura da celulose cristalina I nativa em celulose II, que é observada se a celulose estiver expandida ou dissolvida.

Claims (19)

1. MÉTODO DE TRATAMENTO DE UMA BIOMASSA PARA DISSOLVER A LIGNINA NELA CONTIDA, MAS NÃO A CELULOSE, compreendendo: (i) o contato da biomassa de lignocelulose com uma composição compreendendo um líquido iônico para produzir uma pasta de celulose, caracterizado pelo líquido iônico compreender: (ii) um cátion de Fórmula I

em que um entre A1 a A4 é H e os três restantes são, cada um, independentemente, um C1-6 alifático ou dois de A1 a A4 são cada um H e os dois restantes são, cada um, independentemente, um C1-6 alifático; e (iii) um ânion selecionado de um alquilsulfato C1-3 [AlquilSO4]-, alquilsufonato C1-3 [AlquilSO3]-, hidrogenossulfato [HSO4]-, hidrogenossulfito [HSO3]-, dihidrogenofosfato [H2PO4]-, hidrogenofosfato [HPO4]2- e acetato, [MeCO2], em que, se o ânion for acetato, então a composição compreenderá ainda 10-40% volume/volume de água.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo referido cátion ser um alquilamônio ou sua mistura.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo referido cátion ser um álcool amônio ou sua mistura.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo ânion ser selecionado de [MeSO4]-, acetato, [HSO4]- e [MeSO3]-.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo cátion ser selecionado de trimetilamônio, trietilamônio, trietanolamônio, dietilamônio, diisopropilamônio e dietanolamônio.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo líquido iônico ser [alquilamônio][hidrogenossulfato].

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo líquido iônico ser hidrogenossulfato [HSO4]- de trietilamônio ou hidrogenossulfato [HSO4]- de dietilamônio.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela composição compreender 5-40% volume/volume de água.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo líquido iônico compreender ainda 0,01-20% volume/volume de ácido.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pela biomassa de lignocelulose ser contatada com a composição a 100-180°C.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela biomassa de lignocelulose ser contatada com a composição durante 15 minutos a 24 horas.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por compreender ainda a etapa de: (b) separação do líquido iônico da pasta produzida em (a).

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela biomassa ser contatada com a composição antes do processamento mecânico, tal como a moagem ou a trituração.

14. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pela biomassa ser contatada com a composição após processamento mecânico, tal como a moagem ou a trituração.

15. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por compreender ainda a etapa de lavagem da pasta com água ou com um solvente orgânico que seja miscível com o líquido iônico.

16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender ainda a etapa de (c) adição de um antissolvente ao líquido iônico obtido em (b) para precipitar a lignina dissolvida; e (d) separação do sólido precipitado do antissolvente/líquido iônico.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender ainda a etapa de (e) remoção do antissolvente do líquido iônico obtido em (d).

18. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 ou 17, caracterizado pelo antissolvente ser a água.

19. PROCESSO DE PREPARAÇÃO DE GLICOSE A PARTIR DE UMA BIOMASSA DE LIGNOCELULOSE, caracterizado por compreender a submissão da pasta de celulose obtenível pelo método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, a hidrólise enzimática.

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