BR112015023673B1 - Método de integração de processos a uma usina existente e método para tratar matéria- prima celulósica - Google Patents

Método de integração de processos a uma usina existente e método para tratar matéria- prima celulósica Download PDF

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Abstract

MÉTODO DE INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS A UMA USINA EXISTENTE E MÉTODO PARA TRATAR MATÉRIA-PRIMA CELULÓSICA A presente invenção descreve processo para utilização de uma única matéria-prima celulósica ou uma combinação de duas ou mais diferentes matérias-primas celulósicas com um componente de amido para produzir um produto fermentado. O processo inclui separação dos componentes das matérias-primas celulósicas com fracionamento, pré- tratamento com fracionamento úmido com produtos químicos, hidrólise e fermentação da(s) matéria(s)-prima(s) pré-tratada(s) para produzir biocombustível celulósico. O processo pode incluir a combinação da(s) matéria(s)-prima(s) celulósica(s) com outros componentes a um processo de cozimento e/ou de fermentação, destilação e desidratação dos componentes combinados para produzir o biocombustível. O processo também pode incluir a produção de um fluxo de mosto completo da(s) matéria(s)-prima(s) e processamento mecânico do fluxo de mosto completo para produzir um ração animal de proteína de alto valor.

Description

Referência Cruzada ao Pedido Relacionado
[0001] Esse pedido reivindica prioridade ao documento PCT/US2014/029042 intitulado “Celullosic Biofuel”, depositado em 14 de março de 2014, que reivindica prioridade do Pedido de Provisão Norte-Americano No 61/799.942 intitulado “Celullosic Biofuel”, depositado em 15 de março de 2013, cujos conteúdos são por esse documento incorporados por referência em suas integridades.
Campo da Invenção
[0002] A presente invenção refere-se ao tratamento de componentes de uma única matéria-prima ou de uma combinação de diferentes matérias-primas ao submeter uma variedade de processos que são integrados ou retroajustados a uma usina existente, e combinação da(s) matéria(s)-prima(s) com outros componentes produzidos da usina existente para produzir etanol, biocombustível celulósico e ração animal de proteína de alto valor.
Histórico da Invenção
[0003] Os Estados Unidos contam com petróleo importado para atender às necessidades de combustível de transporte. Para reduzir a dependência do petróleo importado, o Congresso aprovou a Lei de Política de Energia para estabelecer um Programa de Padrão de Combustível Renovável (RFS). O Programa RFS inclui um mandato para misturar combustível renovável em combustível de transporte. O combustível renovável inclui diesel com base em biomassa, biocombustível avançado e biocombustível celulósico. Até 2022, a Agência de Proteção Ambiental (EPA) propõe que 36 bilhões de galões de combustível renovável sejam misturados de acordo com o Programa RFS. Para 2013, a EPA sugeriu que pelo menos 10 por cento do fornecimento de combustível geral utilizado nos Estados Unidos seja de combustível renovável. Por exemplo, essa é uma produção de volume esperada de biocombustível celulósico em 14 milhões de galões por ano. (EPA-420-F-13-007, janeiro de 2013).
[0004] Como um resultado do Programa RFS, as usinas estão avaliando novas tecnologias para produzir biocombustível celulósico de uma variedade de matérias- primas. Etanol celulósico é um biocombustível produzido ao converter açúcares em celulose para álcool combustível. As usinas estão integrando as novas tecnologias para produzir biocombustível celulósico com suas usinas existentes ao converter materiais celulósicos e amidos de grãos em biocombustível. A integração das novas tecnologias para produzir biocombustível celulósico às usinas existentes ajuda a reduzir o custo para a produção comercial de biocombustível celulósico ao utilizar a infraestrutura de tubulação, armazenamento e carregamento nas usinas existentes.
[0005] Os materiais celulósicos são abundantes, uma vez que celulose é encontrada em plantas, árvores, arbustos, gramíneas, e outras partes de plantas (isto é, restos de culturas de milho: folhas, cascas, caules, espigas). Celulose é um componente da parede celular de plantas verdes. Entretanto, a conversão de materiais celulósicos em biocombustível celulósico tende a ser desafiadora. Os desafios incluem dificuldade na liberação dos açúcares no material celulósico; a liberação dos açúcares produz subprodutos que inibem a fermentação; e dificuldade na fermentação dos açúcares. Da mesma forma, há uma necessidade de converter a matéria-prima celulósica em biocombustível celulósico em uma maneira eficiente em termos de custo para atender ao mandato de RFS.
Descrição Resumida da Invenção
[0006] A presente invenção descreve um processo para integrar processos a uma usina existente para aumentar a produção geral. O processo inclui a identificação de uma usina existente que converte grão em etanol, em que a usina existente compreende um processo de moagem, um processo de cozimento, um processo de fermentação, um processo de destilação, um processo de desidratação, um processo de evaporação, um processo de separação de sólido e líquido, um processo de propagação. Os processos para integrar incluem: adição de um processo de fracionamento para separar farelo de outros componentes na matéria- prima, adição de um processo de pré-tratamento ao utilizar água e calor para quebrar celulose e hemicelulose no farelo, e adição de um processo de hidrólise e de fermentação celulósica para hidrolisar o farelo com uma enzima celulase e para fermentar com um organismo para produzir cerveja celulósica. Depois, o processo combina a cerveja celulósica com amido do grão na usina existente ao processo de fermentação para aumentar a produção geral por unidade de matéria-prima na usina existente.
[0007] A presente invenção descreve um processo para tratar matéria-prima celulósica. O processo inclui fracionamento de uma matéria-prima celulósica ao separar componentes da matéria-prima celulósica em um fluxo de partículas grandes de um fluxo de partículas pequenas, e pré-tratamento do fluxo de partículas grandes ao adicionar água ao fluxo de partículas grandes em um tanque para criar uma pasta fluida de poucos sólidos, em que uma porcentagem de sólidos na pasta fluida de poucos sólidos compreende menos que cerca de 25%. Depois, o processo inclui injeção de vapor diretamente à pasta fluida de poucos sólidos para elevar a temperatura da pasta fluida de poucos sólidos, adição de um produto químico à pasta fluida de poucos sólidos aquecida para fazer com que uma zona de reação ocorra; e hidrólise e fermentação da pasta fluida de poucos sólidos para produzir cerveja celulósica.
[0008] A presente invenção também descreve um processo para produzir um produto fermentado. O processo inclui pré-tratamento de uma matéria-prima celulósica ao adicionar calor e um ácido para quebrar celulose e hemicelulose e utilização de uma base para neutralização, e hidrólise da matéria-prima pré-tratada ao adicionar uma enzima para converter celulose e hemicelulose em açúcares e fermentação da matéria-prima pré-tratada com um organismo para produzir o produto fermentado.
[0009] Esse sumário é provido para introduzir uma seleção de conceitos de forma simplificada que são descritos abaixo na descrição detalhada. Esse sumário não é destinado a identificar os aspectos importantes ou aspectos essenciais do assunto revelado nem é destinado a ser utilizado para imitar o escopo do assunto reivindicado. Outros aspectos e vantagens do assunto reivindicado serão aparentes a partir da descrição detalhada das concretizações a seguir e das figuras anexas.
Breve Descrição das Figuras
[0010] A descrição detalhada é estabelecida com referência às figuras anexas. Nas figuras, o(s) dígito(s) mais à esquerda de um número de referência identifica a figura na qual o número de referência aparece. O uso dos mesmos números de referência em diferentes figuras indica itens semelhantes ou idênticos. As figuras não limitam o assunto reivindicado às concretizações específicas aqui descritas.
[0011] A Figura 1 ilustra um exemplo de processo com fracionamento a seco para produzir biocombustível celulósico.
[0012] As Figuras 2 e 3 ilustram um exemplo de processo de fracionamento a seco.
[0013] A Figura 4 ilustra um exemplo de processo de pré-tratamento.
[0014] A Figura 5 ilustra um exemplo de processo de hidrólise.
[0015] A Figura 6 ilustra um exemplo de processo com fracionamento úmido de linha de frente para produzir biocombustível celulósico e ração animal de proteína de alto valor.
[0016] A Figura 7 ilustra um exemplo de processo do fracionamento úmido de linha de frente.
[0017] A Figura 8 ilustra outro exemplo de processo do fracionamento úmido de linha de frente.
[0018] A Figura 9 ilustra outro exemplo de processo do fracionamento úmido de linha de frente.
[0019] A Figura 10 ilustra um exemplo de processo com fracionamento úmido de retaguarda para produzir biocombustível celulósico e ração animal de proteína de alto valor.
[0020] A Figura 11 ilustra um exemplo de processo do fracionamento úmido de retaguarda.
Descrição Detalhada da Invenção Visão Geral
[0021] A presente invenção descreve técnicas para utilizar uma única matéria-prima celulósica ou uma combinação de duas ou mais matérias-primas celulósicas diferentes para produzir biocombustível celulósico em processos que são integrados ou retroajustados com uma usina existente. Um benefício da produção do biocombustível celulósico inclui a redução de emissões de gás de efeito estufa (GEE) em 85% pela gasolina reformulada. Por exemplo, o projeto integrado diminuirá os custos de produção da usina existente, enquanto elimina a entrada de combustível fóssil direta à usina existente. Como resultado, a impressão de carbono pode ser de cerca de 42 g CO2e/MJ de etanol produzido. Um benefício esperado geral da presente invenção inclui a aceleração do biocombustível celulósico eficaz em termos de custos no mercado para reduzir o consumo de petróleo importado. Outro benefício é o aumento da produção geral por unidade de matéria-prima na usina existente.
[0022] As variáveis que afetam a lucratividade de produção do biocombustível celulósico incluem ser capaz de integrar as novas tecnologias para reduzir o custo de produção comercial do biocombustível celulósico. Os benefícios do projeto integrado incluem a utilização de infraestrutura de vias, trabalho, água, tubulação, armazenamento e carregamento existente disponível na usina existente. Outros benefícios incluem a geração de produtos diversificados, como calor, energia e alimentação animal e tendo formação de incrustação diminuída em superfícies sólidas que são prejudiciais à função que é parte do processo integrado. Além desses benefícios, os processos descritos incluem a reciclagem de calor e energia, aumentando a produção por unidade de matéria-prima de biocombustível e produzindo o biocombustível celulósico.
[0023] Os processos integrados para produzir o biocombustível celulósico incluem como produzir o produto fermentado ao utilizar uma única matéria-prima celulósica de milho e seus componentes, uma única matéria-prima celulósica ou combinada de sorgo granífero e milho, ou uma matéria-prima combinada de outras partes de plantes, biomassa celulósica, cultivo de árvores, produção de energia, ou outros tipos de gramíneas. Esses materiais são abundantes conforme encontrados em plantas, árvores, arbustos, gramíneas e outras partes de plantas (isto é, restos de culturas de milho: folhas, cascas, caules, espigas).
[0024] Os processos integrados incluem moagem ou separação dos componentes da(s) matéria(s)-prima(s), pré-tratamento de um componente da(s) matéria(s)- prima(s) com produtos químicos, ajuste do pH da(s) matéria(s)-prima(s) pré- tratada(s), hidrólise e fermentação da(s) matéria(s)-prima(s) pré-tratada(s) para produzir o biocombustível celulósico. Os processos também podem incluir a combinação da(s) matéria(s)-prima(s) fermentada(s) com outros componentes da(s) matéria(s)-prima(s) para cozimento e/ou fermentação, destilação e desidratação da(s) matéria(s)-prima(s) fermentada(s) para produzir etanol e o biocombustível celulósico. Os processos também podem incluir a produção de um fluxo de vinhaça completo e processamento mecânico do fluxo de vinhaça completo para produzir uma ração animal de proteína de alto valor. Qualquer número dos processos descritos pode ser combinado em qualquer ordem para implementar o método, ou um método alternativo. Ademais, também é possível que uma ou mais das etapas providas sejam omitidas.
[0025] Embora os aspectos das técnicas descritas possam ser implementados em qualquer número de diferentes ambientes e/ou configurações, as implementações são descritas no contexto do seguinte ambiente de exemplo. Embora as técnicas sejam descritas para um processo integrado, essas técnicas podem ser aplicadas para co-localização de uma usina para produzir biocombustível celulósico próximo a uma usina existente. Ambiente Ilustrativo
[0026] As Figuras 1-11 incluem fluxogramas que apresentam os exemplos de processos. Os processos podem ser realizados utilizando diferentes ambientes e equipamentos. Os equipamentos não devem ser construídos como ordem necessária dependente de seu desempenho. Qualquer número dos processos ou peças de equipamentos pode ser combinado em qualquer ordem para implementar o método, ou um método alternativo. Ademais, também é possível que uma ou mais das etapas ou peças de equipamentos providas sejam omitidas.
[0027] A Figura 1 ilustra um exemplo de processo (100) de visão geral com fracionamento a seco para produzir biocombustível celulósico, etanol e ração animal. A série de operações pode ser encontrada em um processo de moagem a seco de uma usina. Por exemplo, o processo (100) apresentado opera de maneira contínua. Entretanto, os processos celulósicos podem ser realizados em um processo por lote, em um processo contínuo e por lote combinado, em um processo de moagem úmido, um processo de moagem a seco modificado ou um processo de moagem a seco.
[0028] O processo (100) pode receber matérias-primas que incluem, entre outros, restos de culturas de milho: folhas, cascas, caules, espigas, sorgo granífero, sorgo de energia, painço amarelo, fibra cativa, biomassa, cultivos para produção de energia, cultivos de árvores, plantas, árvores, arbustos, gramíneas, grão de milho e similares. As matérias-primas podem incluir um tipo individual, dois tipos combinados ou quaisquer combinações ou misturas de matérias-primas em diversas variações de porcentagem. Uma usina processa as matérias-primas celulósicas para convertê-las em diferentes co-produtos que podem incluir farelo a ser convertido em biocombustível celulósico, endosperma a ser convertido em produtos com base em amido e com base em fermentação, como etanol, xarope, alimento e amido industrial, semente a ser extraído para petróleo, proteína de grau alimentício, ração para alimentação animal rica em fibra, e refeição de proteína de grau alimentício ração animal de alto teor de proteína. Outros tipos de aplicação incluem, entre outros, produção de produtos químicos para uso em outras aplicações e similares.
[0029] Para fins de brevidade, o processo de utilização de uma única matéria-prima será descrito com referência à Figura 1. O processo para uma matéria-prima combinada pode ser semelhante ao processo descrito na Figura 1. Em uma concretização, o processo (100) utiliza milho (isto é, restos de culturas, fibra do milho) com as técnicas descritas abaixo para aumentar a produção de biocombustível em cerca de 10%. A matéria-prima pode conter sólidos de cerca de 83% a cerca de 92%, com componentes primários de glucano, amido, proteína, óleo e xilana.
[0030] O processo (100) inicialmente recebe a matéria-prima (101), utiliza fracionamento a seco (102) para separar os componentes da matéria-prima (101) em farelo (104). Por exemplo, se a matéria-prima (101) for milho, os componentes seriam cerca de 5,3% de um grãos de milho, endosperma (106) que é cerca de 82,9% do grãos de milho, e semente (108) que é cerca de 11% do grãos de milho e cerca de 1-3% de outros componentes. Os detalhes do fracionamento a seco (102) são discutidos com referência às Figuras 2 e 3. O farelo (104), que contém fibra, será separado de outros componentes, do endosperma (106), da semente (108) e componentes adicionais a serem processados adicionalmente com novas tecnologias celulósicas. O processo (100) pode enviar a semente (108) a uma usina de extração de óleo de milho (110) para processar em óleo de milho de grau alimentício e semente residual. Em outra concretização, o processo (100) envia a semente (108) para processamento adicional a um tanque de pasta fluida (116).
[0031] Retornando ao farelo (104), o processo (100) envia o farelo (104) para pré- tratamento (112) e hidrólise (114). O condensado de pré-tratamento pode ser utilizado como água de cozimento na usina existente para diminuir a produção de glicerol e produção de levedura. A água de cozimento pode ser utilizada no tanque de pasta fluida (116). Isso aumentará a produção em cerca de 2%. Os detalhes do pré-tratamento (112) e hidrólise (114) são discutidos com referência às Figuras 4 e 5, respectivamente. Após o processo (100) prover pré-tratamento (112) e hidrólise (114) ao farelo de matéria-prima (104), esse material pode ser mencionado como hidrolisado. O hidrolisado contém açúcares fermentáveis e compostos tóxicos a micro-organismos. O processo (100) envia o hidrolisado ao tanque de pasta fluida (116). Os termos farelo, fibra, matéria-prima e hidrolisado descrevem o material para processamento nos processos integrados. Por exemplo, os processos integrados podem incluir fracionamento, pré-tratamento (112) e hidrólise (114) para tratar a matéria-prima e para criar o hidrolisado. Os processos de pré-tratamento (112), e hidrólise (114) são interconectados e integrados à usina existente. Essa integração ajuda no capital de conversão de grão e custos de operação. Os equipamentos para esses processos celulósicos podem incluir um reator de pré- tratamento, propagador anaeróbico e vasos de hidrólise/fermentação.
[0032] O processo (100) pode enviar o endosperma (106) ao tanque de pasta fluida (116), ao tanque de liquefação (120) e ao(s) tanque(s) de fermentação (122). O processo (100) adiciona água, enzimas e o endosperma (106), com o hidrolisado ao(s) tanque(s) de fermentação (122). Em outra concretização, o processo (100) adiciona água, enzimas e o endosperma (106), com o hidrolisado ao tanque de pasta fluida (116) (não apresentado). A combinação da água, enzimas, endosperma (106) e hidrolisado causa uma produção aumentada do amido, endosperma (106) ao etanol assim como uma produção aumentada do hidrolisado ao biocombustível celulósico. Além disso, o processo (100) mantém uma temperatura entre cerca de 60 a cerca de 100°C no tanque de pasta fluida (116) e um tempo de residência de cerca de 30 a 60 minutos para converter o amido insolúvel na pasta fluida em amido solúvel. A pasta fluida pode ter conteúdo de sólidos dissolvidos de cerca de 15 a 30%. Outros itens no tanque de pasta fluida (116) podem incluir açúcares, proteína, fibra, amido, semente, pedrisco, óleo e sais, e similares, conforme está comumente presente no grão de partida bruto da produção agrícola. Pode haver um ou mais tanques de pasta fluida na usina existente. Em outra concretização, o processo (100) ainda adiciona a semente (108) ao tanque de pasta fluida (116).
[0033] Em um exemplo, o processo (100) adiciona uma enzima, como alfa-amilase de baixo pH. A enzima alfa-amilase de baixo pH quebra o polímero de amido em pequenas seções, denominadas dextrinas. O processo (100) ajusta o pH da pasta fluida a cerca de 4 a cerca de 5 (dependendo do tipo de enzima) no tanque de pasta fluida (116). A alfa-amilase de baixo pH limita a quantidade de amônia que entra no tanque de pasta fluida (116), a fim de maximizar a quantidade de amônia que é utilizada para neutralizar a matéria-prima pré-tratada no pré-tratamento (112). Adicionalmente, a alfa-amilase de baixo pH provê uma quebra de viscosidade, que permite que sólidos maiores sejam utilizados, o que, por sua vez, permite a mistura de hidrolisado ou cerveja a sólidos menores pré-tratados. A alfa-amilase de baixo pH causa alterações reológicas na pasta fluida de amido, o que torna mais fácil bombear os tanques e para equilíbrio do produto químico no processo (100).
[0034] O processo (100) inclui cozimento quando a pasta fluida for aquecida no tanque de pasta fluida (116). O cozimento também inclui a mistura da pasta fluida com vapor direto para elevar a temperatura a cerca de 107°C (225°F) para esterilização e reduzir a temperatura no tanque de vaporização para cerca de 85°C (185°F). O cozimento também gelatiniza o amido.
[0035] O processo (100) tem um tanque de liquefação (120) no qual a pasta fluida tem um tempo de residência de cerca de 20 a 30 minutos. O processo (100) quebra o amido na pasta fluida em açúcares complexos denominados dextrinas. A temperatura no tanque de liquefação (120) pode ser de cerca de 185°F com um pH de 5,8. O processo (100) pode incluir um ou mais tanques de liquefação.
[0036] Em uma concretização, o processo (100) adiciona uma parte da alfa-amilase de baixo pH, cerca de 2/3 no tanque de pasta fluida (116) e outra parte de 1/3 da alfa-amilase de baixo pH em um tanque de vaporização (não apresentado) ou no tanque de liquefação (120).
[0037] Alguns processos podem incluir um processo de cozimento a jato opcional. Quando o processo de cozimento a jato for utilizado, fogareiros a jato (não apresentados) cozinharão a pasta fluida. O cozimento a jato pode ocorrer em temperaturas e pressões elevadas. Por exemplo, o cozimento a jato pode ser realizado em uma temperatura de cerca de 100 a 150°C (cerca de 212 a 302°F) e em uma pressão absoluta de cerca de 1,0 a 6,0 kg/cm2 (cerca de 15 a 85 lbs/in2) por cerca de cinco minutos. Cozimento a jato é um método utilizado para gelatinizar o amido.
[0038] O processo (100) combina a matéria-prima de farelo (104), que se torna hidrolisado e, então, cerveja celulósica após processamento, com o endosperma (106) (isto é, amido material) e/ou a semente (108) no(s) tanque(s) de fermentação (122). A cerveja celulósica da hidrólise (114) é misturada com o fluxo de pasta fluida de amido primária no(s) tanque(s) de fermentação (122) por uma variedade de motivos. Um motivo para integrar a cerveja celulósica ao fluxo de pasta fluida de amido primária é que uma produção aumentada é alcançada da fermentação de amido primária, assim como produção aumentada devido à conversão de fibra em etanol. Essa produção aumentada adicional é somente alcançada após a adição do hidrolisado (isto é, cerveja celulósica) ao fluxo de pasta fluida de amido primária.
[0039] A cronometragem para integração da cerveja celulósica com o fluxo de pasta fluida de amido primária é crucial. Por exemplo, o processo (100) tem menos que cerca de 10 horas para transferir a cerveja celulósica feita da hidrólise (114) ao(s) tanque(s) de fermentação (122) após o fluxo de pasta fluida de amido primária ser adicionado ao(s) tanque(s) de fermentação (122). A cerveja celulósica da hidrólise e fermentação híbridas (HHF), que serão discutidas em detalhes com referência à Figura 5, pode ser misturada diretamente ao(s) tanque(s) de fermentação (122) com os sólidos altos, 38% de sólidos, vinhaça de milho durante o preenchimento. Essa opção pode utilizar uma levedura GMO durante HHF. A temperatura do(s) tanque(s) de fermentação (122) pode variar de cerca de 30°C a cerca de 35°C.
[0040] Em outra concretização, a mistura da cerveja celulósica da hidrólise (114) com o fluxo de pasta fluida de amido primária deve ocorrer dentro das primeiras 024 horas da fermentação de amido/cerveja HHF integrada. Isso provê a produção aumentada associada dos galões de amido.
[0041] Em (120), o processo (100) converte a pasta fluida em vinhaça no tanque de liquefação. Isso ocorre em cerca de 80 a 95°C para hidrolisar o amido gelatinizado e maltodextrinas e oligossacarídeos para produzir uma vinhaça liquefeita. Aqui, o fluxo de vinhaça tem cerca de 18 a 40% de conteúdo de sólidos total. A vinhaça pode ter conteúdo de sólidos suspensos que inclui fibra, semente, pedrisco, e similares.
[0042] O processo (100) pode adicionar outra enzima, como glicoamilase no(s) tanque(s) de fermentação (122) para quebrar as dextrinas em açúcares simples. A glicoamilase quebra as seções pequenas em glicose individual. A glicoamilase pode ser adicionada a cerca de 60°C antes da fermentação, conhecido como sacarificação ou no início de um processo de fermentação. O processo (100) ajusta o pH a 5,0 ou menor. Em uma concretização, a sacarificação e fermentação também podem ocorrer simultaneamente.
[0043] Em (122), o processo (100) adiciona um micro-organismo à vinhaça no(s) tanque(s) de fermentação. Uma espécie comum de micro-organismo, como Saccharomyces cerevisiae pode ser adicionada para converter os açúcares simples (isto é, maltose e glicose) em álcool (com sólidos e líquidos), CO2 e calor. Os materiais nos(s) tanque(s) de fermentação (122) precisam converter em cerveja para alcançar a melhor produção. Dentro de 10 horas de adição de Saccharomyces cerevisiae, o processo (100) transfere todo o material da hidrólise (114) ao(s) tanque(s) de fermentação (122). A porcentagem de sólidos é de cerca de 30% a cerca de 50%. O processo (100) mantém a temperatura em cerca de 25°C a cerca de 50°C.
[0044] O processo (100) ainda utiliza açúcares na água de cozimento ou o mistura com o amido com alto conteúdo de sólidos cerca de 10 horas após inoculação. Em uma concretização, hidrólise e fermentação separadas (SHF) trata o hidrolisado com uma enzima celulase para produzir um hidrolisado de fibra com açúcares fermentáveis. O processo (100) transfere todo o material da hidrólise (114) ao(s) tanque(s) de fermentação (122), então, adiciona uma levedura C5/C6 GMO e Saccharomyces cerevisiae ao(s) tanque(s) de fermentação (122), em que glicoamilase ainda não é adicionada. Isso converte os açúcares C5 em etanol. Uma vez que a conversão é concluída, o processo (100) adiciona a glicoamilase.
[0045] Em outra concretização, o processo (100) combina o farelo (104), que é a matéria-prima pré-tratada ao endosperma (106), o fluxo de pasta fluida primária. O processo (100) mistura a matéria-prima pré-tratada ao endosperma (106) do fluxo de pasta fluida primário, e adiciona uma levedura GMO ao(s) tanque(s) de fermentação (122) sem alteração dos parâmetros.
[0046] O tempo de residência no(s) tanque(s) de fermentação (122) pode ser de cerca de 50 a cerca de 100 horas. Entretanto, variáveis como variedade de micro-organismo sendo utilizada, taxa de adição de enzima, temperatura para fermentação, concentração de álcool focalizada, tamanho dos tanques, e similares afeta o tempo de fermentação.
[0047] O processo (100) cria o álcool, sólidos, e líquidos no(s) tanque(s) de fermentação (122). Uma vez concluído, a vinhaça é comumente mencionada como cerveja, que pode conter cerca de 13 a 16% de álcool, mais sólidos solúveis e insolúveis dos componentes do grão, metabólitos de micro-organismo e corpos de micro-organismo. O micro-organismo pode ser reciclado em uma etapa de reciclagem de micro-organismo, o que é uma opção.
[0048] O processo (100) destila a cerveja (que inclui a cerveja celulósica) para separar o álcool dos sólidos e os líquidos ao passarem por um sistema de destilação (124). O sistema de destilação (124) pode incluir, entre outros, uma coluna retificadora, uma coluna de cerveja, um extrator lateral, ou uma coluna de destilação. Em uma concretização, o processo (100) bombeia a cerveja em uma coluna de cerveja, que extrai o álcool da cerveja ao adicionar calor ao fundo da coluna de cerveja de vapor de baixa pressão dos evaporadores. O material que sai do fundo da coluna de cerveja é vinhaça completo (132).
[0049] O álcool de baixa prova deixa o topo da coluna de cerveja em uma forma de vapor e é transferido à coluna retificadora. Assim, o processo (100) condensa o álcool no sistema de destilação (124) e o álcool sai através de uma porção superior do sistema de destilação (124) em cerca de 90 a 95% de pureza, que é cerca de (190) imune.
[0050] O líquido do fundo da coluna retificadora é principalmente água com uma pequena quantidade de álcool. O processo (100) pode enviar o líquido do fundo a uma coluna lateral extratora, que extrai o álcool da água e o adiciona de volta à coluna retificadora. Esse fluxo pode ser utilizado como água de cozimento no tanque de pré-tratamento (112) ou no de pasta fluida (116).
[0051] Em (126), o processo (100) remove a umidade do Álcool (190) imune ao passar através de um dispositivo de peneira molecular. O dispositivo de peneira molecular (126) inclui uma ou mais coluna(s) de desidratação unida a peneiras moleculares para produzir um produto de quase 100% de álcool, que é (200) imune.
[0052] O processo (100) adiciona um desnaturante ao álcool antes de ou no tanque de manutenção (128). Assim, não significa que o álcool é para beber, mas deve ser utilizado para fins de combustível de motor. Em (130), um produto de exemplo que pode ser produzido é o biocombustível, a ser utilizado como combustível ou aditivo de combustível para fins de combustível de motor. O biocombustível (130) inclui etanol produzido do processo de fermentação de amido assim como biocombustível celulósico produzido dos processos integrados de pré-tratamento (112) e hidrólise (114).
[0053] Retornado a (132), o produto rico em água remanescente do sistema de destilação (124) é comumente mencionado como vinhaça completo. Os componentes na vinhaça completa (132) podem incluir grãos sólidos suspensos, materiais e água. Por exemplo, esse material inclui gordura, proteína, fibra, e minerais. Vinhaça completa (132) cai ao fundo do sistema de destilação (124) e passa através de um dispositivo mecânico (134). O dispositivo mecânico (134) separa a vinhaça completo (132) para produzir bolo úmido (136) e vinhaça fina (138). O dispositivo mecânico pode incluir uma centrífuga ou qualquer outro tipo de dispositivo de separação.
[0054] O bolo úmido (136), composto principalmente de sólidos, pode ser mencionado como Grão de Destiladores Úmidos (WDG). O processo (100) pode transferir um pouco do bolo úmido (136) a um ou mais secador(es) (140) para remover umidade. Essa secagem produz ração animal de baixo teor de proteína, Grão de Destiladores a Seco (DDG) (144), que pode ser armazenado nos tanques (não apresentado). Líquido que foi separado e concentrado é xarope. O xarope seco é adicionado de volta ao DDG (144) para criar Grão de Destiladores a Seco com Solúveis (DDGS) (142). O DDGS (142) tem uma vida de prateleira quase indefinida e pode ser enviada a qualquer mercado para alimentação de gado.
[0055] A cor do DDGS (142) se tornou um fator de qualidade para alguns compradores em mercados de exportação. A cor do DDGS (142) pode ser utilizada para diferenciar a qualidade, seja real ou percebida, e afetar o valor. A cor do DDGS (142) é uma avaliação subjetiva com base em um cartão de pontuação de cinco cores e/ou colorímetros de Hunter ou Minolta. O DDGS de cor clara pode gerar um preço Premium significativo. Em uma concretização, o processo (100) mistura o DDGS com restos de culturas de milho ou outros materiais adequados sem afetar a qualidade nutricional dos ingredientes da ração.
[0056] Retornando para (134), o dispositivo mecânico (134) produz vinhaça fina (138). Um fluxo da vinhaça fina (138) é enviado aos evaporadores (146) para ferver a água, deixando um xarope espesso (isto é, 25 a 40% de sólidos secos) que contém sólidos solúveis (dissolvidos), suspensos finos (geralmente, menos que 50 μm) e sólidos suspensos flutuantes da fermentação. Conforme mencionado acima, o processo (100) adiciona um pouco de xarope ao DDG (144), apresentado em linhas pontilhadas, para criar DDGS (142). Em uma concretização, o processo (100) envia a água condensada dos evaporadores (146) a ser utilizada como água de cozimento ou como água de pré-tratamento. Em outra concretização, um metanador trata o condensado do evaporador a ser reutilizado somo água de processo. O metanador também trata o biogás, que é enviado ao secador (140).
[0057] O xarope espesso dos evaporadores (146) pode ser enviado ao secador (140) com o bolo úmido (136) (isto é, WDG) para produzir DDGS (142). Em uma concretização, o xarope espesso dos evaporadores (146) pode ser vendido separadamente. Processo de fracionamento a seco
[0058] As Figuras 2 e 3 ilustram um exemplo de processo de fracionamento a seco (DF) (102). DF (102) utiliza uma variedade de processos de moagem e separação para quebrar os grãos de milho em frações de farelo (104), endosperma (106) e semente (108). O DF (102) é um processo de trituração e separação de 3 estágios. Quaisquer estágios ou combinações podem ser utilizados. Dispositivos para moer ou triturar o milho (101) incluem, entre outros, um moinho de martelo, moinho rolante, moinho de disco, moinho de esfera, moinho de pino, uma mesa agitadora, um sistema de aspiração e similares. O DF (102) aumenta a eficiência da usina, diminui as emissões de gás de efeito estufa e produz co-produtos de valor maior.
[0059] Na Figura 2, o DF (102) recebe milho (101) como matéria-prima, limpa (202) e tempera (204) a matéria-prima. Com a matéria-prima desgerminada, o processo (102) mói (206) a matéria-prima por um moinho rolante. Após a matéria-prima ser moída (206), o processo (102) seleciona (208) a matéria-prima moída em múltiplos graus de tamanhos de partícula, como finos (210), médios (212) e grossos (214). A discussão do médio (212) continua com referência à FIGURA 3.
[0060] Continuando nos grossos (214), o processo (102) envia os grossos (214) para aspiração (216) e produz farelo (218). O DF (102) flocula (220) alguns dos grossos (214) da aspiração (216) antes da seleção (222) da matéria-prima moída em múltiplos graus por tamanhos de partícula, como finos (224), médios (226) e grossos (228). O DF (102), novamente, aspira (230) os grossos (228) em farelo (232) e continua com a floculação (234). A floculação (234) enrola o grão pequeno não esmagado ou sementes pré-esmagadas para formar flocos de extração de óleo.
[0061] Na Figura 3, o DF (300) continua o processo do médio (212) da Figura 2. O DF (300) aspira (236) o médio (212) e produz farelo 238. O DF (300) flocula (240) um pouco do médio (212) da aspiração (236) antes da seleção (242) a matéria- prima moída em múltiplos graus por tamanhos de partícula, como em finos (244), médios (248), e grossos (246). O processo (300) flocula (250) o médio (248). Conforme discutido acima, a floculação (250) enrola o grão pequeno não esmagado ou sementes pré-esmagadas para formar flocos de extração de óleo.
[0062] O farelo (218), (232) e (238) fracionado pode ser porções do farelo (104) enviado ao pré-tratamento (112) no processo (100). O farelo (104) pode variar de cerca de 83% a cerca de 92% de sólidos, quando recebido no processo (100). Os componentes no farelo (104) podem incluir, entre outros, glucano, amido e xilana. Uma molécula de glucano é um polissacarídeo de monômeros de D-glicose, ligado por ligações glicosídicas. Glucanos incluem, entre outros, glicogênio, dextrano, amido, celulose e similares. Xilana é um tipo de polissacarídeos altamente complexo nas paredes celulares da planta. Xilanas são polissacarídeos feitos de unidades de xilose (um açúcar pentose). Xilanas são quase tão ubíquas quanto a celulose em paredes celulares de planta e contêm predominantemente unidades de β-D-xilose ligadas como na celulose. Pré-tratamento da matéria-prima
[0063] A Figura 4 ilustra um exemplo de processo de pré-tratamento (112). O farelo (104) é matéria-prima celulósica, que é composta principalmente de celulose, hemicelulose e uma pequena quantidade de lignina. Celulose e hemicelulose podem ser convertidas por enzimas em açúcares e, então, fermentadas em um produto. O uso de matéria-prima celulósica requer pré-tratamento (112) para abrir a fibra, assim, as enzimas podem acessar a celulose e hemicelulose. Entretanto, a degradação de ácido de hemicelulose fornece furfural.
[0064] Pré-tratamento (112) quebra a estrutura da matéria-prima celulósica. A celulose e hemicelulose são fontes primárias de açúcar na matéria-prima celulósica. O pré-tratamento (112) utiliza um produto químico combinado a altas temperaturas e pressão para quebrar a celulose e hemicelulose. Pré-tratamento (112) converte a maior parte da celulose e hemicelulose em açúcares.
[0065] Na Figura 4, o pré-tratamento (112) adiciona água (401) para umidificar o farelo (104) em um tanque de pasta fluida (402). A temperatura da água pode variar de cerca de 82°C a cerca de 205°C (cerca de 180°F a cerca de 400°F, cerca de 355 K a cerca de 478 K). O tanque de pasta fluida (402) pode incluir um agitador com fluxo ascendente ou fluxo descendente, que agita um fluxo de pasta fluida de poucos sólidos do farelo (104) com a água aquecida. A pasta fluida de poucos sólidos tem cerca de 10% a cerca de 30% de sólidos totais. Em outras concretizações, a pasta fluida de poucos sólidos tem cerca de 10% a cerca de 20% de sólidos totais, ou a pasta fluida de poucos sólidos tem cerca de 10% a cerca de 25% de sólidos totais. O pré-tratamento (112) pode utilizar condensado do evaporador como a fonte de água no tanque de pasta fluida (402), que tem um baixo pH. Por exemplo, o condensado do evaporador pode ser recuperado dos evaporadores da usina existente (146). O condensado recuperado do evaporador (146) tem ácido acético, que torna o pré-tratamento (112) mais eficiente e melhora a qualidade do pré-tratamento (112).
[0066] Em outra concretização, o primeiro vapor de efeito recicla uma parte do condensado de pré-tratamento diretamente em um tanque de água de pré- tratamento (não apresentado). Ainda, em outra concretização, a água (401) para o tanque de pasta fluida (402) vem do vapor do tanque de vaporização condensado e/ou vapor da usina existente e fundos extratores laterais. Em outra concretização, um pouco do condensado de pré-tratamento do pré-tratamento (112) pode ser reciclado à usina existente. É possível utilizar o condensado de pré-tratamento como água de cozimento na usina existente para diminuir a produção de glicerol e produção de levedura. Isso causará um aumento na produção de 2%. Atualmente, o processo (100) pode enviá-lo através do metanador para obter livrado de furfural e ácido acético gerado do processo de pré-tratamento. Entretanto, há valor real na utilização do condensado de pré-tratamento como água de cozimento.
[0067] O pré-tratamento (112) adiciona a água aquecida (401) ao farelo (104) para criar a pasta fluida de poucos sólidos no tanque de pasta fluida (402) a uma variação de temperatura de cerca de 82°C a cerca de 104°C (cerca de 180°F a cerca de 220°F). A pasta fluida de poucos sólidos tem um tempo de residência de cerca de 1 minuto a cerca de 12 minutos no tanque de pasta fluida (402) com um pH de menos que 4. O tempo de residência varia dependendo do tamanho do tanque de pasta fluida (402), as porcentagens de sólidos, a temperatura dos materiais e similares.
[0068] O pré-tratamento (112) injeta vapor direto ao fluxo de pasta fluida de poucos sólidos. O vapor direto ocorre através dos aquecedor(es) (404). O aquecedor pode incluir um a cerca de seis aquecedores que podem operar em série ou em paralelo. Aqui, o(s) aquecedor(es) (404) pode adicionar vapor diretamente ao fluxo de pasta fluida de poucos sólidos além da temperatura atmosférica. Por exemplo, a temperatura atingida é maior que cerca de 100°C (cerca de acima de 212°F), acima da ebulição. Isso ocorre por cerca de poucos segundos a cerca de poucos minutos dependendo da vazão do fluxo e o número de aquecedores que são utilizados no pré-tratamento (112).
[0069] Em uma concretização, o pré-tratamento (112) injeta um produto químico (405), como um ácido inorgânico para fazer com que uma zona de reação ocorra. Isso é possível devido a uma quantidade de poucos sólidos no fluxo de pasta fluida de poucos sólidos. A zona de reação ocorre de após um aquecedor final a um tanque de vaporização.
[0070] O produto químico (405), ácido inorgânico, pode incluir, entre outros ácido sulfúrico, fosfórico e nítrico. A concentração pode ser utilizada em 1-5% do ácido como peso seco da fibra. Por exemplo, em uma concretização, o pré-tratamento (112) utiliza ácido sulfúrico em 2-4% p/p dos sólidos secos do farelo (104). O pH é menor que 2 para o fluxo de pasta fluida de poucos sólidos que foi injetado com o produto químico (405), o ácido inorgânico.
[0071] Em uma concretização, o pré-tratamento (112) aquece o fluxo de pasta fluida de poucos sólidos por uma série de dois aquecedores (404) a temperaturas maiores que cerca de 100°C (cerca de acima de 212°F). O pré-tratamento (112) injeta ácido sulfúrico ao fluxo de pasta fluida de poucos sólidos e, então, aquece o fluxo de pasta fluida de poucos sólidos com ácido sulfúrico injetado através de um terceiro aquecedor a temperaturas que são maiores que cerca de 143°C (cerca de 290°F).
[0072] Depois, o pré-tratamento (112) envia o fluxo de pasta fluida de poucos sólidos a um reator (406). O reator (406) pode incluir um agitador com fluxo ascendente, radial ou fluxo descendente, que agita o fluxo de pasta fluida de poucos sólidos. O processo no reator (406) hidrolisa a celulose e hemicelulose. A água de alta temperatura pode separar os materiais no fluxo de pasta fluida de poucos sólidos. Isso ocorre no reator (406) com um tempo de residência de cerca de 6 minutos a cerca de 14 minutos como a variação ideal e cerca de 154°C a cerca de 188°C (cerca de 310°F a cerca de 370°F) como a variação de temperatura ideal. A pressão é controlada em pressão de vapor saturada no tanque de pasta fluida (402), mais 10-100 psig.
[0073] O pré-tratamento (112) envia a matéria-prima pré-tratada do reator (406) a um tanque de vaporização (408). O reator (406) libera a matéria-prima pré-tratada com uma descompressão explosiva. O tanque de vaporização (408) pode incluir um agitador com fluxo ascendente ou fluxo descendente, que agita a matéria-prima pré-tratada.
[0074] Em uma concretização, o pré-tratamento (112) ainda ajusta o pH da matéria- prima pré-tratada ao neutralizá-la com uma base (407) no tanque de vaporização (408). A base (407) que pode ser utilizada inclui, entre outros, amônia anidra, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de cálcio, óxido de cálcio, cáustica residual, aqua amônia, ou quaisquer outras bases. A quantidade de base (407) pode variar de 19% a 30% em peso. Os cálculos para uma quantidade de base (407) têm base em um equilíbrio de massa para ajustar o pH para o processo/fermentações de cerveja integrados. Com base nisso, a uréia utilizada na usina existente será substituída pela base (407) sem ter de injetar a base (407) diretamente a um tanque de fermentação. Assim, a maioria do nitrogênio pode ser obtida que é necessário para fermentação na usina existente ao fornecê-lo com o material pré-tratado.
[0075] Depois, a matéria-prima pré-tratada submete o hidrolisado a condicionamento. Isso ocorre ao adicionar mais base à matéria-prima pré-tratada, agora, mencionada como hidrolisado, até a necessidade da base ser satisfeita para fermentação. Em uma concretização, o pré-tratamento (112) ainda conclui o ajuste do pH da parte líquida do hidrolisado a cerca de 4 a cerca de 6 com outra base.
[0076] A base (407) que pode ser utilizada, entre outros, inclui amônia anidra, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de cálcio, ou quaisquer outras bases. O pré-tratamento (112) ajusta a temperatura do hidrolisado a cerca de 40°C a 60°C (cerca de 104°F a cerca de 140°F) no tanque de vaporização (408). A pressão é de -10 a 10 psig.
[0077] Em uma concretização, o pré-tratamento (112) adiciona amônia anidra para ajustar o pH a mais que 4,5 e em quantidades suficientes para fornecer as fermentações na usina existente. O pré-tratamento (112) ainda adiciona amônia adicional ao hidrolisado até a necessidade de amônia ser satisfeita, então, adiciona hidróxido de sódio ao hidrolisado para concluir o ajuste do pH.
[0078] O tanque de vaporização (408) provê vapor instantâneo (410) e o hidrolisado a ser processado adicionalmente na hidrólise (114). Em uma concretização, a água (401) pode vir do vapor instantâneo (410) dado pelo tanque de vaporização (408) no pré-tratamento (112). Isso é apresentado por uma linha pontilhada (412) de vapor instantâneo (410) para água (401).
[0079] Em outra concretização, o processo (100) obtém o material pré-tratado, hidrolisado, do pré-tratamento diretamente à usina existente. A concretização envia o hidrolisado diretamente ao tanque de pasta fluida (116) ou adiciona o hidrolisado diretamente ao(s) tanque(s) de fermentação (122) sem passar pelos processos de hidrólise.
[0080] Exemplos de dados são ilustrados nas tabelas ao final da descrição. Os dados de pré-tratamento (112) apresentam a porcentagem de sólidos, porcentagem de ácidos utilizados, porcentagem de diferentes bases utilizadas, porcentagens de bases misturadas utilizadas, e temperaturas durante o processo. Fatores que afetam o pré-tratamento e hidrólise incluem quantidade de celulose, celulose cristalinidade, área de superfície disponível, quantidade e natureza da lignina, tipo e quantidade de hemicelulose. Hidrólise de Hidrolisado
[0081] A Figura 5 ilustra um exemplo de processo de hidrólise. Conforme mencionado, isso pode ser em um processo em lote ou contínuo. A hidrólise (114) converte o hidrolisado, por exemplo, o farelo pré-tratado (104), a maior parte da celulose e hemicelulose pós-pré-tratamento remanescente em glicose e xilose com uma enzima celulase. Isso integra os processos de pré-tratamento (112), e hidrólise (114) com os processos da usina existente.
[0082] Na Figura 5, uma concretização de hidrólise (114) é hidrólise e fermentação híbridas (HHF) de celulose, que maximiza o aumento de produção. O processo de HHF pode iniciar com uma etapa de hidrólise separada e termina com hidrólise e fermentação simultâneas. O processo de HHF recebe o hidrolisado (500) do tanque de vaporização (408) de pré-tratamento (112) em um primeiro tanque de quebra de viscosidade (502). O pré-tratamento (112) abriu as fibras para aumentar a acessibilidade de enzima enquanto minimiza a perda de glicose. Depois, o processo de HHF adiciona a enzima (501), como uma enzima celulase ao hidrolisado (500) no primeiro tanque de quebra de viscosidade (502). Pode haver tanques de zero viscosidade ou mais, dependendo das variáveis, como capacidade dos processos de integração, a porcentagem de sólidos, o tamanho dos tanques, e tais. Os tanques de quebra de viscosidade (502), (504) podem incluir um agitador com fluxo ascendente ou fluxo descendente, que agita o hidrolisado (500).
[0083] Em uma concretização, pode haver tanques de quebra de viscosidade zero. Ainda, em outra concretização, pode haver um tanque de quebra de viscosidade. Ainda, em outra concretização, pode haver mais de dois tanques de quebra de viscosidade.
[0084] A conversão de celobiose em glicose por β-glucosidases é um fator importante para reduzir inibição de celobiose e aprimorar a eficiência de enzimas celulases para produzir biocombustível celulósico. Celobiose é um dissacarídeo solúvel em água com duas moléculas de glicose ligadas por ligações β-1,4, que é obtido pela quebra de celulose mediante hidrólise. β-glucosidase é uma enzima glicosidase que age mediante ligações β-1,4 que ligam duas moléculas de glicose ou de glicose substituídas, como celobiose.
[0085] As cinco classes gerais de enzimas celulases incluem endoglucanase, celobiohidrolase, celobiase, celulases oxidativas e fosforilases celulose. Beta-1,4- endoglucanase é uma enzima específica que catalisa a hidrólise de celulose. β- glucosidase é uma exocelulase com especificidade para uma variedade de substratos beta-D-glicosídeo. Catalisa a hidrólise de resíduos de não redução terminais em beta-D-glucosídeos com liberação de glicose. A enzima celulase pode incluir, entre outros, CTec2, CTec3, CodeXyme® 4 e CodeXyme® 4X, ACCELLERASE® TRIO™, e similares.
[0086] Em uma concretização, a hidrólise (114) utiliza CTec2, uma enzima celulase de coquetel complexo disponível de Novozymes que degrada a celulose em açúcares fermentáveis. Inclui uma mistura de celulases agressivas, um alto nível de β-glucosidases, e hemicelulase. CTec2 oferece uma alta produção de conversão que é tolerante a inibidor. CTec2 tem custos de operação menores, enquanto aumenta a flexibilidade do processo.
[0087] Em outra concretização, a hidrólise (114) utiliza CTec3, uma enzima de complexo de celulase e hemicelulase disponível de Novozymes que degrada a celulose e hemicelulose em açúcares fermentáveis. Inclui uma mistura de celulase de compostos GH61 avançados, β-glucosidases aprimoradas, e hemicelulase. CTec3 é uma solução eficiente em termos de custos, uma vez que menos enzima será necessária para conversão.
[0088] O processo de HHF realiza hidrólise do hidrolisado (500) na variação de temperatura de cerca de 40°C a cerca de 60°C e ajusta o pH do hidrolisado (500) a cerca de 4,2 a 6 no primeiro tanque de quebra de viscosidade (502). Nas concretizações, o processo de HHF pode adicionar base a qualquer um dos tanques de quebra de viscosidade. O processo de HHF ocorre por cerca de 12 a cerca de 33 horas para alcançar uma conversão enzimática alvo de glucano em glicose e xilana em xilose. Em uma concretização, a conversão enzimática pode ser maior que 50%. Em outra concretização, a conversão enzimática pode ser maior que cerca de 90%.
[0089] A hidrólise (114) requer um organismo capaz de metabolizar açúcares de 5 carbonos e 6 carbonos presentes no hidrolisado (500). Um organismo geneticamente ou metabolicamente modificado pode prover o candidato mais robusto, capaz de fermentação dos açúcares de 6 carbonos tipicamente encontrados em processamento de etanol de milho assim como os açúcares de 5 carbonos resultantes da degradação da matérias-primas celulósicas. A super- expressão de traços naturais e a adição de novos traços podem ser necessárias para chegar a uma variedade de levedura capaz de utilizar de maneira eficiente os açúcares presentes no hidrolisado (500). A modificação genética de leveduras e outros micro-organismos é bem estudada e um organismo adequado pode ser obtido de diversos fornecedores que se especializam na provisão de quantidades comerciais de levedura para as indústrias de combustível e produção de bebida. A levedura pode incluir, entre outros, uma levedura de Organismo Geneticamente Modificado C5/C6 (GMO), uma levedura de Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) e tais. O GMO C5/C6 é um Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) geneticamente modificado. Em outra concretização, a hidrólise (114) utiliza uma bactéria para metabolizas os açúcares de 5 carbonos e 6 carbonos no hidrolisado.
[0090] Em uma concretização, o processo de HHF diminui a temperatura do hidrolisado (500) em cerca de 20°C a cerca de 45°C (cerca de 68°F a cerca de 113°F) no segundo tanque de quebra de viscosidade (504) para adicionar levedura. As menores temperaturas são necessárias para a levedura e para facilitar fermentação. O processo de HHF ajusta o pH do hidrolisado (500) a cerca de 4,5 a 5,2 no segundo tanque de quebra de viscosidade (504). Em uma concretização, o processo de HHF adiciona CTec2 ao primeiro tanque de quebra de viscosidade e adiciona uma levedura de Organismo Modificado Geneticamente C5/C6 (GMO) ao segundo tanque de quebra de viscosidade (504). O processo de HHF pode utilizar uma variação de porcentagens para o GMO C5/C6 propagar, como cerca de 4% a cerca de 11% de volume de HHF.
[0091] Isso permite que a levedura de GMO C5/C6 converta açúcares C5 e C6 em biocombustível celulósico por um adicional de 25 a 50 horas, enquanto a hidrólise enzimática de celulose procede em uma taxa menor em relação à hidrólise a 50°C (isto é, sacarificação e fermentação simultâneas (SSF)).
[0092] Após as quebras de viscosidade, o material vai para os tanques de hidrólise. O número de tanques de hidrólise pode variar de um a seis tanques. Em uma concretização, há quatro tanques de hidrólise e fermentação (506, 508, 510, 512). O processo de HHF reduz a variação de temperatura do hidrolisado (500) em cerca de 30°C a cerca de 35°C (120°F a cerca de 140°F) e adiciona base para otimizar o pH na variação de 4 a 5,5 nos tanques de hidrólise e fermentação híbridas (506512). Os sólidos que estão presentes em (116), (120) têm cerca de 30% a 44% (p/p) para manter a concentração de etanol desejada na cerveja final. O processo de HHF produz mais que 9% de aumento na produção por alqueire. O processo de HHF produz uma cerveja de baixa conservação (35-50 g/L de etanol), que pode ser misturada ao(s) tanque(s) de fermentação (122) da usina existente, conforme apresentado na Figura 5 e 1.
[0093] Em uma concretização, o processo de HHF pode não incluir tanques de viscosidade e quatro tanques de hidrólise e fermentação. O material de pré- tratamento vai diretamente aos tanques de hidrólise e mantido em cerca de 45°C a cerca de 55°C. A temperatura é reduzida no tanque de hidrólise e levedura é adicionada ao material.
[0094] Em uma concretização, o processo de HHF pode incluir um tanque de viscosidade e quatro tanques de hidrólise e fermentação. Ainda, em outra concretização, o processo de HHF pode incluir os dois tanques de quebra de viscosidade, três tanques de hidrólise e fermentação, e um tanque de compressão. Essa configuração reduz os custos capitais ao reduzir a quantidade de equipamentos necessária. Por exemplo, essa concretização inclui as etapas de processo, conforme descritas acima, mas o tanque de compressão reduz o número de horas necessárias para fermentação. O tempo de residência para fermentação pode ocorrer por cerca de 10 horas a cerca de 75 horas, o que reduz o tempo de fermentação, conforme descrito anteriormente. Ainda, em outra concretização, o processo de HHF é semelhante aos processos descritos, mas o tempo de fermentação é menor que cerca de 60 horas com os três tanques de hidrólise e um tanque de compressão.
[0095] Ainda, em outra concretização, o processo de HHF realiza as etapas semelhantes no primeiro e no segundo tanques de quebra de viscosidade. Entretanto, o processo de HHF inicia a temperatura do hidrolisado em cerca de 30°C a cerca de 35°C e adiciona uma enzima celulase no primeiro tanque de quebra de viscosidade. Então, o processo de HHF adiciona uma levedura ao segundo tanque de quebra de viscosidade. Na concretização sem o segundo tanque de quebra de viscosidade, o processo de HHF adiciona a levedura no tanque de hidrólise e fermentação. Isso fermenta por cerca de 24 horas. Então, o processo de HHF aumenta a temperatura do hidrolisado em cerca de 45°C a cerca de 60°C, assim as enzimas podem converter celulose em glicose. A cerveja celulósica vai ao(s) tanque(s) de fermentação (122).
[0096] Em outra concretização, a hidrólise (114) pode ser hidrólise e fermentação separadas (SHF), que começa com a temperatura do hidrolisado em cerca de 45°C a cerca de 55°C, adiciona uma enzima celulase, com um tempo de residência de 3 a 5 dias para alcançar uma conversão enzimática alvo de glucano em glicose (isto é, > 90% de conversão). Essa etapa produz um hidrolisado contendo açúcares fermentáveis, que é, então introduzido a um tanque de pasta fluida (116) da usina existente. Nessa concretização, os açúcares C5 não são fermentados e o processo integrado desloca a água de cozimento com o hidrolisado à usina existente. Essa opção melhora a produção média em cerca de 7%. Com essa concretização, outra opção é cronometrar a adição da glicoamilase em cerca de 72 horas após o início do preenchimento ocorrer. E outra opção, uma levedura de GMO é adicionada na fermentação e a glicoamilase é adicionada após a xilose ser fermentada.
[0097] Ainda, em outra concretização, a hidrólise (114) pode ser sacarificação e fermentação simultâneas (SSF), que iniciam ao receber o hidrolisado do pré- tratamento (112) e ajustar a temperatura do hidrolisado em cerca de 45°C a cerca de 55°C. SSF adiciona uma enzima celulase ao hidrolisado até haver 90% da celulose convertida em açúcares. Depois, o processo de SSF adiciona uma levedura para fermentação. A cerveja celulósica é enviada ao(s) tanque(s) de fermentação (122).
[0098] Em outra concretização, o processo de SSF inicia ao receber o hidrolisado do pré-tratamento (112) e diminui a temperatura do hidrolisado em cerca de 30°C a cerca de 35°C, conforme descrito acima para o segundo tanque de quebra de viscosidade. Aqui, o processo de SSF adiciona uma enzima celulase ao hidrolisado com temperatura diminuída. Depois, o processo de SSF adiciona uma levedura para fermentação. A cerveja celulósica é enviada ao(s) tanque(s) de fermentação (122).
[0099] Ainda, em outra concretização, o processo de SSF inicia com a temperatura do hidrolisado em cerca de 30°C a cerca de 35°C e adiciona uma enzima celulase. Depois, o processo de SSF adiciona uma levedura, que permite a fermentação de xilose ocorra em cerca de 24 horas, e aumenta a temperatura em cerca de 50°C a cerca de 60°C, assim a enzima pode converter glucano em glicose. A cerveja celulósica pode ser enviada ao(s) tanque(s) de fermentação (122) da usina existente.
[00100] Exemplos de dados são ilustrados nas tabelas ao fim da descrição. Os dados de hidrólise (114) apresentam a porcentagem de conversões para glicose e xilose, tempo de hidrólise e tempo de HHF total, e os diferentes tipos de hidrólise testados. Propagação de Levedura de C5/C6
[00101] Na Figura 5, a propagação de levedura (514) é um processo para aumentar o número celular por reprodução. A levedura pode ser fornecida de diversas formas, como creme, líquida, comprimida e levedura seca ativa (ADY). A propagação de levedura (514) pode iniciar com uma levedura líquida, uma levedura em creme, uma levedura comprimida, ou uma ADY.
[00102] Pode ser uma propagação aeróbica, em que a levedura é inoculada em um meio fermentável adequado no(s) tanque(s). Nas concretizações, o processo pode adicionar hidrolisado (500) e/ou pode adicionar componentes de liquefação para a propagação de levedura (514). O processo de propagação controla e monitora fatores, como temperatura, adições de nutrientes, concentrações de substrato e quantidade de oxigênio, para garantir crescimento dentro do(s) tanque(s). Os fornecedores de levedura provêem instruções sobre armazenamento, inoculação, meio fermentável etc.
[00103] A propagação de levedura (514) é uma propagação micro-aerofílica de GMO C5/C6 em misturas de vinhaça de milho (isto é, cerca de 20-35% de sólidos) e hidrolisado de fibra de milho (isto é, cerca de 10-20% de sólidos) são realizadas 12-24 horas antes da inoculação aos tanques de hidrólise e fermentação (506 508, 510, 512), conforme descrito acima. Em uma concretização, o processo (100) libera a levedura para propagação à usina de projeto integrado da mesma maneira que à usina existente hoje em dia (isto é, como Levedura Seca Ativa ou como líquido). As variáveis para a propagação da levedura de GMO C5/C6 são uma variação de temperatura de cerca de 30°C a cerca de 35°C e pH na variação de pH 4 a 5,5 com um balanço natural. Processo Celulósico com Fracionamento Inicial Úmido
[00104] A Figura 6 ilustra um processo de exemplo (600) com fracionamento úmido de linha de frente para produzir biocombustível celulósico, etanol, e ração animal de proteína de alto valor. Os processos na Figura 6 que são semelhantes aos processos na Figura 1 não serão descritos novamente. A Figura 6 é semelhante à Figura 1, exceto que essa Figura ilustra outra concretização dos processos de integração com a usina existente que utiliza moagem e fracionamento úmido de linha de frente. Os detalhes de fracionamento úmido de linha de frente (606) serão discutidos em detalhes com referência às Figuras 7, 8, e 9.
[00105] Antes da moagem, o processo (600) limpa o milho (602) ao passar por um graduador. O graduador pode ser um dispositivo de seleção oscilante que separa itens encontrados no milho (602). A separação ocorre com base nos tamanhos de partícula. Por exemplo, o processo (600) seleciona partículas de tamanho grande que podem incluir materiais de lixo ou forma, partículas de tamanho médio que incluem o milho (602), e partículas de tamanho pequeno que podem incluir areia, grãos quebrados e similares.
[00106] O processo (600) envia o milho (602) a um alimentador de reservatório ou um alimentador de rolagem e mói (604) o milho. Dispositivos para moer (604) o milho (602) incluem, entre outros, um moinho de martelo, moinho rolante, moinho de disco, moinho de esfera, moinho de pino, uma mesa agitadora, um sistema de aspiração e similares. Em uma concretização, dois rolos podem girar na mesma velocidade, causando uma força de compressão a ser utilizada no milho (602). Em outra concretização, os dois rolos podem operar em velocidades diferentes para aumentar compressão e tensão de cisalhamento. O moinho rolante pode incluir telas que são localizadas ao longo do fundo dos rolos para permitir que partículas de um determinado tamanho passem através da tela.
[00107] O processo (600) mói (604) as partículas de tamanho grande dos fluxos separados, mistura as partículas de tamanho grande dos fluxos separados no cozimento (118), adiciona enzimas, e cozinha a pasta fluida. O processo (600) pode receber a pasta fluida do cozimento (118), o que inclui o tanque de pasta fluida (116) e/ou do tanque de liquefação (120). O processo (600) ainda separa as partículas de tamanhos diferentes em fracionamento úmido de linha de frente (606) para separar o farelo (104) do endosperma (106) e da semente (108). O resto dos processos apresentados na Figura 6 são semelhantes aos processos que foram discutidos com referência à Figura 1. Exemplos de Fracionamento Inicial Úmido
[00108] As Figuras 7-9 ilustram exemplos de fracionamento úmido de linha de frente a ser utilizado com o processo integrado. O processo de fracionamento úmido de linha de frente provê melhor separação do farelo (104), endosperma (106), e semente (108), assim o farelo (104) pode ser pré-tratado e hidrolisado. O processo de fracionamento úmido de linha de frente aprimora a produção por meio de tecnologia de liberação de amido ao prover um aumento na produção de cerca de 2% a 3%. O processo de fracionamento úmido de linha de frente aumenta a área de superfície de amido e provê acessibilidade de amido às enzimas. Além disso, a fermentação do amido adicional pelo processo de fracionamento úmido de linha de frente remove carga das centrífugas, evaporadores e secadores na usina existente.
[00109] Para fins ilustrativos, os líquidos e fluxos de partículas suspensas finas são identificados por linha pontilhadas para indicar que são enviados aos tanques. Esses exemplos ilustram fluxos que podem ser recebidos nos tanques dos dispositivos de separação mecânicos identificados. Entretanto, qualquer fluxo pode ser recebido nos tanques de qualquer um dos dispositivos de separação mecânicos.
[00110] A Figura 7 ilustra um exemplo de um fracionamento úmido de linha de frente (FEWF) (700) utilizado com o processo integrado. O processo (700) recebe um fluxo do processo (702), que pode ser uma pasta fluida do tanque de pasta fluida (116) antes de cozida ou vinhaça do tanque de liquefação (120). O processo (700) separa os componentes, e ainda lava o material. O processo (700) envia o fluxo do processo (702) através de um primeiro dispositivo de separação mecânico (704), que separa componentes como as partículas sólidas maiores das partículas menores e fluxo de líquidos.
[00111] O primeiro dispositivo de separação mecânico (704) pode incluir pás que giram, um tambor fixo, e uma parede externa configurada como uma tela. O primeiro dispositivo de separação mecânico (704) empurra o fluxo do processo (702) contra uma tela perfurada em que os líquidos e pequenas partículas (708) (isto é, amido, glúten, proteína, sal, e similares) passam através da tela perfurada e são enviados ao tanque de mistura (706). As pás giram para mover o fluxo do processo (702) em direção à tela perfurada. A tela perfurada tem aberturas que são dimensionadas para permitir que água, amido, e partículas de tamanho menor fluam através da tela perfurada, mas não permitirá que as partículas maiores (710), como fibra, fluam através.
[00112] O processo (700) produz os fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (708) e um fluxo de sólidos suspensos grandes (710). Os fluxos de líquidos e partículas suspensas finas (708) podem incluir amido que foi lavado e removido da fibra. O processo (700) envia o fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (708) ao tanque de mistura (706).
[00113] O processo (700) direciona o fluxo de sólidos suspensos grandes (710) a um dispositivo de cisalhamento (712). O dispositivo de cisalhamento (712) pode ser um moinho de disco, moinho rolante, moinho de martelo e similares para transmitir um alto cisalhamento aos sólidos suspensos grandes no fluxo de sólidos suspensos grandes (710) sem criar finos. O processo (700) envia o fluxo de partículas grandes moídas (713) ao tanque de mistura (706).
[00114] O fluxo no tanque de mistura (706) ainda pode conter amido e/ou a proteína de grau alimentício. Assim, o processo (700) ainda envia o fluxo de partículas grandes moídas (713) combinado aos fluxos de líquidos e partículas suspensas finas (708) no tanque de mistura (706) a um segundo dispositivo de separação mecânico (714). O segundo dispositivo de separação mecânico (714) separa componentes, como o fluxo de partículas sólidas maiores (716) do fluxo de partículas menores e líquidos (718). O processo (700) envia o fluxo de partículas menores e líquidos (718) ao tanque de liquefação (120) para processamento adicional. Enquanto o processo (700) envia o fluxo de partículas sólidas maiores (716) a um tanque de fracionamento úmido, tanque de pasta fluida WF (720). O processo (700) ainda envia o fluxo de partículas sólidas maiores (716) no tanque de pasta fluida WF (720) a um terceiro dispositivo de separação mecânico (722).
[00115] O terceiro dispositivo de separação mecânico (722) separa a fibra (isto é, farelo (104)) do fluxo de pequenas partículas e líquidos, que é enviado ao pré-tratamento (112). O fluxo de pequenas partículas e líquidos (724) será enviado a um tanque de liquefação (120).
[00116] O dispositivo de separação mecânico inclui pelo menos um dentre uma máquina de pá, uma máquina de pá de lavagem, uma centrífuga de filtração, uma tela DSM de pressão, ou uma tela DSM de gravidade. Em uma concretização, o dispositivo de separação mecânico é um dispositivo de separação de máquina de pá tendo pelo menos quatro pás giratórias com um tambor fixo e uma parede externa configurada como uma tela. Em outras concretizações, o dispositivo de separação de máquina de pá pode incluir pelo menos duas pás giratórias até 20 pás giratórias.
[00117] A Figura 8 ilustra outro exemplo do fracionamento úmido de linha de frente (FEWF) (800) a ser utilizado com o processo integrado. O processo (800) recebe um fluxo do processo (802), que pode ser uma pasta fluida do tanque de pasta fluida (116) ou vinhaça do tanque de liquefação (120) a um primeiro tanque de mistura (803). O processo (800) envia o fluxo do processo (802) através do primeiro dispositivo de separação mecânico (804), que produz um fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (806) e um fluxo de sólidos suspensos grandes (808). O processo (800) envia o fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (806) ao tanque de liquefação (120).
[00118] Uma parte (805) do fluxo de sólidos suspensos grandes (808) é direcionada a um dispositivo de cisalhamento (807), que esmerilha os sólidos suspensos grandes para se tornar um fluxo de sólidos moídos (809). O processo (800) envia o fluxo de sólidos moídos (809) a um segundo tanque de mistura (810). Entrementes, o processo (800) envia a outra parte do fluxo de sólidos suspensos grandes (808) ao segundo tanque de mistura (810). O segundo tanque de mistura (810) também recebe outro fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (822) (apresentado em linhas pontilhadas) de um terceiro dispositivo de separação mecânico (820). Aqui, os fluxos combinados são misturados e aquecidos a cerca de 76°C a cerca de 85°C (170°F a cerca de 185°F) por cerca de 1 a cerca de 30 minutos. O processo (800) envia esse fluxo combinado (811) do segundo tanque de mistura (810) a um segundo dispositivo de separação mecânico (812). Uma parte desse fluxo combinado (811) pode ser reciclada de volta ao primeiro dispositivo de separação mecânico (804) (apresentado em linha pontilhada).
[00119] O segundo dispositivo de separação mecânico (812) lava e remove o amido da fibra, produzindo outro fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (814) a ser enviado ao primeiro tanque de mistura (803) ou, alternativamente, para constituir água para o tanque de pasta fluida (116) e outro fluxo de sólidos suspensos grandes (816) a ser enviado a um terceiro tanque de mistura (818). Aqui, os fluxos combinados são misturados e aquecidos a cerca de 76°C a cerca de 85°C (170°F a cerca de 185°F) por cerca de 1 a cerca de 30 minutos. O processo (800) ainda envia esse fluxo combinado do terceiro tanque de mistura (818) a um terceiro dispositivo de separação mecânico (820).
[00120] O terceiro dispositivo de separação mecânico (820) remove qualquer amido deixado na fibra, produzindo outro fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (822) enviado ao segundo tanque de mistura (810) e outro fluxo de sólidos suspensos grandes (824) a ser enviado a um quarto tanque de mistura (826). Também, o quarto tanque de mistura (826) recebe água de cozimento (828) da usina existente. A água de cozimento (828) sendo adicionada ao fluxo suspenso grande (824) pode criar um fluxo de sólidos menores no quarto tanque de mistura (826). A água de cozimento (828) pode incluir, entre outros, água de diluição quente. A água de cozimento (828) pode variar de uma temperatura de cerca de 75°C a cerca de 95°C. Aqui, os fluxos combinados são misturados e aquecidos no quarto tanque de mistura (826) a cerca de 76°C a cerca de 85°C (170°F a cerca de 185°F) por cerca de 1 a cerca de 30 minutos.
[00121] O processo (800) envia o fluxo do quarto tanque de mistura (826) a um quarto dispositivo de separação mecânico (828). O quarto dispositivo de separação mecânico (828) separa a fibra, farelo (104) a ser enviado ao pré- tratamento (112) e o fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (830) a ser enviado ao terceiro tanque de mistura (818). (apresentado em linha pontilhada).
[00122] O dispositivo de separação mecânico inclui pelo menos um dentre uma máquina de pá, uma máquina de pá de lavagem, uma centrífuga de filtração, uma tela DSM de pressão, ou uma tela DSM de gravidade. Em uma concretização, o primeiro dispositivo de separação mecânico é um dispositivo de separação de máquina de pá tendo pelo menos quatro pás giratórias com um tambor fixo e uma parede externa configurada como uma tela. Em outras concretizações, o dispositivo de separação de máquina de pá pode incluir pelo menos duas pás giratórias até 20 pás giratórias.
[00123] A máquina de pá de lavagem pode incluir múltiplos estágios de lavagem. Por exemplo, pode haver uma lavagem de dois estágios no primeiro dispositivo de separação mecânico em uma concretização. Entretanto, qualquer número de lavagens pode ser utilizado, como dois, três ou quatro. A lavagem da fibra ou sólidos grandes ajuda a lavar o amido e glúten ou proteína da fibra. A lavagem é um fluxo contra-corrente.
[00124] O primeiro tanque de mistura (803), o segundo tanque de mistura (810), o terceiro tanque de mistura (818), e o quarto tanque de mistura (826) podem ser um tanque de cozimento ou qualquer tipo de tanque que inclui um agitador. O tempo de residência nos tanques pode ser pré-determinado com base em variáveis. As variáveis podem incluir tamanho do tanque, quantidade de material, tipo de grão, e similares.
[00125] O cozimento do fluxo de sólidos suspensos grandes com a água faz com que os grânulos de amido absorvam a água conforme aquecidos. Assim, água é absorvida dentro do grânulo. Esse inchaço do grânulo permite ação de enzima aprimorada quando retornada ao início do processo de pasta fluida.
[00126] A Figura 9 ilustra outro exemplo de um fracionamento úmido de linha de frente (900) utilizado com o processo integrado. O processo (900) recebe um fluxo do processo (902), que pode ser uma pasta fluida do tanque de pasta fluida (116) antes de ser cozida ou vinhaça do tanque de liquefação (120). O processo (900) separa os componentes, e lava adicionalmente o material. O processo (900) envia o fluxo do processo (902) através de um primeiro dispositivo de separação mecânico (904), que separa componentes, como partículas sólidas maiores do fluxo de partículas menores e líquidos.
[00127] O primeiro dispositivo de separação mecânico (904) pode incluir pás que giram, um tambor fixo, e uma parede externa configurada como uma tela. O primeiro dispositivo de separação mecânico (904) empurra o fluxo do processo (902) contra uma tela perfurada em que os líquidos e pequenas partículas (isto é, amido, glúten, proteína, sal, e similares) passam através da tela perfurada e enviados ao tanque de mistura (906). As pás giram para movimentar o fluxo do processo (902) em direção à tela perfurada. A tela perfurada tem aberturas que são dimensionadas para permitir que água, amido, e partículas de tamanho menor fluam através da tela perfurada, mas não permitirá que as partículas maiores, como fibra, fluam através.
[00128] O processo (900) produz um fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (908) e um fluxo de sólidos suspensos grandes (910). O fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (908) pode incluir amido que foi lavado e removido da fibra. O processo (900) envia o fluxo de líquidos e partículas suspensas finas (908) ao tanque de mistura (906). O processo (900) direciona o fluxo de sólidos suspensos grandes (910) a um dispositivo de cisalhamento (912), que cisalha os sólidos ou partículas grandes.
[00129] Em outra concretização, um dispositivo de separação mecânico, como uma centrífuga ou uma máquina de pá pode receber o fluxo do tanque de mistura para separar a fibra e para enviar o fluxo de líquidos e partículas suspensas finas ao tanque de liquefação (120). Processo Celulósico com Fracionamento Final Úmido
[00130] A Figura 10 ilustra um processo de exemplo (1000) com fracionamento úmido de retaguarda para produzir biocombustível celulósico, etanol, e ração animal de proteína de alto valor. Os processos na Figura 10, que são semelhantes aos processos na Figura 1, não serão descritos novamente. A Figura 10 é semelhante à Figura 1, exceto que essa Figura ilustra outra concretização dos processos de integração com a usina existente que utiliza moagem e fracionamento úmido de retaguarda. Os detalhes do fracionamento úmido de retaguarda (1006) serão discutidos em detalhes com referência à Figura 11.
[00131] Antes da moagem, o processo (1000) limpa o milho (1002) ao passá- lo através de um graduador. O graduador pode ser um dispositivo de seleção oscilante que separa itens encontrados com o milho (1002). A separação ocorre com base nos tamanhos de partícula. Por exemplo, o processo (1000) seleciona partículas de tamanho grande que podem incluir lixo ou materiais de forma, partículas de tamanho médio que incluem o milho (1002), e partículas de tamanho pequeno que podem incluir areia, grãos quebrados e similares.
[00132] O processo (1000) envia o milho (1002) a um alimentador de reservatório ou um alimentador de rolagem e mói (1004) o milho. Os dispositivos para moer (1004) o milho (1002) incluem, entre outros, um moinho de martelo, moinho rolante, moinho de disco, moinho de esfera, moinho de pino, uma mesa agitadora, um sistema de aspiração e similares.
[00133] O processo (1000) produz vinhaça completa (132) do sistema de destilação (124). A vinhaça completa (132) é ainda separada em fracionamento úmido de retaguarda (1006) para separar a fibra (1008) dos outros componentes na vinhaça completo (132).
[00134] Retornando à (1006), os outros componentes são direcionados ao dispositivo mecânico (1010). O dispositivo mecânico (1010) pode ser qualquer tipo de dispositivo de separação incluindo, entre outros, centrífuga, filtro, tela de pás, tela e similares. O dispositivo mecânico (1010) produz um bolo (1012). O processo (1000) pode transferir um pouco do bolo (1012) a um ou mais secadores (140) para remover umidade. Essa secagem produz ração animal de alto teor de proteína (HP), Grão de Destiladores a Seco de Alto Teor de Proteína (HP DDG) (1014), que pode ser armazenado em tanques (não apresentados). O líquido que foi separado e concentrado é xarope. O xarope seco é adicionado de volta ao HP DDG (1014) para criar Grão de Destiladores a Seco de Alto Teor de Proteína com Solúveis (HP DDGS) (1016). Os produtos têm uma vida de prateleira quase indefinida e podem ser enviados a qualquer mercado para alimentação de gado. O resto dos processos apresentados na Figura 10 é semelhante aos processos que foram discutidos com referência à Figura 1. Fracionamento Final Úmido
[00135] A Figura 11 ilustra um exemplo de um fracionamento úmido de retaguarda (1006) no processo integrado. O processo (1006) provê melhor separação da fibra (1008), e outros componentes, assim, a fibra (1008) pode ser pré-tratada e hidrolisada. Isso aprimora a produção por meio de tecnologia de liberação de amido ao prover um aumento na produção de 2% a 3%. O processo (1006) aumenta a área de superfície de amido e provê acessibilidade de amido às enzimas. Além disso, a fermentação do amido adicional por esse processo remove a carga da centrífuga, secadores e evaporadores na usina existente.
[00136] O processo (1006) separa a vinhaça completa (132) com um primeiro dispositivo mecânico (1102) para produzir dois produtos. O primeiro dispositivo mecânico (1102) separa a fibra (1008) do fluxo de vinhaça completo. Depois, o processo (1006) envia o fluxo de vinhaça completo através de um segundo dispositivo mecânico (1104) para gerar um primeiro fluxo aos evaporadores (146) e para secar o primeiro fluxo para criar xarope (1112).
[00137] Retornando a (1104), o processo (1006) envia um segundo fluxo através de um terceiro dispositivo mecânico (1106). O processo (906) ainda envia o segundo fluxo a um secador (140), que seca o fluxo de sólidos para produzir um DDG (1014) e DDGS (1016) alto teor de proteína combinados com xarope (1112).
[00138] O dispositivo mecânico pode incluir, entre outros, uma centrífuga, uma centrífuga de bico, centrífuga de filtração, centrífuga decantadora, tricanter e similares. Exemplos de Resultados
[00139] Os exemplos abaixo são somente representativos de alguns aspectos da presente invenção. Será entendido pelos técnicos no assunto que processos, conforme estabelecidos na especificação, podem ser praticados com uma variedade de alterações com o benefício da invenção. Esses exemplos e os procedimentos utilizados neles não devem ser interpretados como limitantes da invenção de qualquer maneira que não explicitamente declarado nas reivindicações. Exemplo de Pré-tratamento
[00140] O pré-tratamento (112) foi conduzido em cinco cronogramas diferentes utilizando ácido sulfúrico, amônia, a base misturada de hidróxido de potássio e hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, e hidróxido de sódio. A Tabela I resume as execuções de pré-tratamento abaixo. Tabela I. Execuções de Pré-tratamento
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[00141] Os dados de pré-tratamento indicam as porcentagens de sólidos variadas de 15,41% a 16,39%, a quantidade de ácido sulfúrico aplicado variou de 3,83% a 4,07%, a quantidade de amônia variou de 1,08% a 1,19%, uma base misturada de hidróxido de potássio e hidróxido de sódio variou de 2,34% a 3,90%, a quantidade de hidróxido de potássio variou de 0,52% a 0,87%, a quantidade de hidróxido de sódio variou de 0,58% a 0,98%, e a temperatura média variou de 310,08°F a 312,08°F.
[00142] A qualidade do pré-tratamento durante a execução permaneceu relativamente compatível em relação à conversão de hemicelulose. Houve concentrações relativamente compatíveis de xilose, furfural, ácido acético e arabinose observadas por todas as execuções. A conversão de amido em glicose monomérica aumentou gradualmente durante a execução. Um aumento estável em glicose monomérica e uma redução estável em pico de DP4+ indicam que amidos oligoméricos criados no pré-tratamento são quebrados em glicose de maneira mais eficiente conforme o tempo de execução decorreu. O conteúdo de amido na matéria-prima aumentou estavelmente durante a execução. Exemplo de Hidrólise
[00143] Hidrólise (114) foi conduzida ao gerar 570.000 galões de hidrolisado. A hidrólise (114) incluiu hidrólise de 18 lotes diferentes de farelo pré-tratado. Hidrólise (114) converteu a celulose e hemicelulose em açúcares C6 (isto é, glicose) e C5 (isto é, xilose) ou componentes monoméricos. A porcentagem de conversões para cada lote e uma porcentagem média para glicose e xilose são apresentadas na Tabela II. Tabela II. Dados de Conversão de Hidrólise
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[00144] A Tabela II ilustra que a hidrólise (114) produziu hidrolisado com uma média de 15,7% de sólidos totais. A porcentagem média de conversão de C6 (isto é, glicose) é 90,5% e a porcentagem média de conversão de xilose (isto é, xilose) é de 79,8%. Hidrólise produziu mais que 90% de conversão do C6. Exemplo de Hidrólise e fermentação híbridas
[00145] Reatores HHF foram utilizados para demonstrar a conversão de açúcares pentose e hexose no processo integrado. Durante uma execução de 1.000 horas, 8 lotes HHF (~4000 galões cada) foram concluídos. O processo de HHF é um processo de duas fases compostos de um período de tempo inicial com o hidrolisado em condições de hidrólise normais (128°F, pH controlado 4,8-5,0) seguidas por uma redução na temperatura em condições de fermentação normais (90°F, pH controlado 4,8-5,0). A execução da hidrólise e o tempo total são apresentados na Tabela III abaixo. Tabela III. Dados de HHF
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[00146] Inicialmente, as conversões foram focalizadas por (120) horas totais com 30 horas dedicadas à hidrólise. Conforme apresentado pelos números de lote (414), (415), (416), o tempo total de HHF foi reduzido para 60 horas e 15 horas dedicadas à hidrólise para esses lotes. Os dados indicam que a produção de fermentação em porcentagem não foi afetada ao reduzir o tempo pela metade. Isso é possível ao dobrar a quantidade de inóculo de levedura e dose de enzima. Métodos de Hidrólise e Variáveis
[00147] Diferentes tipos de métodos de hidrólise foram executados com diferentes condições variáveis. Um método é separar hidrólise de farelo de milho misturado com vinhaça de milho de altos sólidos (SHF-CM). Esse método testou a produção aumentada associada à fermentação do vinhaça misturado de celulose/amido com levedura não GMO padrão (NABC-Bioferm).
[00148] Outro método é cerveja de hidrólise e fermentação híbridas (HHF) de farelo de milho misturada com vinhaça de milho de altos sólidos (HHF-CM). A paste fluida de farelo de milho pré-tratada foi hidrolisada a 128°F por 15-30 horas. A temperatura, então, caiu para 89°F e uma levedura de GMO foi adicionada aos tanques de fermentação para converter os açúcares de cinco e seis carbonos (não incluindo arabinose) em uma cerveja de baixa concentração (35-45g/L). Essa cerveja foi, então, misturada com a vinhaça de milho de altos sólidos.
[00149] Outro método utilizou vinhaça de milho de altos sólidos misturado com um volume de água equivalente às adições de farelo de milho hidrolisado ou cerveja de HHF (Água-CM). Esse teste serviu como um controle. O fator de controle foi que todos os 4 lotes receberam exatamente a mesma quantidade de vinhaça de milho com exatamente a mesma composição. Tabela IV. Dados de HHF-CM, SHF-CM, e Água-CM
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[00150] Os lotes de HHF-CM (502), (503), (510), (514) e (515) apresentaram aumentos de % de produção de 11,6%, 11,2%, 10,4%, 11,1%, e 11,1%, respectivamente. Esses aumentos de produção são maiores que os aumentos de produção dos lotes de SHF-CM. Em geral, o desempenho de HHF-CM foi melhor que o de SHF-CM e do controle. Exemplo de Fermentação Integrada
[00151] Os três métodos diferentes incluíram hidrólise separada de farelo de milho misturado com vinhaça de milho de altos sólidos (SHF-CM), cerveja de hidrólise e fermentação híbridas (HHF) de farelo de milho misturada com vinhaça de milho de altos sólidos (HHF-CM), e vinhaça de milho de altos sólidos misturado com um alto volume de água equivalente às adições de farelo de milho hidrolisado ou cerveja HHF. Tabela V. Dados de Fermentação Integrada
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[00152] A avaliação estatística dos dados de concentração de etanol por meio de análise de HPLC apresenta que o SHF-CM e HHF-CM produziu 7,1% e 9,7% de aumentos de produção, respectivamente, quando comparado aos controle. Adicionalmente, descobriu-se que esses dois casos variáveis diferentes são estatisticamente diferentes um do outro.
[00153] Todos os lotes foram concluídos em menos que 60 horas. Os lotes de HHF-CM apresentaram um aumento de produção em porcentagem média de 9,7%, uma redução de levedura em porcentagem média de 81,4% e uma redução de glicerol de porcentagem média de 33%. Em geral, o desempenho de HHF-CM foi melhor que o SHF-CM e o controle.
[00154] Embora o assunto tenha sido descrito em linguagem específica aos aspectos estruturais e/ou ações metodológicas, deve ser entendido que o assunto definido nas reivindicações anexas não é necessariamente limitado aos aspectos ou ações específicos descritos. Ao contrário, os aspectos e ações específicos são revelados como formas de exemplo de implementação das reivindicações.

Claims (20)

1. MÉTODO DE INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS A UMA USINA EXISTENTE, caracterizado por compreender: identificação de uma usina existente que converte grão em etanol, em que a usina existente compreende pelo menos dois ou mais de um processo de moagem, um processo de cozimento (118), um processo de fermentação (122), um processo de destilação (124), um processo de desidratação (126), um processo de evaporação (146), um processo de separação de sólido e líquido, ou um processo de propagação; adição de um processo de fracionamento (102) para separar farelo (104) de outros componentes na matéria-prima; adição de um processo de pré-tratamento (112) utilizando água e calor para quebrar a celulose e hemicelulose no farelo (104); adição de um processo de hidrólise (114) e de fermentação celulósica (506, 508, 510) para hidrolisar o farelo (104) com um complexo/coquetel de enzima celulase e para fermentar o farelo (104) hidrolisado para produzir cerveja celulósica, e combinação da cerveja celulósica com amido do grão da usina existente para um processo de fermentação (122) para aumentar a produção geral de etanol (130) na usina existente.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a recuperação de energia ao liberar vapor do processo de pré-tratamento (112) e enviar o vapor a ser utilizado nos processos descritos acima na usina existente.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender o redirecionamento do fornecimento de água de cozimento dos processos na usina existente para ser utilizada no processo de pré-tratamento (112).
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a reciclagem de condensado do processo de pré-tratamento (112) a um tanque de água de pré-tratamento.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender: fermentação (122) do amido do grão combinado à cerveja celulósica na usina existente; destilação da cerveja para separar álcool de sólidos e líquidos; remoção da umidade do álcool; e adição de um desnaturante ao álcool para produzir biocombustível.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender: fermentação (122) do amido do grão combinado à cerveja celulósica na usina existente em cerveja; destilação da cerveja para separar o álcool de sólidos e líquidos; separação dos sólidos e dos líquidos em bolo úmido e concentrado; e produção de grãos destiladores.
7. MÉTODO PARA TRATAR MATÉRIA-PRIMA CELULÓSICA, para realização do método definido na reivindicação 1 caracterizado por compreender: Fracionamento (102, 702) da matéria-prima celulósica ao separar componentes da matéria-prima celulósica em um fluxo de partículas grandes de um fluxo e um fluxo de partículas pequenas; pré-tratamento (112) do fluxo de partículas grandes ao adicionar água ao fluxo de partículas grandes em um tanque para criar uma pasta fluida de poucos sólidos, em que uma porcentagem de sólidos na pasta fluida de poucos sólidos compreende menos de 25%; injeção de vapor (412) diretamente à pasta fluida de poucos sólidos para elevar uma temperatura da pasta fluida de poucos sólidos; adição de um produto químico (405) à pasta fluida de poucos sólidos aquecida para fazer com que uma zona de reação ocorra; e hidrólise (114) e fermentação (122) da pasta fluida de poucos sólidos para produzir cerveja celulósica.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, em que a água é caracterizada por compreender pelo menos um dentre um condensado do evaporador, um condensado de pré-tratamento, vapor de um tanque de vaporização ou vapor de fundos extratores laterais.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, em que a elevação da temperatura é caracterizada por compreender de 355 K a de 478 K.
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, em que o produto químico é caracterizado por compreender pelo menos um dentre um ácido sulfúrico, um ácido fosfórico ou um ácido nítrico.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, em que a hidrólise (114) e fermentação (122) são caracterizadas por compreender a utilização de um coquetel de complexo de enzima celulase na hidrólise (114) e um organismo na fermentação (122) para maximizar a produção de biocombustível celulósico.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da hidrólise (114) converter celulose e hemicelulose em açúcares na pasta fluida de poucos sólidos, pelo menos 80% da celulose em glicose e converter pelo menos 70% da hemicelulose em componentes monoméricos.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da hidrólise (114) e fermentação (122) ocorrerem em menos que 60 horas.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender a adição de uma base em um tanque de vaporização, após a zona de reação neutralizar a pasta fluida de poucos sólidos, em que a base compreende pelo menos um dentre amônia anidra, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de cálcio, óxido de cálcio, cáustico residual ou aqua amônia.
15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender: destilação da cerveja celulósica para separar álcool de sólidos e líquidos; remoção da umidade do álcool; e adição de um desnaturante ao álcool para produzir biocombustível celulósico.
16. MÉTODO PARA TRATAR MATÉRIA-PRIMA CELULÓSICA, para realização do método definido na reivindicação 1 caracterizado por compreender: pré-tratamento (112) de um fracionamento de uma matéria-prima celulósica ao separar componentes da matéria-prima celulósica em um fluxo de partículas grandes de um fluxo e um fluxo de partículas pequenas; pré-tratamento (112) das partículas grandes de uma matéria-prima celulósica ao adicionar calor e um ácido para quebrar celulose e hemicelulose e utilização de uma base para neutralização; e hidrólise (114) da matéria-prima pré-tratada ao adicionar uma enzima para converter celulose e hemicelulose em açúcares e fermentação (122) da matéria-prima pré-tratada e; adicionar um organismo para produzir um produto fermentado.
17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, em que a enzima é caracterizada por compreender uma mistura de coquetel de complexo de celulases, um alto nível de β-glucosidases e hemicelulases.
18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por a quantidade e tipo da base serem determinados por uma necessidade de nitrogênio na fermentação (122).
19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o organismo ser uma levedura Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificada.
20. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 16, em que a hidrólise (114) e fermentação (122) são caracterizadas por compreender pelo menos um dentre hidrólise (114) hibrida e fermentação (122), hidrólise (114) e fermentação (122) separadas, ou sacarificação e fermentação simultâneas (122).
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