BR112015032945A2 - Método de produção de álcool - Google Patents
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Abstract
resumo método de produção de álcool um método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose compreende as etapas (1) a (8) a seguir: etapa (1): etapa de pré-tratamento de biomassa que contém celulose; etapa (2): etapa de sacarificação da biomassa que contém celulose pré-tratada obtida na etapa (1) com uma enzima de sacarificação; etapa (3): etapa de remoção de um sólido residual de sacarificação de um produto tratado por sacarificação obtido na etapa (2); etapa (4): etapa de cultivo de um micro-organismo de fermentação de álcool com uma solução de açúcar aquosa obtida na etapa (3) como material inicial de fermentação; etapa (5): etapa de remoção do micro-organismo de fermentação de álcool de um líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4); etapa (6): etapa de destilação do líquido de fermentação de álcool obtido na etapa (5) para recuperar álcool; etapa (7): etapa de passagem e filtragem de líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através de uma membrana de osmose reversa; e etapa (8): etapa de realização de tratamento de descarregamento de retido obtido na etapa (7).
Description
“MÉTODO DE PRODUÇÃO DE ÁLCOOL”
Campo da Técnica
[001] A presente invenção refere-se a um método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose.
Antecedentes da Técnica
[002] Nos últimos anos, vem-se dando atenção a tecnologias de produção de bioetanol por meio de fermentação, como tecnologias que podem reduzir o consumo de recursos de petróleo e a quantidade de emissões de dióxido de carbono para produzir combustível e materiais industriais que são sustentáveis (sustentáveis), contra o cenário de aumento de consciência ambiental global por todo o mundo, forte aumento dos preços de petróleo bruto e similares.
[003] Todavia, o aumento da produção de biocombustível a partir de grãos alimentícios (por exemplo, milho, tubérculos e raízes, cana de açúcar ou similares) causou forte aumento dos preços dos alimentos e a produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose (por exemplo, biomassa herbácea, como bagaço, Panicum virgatum, palha de milho, palha de arroz ou palha de trigo; ou biomassa com base em madeira, como árvores ou resíduos de materiais de construção) tornou-se um importante desenvolvimento tecnológico.
[004] Como método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose, é descrito um método de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose em um relatório tecnológico (Documento não de patente 1: D. Humbird et al, Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ehanol, Relatório NREL NQ TP-510047764, maio de 2011) da NREL (Laboratório Nacional de Energia Renovável).
[005] No método descrito no documento não de patente 1, biomassa que contém celulose é submetida em primeiro lugar a pré-tratamento
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2/33 com o uso de vapor de água, ácido ou alcalino (etapa pré-tratamento) para facilitar o tratamento de enzima de sacarificação em uma etapa subsequente. A biomassa que contém celulose submetida ao pré-tratamento é fornecida em seguida a um tanque de sacarificação/fermentação, uma enzima de sacarificação (por exemplo, celulase ou similar) e um nutriente são adicionados ao tanque de sacarificação/fermentação, que é então inoculado com bactérias de fermentação de etanol para realizar simultaneamente sacarificação e fermentação (etapa de sacarificação e etapa de fermentação). Como resultado, é obtido um líquido de fermentação. O líquido de fermentação contém sólidos residuais de sacarificação (a maioria dos quais é lignina e similares), bactérias de fermentação de etanol e similares. Assim, o líquido de fermentação obtido é destilado para purificar e recuperar etanol (etapa de destilação). A etapa de sacarificação e a etapa de fermentação são realizadas simultaneamente no método para permitir, portanto, a redução do número de tanques necessários e a redução do investimento de capital, de forma que o método seja considerado um método competitivo.
[006] É descrito que, em outro método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose, uma solução de açúcar aquosa obtida por meio da hidrólise de biomassa que contém celulose é filtrada para remover um inibidor de fermentação contido na solução de açúcar aquosa, seguido pelo uso da solução de açúcar aquosa purificada para permitir a fermentação de etanol (Documento de Patente 1).
Referências do Estado da Técnica
Documentos De Patente
[007] Documento de Patente 1: Pedido de Patente Internacional NQ WO 2010/067785.
Documentos Não De Patente
[008] Documento não de patente 1: D. Humbird et al, Process
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Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol, Relatório NREL NQ TP-5100-47764, maio (2011).
Descrição Resumida da Invenção
Problemas A Serem Solucionados Pela Presente Invenção
[009] Neste método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose como no Documento não de Patente 1 mencionado acima, a concentração de etanol obtida em uma etapa de fermentação depende da quantidade de biomassa que contém celulose que pode ser colocada em um tanque de sacarificação/fermentação. Portanto, a quantidade de biomassa que contém celulose que pode ser fornecida ao tanque de sacarificação/fermentação impede que a concentração de etanol obtida na etapa de fermentação seja, por exemplo, de 5,5% em peso ou mais, para que seja gerada uma grande quantidade de líquido residual de destilação gerada após uma etapa de destilação (por exemplo, cerca de 17 vezes maior que a quantidade de etanol produzido) para causar a grande carga de tratamento de resíduos do líquido residual de destilação.
[0010] Neste método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose como no Documento de Patente 1, é descrito que um líquido de fermentação de etanol pode ser obtido a partir de uma solução de açúcar aquosa; todavia, também é necessário mais aprimoramento do tratamento de um líquido residual de destilação gerado quando um líquido de fermentação de etanol obtido é destilado para recuperar etanol para aprimorar ainda mais o método de produção de etanol.
[0011] Em outras palavras, é necessário um método de produção de álcool com a quantidade reduzida de líquido descarregado quando álcool é produzido a partir de biomassa que contém celulose e um problema a ser solucionado pela presente invenção é reduzir a carga de tratamento de líquido descarregado quando um líquido residual de destilação for tratado.
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[0012] Portanto, a presente invenção destina-se a fornecer um método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose, em que pode ser muito reduzida a quantidade de líquido descarregado necessária para o tratamento do líquido descarregado quando álcool é produzido a partir da biomassa que contém celulose.
Meio De Solução Dos Problemas
[0013] Os inventores examinaram intensivamente os problemas acima. Como resultado, descobriu-se que uma etapa de remoção de um sólido residual de sacarificação contido em um produto tratado por sacarificação obtido por meio da hidrólise de biomassa que contém celulose e uma etapa de remoção de um micro-organismo de fermentação de álcool a partir de um líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido com uma solução de açúcar aquosa contida no produto tratado por sacarificação como material de partida de fermentação são realizadas em etapas adequadas, respectivamente, na produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose. Ao realizar-se as duas etapas acima em etapas adequadas, respectivamente, um líquido residual de destilação gerado após uma etapa de destilação pode ser tratado através de uma membrana de osmose reversa, de forma que a quantidade de líquido descarregado quando o álcool é produzido possa ser muito reduzida. A presente invenção foi realizada com base nessas descobertas.
[0014] Isso significa que a presente invenção é composta por [1] a [6] a seguir.
1. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose, em que o método compreende as etapas (1) a (8) a seguir:
etapa (1): a etapa de pré-tratamento de biomassa que contém celulose;
etapa (2): a etapa de sacarificação da biomassa que
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5/33 contém celulose pré-tratada obtida na etapa (1) com uma enzima de sacarificação;
etapa (3): a etapa de remoção de um sólido residual de sacarificação de um produto tratado por sacarificação obtido na etapa (2);
etapa (4): a etapa de cultura de um micro-organismo de fermentação de álcool com uma solução de açúcar aquosa obtida na etapa (3) como material de partida de fermentação;
etapa (5): a etapa de remoção do micro-organismo de fermentação de álcool de um líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4);
etapa (6): a etapa de destilação do líquido de fermentação de álcool obtido na etapa (5) para recuperar álcool;
etapa (7): a etapa de passagem e filtragem de um líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através de uma membrana de osmose reversa; e etapa (8): a etapa de realização de tratamento de descarregamento de um retido obtido na etapa (7).
2. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com [1], em que a etapa (5) é uma etapa de passagem e filtragem do líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4) através de uma membrana de microfiltragem.
3. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com [1] ou [2], em que a etapa (3) é uma etapa que utiliza uma prensa de filtragem.
4. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com qualquer das reivindicações [1] a [3], em que um permeado obtido através da membrana de osmose reversa na etapa (7) é
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6/33 reutilizado como água de processo para a etapa (1), (2) ou (4).
5. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com qualquer um dentre [1] a [4], em que a etapa (7) é uma etapa de passagem e filtragem direta do líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através da membrana de osmose reversa.
6. Método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com qualquer das reivindicações [1] a [5], em que o álcool é metanol, etanol, propanol ou butanol.
Efeito Da Invenção
[0015] Segundo a presente invenção, o sólido residual de sacarificação no produto tratado por sacarificação é removido com antecedência na etapa (3) antes do produto tratado por sacarificação da biomassa que contém celulose obtido na etapa (2) ser fermentado na etapa (4) e o micro-organismo de fermentação de álcool no líquido de cultivo é removido com antecedência na etapa (5), antes do líquido de cultivo que contém o líquido de fermentação de álcool obtido na etapa (4) ser destilado na etapa (6), para obter um líquido de fermentação de álcool com pequena quantidade de impurezas. Como resultado, o líquido residual obtido após a etapa de destilação na produção de álcool pode ser passado através da membrana de osmose reversa e, portanto, a quantidade de líquido descarregado necessária para fornecimento à etapa de tratamento de resíduos pode ser muito reduzida.
Breve Descrição dos Desenhos
[0016] A Figura 1 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com a presente invenção.
[0017] A Figura 2 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose do Exemplo Comparativo 1.
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[0018] A Figura 3 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose do Exemplo Comparativo 2.
[0019] A Figura 4 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose do Exemplo Comparativo 3.
[0020] A Figura 5 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose do Exemplo 1.
[0021] A Figura 6 é um desenho que exibe um fluxo das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose do Exemplo 2.
Descrição Detalhada da Invenção
[0022] Modos de realização da presente invenção serão descritos em detalhes abaixo. Os modos de realização da presente invenção não são limitados pelos modos descritos abaixo.
Método De Produção De Álcool A Partir De Biomassa Que Contém Celulose
[0023] A Figura 1 exibe um método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com a presente invenção. O método de produção de álcool a partir de biomassa que contém celulose de acordo com a presente invenção (denominado a seguir apenas método de produção de álcool) será descrito em cada etapa.
[0024] Conforme utilizado neste documento, álcool não é particularmente restrito, desde que seja álcool produzido a partir de açúcar por meio de fermentação de micro-organismo e é isolado e purificado em uma etapa de destilação. Seus exemplos específicos incluem metanol, etanol, propanol, butanol ou similares. O propanol pode ser 1-propanol ou 2-propanol. O butanol pode ser 1-butanol, 2-metil-1-propanol, 2-butanol ou 2-metil-2propanol.
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[0025] Biomassa que contém celulose designa um recurso natural que contém um componente de celulose. Seus exemplos específicos podem incluir biomassa herbácea como bagaço, Panicum virgatum, capim-napiê, Erianthus, palha de milho, polpa de beterraba, casca de algodão, cacho de fruta vazio de palma, palha de arroz, palha de trigo, bambu ou grama de bambu; árvores como vidoeiro branco e faia; biomassa com base em madeira, como resíduos de materiais de construção; biomassa derivada de ambiente aquático, como algas ou alga marinha; e similares. Essa biomassa que contém celulose contém celulose ou hemicelulose que é um polissacarídeo formado pela condensação de desidratação de açúcares e pode ser utilizado como material de partida de fermentação por meio de hidrólise desse polissacarídeo.
[0026] Em geral, açúcares são classificados de acordo com o grau de polimerização de monossacarídeos; e classificados em monossacarídeos como glicose e xilose, oligossacarídeos são formados por meio de condensação de desidratação de dois a nove monossacarídeos cada e polissacarídeos formados por meio de condensação de desidratação de 10 ou mais monossacarídeos.
[0027] Etapa (1): etapa de pré-tratamento.
[0028] Na etapa (1), biomassa que contém celulose é pré-tratada para obter um produto pré-tratado. A eficiência de hidrólise da biomassa que contém celulose pode ser aprimorada por meio de tratamento prévio com antecedência da biomassa que contém celulose antes do tratamento da biomassa que contém celulose em uma etapa de sacarificação mencionada posteriormente. Como um método de pré-tratamento da biomassa que contém celulose, que não é particularmente limitado, qualquer método de prétratamento convencionalmente conhecido pode ser utilizado. Exemplos do método de pré-tratamento incluem tratamento de moagem fina, tratamento hidrotérmico, tratamento com amônia, tratamento alcalino, tratamento com
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9/33 ácido, tratamento com sulfato, tratamento com ácido sulfúrico diluído, tratamento com ácido acético, tratamento com soda cáustica, tratamento por meio de detonação, tratamento com água subcrítica, tratamento digestivo e similares, dos quais qualquer um pode ser utilizado, ou que podem ser utilizados em combinação.
[0029] Etapa (2): etapa de sacarificação.
[0030] Na etapa (2), o produto pré-tratado obtido na etapa (1) é hidrolisado em monossacarídeos ou oligossacarídeos, cada qual formado por meio de condensação de desidratação de dois a nove monossacarídeos. Como resultado, é obtido um produto tratado por meio de sacarificação. Uma enzima de sacarificação é preferencialmente utilizada para hidrolisar o produto prétratado.
[0031] Condições de reação para hidrólise com uma enzima de sacarificação podem adequar-se às condições de reação preferidas da enzima de sacarificação. O pH para reação de hidrólise encontra-se preferencialmente na faixa de 3 a 7, de maior preferência 4 a 5,5 e, de preferência ainda maior, pH de cerca de 5. A temperatura de reação é preferencialmente de 40 a 70 QC e, de maior preferência, cerca de 50 QC.
[0032] Para uniformizar a concentração de açúcar no produto tratado por meio de sacarificação enquanto promove o contato entre o produto pré-tratado e a enzima de sacarificação, o produto pré-tratado e a enzima de sacarificação são preferencialmente misturados mediante agitação.
[0033] A enzima de sacarificação designa um componente de enzima com a atividade de hidrólise e sacarificação de celulose e/ou de hemicelulose ou um componente de enzima que auxilia a hidrólise de celulose e/ou hemicelulose.
[0034] Como enzima de sacarificação, utiliza-se preferencialmente celulose derivada de fungo filamentoso. Exemplos de celulase derivada de
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10/33 fungo filamentoso podem incluir celulases derivadas de micro-organismos como o gênero Trichoderma, o gênero Aspergillus, o gênero Cellulomonas, o gênero Clostridium, o gênero Streptomyces, o gênero Humicola, o gênero Acremonium, o gênero Irpex, o gênero Mucor, o gênero Talaromyces, o gênero Phanerochaete, fungos de podridão branca e fungos de podridão marrom. Pode-se também utilizar celulase derivada de linhagem mutante obtida ao submeter-se os micro-organismos a tratamento de mutação com um mutagene, irradiação por UV ou similares para aumentar a produtividade de celulase. Entre essas celulases derivadas de fungos filamentosos, é preferível utilizar celulase derivada do gênero Trichoderma, o que permite a produção de grande quantidade de componente de enzima com alta atividade específica em um líquido de cultivo na hidrólise de celulose.
[0035] A celulase derivada do gênero Trichoderma é uma composição de enzima que contém, como componente principal, celulase derivada de um micro-organismo pertencente ao gênero Trichoderma. O microorganismo pertencente ao gênero Trichoderma não é particularmente limitado, mas é preferencialmente Trichoderma reesei; seus exemplos específicos podem incluir Trichoderma reesei QM9414, Trichoderma reesei QM9123, Trichoderma reesei RutC-30, Trichoderma reesei PC3-7, Trichoderma reesei CL-847, Trichoderma reesei MCG77, Trichoderma reesei MCG80 e Trichoderma viride QM9123.
[0036] Exemplos de enzimas de sacarificação incluem celobiohidrolase, endoglucanase, exoglucanase, β-glucosidase, xilanase, xilosidase e similares. Um ou mais tipos de enzimas de sacarificação podem ser utilizados. Além disso, hidrólise de celulose e hemicelulose pode ser realizada eficientemente devido ao efeito complementar ou conjunto de uma série de enzimas de sacarificação e, portanto, uma mistura de enzimas que contém vários tipos das enzimas de sacarificação acima é preferida para uso na
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11/33 hidrólise de celulose e hemicelulose.
[0037]Celobio-hidrolase é um termo geral para celulases que iniciam a hidrólise de celulose a partir das porções terminais e liberam celobiose e o grupo de enzimas pertencentes à celobio-hidrolase é descrito como o número EC: EC3.2.1.91. A Atividade celulótica pode ser medida com base na quantidade de glicose separada ao permitir-se que uma enzima aja sobre celulose como substrato e um método descrito em Filter Paper Assay for Saccharifying Cellulase em Pure & Appl. Chem., Vol. 59, NQ 2, págs. 257-268 pode ser utilizado como método específico.
[0038] Endoglucanase é um termo geral para celulases com a atividade de hidrólise de cadeias moleculares de celulose a partir de suas porções centrais e os grupos de enzima pertencentes à endoglucanase são descritos como os números EC: EC3.2.1.4, EC3.2.1.6, EC3.2.1.39 e EC3.2.1.73. A atividade celulótica pode ser medida com base na quantidade de um açúcar de redução separado ao permitir-se que uma enzima aja sobre carboximetil celulose (CMC) como substrato e, por exemplo, um método descrito em Carboxyl Cellulase Assay for Endo-β-1,4-Glucanase em Pure & Appl. Chem., Vol. 59, NQ 2, págs. 257-268” pode ser utilizado como método específico.
[0039] Exoglucanase é um termo geral para celulases que permitem a hidrólise a partir dos terminais de cadeias moleculares de celulose e os grupos de enzimas pertencentes à exoglucanase são descritos como os números EC: EC3.2.1.74 e EC3.2.1.58.
[0040] β-Glucosidase é um termo geral para celulases que permitem a hidrólise de celo-oligossacarídeos ou celobiose e o grupo de enzimas pertencentes à β-glucosidase é descrito como o número EC: EC3.2.1.21. A atividade de decomposição de celobiose (também denominada a seguir atividade “BGL”) pode ser medida com base na quantidade de glicose
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12/33 separada ao permitir-se que uma enzima aja sobre celobiose como substrato e pode ser medida, por exemplo, de acordo com um método de Cellobiase assay, descrito em Pure & Appl. Chem., Vol. 59, NQ 2, págs. 257-268.
[0041]Xilanase é um termo geral para celulases caracterizadas por agirem sobre hemicelulose ou, em particular, xilano e o grupo de enzimas pertencentes à xilanase é descrito como o número EC: EC3.2.1.8.
[0042]Xilosidase é um termo geral para celulases caracterizadas pela ação sobre xilo-oligossacarídeos e o grupo de enzimas pertencentes a xilosidase é descrito como o número EC: EC3.2.1.37.
[0043] Esta enzima de sacarificação pode ser identificada por meio de separação utilizando uma técnica conhecida, tal como filtragem por gel, troca de íons ou eletroforese bidimensional, análise de sequência de aminoácidos (análise N-terminal, análise C-terminal e espectrometria de massa) do componente segregado e comparação com uma base de dados.
[0044] Como fungos filamentosos produzem celulase em um líquido de cultivo, o líquido de cultivo, como se encontra, pode ser utilizado como enzima de sacarificação (agente de enzima bruta), ou um produto obtido ao purificar-se e formular-se o grupo de enzimas por meio de um método conhecido pode ser utilizado como enzima de sacarificação (mistura de celulase derivada de fungo filamentoso). No caso do uso como o produto obtido ao purificar-se e formular-se celulase derivada de fungo filamentoso, este, adicionado a uma substância além da enzima, como um inibidor da protease, dispersante, acelerador da dissolução ou estabilizador pode ser utilizado como enzima de sacarificação (formulação de celulose).
[0045] Como celulase derivada de fungo filamentoso, é preferencialmente utilizada uma enzima bruta. A enzima bruta é derivada de um sobrenadante de cultivo obtido por meio de cultivo de um micro-organismo do gênero Trichoderma em um período opcional em um meio de cultivo
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13/33 ajustado para a produção de celulase. Componentes de meio a serem utilizados não são particularmente limitados e um meio de cultivo ao qual a celulose é adicionada para fins de promover a produção de celulase pode ser comumente utilizado. E, como a enzima bruta, é preferencialmente utilizado um líquido de cultivo, como se encontra, ou um sobrenadante do cultivo obtido apenas por meio da remoção de células de Trichoderma.
[0046] A razão em peso de cada componente de enzima na enzima bruta não é particularmente limitada e, por exemplo, um líquido de cultivo derivado de Trichoderma reesei contém de 50 a 95% em peso de celobio-hidrolase, bem como endoglucanase, β-glucosidase e similares como os demais componentes. Como o micro-organismo do gênero Trichoderma produz potentes componentes de celulase em um líquido de cultivo e retém βglucosidase de forma intracelular ou em superfícies celulares, a atividade de βglucosidase é baixa no líquido de cultivo. Desta forma, β-glucosidase de espécies diferentes ou das mesmas espécies pode ser também adicionada à enzima bruta. Como β-glucosidase de espécies diferentes, β-glucosidase derivada do gênero Aspergillus pode ser preferencialmente utilizada. Exemplos de β-glucosidase derivada do gênero Aspergillus podem incluir Novozyme 188 que é disponível comercialmente por meio da Novozymes A/S. Um método de adição de β-glucosidase de espécies diferentes ou da mesma espécie à enzima bruta pode ser um método que compreende a introdução de um gene no micro-organismo do gênero Trichoderma, a cultura do micro-organismo do gênero Trichoderma submetido a recombinação genética para produzir βglucosidase em um líquido de cultivo e isolamento do líquido de cultivo.
[0047] O produto tratado por sacarificação obtido na etapa (2) contém uma solução de açúcar aquosa e um sólido residual de sacarificação. O sólido residual de sacarificação refere-se a um sólido que não se dissolve em água, ou seja, um componente que difunde luz quando está presente em água.
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Ele se refere, por exemplo, a uma substância que se sedimenta em estado de centrifugação de velocidade muito alta de 10000 G e a uma substância de componente coloidal que não se sedimenta em estado de centrifugação de velocidade muito alta, mas possui uma porção de sobrenadante que forma um estado coloidal.
[0048] Etapa (3): etapa de separação de sólido-líquido:
[0049] Na etapa (3), o produto tratado por sacarificação obtido na etapa (2) é separado em uma solução de açúcar aquosa e um sólido residual de sacarificação para remover o sólido residual de sacarificação do produto tratado por sacarificação. No método de separação do produto tratado por sacarificação na etapa (3), pode ser utilizado um aparelho de separação comum convencionalmente conhecido. Exemplos do aparelho de separação incluem aparelhos tipo centrifugação, como decantadores em parafuso, centrífugas tipo disco, centrífugas Sharpies e centrífugas verticais; aparelhos do tipo filtragem por pressão, como prensas de filtros, máquinas de filtragem por pressurização, máquinas de filtragem centrífuga, prensas de rosca e prensas de correia; aparelhos do tipo filtragem por sucção, como filtros de correia, filtros de pré-revestimento, filtros de filtragem do tipo tambor e filtros de filtragem a vácuo; e similares. Os aparelhos de separação podem ser utilizados isoladamente ou em combinação de diversos tipos. Destes, em particular, a prensa de filtro do tipo filtragem por pressão é preferencialmente utilizada por apresentar excelente taxa de recuperação de uma solução de açúcar aquosa, permitindo a recuperação de maior quantidade de componente de açúcar em uma separação sólido-líquido e permitindo fácil obtenção de filtrado transparente.
[0050] Prensa de filtro é um método de tratamento de filtragem por pressão que utiliza um tecido de filtro com o uso de material tecido ou tecido não tecido e pode ser facilmente realizado com o uso de um aparelho e tecido
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15/33 de filtro disponíveis comercialmente. A pressão de compressão na prensa de filtro não é particularmente limitada, mas é de cerca de 0,01 a 2 MPa, preferencialmente cerca de 0,05 a 1 MPa. O tipo da prensa de filtro pode ser vertical ou horizontal. Quanto ao método de envio de líquido, um líquido pode ser enviado com bomba ou alimentado à força com gás comprimido. Seus exemplos podem incluir “PNEUMAPRESS” (marca registrada) fabricado pela FLSmith; “LASTA FILTER” (marca registrada) fabricado pela ISHIGAKI COMPANY, LTD.; “AUTOPAC” (marca registrada) fabricado pela Daiki Ataka Engineering Co., Ltd.; e similares.
[0051] Etapa (4): etapa de fermentação:
[0052] Na etapa (4), um micro-organismo de fermentação de álcool é cultivado com a solução de açúcar aquosa obtida na etapa (3) como material bruto de fermentação para obter um líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool. Como a solução de açúcar aquosa obtida na etapa (3) contém, como fonte de carbono, um monossacarídeo como glicose ou xilose, os quais podem ser utilizados pelo micro-organismo de fermentação de álcool, o micro-organismo de fermentação de álcool é cultivado utilizando a solução de açúcar aquosa como material de partida de fermentação, para produzir álcool e obter o líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool.
[0053] É essencial apenas que o micro-organismo de fermentação de álcool tenha a capacidade de produzir álcool a partir de açúcar. Seus exemplos incluem leveduras como leveduras de panificação, bactérias como Escherichia coli e bactérias corniformes, fungos filamentosos, actinomicetes e similares, todos os quais são utilizados comumente na indústria de fermentação. O micro-organismo de fermentação de álcool a ser utilizado pode ser isolado do meio ambiente natural ou pode ser um cujas propriedades são parcialmente modificadas por meio de mutação ou recombinação genética. Em
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16/33 particular, como uma solução de açúcar aquosa derivada de biomassa que contém celulose contém uma pentose tal como xilose, pode-se preferencialmente utilizar um micro-organismo de fermentação de álcool com um caminho metabólico aprimorado para pentose.
[0054] Como meio de cultivo para fermentação de álcool, é preferencialmente utilizado um meio líquido que contém, conforme apropriado, além da solução de açúcar aquosa, fontes de nitrogênio, sais inorgânicos e, conforme o necessário, nutrientes de traço orgânicos, como aminoácidos e vitaminas. Como fonte de nitrogênio, são utilizados gás de amônia, amônia aquosa, sais de amônia, ureia, nitratos e outras fontes de nitrogênio orgânicas que são utilizadas de forma suplementar, como aglomerados de óleo, líquido hidrolisado de soja, digestões de caseína, outros aminoácidos, vitaminas, milhocina, levedura ou extratos de levedura, extratos de carne, peptídeos como peptona, várias células bacterianas de fermentação e seus hidrolisados e similares. Como sais inorgânicos, fosfatos, sais de magnésio, sais de cálcio, sais de ferro, sais de manganês e similares podem ser adicionados conforme apropriado.
[0055] Na presente invenção, quando o micro-organismo de fermentação de álcool necessitar de um nutriente específico para seu crescimento, a substância nutriente somente precisa ser adicionada como amostra padrão ou um produto natural que a contém. Além disso, um agente antiespumante pode ser utilizado conforme o necessário.
[0056] A cultura do micro-organismo de fermentação de álcool é normalmente realizada sob pH 4 a 8 e temperatura na faixa de 20 a 50 QC. O pH de um líquido de cultivo é ajustado em um valor pré-determinado que se encontra normalmente na faixa de pH 4 a 8 por um ácido orgânico ou inorgânico, uma substância alcalina, bem como ureia, carbonato de cálcio, gás de amônia ou similar. No caso de fermentação sem a necessidade de oxigênio,
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17/33 é necessário apenas realizar aeração com nitrogênio ou dióxido de carbono. No caso de fermentação com necessidade de oxigênio, a taxa de alimentação necessária de oxigênio pode ser obtida utilizando meios que envolvem a manutenção de concentração de oxigênio em 21% ou mais adicionando-se oxigênio ao ar, aplicando-se pressão ao cultivo, aumentando-se a velocidade de agitação ou aumentando-se o volume de aeração.
[0057] O método de fermentação pode ser em bateladas, bateladas alimentadas ou fermentação contínua, em que um micro-organismo é reciclado. Como é importante que a etapa de remoção do micro-organismo do líquido de fermentação seja realizada antes da etapa de destilação para o líquido de fermentação que contém o micro-organismo obtido na etapa de fermentação na presente invenção, prefere-se fermentação contínua na qual um micro-organismo de fermentação de álcool é reciclado através de uma membrana de microfiltragem e seus exemplos incluem um método descrito no Pedido de Patente Internacional NQ WO 2007/97260 e similares.
[0058] Etapa (5): etapa de remoção de micro-organismos:
[0059] Na etapa (5), o micro-organismo de fermentação de álcool é removido do líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4) para obter uma solução aquosa que contém álcool (líquido de fermentação de álcool). É apenas essencial que a remoção do micro-organismo de fermentação de álcool do líquido de cultivo seja um método que permita a separação em um micro-organismo de fermentação de álcool e um líquido de fermentação de álcool. Exemplos do método de remoção do micro-organismo de fermentação de álcool do líquido de cultivo incluem um método de centrifugação com uma centrífuga de tipo disco, uma centrífuga Sharpies, uma centrífuga vertical ou similares; um método de separação em um líquido de cultivo e um micro-organismo de fermentação de álcool através de uma membrana de microfiltragem; um método de realização de fermentação
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18/33 contínua em combinação com esse método de fermentação como na etapa (4) acima e o método de separação; ou similares. Destes, é preferencialmente aplicado o método de separação em um líquido de cultivo e um microorganismo de álcool através de uma membrana de microfiltragem.
[0060] Ao utilizar-se o método de separação em um líquido de cultivo e um micro-organismo de álcool através de uma membrana de microfiltragem, o tipo da membrana de microfiltragem não é particularmente limitado, desde que seja o tipo de filtragem por fluxo de varredura sobre uma superfície da membrana, podendo empregar-se qualquer uma dentre uma membrana plana, uma membrana de fibra oca, uma membrana de tubo e similares. Exemplos do material da membrana incluem membranas inorgânicas de cerâmica, como alumina, titânia e zircônia, vidro, metais e similares; ou membranas orgânicas de polímeros com base em acetato de celulose, com base em nitrocelulose, com base em poliamida alifática, com base em polissulfona, com base em poliolefina, com base em poliacrilonitrila, com base em poliéter sulfona, com base em cloreto de polivinila, com base em álcool polivinílico, com base em flúor e similares.
[0061] Serão descritas as condições da filtragem do líquido de cultivo através da membrana de microfiltragem. Efeito de fluxo de varredura sobre uma superfície de membrana aumenta com o aumento da velocidade da superfície da membrana para fluxo de varredura sobre uma superfície de membrana de separação. Todavia, quando a velocidade é uma certa velocidade ou maior, a perda de pressão torna-se grande, ocorre compactação de uma camada de gel nas proximidades da membrana e um fluxo de permeação de membrana e a taxa de recuperação de um líquido de fermentação de álcool em um líquido de cultivo são reduzidas. Quando a velocidade da superfície da membrana for baixa demais, o efeito de descascamento da camada de gel é deteriorado para reduzir a velocidade de
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19/33 recuperação do líquido de fermentação de álcool no líquido de cultivo, apesar da perda de pressão ser reduzida para evitar compactação. É, portanto, apropriado que a velocidade da superfície de membrana seja de substancialmente 0,5 a 3 m/s.
[0062] Diferença de pressão de transmembrana na filtragem de um líquido de cultivo através de uma membrana de microfiltragem designa diferença de pressão transmembrana média entre uma entrada e uma saída e é normal e preferencialmente de 2,0 kgf/cm2 ou menos e, de maior preferência, de 0,2 a 1,5 kgf/cm2. Quando a diferença de pressão transmembrana for de 0,2 kgf/cm2 ou mais, a redução do fluxo de permeação pode ser suprimida para suprimir a deterioração da capacidade de tratamento. Quando a diferença de pressão transmembrana for de 2,0 kgf/cm2 ou menos, a ocorrência de obstrução da membrana devido, por exemplo, à compactação da camada de gel sobre a superfície da membrana pode ser suprimida para suprimir a redução do fluxo de permeação. Um método de aplicação de diferença de pressão transmembrana pode ser um tipo de pressurização lateral de solução padrão, um tipo de descompressão lateral de permeação ou uma de suas combinações.
[0063] A temperatura de operação na filtragem do líquido de cultivo através da membrana de microfiltragem é normalmente de 0 a 40 QC e, preferencialmente, de 5 a 30 QC. Quando a temperatura de operação for de 0 QC ou mais, a maior viscosidade do líquido de cultivo pode ser suprimida e, portanto, a ocorrência de redução do fluxo de permeação de membrana pode ser suprimida. Quando a temperatura de operação for de 40 QC ou menos, a deterioração das propriedades do líquido de cultivo pode ser suprimida.
[0064] Etapa (6): etapa de destilação.
[0065] Na etapa (6), o líquido de fermentação de álcool obtido na etapa (5) é destilado e separado em álcool purificado e líquido residual de
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20/33 destilação para recuperar o álcool purificado. Para a destilação do álcool na etapa (6), pode-se utilizar um método de destilação convencionalmente conhecido.
[0066] Por exemplo, quando o álcool é etanol, etanol forma água e uma mistura azeotrópica (a composição de etanol azeotrópico, por exemplo, inclui 95,6% em peso de etanol e cerca de 4,4% em peso de água sob pressão normal) e, portanto, é impossível obter anidrido em destilação comum. Portanto, quando etanol desidratado é obtido a partir de etanol azeotrópico por meio de destilação, é comumente utilizado um método de realização de destilação azeotrópica utilizando um solvente azeotrópico como pentano ou ciclo-hexano, ou um método de realização de destilação extrativa utilizando um solvente de extração como etileno glicol. Caso a mistura azeotrópica forme dois componentes de etanol e água, o equilíbrio gás-líquido pode ser alterado pelo efeito do solvente de extração para destilar apenas etanol no método de destilação extrativa.
[0067] Etapa (7): etapa de membrana de osmose reversa:
[0068] Na etapa (7), o líquido residual de destilação obtido na etapa (6) é filtrado para separação em um permeado e um retido e para recuperar o retido. Na presente invenção, o líquido residual de destilação é preferencialmente filtrado utilizando uma membrana de osmose reversa. O sólido residual de sacarificação no produto tratado por sacarificação é removido com antecedência na etapa (3) antes que a solução de açúcar aquosa seja fermentada na etapa (4) e o líquido de fermentação de álcool do qual o microorganismo de fermentação de álcool no líquido de cultivo foi removido é formado com antecedência na etapa (5) antes da destilação do álcool na etapa (6). Assim, o líquido de fermentação de álcool é destilado no estado de redução de impurezas, como substâncias sólidas e substâncias suspensas. Desta forma, o líquido residual de destilação obtido na etapa (6) contém muito menos
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21/33 impurezas que um líquido residual de destilação obtido em um processo convencional e o COD do líquido residual de destilação é um valor baixo. Sabese que concentração de COD na qual é possível o tratamento biológico é possível possui limite superior. Segundo a presente invenção, na etapa (7), pode-se permitir que a taxa de compressão do líquido residual de destilação obtido por meio de passagem e filtragem do líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através da membrana de osmose reversa seja mais alta que a de um líquido residual de destilação obtido em um processo convencional. Como resultado, a quantidade de retido submetida a tratamento de resíduos é muito reduzida na etapa (8) mencionada posteriormente.
[0069] A membrana de osmose reversa (membrana OR) é uma membrana que é geralmente definida como uma “membrana que possui função de bloquear sais que incluem íons monovalentes”. A membrana é uma membrana que se acredita possuir aberturas microscópicas que variam de cerca de vários angstroms a vários nanômetros e é principalmente utilizada para remover componentes de íons, por exemplo, em dessalinização de água do mar ou produção de água ultrapura.
[0070] Exemplos de materiais da membrana de osmose reversa utilizados na presente invenção incluem membranas compostas com polímero com base em acetato de celulose como camada funcional (também denominadas a seguir membranas de osmose reversa com base em acetato de celulose) e membranas compostas com poliamida como camada funcional (também denominadas a seguir membranas de osmose reversa com base em poliamida). Aqui, exemplos do polímero com base em acetato de celulose incluem aqueles que utilizam apenas ésteres de ácido orgânico de celulose como acetato de celulose, diacetato de celulose, triacetato de celulose, propionato de celulose ou butirato de celulose; ou uma de suas misturas; e um éster misturado. Exemplos de poliamidas incluem um polímero linear ou um
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22/33 polímero reticulado com diaminas alifáticas e/ou aromáticas como monômero.
[0071] Na presente invenção, é preferencialmente utilizada uma membrana de osmose reversa com base em poliamida. Isso ocorre porque, quando uma membrana de osmose reversa com base em acetato de celulose é utilizada por extenso período de tempo, uma enzima de sacarificação utilizada em uma etapa anterior, em particular, uma parte de componentes de celulase pode permear-se para decompor celulose, que é um material de membrana.
[0072] Com relação à forma da membrana, podem ser utilizadas aquelas em forma apropriada, como tipo de membrana plana, tipo espiral ou tipo de fibra oca.
[0073] Exemplos da membrana de osmose reversa para uso na presente invenção incluem, além dos tipos de pressão ultrabaixa SUL-G10 e SUL-G20 e dos tipos de pressão baixa SU-710, SU-720, SU-720F, SU-710L, SU-720L, SU-720LF, SU-720R, SU-710P e SU-720P, que são módulos de membrana de osmose reversa com base em poliamida fabricados pela Toray Industries, Inc.; tipos de pressão alta SU-810, SU-820, SU-820L e SU-820FA que contêm UTC80 como uma membrana de osmose reversa; membranas de osmose reversa com base em celulose de ácido acético SC-L100R, SC-L200R, SC-1100, SC-1200, SC-2100, SC-2200, SC-3100, SC-3200, SC-8100 e SC8200, que são fabricados pela mesma empresa; NTR-759HR, NTR-729HF, NTR-70SWC, ES10-D, ES20-D, ES20-U, ES15-D, ES15-U e LF10-D, os quais são fabricados pela Nitto Denko Corporation Co., Ltd.; RO98pHt, RO99, HR98PP e CE4040C-30D, que são fabricados pela Alfa Lavai; GE Sepa, fabricado pela GE; BW30-4040, TW30-4040, XLE-4040, LP-4040, LE-4040, SW30-4040 e SW30HRLE-4040, que são fabricados pela Filmtec; TFCHR e TFC-ULP, que são fabricados pela KOCH; ACM-1, ACM-2 e ACM-4, que são fabricados pela TRISEP; e similares.
[0074] Na filtragem através da membrana de osmose reversa,
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23/33 pode-se aplicar pressão e a pressão de filtragem encontra-se preferencialmente na faixa de 0,1 a 8 MPa. Pressão de filtragem de 0,1 MPa ou mais permite supressão da redução da velocidade de permeação de membrana, enquanto pressão de filtragem de 8 MPa ou menos permite a supressão dos danos da membrana. Além disso, pressão de filtragem na faixa de 0,5 a 7 MPa é de maior preferência porque resulta em alto fluxo de permeação de membrana, o que permite que um líquido residual de destilação seja eficientemente permeado, reduzindo a probabilidade de causar danos da membrana e é de maoir preferência pressão de filtragem na faixa de 1 a 6 MPa.
[0075] Na presente invenção, “passar e filtrar líquido residual de destilação através de membrana de osmose reversa” designa passar e filtrar um líquido residual de destilação através de uma membrana de osmose reversa sem realizar tratamento de redução de COD com antecedência no líquido residual de destilação. Em outras palavras, “passar e filtrar líquido residual de destilação através de membrana de osmose reversa” inclui a passagem e filtragem direta de um líquido residual de destilação através de uma membrana de osmose reversa e “passar e filtrar líquido residual de destilação através de membrana de osmose reversa” destina-se a também incluir filtragem de um líquido residual de destilação após tratamento de separação sólido-líquido quando o líquido residual de destilação for submetido com antecedência ao tratamento de separação de sólido-líquido para remover teores de sólido, é passado e filtrado através de uma membrana de osmose reversa e COD não é modificado antes e depois do tratamento de separação sólido-líquido. Exemplos de realizações preferidas de “passar e filtrar líquido residual de destilação através de membrana de osmose reversa” incluem passar e filtrar diretamente um líquido residual de destilação através de uma membrana de osmose reversa.
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[0076] O retido obtido por meio da passagem e filtragem do líquido residual de destilação através da membrana de osmose reversa é fornecido à etapa (8) subsequente, enquanto o permeado que permeia através da membrana de osmose reversa pode ser reutilizado como água de processo e pode ser empregado, por exemplo, como água e vapor na etapa (1), ou como água na etapa (2) ou na etapa (4).
[0077] Etapa (8): etapa de tratamento de resíduos:
[0078] Na etapa (8), realiza-se tratamento de resíduos para descarregar o retido da membrana de osmose reversa obtida na etapa (7) para o exterior de um processo. Exemplos de métodos de tratamento de resíduos do retido incluem uma etapa de tratamento anaeróbico ou uma etapa de tratamento aeróbico na qual é realizado o tratamento biológico. Na presente invenção, utiliza-se uma etapa de tratamento anaeróbico e uma etapa de tratamento aeróbico.
[0079] O tratamento biológico é a etapa de decomposição de BOD ou COD com micro-organismos. Exemplos da etapa de tratamento anaeróbico incluem métodos de fermentação com metano e similares e exemplos da etapa de tratamento aeróbico incluem métodos de lodo ativado e similares.
[0080] O retido é submetido ao tratamento de resíduos e descarregado em seguida como água de descarga para o exterior do processo.
[0081] Conforme descrito acima, segundo o método de produção de álcool de acordo com a presente invenção, o sólido residual de sacarificação no produto tratado por meio de sacarificação é removido com antecedência na etapa (3) antes da solução de açúcar aquosa ser fermentada na etapa (4) e o micro-organismo de fermentação de álcool no líquido de cultivo é removido com antecedência na etapa (5) antes da destilação do líquido de fermentação de álcool na etapa (6), de forma que o líquido de fermentação de álcool com pequena quantidade de impurezas possa ser destilado. Assim, a
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25/33 quantidade de impurezas no líquido residual de destilação restante após a recuperação de álcool do líquido de fermentação de álcool pode ser reduzida drasticamente. Como resultado, o líquido residual de destilação pode ser passado através da membrana de osmose reversa, permite-se grande redução da compressão do líquido de resíduo de destilação na etapa (7) e da quantidade do retido tratado na etapa (8) e, portanto, a carga do tratamento de resíduos pode ser reduzida drasticamente.
[0082] Além disso, segundo o método de produção de álcool de acordo com a presente invenção, o líquido residual de destilação obtido na etapa (6) contém muito menos impurezas que um líquido residual de destilação obtido em um processo convencional, o COD do líquido residual de destilação é um valor baixo e, portanto, a taxa de compressão para a membrana de osmose reversa pode ser aprimorada. A quantidade de retido submetido ao tratamento de resíduos na etapa (8) pode ser reduzida drasticamente.
Exemplos
[0083] O método de produção de álcool de acordo com a presente invenção será descrito abaixo com referência a exemplos para descrever particularmente um método de produção de etanol com mais detalhes. Em exemplos de referência, serão descritas manipulações comuns aos Exemplos e Exemplos Comparativos. A presente invenção não é limitada a estes exemplos.
[0084] Nos exemplos de referência, as manipulações são em comum aos Exemplos e Exemplos Comparativos. Além disso, a Figura 2 e a Figura 6 são desenhos que exibem fluxos das etapas de produção de etanol a partir de biomassa que contém celulose dos Exemplos ou Exemplos Comparativos.
Exemplo de Referência 1
Método De Análise De Etanol
[0085] Nas condições de cromatografia de gás (GC) exibidas
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26/33 abaixo, a concentração de etanol foi detectada por um detector, calculada e quantificada em comparação com uma amostra padrão.
[0086] Aparelho de cromatografia de gás: Shimadzu GC-2010 (fabricado pela SHIMADZU CORPORATION).
[0087] Coluna capilar: TC-1 (diâmetro interno de 0,53 mm, comprimento de 15 m, espessura de película de 1,50 pm) (fabricado pela GL Sciences Inc.).
[0088] Detector: Detector de ionização de chama (FID).
Exemplo de Referência 2
Método De Medição De COD
[0089] A medição de COD foi realizada no procedimento a seguir:
1. Com uma pipeta inteira, 100 ml de amostra foram medidos com precisão.
2. Foram adicionados 10 ml de 5% ácido sulfúrico e 10 ml de 0,02/5 M solução de permanganate de potássio aquosa medidos com uma pipeta inteira, para aquecer o resultante por 10 minutos.
3. Foram adicionados 10 ml de 0,01 M de ácido oxálico medidos com uma pipeta inteira.
4. O resultante foi titulado com 0,02/5 M de solução de permanganate de potássio aquosa.
Exemplo de Referência 3
[0090] Etapa de tratamento prévio de biomassa que contém celulose (tratamento hidrotérmico):
[0091] Tratamento hidrotérmico foi utilizado como método de prétratamento de biomassa que contém celulose. Como a biomassa que contém celulose, utilizou-se 1 kg de palha de arroz. Em água, 2 kg da biomassa que contém celulose foram imersos e submetidos a tratamento com autoclave (fabricado pela Nitto Koatsu Co., Ltd.) a 180 QC por 20 minutos mediante
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27/33 agitação, para obter um produto pré-tratado. A pressão neste caso foi de 10 MPa.
Exemplo de Referência 4 Etapa De Sacarificação
[0092] Adicionou-se água ao produto pré-tratado obtido no Exemplo de Referência 3 para atingir concentração de 15% em peso, adicionou-se em seguida celulase derivada de Trichoderma sp. (o gênero Trichoderma) (Sigma-Aldrich Co. LLC.) como celulase e Novozyme 188 (formulação de β-glucosidase derivada de Aspergillus niger, Sigma-Aldrich Co. LLC.) e causou-se reação de glicação mediante agitação e mistura do resultante a 50 QC por 1,5 dias, para obter um produto tratado por sacarificação que contém uma solução de açúcar aquosa e sólidos residuais de sacarificação.
Exemplo de Referências Etapa De Prensa De Filtragem
[0093] Para cada 1 kg do produto tratado por sacarificação obtido no Exemplo de Referência 4 (no caso da Figura 5) ou 1 kg do líquido residual após a etapa de destilação do Exemplo de Referência 7 (no caso da Figura 2), 500 g de tratamento de filtragem auxiliar foram adicionados para compor, ao todo, 1,5 kg e o resultado foi agitado para elaborar um líquido de calda homogênea, que foi submetido em seguida à prensa de filtro (utilizando um pequeno dispositivo de filtro MO-4 fabricado pela YABUTA Industries Co., Ltd.). Devido às características de alta suspensão de um filtrado em estágio inicial, o filtrado obtido durante um minuto após o início da filtragem retornou para um tanque de água bruta. Como tecido de filtro, utilizou-se T2731C. Um filtrado obtido depois de decorrido um minuto do início da filtragem foi recuperado para obter 0,5 kg de solução de açúcar aquosa (no caso da Figura 5) ou 0,5 kg de líquido residual de destilação (no caso da Figura 2).
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Exemplo de Referência 6 Etapa De Fermentação
[0094] Levedura de vinho (linhagem OC2 de Saccharomyces cerevisiae) foi utilizada como levedura de fermentação de etanol. Como meio de cultivo de fermentação, um produto obtido por meio da adição de celulases como exibido no Exemplo de Referência 4 a 1 kg dos teores sólidos prétratados obtidos após a etapa de pré-tratamento (no caso da Figura 2) ou um líquido obtido ao adicionar-se 5 g de extrato de levedura e foram utilizados 5 g de sulfato de amônio a 0,5 kg de solução de açúcar aquosa (no caso da Figura 5). Para um líquido de cultivo de semente no qual a inoculação foi realizada na etapa de fermentação, 50 g/L de glicose, 5 g/L de extrato de levedura e 5 g/L de sulfato de amônio foram utilizados para cultivo a 30 QC por um dia. A quantidade de consumo do líquido de cultivo de semente foi estabelecida em 10% do meio de cultivo de fermentação. A etapa de fermentação foi conduzida por 1,5 dias mantendo-se a temperatura a 30 QC sem aeração/agitação. Esse líquido obtido após uma etapa de fermentação é denominado líquido de cultivo (que contém levedura de fermentação de etanol).
Exemplo de Referência 7 Etapa De Destilação
[0095] Um líquido de cultivo ou líquido de fermentação de etanol obtido por meio de remoção de levedura de fermentação de etanol do líquido de cultivo foi colocado em um aparelho de destilação e aquecido a 120 QC para recuperar 37% de solução de etanol de um topo de torre. Por outro lado, foram medidos COD e volume do líquido residual de destilação.
Exemplo de Referências
Etapa De Membrana De Osmose Reversa
[0096] Uma membrana de osmose reversa com base em poliamida totalmente aromática e reticulada UTC80 (fabricada pela Toray Industries, Inc.) foi
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29/33 utilizada como membrana de osmose reversa, a temperatura da água bruta a ser fornecida foi ajustada em 25 QC e a pressão de uma bomba de alta pressão 3 foi ajustada em 3 MPa para remover o permeado. A velocidade de compressão foi calculada em volume em lado de retido/volume de água bruta a ser fornecida x 100 (%). Além disso, o limite superior da compressão de líquido descarregado na etapa de membrana de osmose reversa foi estabelecido em um nível no qual o COD de um líquido concentrado foi de 100 g/L.
Exemplo de Referência 9 Etapa De Microfiltragem
[0097] Uma operação de filtragem final através de uma membrana de microfiltragem (“Stericup HV” 0,45 pm (marca registrada) fabricada pela Millipore Corporation) foi conduzida utilizando 100 ml de líquido de tratamento (líquido residual de destilação (no caso da Figura 4) ou líquido de cultivo (no caso da Figura 5) após prensa de filtro). Foi uma operação de filtragem de pressão constante a uma pressão de sucção de 80 kPa. De um lado de permeação da membrana, foram recuperados 90 ml de líquido residual de destilação (no caso da Figura 4) ou 90 ml de líquido de fermentação de etanol (no caso da Figura 5) submetidos à etapa de microfiltragem.
Exemplo Comparativo 1
[0098] Avaliação de carga em etapa de tratamento de resíduos em processo exibido na Figura 2:
[0099] A Figura 2 é um desenho que exibe um método de produção de etanol deste exemplo comparativo, que é um aspecto de um método convencional de produção de etanol. Segundo os exemplos de referência acima, 1 kg de biomassa que contém celulose foi submetido a tratamento na etapa de prétratamento, na etapa de sacarificação e na etapa de fermentação, nesta ordem, e o líquido de cultivo obtido foi submetido à etapa de destilação para purificar etanol. O líquido residual de destilação no processo exibido na Figura 2 foi de 5,8 L. Além
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30/33 disso, COD foi de 89 g/L. O líquido residual de destilação não foi capaz de passar através de uma membrana de osmose oposta porque contém levedura de fermentação de etanol e sólidos resíduos de sacarificação. O líquido residual de destilação obtido na Figura 2 foi submetido à prensa de filtragem para obter 4,8 L de líquido cujos sólidos residuais de sacarificação foram removidos. Na etapa de tratamento de resíduos, o COD deste líquido foi reduzido e o líquido foi descarregado.
Exemplo Comparativo 2
[00100] Avaliação da aplicação de etapa de membrana de osmose reversa em processo exibido na Figura 3:
[00101] A Figura 3 é um desenho que exibe um método de produção de etanol deste exemplo comparativo. Neste exemplo comparativo, a etapa de membrana de osmose reversa foi aplicada após a etapa de prensa de filtro no processo da Figura 2. Um líquido residual de destilação obtido na Figura 2 foi submetido à prensa de filtro para obter 4,8 L de líquido cujos sólidos residuais de sacarificação foram removidos. O líquido submetido à prensa de filtro foi filtrado através de uma membrana de osmose reversa por meio da manipulação exibida no Exemplo de Referência 7, a velocidade de permeação (velocidade na qual saiu um permeado) foi reduzida drasticamente e a obstrução da membrana de osmose reversa finalmente evitou a obtenção de 100 ml ou mais de permeado. Consequentemente, a velocidade de compressão na etapa de membrana de osmose reversa foi de 97,9% e quase não ocorreu compressão. A redução da quantidade de líquido descarregado fornecido à etapa de tratamento de resíduos pôde ser atingida com dificuldade adicionando-se a etapa de membrana de osmose reversa.
Exemplo Comparativo 3
[00102] Avaliação da aplicação de etapa de membrana de osmose reversa no processo exibido na Figura 4:
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[00103] A Figura 4 é um desenho que exibe um método de produção de etanol deste exemplo comparativo. Neste exemplo comparativo, a etapa de microfiltragem e a etapa de membrana de osmose reversa foram aplicadas após a etapa de prensa de filtro no processo da Figura 2. O líquido residual de destilação obtido na Figura 2 foi submetido à prensa de filtro e o líquido foi passado em seguida através de uma membrana de microfiltragem para adquirir 4,7 L de líquido cujos sólidos finos foram adicionalmente removidos. Quando o líquido obtido foi filtrado através de uma membrana de osmose reversa por meio da manipulação exibida no Exemplo de Referência 7, a quantidade de permeado foi aprimorada em comparação com o Exemplo Comparativo 2, mas COD atingiu 100 g/L no momento de obtenção de 0,4 L de permeado após um período de quinze horas. Foi impossível fornecê-lo à etapa de tratamento de resíduos na concentração COD que não era menor que ele. Consequentemente, o limite da taxa de compressão na etapa de membrana de osmose reversa foi de 91,4% e compressão quase não ocorreu.
Exemplo 1
[00104] Avaliação de carga em etapa de tratamento de resíduos em processo exibido na Figura 5:
[00105] A Figura 5 é um desenho que exibe um método de produção de etanol de acordo com este exemplo. Segundo os exemplos de referência acima, 1 kg de biomassa que contém celulose foi submetido a tratamento na etapa pré-tratamento, na etapa de sacarificação, na seção de prensa de filtro, na etapa de fermentação e na etapa de microfiltragem, nesta ordem, e o líquido de fermentação de etanol obtido foi submetido à etapa de destilação para purificar etanol. Como resultado, o líquido residual de destilação no processo exibido na Figura 5 foi de 4,7 L e possui COD de 20 g/L, que foi reduzido em muito em comparação com cada exemplo comparativo descrito acima. Quando o líquido residual de destilação passou através de uma
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32/33 membrana de osmose reversa, a taxa de permeação é obviamente mais alta que a do Exemplo Comparativo 3 e 2,4 L de permeado puderam ser obtidos por apenas duas horas. Além disso, o COD de um retido na etapa de membrana de osmose reversa foi de 38 g/L. Como resultado de passagem e concentração adicional do retido através da membrana de osmose reversa por duas horas, foi possível obter 1,2 L de retido e seu COD foi de 75 g/L. Assim, a taxa de compressão na etapa de membrana de osmose reversa foi finalmente de 25,5% e o volume do retido da membrana de osmose reversa, a ser submetido ao tratamento de resíduos, pôde ser comprimido significativamente.
[00106] Como está claro pelos resultados, no Exemplo 1 (Figura 5), o líquido residual de destilação pôde ser comprimido mais eficientemente e o COD do líquido residual de destilação pôde ser muito reduzido na etapa de membrana de osmose reversa, embora os tipos e número de etapas fossem os mesmos do Exemplo Comparativo 3 (Figura 4) e do processo antes da etapa de tratamento de resíduos. Além disso, o volume líquido do retido a ser submetido à etapa de tratamento de resíduos no Exemplo 1 pôde ser reduzido para cerca de 1/4 do Exemplo Comparativo 1 (Figura 2).
Exemplo 2
[00107] Avaliação de carga em etapa de tratamento de resíduos em caso de condução de etapa de centrifugação em vez de etapa de microfiltragem:
[00108] A Figura 6 é um desenho que exibe um método de produção de etanol de acordo com o presente exemplo. Um líquido de cultivo foi exibido por meio de método similar ao do Exemplo 1 e o líquido de cultivo obtido foi centrifugado em seguida a 150 G para remover levedura do líquido de cultivo e destilado. Um líquido residual de destilação foi 4,5 L e seu COD foi de 25 g/L. Em seguida, quando o líquido residual de destilação passou através de uma membrana de osmose reversa, pôde-se obter 2,4 L de permeado por
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33/33 apenas três horas. Além disso, o COD de um retido obtido por meio de passagem do líquido residual de destilação através de uma membrana de osmose reversa foi de 50 g/L. Como resultado de passagem e concentração adicional do retido através da membrana de osmose reversa por três horas, foi possível obter 1,5 L de retido e seu COD foi de 80 g/L. Desta forma, a taxa de compressão na etapa de membrana de osmose reversa foi finalmente de 33,3% e o volume do retido da membrana de osmose reversa, a ser submetido a tratamento de resíduos, pôde ser significativamente comprimido.
[00109] Como fica claro a partir dos resultados, como o Exemplo 1 descrito acima, no Exemplo 2, o líquido residual de destilação pôde ser comprimido com mais eficiência e o COD do líquido residual de destilação pôde ser muito reduzido na etapa de membrana de osmose reversa, embora os tipos e número de etapas fossem os mesmos do Exemplo Comparativo 3 (Figura 4). Além disso, o volume do líquido a ser submetido à etapa de tratamento de resíduos do Exemplo 2 pôde ser reduzido a cerca de 1/3 do Exemplo Comparativo 1 (Figura 2).
Claims (6)
1. MÉTODO DE PRODUÇÃO DE ÁLCOOL, a partir de biomassa que contém celulose, caracterizado pelo método compreender as etapas (1) a (8) a seguir:
etapa (1): etapa de pré-tratamento de biomassa que contém celulose;
etapa (2): etapa de sacarificação da biomassa que contém celulose pré-tratada obtida na etapa (1) com uma enzima de sacarificação;
etapa (3): etapa de remoção de um sólido residual de sacarificação de um produto tratado por sacarificação obtido na etapa (2);
etapa (4): etapa de cultivo de micro-organismo de fermentação de álcool com uma solução aquosa de açúcar obtida na etapa (3) como material de partida de fermentação;
etapa (5): etapa de remoção do micro-organismo de fermentação de álcool de um líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4);
etapa (6): etapa de destilação do líquido de fermentação de álcool obtido na etapa (5) para recuperar álcool;
etapa (7): etapa de passagem e filtragem de um líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através de uma membrana de osmose reversa; e etapa (8): etapa de realização de tratamento de descarregamento de retido obtido na etapa (7).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa (5) ser uma etapa de passagem e filtragem do líquido de cultivo que contém o micro-organismo de fermentação de álcool obtido na etapa (4) através de uma membrana de microfiltragem.
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações
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2/2
1 a 2, caracterizado pela etapa (3) ser uma etapa que utiliza prensa de filtro.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações
1 a 3, caracterizado por um permeado obtido através da membrana de osmose reversa na etapa (7) ser reutilizado como água de processo para a etapa (1), (2) ou (4).
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações
1 a 4, caracterizado pela etapa (7) ser uma etapa de passagem e filtragem direta do líquido residual de destilação obtido na etapa (6) através da membrana de osmose reversa.
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações
1 a 5, caracterizado pelo álcool ser metanol, etanol, propanol ou butanol.
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