BR112015031780B1

BR112015031780B1 - Processo para a produção de grânulos de biomassa e açúcares a partir de biomassa celulósica, e processo para a produção de grânulos de biomassa a partir da biomassa celulósica

Info

Publication number: BR112015031780B1
Application number: BR112015031780-4A
Authority: BR
Inventors: Theodora Retsina; Vesa Pylkkanen
Original assignee: GranBio Intellectual Property Holdings, LLC
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2022-04-26
Also published as: EP3013970A4; US20150004654A1; WO2014210252A1; US9315750B2; BR112015031780A2; CA2933820A1; EP3013970A1

Abstract

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE GRÂNULOS DE BIOMASSA E AÇÚCARES A PARTIR DE BIOMASSA CELULÓSICA, E PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE GRÂNULOS DE BIOMASSA A PARTIR DA BIOMASSA CELULÓSICA. Nesta revelação, é provido um processo para a produção de grânulos de biomassa e açúcares a partir de biomassa celulósica, compreendendo: extrair a matéria-prima com vapor e/ou água quente e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; separar os sólidos ricos em celulose do extrato de licor; filtrar o extrato de licor para remover pelo menos alguma lignina, gerando assim um permeado filtrado compreendendo extrato de licor limpo contendo os oligômeros hemicelulósicos e um concentrado filtrado compreendendo um fluxo rico em lignina; hidrolisar os oligômeros hemicelulósicos no extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos que são recuperados; e granular os sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a granulação utiliza pelo menos algum fluxo rico em lignina como um aglomerante ou componente aglomerante.

Description

DADOS DE PRIORIDADE

[001] Este pedido internacional de patente reivindica prioridade do Pedido Provisório de Patente dos Estados Unidos No. 61/839,912, depositado em 27 de junho 2013, e o Pedido de Patente dos Estados Unidos No. 14/314,787, depositado em 25 de junho 2014, cada uma das quais incorporada à presente por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção em geral se refere a processos para a preparação de grânulos de biomassa densas em energia para combustão, enquanto também recupera açúcares fermentáveis da biomassa.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[003] A queima de madeira e biomassa está retornando após cerca de um século de dominação pelo carvão, petróleo, e gás natural para a geração de energia. A disponibilidade de combustíveis fósseis densos em energia e de redes eficientes de transporte tornou a produção centralizada de energia a tecnologia de escolha. No século 21, o calor da biomassa e as centrais de energia, assim como o aquecimento distrital estão passando por uma renascença. Essa popularidade é movida em parte pela natureza neutra em carbono da maior parte da biomassa (isto é, sem emissões de CO2). O crescente custo dos combustíveis fósseis e dos incentivos para a mudança levam as decisões do consumidor para a energia renovável. Também, os mandados do portfólio da energia renovável exigem que sejam construídas dependências para usinas de energia renovável.

[004] Um desafio à biomassa combustível é seu alto teor de umidade. A biomassa viva e recém-cortada contém tipicamente umidade entre 40% e 60%. Em armazenagem livre, a secagem da biomassa pode atingir a umidade do ar seco, de cerca de 10%. Essa secagem da madeira é lenta, exigindo tipicamente pelo menos uma estação inteira de verão. Isso exige mão de obra em dobro e aumenta os custos de compras. Pode ser vantajoso primeiro granular a biomassa, que pode eliminar a umidade da biomassa, usando uma parte da energia da biomassa, o calor de rejeitos ou um combustível fóssil. A umidade final da granulação está tipicamente entre 5-7%, que é similar à umidade do carvão. As eficiências das caldeiras aumentam aproximadamente meio por cento com cada porcentagem de remoção da umidade.

[005] Em biomassa, a celulose e a hemicelulose podem ter cerca da metade do valor calorífico do carvão, devido ao alto teor de oxigênio dos constituintes poliméricos do açúcar. A lignina tem um valor calorífico similar ao do carvão, mas o enxofre é quase ausente. O teor de energia combinado da biomassa é de tipicamente 18.608 - 20.934 kJ/kg, quando comparado ao 23.260-32.564 kJ/kg do carvão. Devido ao alto teor de oxigênio e de umidade na biomassa, a eficiência da caldeira para o disparo da biomassa varia tipicamente entre 50-65%. Uma grande parte do calor gerado na combustão escapa como vapor pelo empilhamento. Portanto, a conversão das caldeiras de queima de carvão para o disparo da biomassa pode reduzir a capacidade da caldeira em até 60%. Existe uma necessidade de maximizar o uso desses ativos sendo, portanto desejada mais biomassa densa em energia.

[006] A alimentação da biomassa de formato irregular também representa um desafio. A granulação pode produzir um material de tamanho uniforme que não faça pontes ou se aloje facilmente em um silo de armazenagem. Por outro lado, o material granulado pode absorver umidade, se guardado ao tempo.

[007] Outro obstáculo é apresentado pelas cinzas na biomassa. O teor de cinzas da biomassa tipicamente varia entre 0,4% e 15%. Hastes de madeira de lei e a madeira macia e restos de folhagens somente contém 0.4% a 0.8% de cinzas, sendo ricas em cálcio e potássio. Outros materiais de biomassa incluindo polpa e borra de papéis, rejeitos de papel, papel reciclado e rejeitos de construção, podem conter até 30% de cinzas. Essa cinza inclui minerais nos capilares de plantas, sujeira na superfície, e revestimento no papel. A madeira exposta à água salgada contém elevados níveis de sódio e cloretos.

[008] Os resíduos de agricultura de plantas anuais, como a palha de milho, fibra de milho, palha de trigo, bagaço de cana de açúcar, palha de arroz, palha de aveia, palha de cevada, e miscanthus podem conter até 10% ou mais de cinzas que são ricas em sílica, potássio, e cloro. O material dos resíduos de agricultura tem pouco enxofre, tipicamente menor que 0,1%, versus o teor de enxofre do carvão de 0,5-7,5%. Os minerais significativos nesses resíduos anuais de agricultura incluem o potássio, sódio, sílica, cálcio, e halogênios corrosivos como os cloretos.

[009] Após a combustão em altas temperaturas, os metais e os halogênios volatilizam em aerossóis e saem da caldeira com os gases de combustão. O resfriamento das cinzas volantes cria partículas microscópicas que são a causa das doenças respiratórias. O tratamento dos gases de combustão para remoção de particulado inclui ciclones, filtros, e precipitadores eletrostáticos (ESP). Esses controles ambientais na planta central de energia são caros e, em aplicações domésticas, tendem a ter um custo proibitivo. A legislação Recent Maximum Achievable Control Technology (MACT) da U.S. EPA busca controlar as emissões de particulados de grandes plantas de energia de biomassa. Outros minerais como o cálcio e sílica permanecem no fundo da caldeira e têm a tendência de formar clínquers e incrustações (escória) nos tubos da caldeira. Os sais de cloretos alcalinos podem provocar corrosão nos tubos da caldeira.

[010] São necessários processos e equipamentos para preparar a biomassa, incluindo resíduos de madeira e de agricultura, em biomassa limpa e densa em energia para uma melhor combustão, com ou sem granular a biomassa. A biomassa densa em energia deve ser capaz de ser disparada individualmente ou em combinação com outro combustível sólido. Seria desejável que esses processos tivessem também um bom potencial para a recuperação de vários subprodutos, como os açúcares, produtos da fermentação do açúcar, furfural, ácido levulínico, fertilizantes, e lignina.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[011] A presente invenção objetiva as necessidades supramencionadas da técnica.

[012] Algumas variações fornecem um processo para a produção de grânulos de biomassa e açúcares a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) extrair a matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (c) separar os sólidos ricos em celulose do extrato de licor; (d) filtrar o extrato de licor para remover pelo menos alguma lignina, gerando assim um permeado filtrado compreendendo extrato de licor limpo contendo os oligômeros hemicelulósicos e um concentrado filtrado compreendendo um fluxo rico em lignina; (e) hidrolisar os oligômeros hemicelulósicos no extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos; (f) recuperar os monômeros hemicelulósicos; e (g) granular os sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a granulação utiliza pelo menos algum fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante.

[013] Em algumas realizações, a etapa (b) inclui o uso do catalisador ácido, em que o catalisador ácido é um ácido inorgânico, um ácido orgânico, ou uma combinação desses.

[014] Em algumas realizações, a etapa (d) utiliza filtração de membrana com vários tamanhos possíveis de poros de membranas. Opcionalmente, a etapa (d) compreende a introdução de um auxílio à filtração ou um aditivo para ampliar filtração da lignina.

[015] Em algumas realizações, o aglomerante ou o componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina. Nessas e em outras realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui o ácido acético obtido da biomassa celulósica. Em qualquer dessas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante pode incluir compostos de degradação do açúcar obtidos da biomassa celulósica, como o furfural, o hidroximetilfurfural, o carbonizado, etc. Em algumas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos externos não derivados da biomassa celulósica. Qualquer aglomerante externo conhecido na técnica pode ser adicionado à composição aglomerante baseada em lignina.

[016] Em algumas realizações, o processo ainda inclui prensagem, secagem, moagem, torrefação, pirolização, ou outro tratamento de sólidos ricos em celulose antes da granulação na etapa (g).

[017] Os grânulos de biomassa podem ser queimados para produzir energia, incluindo calor e/ou eletricidade. Os grânulos de biomassa podem ter um teor de energia entre cerca de 19.771 kJ/kg a cerca de 27.912 kJ/kg em base seca, como pelo menos 20.934 kJ/kg ou pelo menos 23.260 kJ/kg em base seca.

[018] Em algumas realizações, o processo ainda compreende a fermentação dos açúcares hemicelulósicos de um ou mais produtos de fermentação como, entre outros, o etanol.

[019] A ordem das etapas pode variar em outras realizações. Por exemplo, a etapa (e) pode ser feita antes da etapa (d). Assim, quando os oligômeros hemicelulósicos são hidrolisados em monômeros, a lignina pode ser liberada dos oligômeros e/ou precipitados na solução. Pode ser desejado fazer a hidrólise e então filtrar a lignina presente na solução. Alternativamente, a filtração pode ser feita tanto antes como depois da hidrólise.

[020] Outras variações da invenção proporcionam um processo para a produção de grânulos de biomassa a partir da biomassa celulósica, o processo compreendendo: (h) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (i) extrair a matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (j) separar os sólidos ricos em celulose do extrato de licor; (k) remover pelo menos alguma lignina do extrato de licor, gerando assim extrato de licor limpo e um fluxo rico em lignina; e (l) granular os sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a granulação utiliza pelo menos algum fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante.

[021] Em algumas realizações, a etapa (d) utiliza filtração, assim como a filtração de membrana. Podem ser usadas outras técnicas de separação na etapa (d), incluindo, por exemplo, centrifugação, clarificação, precipitação eletrostática, ou separação reativa. A separação reativa pode envolver o ajuste de um dos itens de temperatura, pH, composição líquida, ou tempo de residência associados a uma unidade para separação reativa.

[022] Em algumas realizações, o processo ainda compreende hidrolisar os oligômeros hemicelulósicos no extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos, e então recuperar os monômeros hemicelulósicos. Os ácidos podem incluir o ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácidos lignossulfônicos, ácido nítrico, ácido nitroso, ácido carbônico, ácido acético, ácido fórmico, e assim por diante. As enzimas, se empregadas, devem ter atividade hemicelulase.

[023] Em algumas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina, como compostos de degradação do açúcar (por exemplo, carbonização) derivados da biomassa celulósica. Também, o aglomerante pode incluir componentes derivados da biomassa, mas não da degradação do açúcar, como o ácido acético, ácidos urônicos, ou proteínas. Em certas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos externos não derivados da biomassa celulósica.

[024] A presente invenção também provê grânulos de biomassa (de qualquer forma ou tamanho) e suas composições, como produtos derivados do processo revelado. A presente invenção também provê sistemas e equipamento para realizar os processos descritos.

BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA

[025] A FIGURA 1 é um diagrama simplificado de fluxo de blocos mostrando o processo de algumas realizações da presente invenção. As linhas hachuradas indicam fluxos opcionais.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[026] Esta descrição permitirá aos peritos no assunto realizarem e usarem a invenção, pela descrição de várias realizações, adaptações, variações, alternativas, e usos da invenção. Essas e outras realizações, características, e vantagens da presente invenção se tornarão mais aparentes para os peritos no assunto ao serem tomadas com referência à seguinte descrição detalhada da invenção em conjunto com quaisquer dos desenhos de acompanhamento.

[027] Como usadas nesta especificação e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um,” “uma,” e “o/a” incluem as referências plurais, a menos que o contexto claramente indique de outra forma. A menos que definidos de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados na presente têm o mesmo significado comumente entendido pelos técnicos no assunto, aos quais pertence esta invenção. Todos os números e faixas de composição baseados em porcentagens são porcentagens em peso, a menos que indicado de outra forma. Todas as faixas de números ou de condições são mencionados para englobar qualquer valor específico contido na faixa, arredondado para qualquer ponto decimal adequado.

[028] A menos que indicado de outra forma, todos os números que expressam condições de reação, estequiometrias, concentrações de componentes, e assim por diante, que forem usados nas especificações e reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todas as instâncias pelo termo “cerca de.” Da mesma forma, a menos que indicado ao contrário, os parâmetros numéricos apresentados na seguinte especificação e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo pelo menos de uma técnica analítica específica.

[029] O termo “compreendendo,” que é um sinônimo de “incluindo,” “contendo,” ou “caracterizado por” é inclusive ou de final aberto e não exclui outros elementos não mencionados ou etapas de método. “Compreendendo” é um termo da técnica, usado na linguagem da reivindicação, que significa que os elementos de reivindicação indicados são essenciais, mas outros elementos de reivindicação podem ser adicionados e ainda formarem uma construção dentro do escopo da reivindicação.

[030] Como usada na presente, a frase “consistindo de” exclui qualquer elemento, etapa, ou ingrediente não especificado na reivindicação. Quando a frase “consiste de” (ou suas variações) aparece em uma cláusula do corpo da reivindicação, ao invés de imediatamente seguindo o preâmbulo, limita somente o elemento apresentado naquela cláusula; outros elementos não são excluídos da reivindicação como um todo. Como usada na presente, a frase “consistindo essencialmente de” limita o escopo da reivindicação aos elementos especificados ou às etapas do método, mais aqueles que não afetam materialmente a base e a(s) nova(s) característica(s) do assunto reivindicado.

[031] Com relação aos termos “compreendendo,” “consistindo de,” e “consistindo essencialmente de,” onde um desses três termos seja usado na presente, o assunto ora revelado e reivindicado pode incluir o uso de qualquer dos outros termos. Assim, em algumas realizações não explicitamente mencionadas, qualquer instância de “compreendendo” pode ser substituída por “consistindo de” ou, alternativamente, por “consistindo essencialmente de.”

[032] Serão agora descritas algumas realizações exemplares da invenção. Essas realizações não pretendem limitar o escopo da invenção como reivindicada. A ordem das etapas pode variar, algumas etapas podem ser omitidas, e/ou outras etapas adicionadas. As referências na presente à primeira etapa, segunda etapa, etc. servem somente como ilustração.

[033] Algumas variações fornecem um processo para a produção de grânulos de biomassa e açúcares a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (m) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (n) extrair a matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (o) separar os sólidos ricos em celulose do extrato de licor; (p) filtrar o extrato de licor para remover pelo menos alguma lignina, gerando assim um permeado filtrado compreendendo o extrato de licor limpo contendo os oligômeros hemicelulósicos e um concentrado filtrado compreendendo um fluxo rico em lignina; (q) hidrolisar os oligômeros hemicelulósicos no extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos; (r) recuperar os monômeros hemicelulósicos; e (s) granular os sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a granulação usa pelo menos algum fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante.

[034] Em algumas realizações, a etapa (b) inclui o uso do catalisador ácido, em que o catalisador ácido é um ácido inorgânico, um ácido orgânico, ou uma combinação desses.

[035] Em algumas realizações, a etapa (d) utiliza filtração de membrana com os vários tamanhos de poros de membranas possíveis. Opcionalmente, a etapa (d) compreende a introdução de um auxílio à filtração ou um aditivo para ampliar filtração da lignina.

[036] Em algumas realizações, o filtrado lavado é clarificado a partir do material suspenso, como fibras e areia por clarificação ou centrifugação. A partir da sedimentação, o filtrado clarificado é então enviado para uma etapa de ultrafiltração. Os sólidos suspensos são ainda concentrados em uma prensa de filtros para formar o produto combustível. Nesse ponto, o filtrado clarificado pode ser acidificado para reduzir as incrustações microbianas das membranas.

[037] Em algumas realizações, é usada a ultrafiltração para a remoção da lignina. O filtrado clarificado que deixa a sedimentação pode ser enviado para um banco de elementos de membrana de ultrafiltração. A membrana de ultrafiltração pode rejeitar grandes moléculas dissolvidas, como as de lignina com pesos moleculares entre 3.000 g/mol e 10.000 g/mol.

[038] Em algumas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina. Nessas ou em outras realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui o ácido acético derivado da biomassa celulósica. Em qualquer dessas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante pode incluir compostos de degradação do açúcar derivados da biomassa celulósica, como o furfural, o hidroximetilfurfural, o carbonizado, etc. Em algumas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos externos não derivados da biomassa celulósica. Qualquer aglomerante externo conhecido na técnica pode ser adicionado à composição aglomerante à base de lignina.

[039] Em algumas realizações, o processo ainda inclui prensagem, secagem, moagem, torrefação, pirolização, ou o tratamento dos sólidos ricos em celulose antes da granulação na etapa (g).

[040] Os grânulos de biomassa podem ser queimados para produzir energia, incluindo calor e/ou eletricidade. Os grânulos de biomassa podem ter um teor de energia entre cerca de 19.771 kJ/kg a cerca de 27.912 kJ/kg em base seca, como pelo menos 20.934 kJ/kg ou pelo menos 23.260 kJ/kg em base seca.

[041] Em algumas realizações, o processo ainda compreende a fermentação dos açúcares hemicelulósicos em um ou mais produtos de fermentação como, entre outros, o etanol.

[042] A ordem das etapas pode variar em outras realizações. Por exemplo, a etapa (e) pode ser realizada antes da etapa (d). Assim, quando os oligômeros hemicelulósicos são hidrolisados em monômeros, a lignina pode ser liberada dos oligômeros e/ou precipitada na solução. Pode ser desejado fazer a hidrólise e então filtrar a lignina presente na solução. Alternativamente, a filtração poderia ser feita tanto antes e como depois da hidrólise...

[043] Outras variações da invenção proporcionam um processo para a produção de grânulos de biomassa a partir da biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) extrair a matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (c) separar os sólidos ricos em celulose do extrato de licor; (d) remover pelo menos alguma lignina do extrato de licor, gerando assim extrato de licor limpo e um fluxo rico em lignina; e (e) granular os sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a granulação usa pelo menos algum fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante.

[044] Em algumas realizações, a etapa (d) usa a filtração, como filtração de membrana. Podem ser usadas outras técnicas de separação na etapa (d) incluindo, por exemplo, a centrifugação, clarificação, precipitação eletrostática, ou separação reativa. A separação reativa pode envolver o ajuste de um ou mais itens de temperatura, pH, composição líquida, ou tempo de residência associado a uma unidade da separação reativa.

[045] Em algumas realizações, o processo ainda compreende hidrolisar os oligômeros hemicelulósicos no extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos, e então recuperar os monômeros hemicelulósicos. Os ácidos podem incluir o ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácidos lignossulfônicos, ácido nítrico, ácido nitroso, ácido carbônico, ácido acético, ácido fórmico, e assim por diante. As enzimas, se empregadas, devem ter uma atividade hemicelulase.

[046] Podem ser usados o ácido sulfúrico ou enzimas para hidrolisar o concentrado de açúcar do filtro ou membrana, em açúcares fermentáveis. As condições de reação da hidrólise ácida podem incluir, por exemplo, 10 a 240 minutos do tempo de residência em uma temperatura de 80 a 200 °C. O pH da solução durante a hidrólise pode estar entre cerca de 0 a cerca de 4. Esse baixo pH converterá as hemiceluloses poliméricas em açúcares monoméricos. Tempo, temperatura, e pH devem ser otimizados para maximizar a produção do açúcar sem converter os açúcares monoméricos ainda em furfural e outros componentes que inibem a fermentação. Alternativamente, enzimas como uma mistura de enzimas de celulase e xilase pode ser usada para fazer a hidrólise.

[047] Em algumas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina, como compostos de degradação do açúcar (por exemplo, carbonização) derivados da biomassa celulósica. Também, o aglomerante pode incluir componentes derivados da biomassa, mas não da degradação do açúcar, como o ácido acético, ácidos urônicos, ou proteínas. Em certas realizações, o aglomerante ou componente aglomerante ainda inclui um ou mais compostos externos não derivados da biomassa celulósica.

[048] A “Biomassa,” para as finalidades dessa revelação, será entendida como qualquer matéria-prima biogênica ou mistura de uma matéria-prima biogênica e não biogênica. Elementarmente, a biomassa inclui pelo menos o carvão, o hidrogênio, e o oxigênio. Os métodos e equipamento da invenção podem acomodar uma ampla gama de matérias-primas de vários tipos, tamanhos, e teores de umidade.

[049] A biomassa inclui, por exemplo, materiais de planta ou derivados de plantas, vegetação, rejeitos da agricultura, rejeitos florestais, rejeitos de madeira, rejeitos de papel, rejeitos derivados de animais, rejeitos derivados de aves, e rejeitos sólidos municipais. Em várias realizações da invenção usando biomassa, a matéria-prima da biomassa pode incluir um ou mais materiais selecionados de: lascas de madeira macia, lascas de madeiras de lei, resíduos de colheita de madeira, galhos de árvores, tocos de árvores, nós, folhas, casca, pó de serra, polpas de papel fora de especificação, celulose, milho, palha de milho, palha de trigo, palha de arroz, cana de açúcar, bagaço de cana de açúcar, gramas, miscanthus, esterco animal, lixo municipal, esgoto municipal, rejeitos comerciais, pomes de uva, cascas de amêndoas, cascas de pecan, cascas de coco, moagens de café, grânulos de grama, grânulos de palha, grânulos de madeira, papelão, papel, carboidratos, plástico, e tecidos.

[050] A seleção de uma determinada matéria- prima ou matérias-primas não é vista como tecnicamente crítica, mas é feita de maneira a tender a favorecer um processo econômico. Tipicamente, independente das matérias- primas escolhidas, pode haver (em algumas realizações) uma triagem para remover materiais indesejáveis. A matéria-prima pode, opcionalmente ser seca antes do processamento.

[051] A matéria-prima empregada pode ser fornecida ou processada em uma ampla variedade de tamanhos de partículas ou formas. Por exemplo, o material de alimentação pode ser um pó fino, ou uma mistura de partículas finas e grossas. O material de alimentação pode estar sob a forma de grandes peças de material, como lascas de madeira ou outras formas de madeira (por exemplo, redonda, cilíndrica, quadrada, etc.). Em algumas realizações, o material de alimentação compreende grânulos ou outras formas aglomeradas de partículas que foram prensadas em conjunto ou ligadas de outra forma.

[052] A presente invenção também provê grânulos de biomassa (de qualquer forma ou tamanho) e suas composições, como produtos provenientes do processo revelado. A presente invenção também provê sistemas e equipamentos para realizarem os processos descritos.

[053] Em algumas realizações, o processo começa com a biomassa sendo recebida ou reduzida a aproximadamente V” de espessura. Em uma primeira etapa do processo, lascas de biomassa são alimentadas em um vaso pressurizado de extração operando continuamente ou em modo de lote. As lascas podem ser vaporizadas lavadas com água para remover a sujeira e o ar entranhado. As lascas são imersas em licor aquoso ou vapor saturado e aquecidas a uma temperatura entre cerca de 100°C a cerca de 250°C, por exemplo 150°C, 160°C, 170°C, 180°C, 190°C, 200°C, ou 210°C. Preferencialmente, as lascas são aquecidas a cerca de 180°C a 210°C. A pressão do vaso pressurizado pode ser ajustada para manter o licor aquoso como líquido, um vapor, ou uma combinação desses. As pressões exemplares são cerca de 1 atm a cerca de 30 atm, como cerca de 3 atm, 5 atm, 10 atm, ou 15 atm.

[054] O licor aquoso pode conter compostos acidificantes, como (entre outros) ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácido acético, ácido fórmico, ou ácido oxálico, ou suas combinações. A concentração do ácido diluído pode variar de 0,01% a 10% como necessário, para melhorar a solubilidade de determinados minerais, como potássio, sódio, ou sílica. Preferencialmente, a concentração do ácido é selecionada entre cerca 0,01% a 4%, como 0,1%, 0,5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, ou 3,5%.

[055] Uma segunda etapa pode incluir a despressurização das lascas extraídas. O vapor pode ser usado para aquecer as lascas de madeira ou o licor em cozimento de entrada, direta ou indiretamente. Os ácidos orgânicos volatilizados (por exemplo, ácido acético), que são gerados ou incluídos na etapa de cozimento, podem ser reciclados de volta para o cozimento.

[056] Uma terceira etapa pode incluir a lavagem das lascas extraídas. A lavagem pode ser feita com água, com condensados reciclados, permeados reciclados, ou uma de suas combinações. É produzido um extrato líquido de biomassa. Pode ser usada uma configuração de contracorrente para maximizar a concentração da biomassa extraída. A lavagem tipicamente remove a maior parte dos materiais dissolvidos, incluindo as hemiceluloses e minerais. A consistência final dos sólidos ricos em celulose desidratados pode ser aumentada para 30% ou mais, preferencialmente a 50% ou mais, usando um dispositivo de pressão mecânica.

[057] Uma quarta etapa pode incluir a secagem dos sólidos extraídos até uma umidade final desejada. O calor necessário para a secagem pode ser obtido da parte combustível da biomassa de partida. Alternativamente, ou adicionalmente, o calor para a secagem pode ser provido por outros meios, como uma caldeira de gás natural ou outro combustível fóssil auxiliar, ou de uma fonte de calor de rejeito.

[058] Uma quinta etapa pode incluir a preparação da biomassa para granular. Essa etapa pode incluir o refinamento, moagem, fluidização, compactação, torrefação, carbonização, prensagem, aquecimento, resfriamento, e/ou secagem da biomassa extraída. Usando equipamentos conhecidos, a biomassa pode ser extrudada por meio de uma câmara pressurizada para formar grânulos de tamanhos uniformes (de qualquer forma ou tamanho) ou pequenos tijolos. Pode ser empregado um refinamento leve usando uma unidade de sopro para romper as fibras e reduzir o tamanho das partículas, já que pode ser benéfico para evitar fibras mais longas nos grânulos.

[059] Os grânulos de biomassa densos em energia em geral terão maior densidade energética quando comparados a um processo que não extrai açúcares hemicelulósicos da matéria-prima antes da combustão.

[060] Em algumas realizações, os sólidos extraídos são enviados a uma unidade de torrefação. A torrefação é uma forma de pirólise suave em temperaturas que variam tipicamente entre 200 °C e 325 °C. Durante a torrefação, as propriedades da biomassa são mudadas para se obter um combustível de melhor qualidade para aplicações de combustão e gaseificação.

[061] A torrefação das partículas de biomassa é bem conhecida, sendo um processo no qual as partículas de biomassa são aquecidas em um ambiente pobre em oxigênio ou isento de oxigênio. São liberados os compostos voláteis dentro das partículas, incluindo a água, e a estrutura celular das partículas é degradada, resultando em uma perda parcial de massa e em um aumento da friabilidade. Friabilidade significa a capacidade de uma substância sólida ser reduzida a menores pedaços. A torrefação também pode aumentar a resistência à umidade dos sólidos. As partículas torradas têm um maior valor energético quando medido em termos de energia de calor por unidade de peso. A torrefação da biomassa também pode aumentar a capacidade de moagem. Isso leva a um codisparo mais eficiente nas estações existentes de energia por carvão ou a gaseificação de fluxo entranhado para a produção de produtos químicos e o transporte de combustíveis.

[062] O grau de torrefação das partículas de biomassa depende de vários fatores, incluindo o nível de calor aplicado, o período de tempo em que o calor é aplicado, e as condições do gás circundante (particularmente com relação ao nível de oxigênio). Os sistemas conhecidos de torrefação da biomassa controlam as variáveis de calor, tempo de residência, e níveis de oxigênio para obter partículas torradas consistentes, tipicamente empregando meios mecânicos para o transporte das partículas, como bandejas ou parafusos rotativos.

[063] Em algumas realizações, a densidade de energia do grânulo de biomassa está entre cerca de 19.771 kJ/kg a cerca de 27.912 kJ/kg em base seca, como pelo menos 20.934 kJ/kg ou pelo menos 23.260 kJ/kg em base seca.

[064] Uma sexta etapa pode ser a combustão dos grânulos de biomassa. Os grânulos de biomassa são enviados a uma caldeira e queimados, preferencialmente com excesso de ar, usando equipamentos bem conhecidos de combustão. O fundo da caldeira pode ser fixo, móvel, ou fluidizado para melhor eficiência. Os gases de combustão são resfriados e as cinzas volantes são coletadas em coletores por gravidade.

[065] Os grânulos de biomassa densos em energia têm baixo potencial de emissões inorgânicas quando comparados à biomassa celulósica original, em realizações preferidas. O motivo é que a biomassa densa em energia contém baixo teor de cinzas quando comparada com um processo que não extrai os componentes orgânicos da matéria-prima antes da combustão, da forma ora revelada. Em algumas realizações, a biomassa extraída é suficientemente pobre em cinzas, de maneira que quando a biomassa extraída é queimada, as emissões de matéria particulada são muito baixas. Em certas realizações, as emissões de material particulado são suficientemente baixas para evitar a necessidade de qualquer outro dispositivo de limpeza, e sistema de controle associado, para estar de acordo com os regulamentos de emissão.

[066] Uma sétima etapa pode incluir o tratamento do extrato da biomassa para formar um hidrolisado compreendendo açúcares fermentáveis de hemicelulose. Em algumas realizações, o extrato de biomassa é hidrolisado usando condições acídicas diluídas em temperaturas entre cerca de 100°C e 190°C, por exemplo cerca de 120°C, 130°C, 140°C, 150°C, 160°C, ou 170°C, e preferencialmente de 120°C a 150°C.

[067] O ácido pode ser selecionado do ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ou dióxido de enxofre. Alternativamente, ou adicionalmente, o ácido pode incluir ácido fórmico, ácido acético, ou ácido oxálico do licor de cozimento ou reciclado da hidrólise anterior. Alternativamente, as enzimas de hemicelulase podem ser usadas ao invés da hidrólise ácida. A lignina desta etapa pode ser separada e recuperada, ou reciclada para aumentar a ligação e o valor de aquecimento dos grânulos, ou enviada diretamente para a caldeira.

[068] Uma oitava etapa pode incluir a evaporação do hidrolisado para remover uma parte ou a maioria dos ácidos voláteis. A evaporação pode incluir a expulsão de gases residuais ou o desmonte para remover dióxido de enxofre, se presente, antes da remoção dos ácidos voláteis. A etapa de evaporação é preferencialmente feita abaixo da dissociação do pH do ácido acético de 4,8, e mais preferencialmente um pH selecionado entre cerca 1 a cerca de 2,5. Os sólidos dissolvidos são concentrados, como a cerca de 10% a cerca de 40% para otimizar a concentração do açúcar de hemicelulose fermentável para um determinado micro-organismo. A fermentação do Saccharomyces Cerevisiae pode suportar concentrações de sólidos dissolvidos de 30-50%, enquanto a fermentação de Clostridia Acetobutylicum é viável somente em concentrações de 10-20%, por exemplo.

[069] Em algumas realizações, podem ser empregadas outras etapas de evaporação. Essas outras etapas de evaporação podem ser realizadas em diferentes condições (por exemplo, temperatura, pressão, e pH) em relação à primeira etapa de evaporação.

[070] Em algumas realizações, alguns ou todos os ácidos orgânicos evaporados podem ser reciclados, como vapor ou condensado, na primeira etapa (etapa de cozimento) e/ou terceira etapa (etapa de lavagem) para remover, assistir na remoção dos minerais da biomassa. Essa reciclagem de ácidos orgânicos, como o ácido acético, pode ser otimizada ao longo das condições do processo, que pode variar dependendo da quantidade reciclada, para melhorar a efetividade do cozimento e/ou da lavagem.

[071] Algumas realizações da invenção permitem o processamento de “resíduos de agricultura,” que para os presentes propósitos significa incluir a lignobiomassa celulósica associada a colheitas de alimentos, gramas anuais, colheitas de energia, ou outras matérias-primas de renovação anual. Os resíduos exemplares de agricultura incluem, entre outros, palha de milho, fibra de milho, palha de trigo, bagaço de cana de açúcar, palha de arroz, palha de aveia, palha de cevada, miscanthus, energia de cana, ou suas combinações. Em certas realizações, o resíduo de agricultura é o bagaço de cana de açúcar. .

[072] Em algumas realizações, os açúcares de hemicelulose fermentável são recuperados da solução, em forma purificada. Em algumas realizações, os açúcares de hemicelulose fermentável são fermentados para produzir produtos bioquímicos ou biocombustíveis como (entre outros) o etanol, 1-butanol, isobutanol, ácido acético, ácido lático, ou quaisquer outros produtos de fermentação. Um produto purificado de fermentação pode ser produzido pela destilação do produto de fermentação, que também deve gerar um fluxo de fundo de destilação contendo sólidos residuais. Um estágio de evaporação de fundo pode ser usado para produzir sólidos residuais.

[073] Após a fermentação, os sólidos residuais (como fundos de destilação) podem ser recuperados, ou queimados sob forma sólida ou de borra, ou reciclados para se combinarem em grânulos de biomassa. O uso de sólidos residuais de fermentação pode exigir ainda a remoção de minerais. Em geral, quaisquer sólidos de sobras podem ser usados para a queima como biomassa liquidificada adicional, após a concentração dos fundos de destilação.

[074] Uma parte ou todos os sólidos residuais podem ser queimados em conjunto com a biomassa densa em energia, se desejado. Alternativamente, ou adicionalmente, o processo pode incluir recuperar os sólidos residuais como um coproduto da fermentação sob forma sólida, líquida ou borra. O coproduto da fermentação pode ser usado como um fertilizante ou componente fertilizante, já que será tipicamente rico em potássio, nitrogênio, e/ou fósforo.

[075] Opcionalmente, o processo pode incluir a cocombustão da lignina recuperada com a biomassa densa em energia, para produzir energia. A lignina recuperada pode ser combinada com a biomassa densa em energia antes da combustão, ou pode ser codisparada como fluxos separados. Quando a lignina recuperada é combinada com a biomassa densa em energia para fazer grânulos, a lignina pode agir como um aglomerante de grânulos.

[076] Em certas realizações, o processo ainda compreende a combinação, em um pH de cerca de 4,8 a 10 ou maior, uma parte do ácido acético vaporizado com um óxido alcalino, Hidróxido alcalino, carbonato alcalino, e/ou bicarbonato alcalino, em que o álcali é selecionado do grupo que consiste de potássio, sódio, magnésio, cálcio, e suas combinações, para converter a parte do ácido acético vaporizado em um acetato alcalino. O acetato alcalino pode ser recuperado. Se desejado, o ácido acético purificado pode ser gerado a partir do acetato alcalino, como pela redução eletrolítica em ácido acético.

[077] Em algumas variações, a tecnologia Green Power+®, comumente indicada com o cessionário desse pedido de patente, pode ser empregada ou modificada como indicado em um ou mais pedidos de patentes comumente indicados com este pedido de patente e incorporada a esta por referência. Algumas realizações empregam as condições descritas na Patente norte-americana No. 8,211,680, expedida em 3 de julho de 2012; e/ou os Pedidos de Patentes norte-americanas Nos. 13/471,662; 13/026,273; 13/026,280; 13/500,917; 61/536,477; 61/612,451; 61/612,453; 61/624,880; 61/638,730; 61/641,435; 61/679,793; 61/696,360; ou 61/709,960 incluindo suas histórias de demanda. Cada um desses pedidos de patente de propriedade comum é aqui incorporado por referência em sua totalidade.

[078] Nessa descrição detalhada, foi feita referência a múltiplas realizações da invenção e exemplos não limitadores referentes a como a invenção pode ser entendida e praticada. Outras realizações que não forneçam todas as características e vantagens apresentadas aqui podem ser usadas, sem abandonar o espírito e o escopo da presente invenção. Esta invenção incorpora experimentação de rotina e otimização dos métodos e sistemas descritos na presente. Essas modificações e variações são consideradas como dentro do escopo da invenção definida pelas reivindicações.

[079] Todas as publicações, patentes, e pedidos de patentes citados nesta especificação são aqui incorporadas por referência na totalidade como se cada publicação, patente, ou pedido de patente fossem específicos e individualmente estabelecidos na presente.

[080] Onde os métodos e as etapas acima descritas indicarem que certos eventos ocorrem em determinada ordem, os técnicos no assunto reconhecerão que o ordenamento de determinadas etapas pode ser modificado, e que essas modificações estão de acordo com as variações da invenção. Além disso, determinadas etapas podem ser feitas de forma concorrente em um processo paralelo quando possível, assim como feitas em forma sequencial.

[081] Portanto, na medida em que houver variações da invenção, que estejam dentro do espírito da revelação ou equivalente às invenções encontradas nas reivindicações anexas, é a intenção que esta patente cubra também essas variações. A presente invenção somente será limitada pelas reivindicações.

Claims

1. PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE GRÂNULOS DE BIOMASSA E AÇÚCARES A PARTIR DE BIOMASSA CELULÓSICA, caracterizado pelo dito processo compreender: (a) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) extrair a dita matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (c) separar os ditos sólidos ricos em celulose do dito extrato de licor; (d) filtrar o dito extrato de licor para remover pelo menos alguma da dita lignina, gerando assim um permeado filtrado compreendendo extrato de licor limpo contendo os ditos oligômeros hemicelulósicos e um concentrado filtrado compreendendo um fluxo rico em lignina; (e) hidrolisar os ditos oligômeros hemicelulósicos no dito extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos; (f) recuperar os ditos monômeros hemicelulósicos; (g) recuperar o ácido acético do dito extrato de licor e/ou do dito extrato de licor limpo; e (h) granular os ditos sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a dita granulação utiliza pelo menos algum do dito fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante, e no qual o dito aglomerante utiliza também pelo menos uma parte do dito ácido acético da etapa (g) como aglomerante ou componente aglomerante.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (b) incluir o uso do dito catalisador ácido, em que o dito catalisador ácido é um ácido inorgânico, um ácido orgânico, ou uma combinação desses.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (d) utilizar filtração de membrana.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (d) compreender introduzir um auxílio à filtração ou um aditivo para ampliar a filtração da lignina.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir compostos de degradação do açúcar derivados da dita biomassa celulósica.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir um ou mais compostos externos não derivados da dita biomassa celulósica.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito processo ainda compreender a torrefação dos ditos sólidos ricos em celulose antes da dita granulação na etapa (h).

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas ditas grânulos de biomassa terem um teor de energia entre 19.771 kJ/kg e 27.912 kJ/kg em base seca.

10. PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE GRÂNULOS DE BIOMASSA A PARTIR DA BIOMASSA CELULÓSICA, caracterizado pelo dito processo compreender: (a) prover uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) extrair a dita matéria-prima com vapor e/ou água quente em condições efetivas de extração e opcionalmente com um catalisador ácido, para produzir sólidos ricos em celulose e um extrato de licor contendo oligômeros hemicelulósicos e lignina; (c) separar os ditos sólidos ricos em celulose do dito extrato de licor; (d) remover pelo menos alguma da dita lignina do dito extrato de licor, gerando assim extrato de licor limpo e um fluxo rico em lignina; (e) recuperar o ácido acético do dito extrato de licor e/ou do dito extrato de licor limpo; e (f) granular os ditos sólidos ricos em celulose para formar grânulos de biomassa, em que a dita granulação utiliza pelo menos algum do dito fluxo rico em lignina da etapa (d) como um aglomerante ou componente aglomerante, e no qual a dita granulação utiliza ainda pelo menos uma parte do dito ácido acético da etapa (e) como aglomerante ou componente aglomerante.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela etapa (d) utilizar filtração, separação de membrana, centrifugação, clarificação, precipitação eletrostática, ou uma combinação desses.

12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela etapa (d) utilizar filtração.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito processo ainda compreender hidrolisar os ditos oligômeros hemicelulósicos no dito extrato de licor limpo com um ácido ou enzimas, para gerar monômeros hemicelulósicos, e então recuperar os ditos monômeros hemicelulósicos.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir um ou mais compostos de alto peso molecular além da lignina.

15. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir compostos de degradação do açúcar derivados da dita biomassa celulósica.

16. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito aglomerante ou componente aglomerante ainda incluir um ou mais compostos externos não derivados da dita biomassa celulósica.

17. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo dito processo ainda compreender a torrefação dos ditos sólidos ricos em celulose antes da dita granulação na etapa (f).

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelos ditos grânulos de biomassa terem um teor de energia entre 19.771 kJ/kg e 27.912 kJ/kg em base seca.