BR112016000954B1 - processo para fracionamento da biomassa lignocelulósica e para conversão da hemicelulose para xilose - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA FRACIONAMENTO DA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA; LÍQUOR, POLPA OU HIDROLISADO ENZIMÁTICO DE ORGANOSSOLVE; E USO DE UM LÍQUIDO DE TRATAMENTO PAR A FRACIONAMENTO DE BIOMASSSA LIGNOCELULÓSICA. A presente invenção é direcionada a um processo para fracionar a biomassa lignocelulósica para a finalidade de reduzir os custos de processo, aumentando a deslignificação, reduzindo as reações colaterais, e m particular reduzindo a degradação de hemiceluloses, melhorando a hidrólise de celulose e aumentando a n atividade da lignina obtida, pela realização do organossolve de fracionamento da biomassa com um líquido de tratamento em uma temperatura abaixo de 170 °C, em que o líquido de t ratamento compreende um solvente orgânico não hidroxílico, em particular uma cetona, água e algum ácido, e opcionalmente submetendo a corrente de produto enriquecido com celulose à hidrólise enzimática.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um processo melhorado para o fracionamento de biomassa lignocelulósica utilizando organossolve. HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[002] A biomassa, especialmente biomassa lignocelulósica, é um recurso valioso para a produção de (bio)combustíveis, químicos, produtos de desempenho e energia. A lignocelulose é a biomassa renovável mais abundante na terra, e, portanto, relativamente barata. Ela compreende principalmente celulose, hemicelulose e lignina. Muitos esforços de pesquisa têm sido dedicados ao desenvolvimento de processos para a conversão econômica de biomassa, especialmente biomassa lignocelulósica, em compostos valiosos. Em exemplo disso é a conversão de celulose em glicose, que, por sua vez, pode servir, por exemplo, como um precursor para o bioetanol de ‘segunda geração’ (por exemplo, pela fermentação da glicose), e é, desse modo, adequada para a produção de biocombustíveis.

[003] Os componentes estruturais principais da biomassa são celulose (um glucano), hemicelulose e lignina. Os dois principais tipos de hemicelulose são xilanos e (gluco)mananos. Os xilanos têm estruturas de xilose (C5 açúcar), algumas vezes substituídos com arabinose ou grupos laterais de ácido glucurônico, e são predominantes em madeira dura e gramíneas, enquanto (gluco)mananos possuem estruturas com uma razão de glicose:manose (ambos C6 açúcares) de cerca de 1:3, algumas vezes substituídos com grupos laterais de galactose, e são predominantes em madeira macia. Os tipos Petição 870190069415, de 22/07/2019, pág. 7/26 menores de hemicelulose incluem xiloglucanos e arabino- galactanos. As hemiceluloses podem ser quimicamente ligadas à lignina. A Tabela 1 abaixo dá composições aproximadas de alguns tipos de biomassa. TABELA 1: COMPOSIÇÕES DOS COMPONENTES ESTRUTURAIS DE ALGUNS TIPOS DE BIOMASSA (EM % EM PESO COM BASE NO PESO SECO)

[004] O chamado processo organossolve pode ser utilizado para tratar biomassa (pré-tratamento), a fim de tornar os polímeros de celulose mais acessíveis para enzimas hidrolíticas para converter celulose em glicose, ou para polpação ou fracionamento da biomassa. Sem pré-tratamento, a celulose dentro da biomassa lignocelulósica é pouco acessível para as enzimas hidrolíticas, já que ela é blindada por outros componentes estruturais na biomassa, tais como lignina e hemiceluloses. O organossolve convencional envolve tratamento em temperatura elevada (tipicamente entre 180 e 220°C) da biomassa com um solvente orgânico (miscível em água) (por exemplo, etanol) e opcionalmente um catalisador (ácido). Durante o fracionamento organossolve, a biomassa de lignocelulose é fracionada em uma corrente de produto sólido enriquecido com celulose (polpa) e uma corrente de produto líquido (licor) compreendendo lignina dissolvida e derivados de hemicelulose.

[005] As hemiceluloses presentes na biomassa lignocelulósica são relativamente instáveis e quebram durante o organossolve. A hemicelulose é hidrolisada primeiro em monômeros de açúcar (C5 e/ou C6 açúcares), os quais podem ser subsequentemente desidratados para furanos, tais como furfural e/ou reagir ainda para outros compostos (incluindo xilosidade e produtos de condensação com lignina (“pseudolignina”)). A maioria desses últimos compostos é considerada menos valiosa, com uma demanda menor no Mercado do que a própria hemicelulose ou os produtos diretamente obtidos a partir disso, tais como açúcares monoméricos (principalmente xilose, manose e glicose). Os produtos de degradação podem ser parte da corrente de celulose e/ou da corrente de lignina, as quais são produzidas pelo processo organossolve, reduzindo, desse modo, sua pureza e a eficácia de tratamento adicional dessas correntes para produzir produtos finais valiosos, tais como etanol. Além disso, os compostos potencialmente valiosos que podem ser derivados da hemicelulose (por exemplo, açúcares monoméricos e furfural) se perdem, reduzindo, desse modo, a eficácia da conversão da biomassa em componentes valiosos.

[006] Também, a corrente de produto enriquecido com celulose obtida do processo organossolve compreende impurezas. Embora o tratamento organossolve separe grandes partes de lignina e hemicelulose da polpa de celulose, a polpa celulósica tipicamente ainda compreende quantidades significativas de lignina, bem como pseudoligninas. As últimas podem ser formadas durante fracionamento organossolve pela reação de lignina com, por exemplo, proteínas, outros extrativos e/ou furanos tais como furfural. Essas impurezas dificultam a hidrólise enzimática de celulose para glicose, que é, até o momento, não é viável ainda em uma escala comercial, uma vez que não pode competir ainda com a glicose produzida das fontes de biomassa da primeira geração (amido, sacarose, etc.), em vista dos custos elevados da etapa de pré-tratamento e quantidades de enzima exigidas. Alternativas para hidrólise enzimática de celulose, por exemplo, tratamento ácido concentrado, são indesejáveis por questões ambientais, corrosão do equipamento e custos associados, e elas são tipicamente menos seletivas em relação à glicose por causa das reações de degradação do açúcar. Por isso, um dos desafios da pesquisa atual é encontrar meios para melhorar a eficácia do pré-tratamento da biomassa e (simultaneamente) melhorar a hidrólise enzimática da celulose, a fim de permitir aplicação em uma escala industrial.

[007] O documento WO 2007/120210 descreve o tratamento organossolve de biomassa em cerca de 120 a 220 °C, em um pH de menos que cerca de 4, e com etanol como solvente preferido. A reação organossolve é realizada a 170 °C e separação subsequente dos sólidos dos líquidos pela filtração é realizada a 130 °C. Os documentos WO 2012/000093 e WO 2011/097720 descrevem o tratamento organossolve de biomassa de 130 a 170 °C, em um pH de 1,5 a 2,5, e com etanol compreendendo de 1,5 a 2,5% em peso de ácido como solvente preferido. Da Silva Perez e Curvelo (Open Agriculture Journal 2010, 4, 145-152) estudaram a cinética da deslignificação de acetona-água de Eucalyptus urograndis em temperaturas variando de 145 a 195°C e descobriram que em temperaturas mais baixas ocorreu a deslignificação menos eficaz. Huijgen et al. (Ind. Eng. Chem. Res. 2010, 49, 10132-10140) descrevem organossolve à base de acetona de palha de trigo em temperaturas variando de 160 a 220 °C, na ausência de um ácido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] A invenção refere-se a um processo organossolve avançado de biomassa lignocelulósica, resultando em um produto enriquecido com celulose (polpa) contendo menos impurezas e um produto enriquecido com lignina contendo um teor mais elevado de lignina nativa. Supreendentemente, os inventores descobriram que o processo organossolve pode ser eficazmente realizado em temperaturas reduzidas, tais como abaixo de 170 °C, preferencialmente entre 100 °C e 170 °C, quando um solvente orgânico não hidroxílico é utilizado como um solvente.

[009] Realizar o organossolve em tais temperaturas reduzidas é especialmente desejável por duas razões. Em primeiro ligar, ele reduz os custos da etapa de pré-tratamento, e em segundo lugar ele reduz a degradação de derivados valiosos de hemicelulose. Tal redução de custos é particularmente importante no esforço atual para sustentabilidade, e fornece uma redução no consumo de energia (menor demanda de calor), redução na pressão durante a reação organossolve, um grau reduzido de corrosividade do meio em vista da menor temperatura. Conforme discutido acima, a degradação de derivados de hemicelulose durante o pré- tratamento reduz significativamente a eficácia da conversão da biomassa em componentes valiosos. Por outro lado, naquelas temperaturas reduzidas, os componentes orgânicos não estruturais (por exemplo, proteínas, cinza, lipídios e outros extrativos) presentes na biomassa podem afetar negativamente o processo organossolve. Durante organossolve em temperatura elevada (isto é, acima de 170 °C), os componentes não estruturais da biomassa se decompõem ou reagem com componentes estruturais. O processo, de acordo com a invenção, contorna essas reações colaterais indesejáveis de componentes orgânicos não estruturais em grande medida, e o processo organossolve opera mais suavemente, mesmo em temperaturas reduzidas. Isso é especialmente importante para o processo organossolve de temperatura baixa de biomassa herbácea ou fibras anuais, tais como palha, que compreende quantidades significativas de componentes orgânicos não estruturais apolares, tais como ácidos graxos e materiais cerosos. Nas temperaturas empregadas durante o organossolve de temperatura baixa, esses componentes apolares podem dificultar o fracionamento eficaz ao formar agregados durante o processo organossolve, que é observado quando, por exemplo, etanol é utilizado como solvente. Desse modo, o processo, de acordo com a invenção, é especialmente adequado para o organossolve de biomassa herbácea ou fibra anual. Uma vantagem adicional de trabalhar em temperaturas reduzidas é a degradação reduzida de lignina. Durante o organossolve de temperatura elevada, a lignina, especialmente as porções fenólicas, pode reagir com componentes não estruturais na biomassa ou produtos de degradação de hemicelulose, para formar pseudoligninas.

[010] Os inventores descobriram surpreendentemente que realizar o organossolve, especialmente organossolve de baixa temperatura, com um solvente orgânico hidroxílico, resulta em deslignificação eficaz da biomassa com uma redução de reações secundária e, desse modo, na formação de menos impurezas. A deslignificação é surpreendentemente eficaz em tais temperaturas reduzidas abaixo de 170 °C, sem significativamente aumentar o teor exigido do catalisador ácido. Embora concentrações ácidas elevadas no líquido de tratamento de uma etapa organossolve, bem acima de 100 g ou 250 g por kg de biomassa, sejam conhecidos por reduzir a temperatura exigida para fracionamento, tais concentrações ácidas elevadas são altamente indesejáveis para causar problemas de corrosão e questões ambientais. Além disso, a reação organossolve em contração ácida elevada (orgânica) não fornece a redução desejada nos custos do processo organossolve, em vista do equipamento aumentado e custos de eliminação de resíduo.

[011] Uma vantagem adicional do processo da invenção é de ocorrência reduzida das reações colaterais. Sem pretender ficar ligado a nenhuma teoria, acredita-se que a presença de porções de hidroxila (grupos OH) torna o solvente orgânico reativo em relação aos componentes estruturais da biomassa, tal como em relação às porções monoméricas de açúcar e em relação à lignina. Como um resultado disso, ocorre a conversão de monômeros de açúcar tais como glicose e xilose para glicosídeos e xilosidades, que é indesejável porque reduz o rendimento total das porções monoméricas de açúcar após organossolve e após hidrólise (enzimática) da polpa. Tais reações colaterais indesejáveis também podem ocorrer em carboidratos oligoméricos ou poliméricos, e dar origem à formação dos glicosídeos e xilosidades após hidrólise (enzimática) do carboidrato. Também, mais pseudoligninas são formadas durante organossolve com solventes orgânicos hidroxílicos, em que a lignina nativa reagiu com moléculas de solvente em seu grupo OH. Uma vantagem adicional dessa redução das reações colaterais é que menos solvente é perdido durante o organossolve, que torna o organossolve com solventes orgânicos não hidroxílicos mais eficazes do que com solventes orgânicos hidroxílicos. Por outro lado, o solvente pode ser perdido pela autocondensação durante o organossolve, que pode ocorrer por, por exemplo, solventes de cetona, tais como acetona (por exemplo, através de condensação de aldol) bem como para solventes hidroxílicos tais como etanol (por exemplo, por formação de éter). Notavelmente, dificilmente qualquer autocondensação dos solventes não hidroxílicos é observada durante o processo organossolve de baixa temperatura (dados não mostrados), que torna esses solventes para uso no processo de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[012] A invenção refere-se as um processo para fracionar a biomassa lignocelulósica em uma corrente de produto enriquecido com celulose (polpa) e uma corrente de produto enriquecido com lignina (licor), compreendendo submeter opcionalmente a biomassa pré-extraída para uma etapa organossolve utilizando um solvente não hidroxílico. Sem pretender ficar ligado por uma teoria, acredita-se que os solventes alcoólicos, tais como etanol são mais reativos em relação aos componentes estruturais de biomassa, como tal dando origem às reações colaterais indesejáveis. Por causa das reações colaterais reduzidas, o processo, de acordo com a invenção, provê correntes de produto mais limpas, que é desejável em vista da valorização da biomassa eficaz, mas também torna a hidrólise enzimática subsequente da polpa de celulose mais eficaz.

[013] O processo, de acordo com a invenção, é referido como organossolve de baixa temperatura, isto é, organossolve realizado em uma temperatura abaixo de 170 °C, preferencialmente mesmo menor conforme definido abaixo. No contexto da presente invenção, “organossolve” também pode ser referido como “fracionamento”, cujos termos são usados indistintamente. O processo, de acordo com a invenção, também pode ser referido como “pré-tratamento de biomassa”, que envolve a etapa organossolve de baixa temperatura, mas pode incluir etapas adicionais tais como pré-extração e hidrólise enzimática da corrente de produto enriquecido com celulose (polpa).

[014] Desse modo, a invenção refere-se a um processo de fracionamento de biomassa, compreendendo a etapa de tratamento da biomassa com um líquido de tratamento em uma temperatura abaixo de 170 °C, em que o líquido de tratamento compreende pelo menos 20% em peso de um solvente orgânico não hidroxílico, pelo menos 5% em peso de água e um ácido. A quantidade do ácido pode ser definida como uma concentração em peso, isto é, entre 0,01% em peso e 2,0% em peso, com base no peso total do líquido de tratamento. Alternativamente, a quantidade de ácido pode ser definida como equivalentes ácidos, isto é, entre 2 e 400 meq de um ácido com um pKa de 4,5 ou menor, um meq sendo definido como um mmol de íons de hidrogênio por L do líquido de tratamento. Como uma alternativa adicional, a quantidade de ácido pode ser definido em relação à quantidade de biomassa tratada, isto é, de 1 a 250 g de ácido ou de 10 mmols a 2,5 mols de ácido por kg da biomassa (peso seco), em que 1 L do líquido de tratamento é utilizado por 20 a10000 g de peso seco da biomassa.

BIOMASSA

[015] A biomassa adequada para o processo de acordo com a invenção inclui biomassa lignocelulósica, tal como madeira macia, madeira dura, e biomassa herbácea, incluindo gramíneas e palhas, e pode ser fornecido na forma de resíduos florestais, resíduos agrícolas, resíduos de jardim, resíduos animais e humanos (por exemplo, resíduo municipal biodegradável). Tal biomassa compreende, em geral, de 20 a 80% em peso de carboidratos (com base na matéria seca), que são materiais de partida valiosos para produção de combustíveis e químicos (por exemplo, em um processo de biorrefinaria). A biomassa lignocelulósica (chamada de biomassa da segunda geração) é mais barata do que a biomassa contendo amido (biomassa de primeira geração) e não compete com as necessidades dietéticas (humanas). Preferencialmente, a biomassa compreende biomassa herbácea. Preferencialmente, a biomassa herbácea na forma de resíduos agrícolas e/ou resíduo municipal biodegradável é utilizada no processo de acordo com a invenção, mais preferencialmente, a biomassa herbácea é selecionada do resíduo municipal biodegradável, palha, folhas, gramíneas e combinações desses, mais preferencialmente palha (por exemplo, palha de arroz, palha de cevada, palha de trigo). Preferencialmente, a biomassa tem um teor de lignina de pelo menos 5% em peso, mais preferencialmente pelo menos 10% em peso, tal como de 20 a 35% em peso, com base no peso seco total da biomassa.

[016] A biomassa submetida ao processo de acordo com a invenção pode ser biomassa fresca ou seca, opcionalmente após remoção de grandes impurezas tais como pedras e pedaços de metal, e opcionalmente picada ou moídas em pedaços para facilidade de manuseio (por exemplo, pedaços de 0,01 a 50 cm, em particular 0,1 a 10 cm de comprimento ou diâmetro, dependendo do tipo de biomassa). Salvo indicação ao contrário, quantidades de biomassa são definidas abaixo com base no peso seco.

ORGANOSSOLVE

[017] A etapa do processo organossolve separa a biomassa de lignocelulose em uma corrente de produto enriquecido com celulose (também referida como ‘polpa de celulose’ ou apenas ‘polpa’) e uma corrente de produto enriquecido com lignina (licor). A etapa organossolve do processo de acordo com a invenção é realizada em uma temperatura abaixo de 170 °C, preferencialmente entre 100 °C e 170 °C, mais preferencialmente entre 100 °C e 160 °C, ou entre 120 °C e 165 °C, ainda mais preferencialmente entre 130 °C e 160 °C, mais preferencialmente entre 130 °C e 150 °C. Nas realizações específicas, o processo organossolve é realizado em temperatura abaixo de 140°C, preferencialmente entre 100°C e 139°C, mais preferencialmente entre 120°C e 135°C. Foi descoberto que o organossolve de baixa temperatura, isto é, em uma temperatura abaixo de 170 °C, pode apenas ser eficazmente realizado quando catalisado com ácido. Quanto maior a temperatura, melhor a extensão da autocondensação do solvente, dando origem à perda do solvente indesejável, enquanto temperaturas menores levam ao fracionamento inferior e deslignificação reduzida. Os inventores descobriram que as faixas de temperatura acima fornecem resultados ideais em que nenhuma ou quase nenhuma autocondensação do solvente é observada, enquanto a deslignificação permanece alta. A etapa do processo organossolve pode ser realizada em qualquer pressão, conforme conhecido na técnica, que tipicamente é cerca de 1 a 50 bar (absoluto). A duração da etapa do processo organossolve pode ser qualquer momento adequado para efetuar o fracionamento, conforme será apreciado pelo técnico no assunto. A duração típica do processo organossolve é de 30 a 150 minutos.

[018] Tipicamente, a suspensão da biomassa e líquido de tratamento é obtida através da mistura de, no máximo, 50 L e pelo menos 0,1 L de líquido de tratamento por kg de peso seco da biomassa, preferencialmente entre 1,0 L e 20 L, mais preferencialmente entre 3 L e 15 L. Desse modo, o tratamento organossolve da biomassa usa 1 L do líquido de tratamento conforme definido abaixo entre 20 g e 10 kg da biomassa, preferencialmente entre 50 e 1000 g, mais preferencialmente entre 67 e 333 g da biomassa (peso seco). A razão ideal do líquido de tratamento para biomassa dependerá do tipo de biomassa. Para economia processual, a razão em peso entre líquido e sólido procedural (L/S) da etapa organossolve é preferencialmente tão baixa quanto possível, preferencialmente menor que 20/1, mais preferencialmente menor que 12/1, ainda mais preferencialmente menor que 8/1, mais preferencialmente menor que 6/1. Em uma realização, a razão de L/S é pelo menos 0,5/1, preferencialmente pelo menos 1/1, ainda mais preferencialmente pelo menos 1,5/1, mais preferencialmente pelo menos 2/1. Para aumentar, ainda, a eficácia do processo, (parte dos) solventes pode originar de uma corrente residual reciclada de um processo organossolve anterior, tipicamente de um licor organossolve purificado.

[019] O líquido de tratamento compreende pelo menos um solvente orgânico não hidroxílico. O solvente orgânico não hidroxílico utilizado no líquido de tratamento pode ser um solvente único não hidroxílico, mas também engloba misturas de solventes orgânicos não hidroxílicos. Os solventes orgânicos não hidroxílicos adequados incluem todos os solventes orgânicos que são conhecidos na técnica para serem adequados para organossolve, exceto todos os solventes hidroxílicos. Especialmente, solventes não hidroxílicos polares são adequados. No contexto da presente invenção, “solventes hidroxílicos” compreendem pelo menos uma porção de hidroxila (grupo OH), tal como alcoóis ou “solventes alcoólicos” compreendendo uma ou mais porções de hidroxila ligadas a um átomo de carbono (direta ou indiretamente através de S, O, N ou outro átomo), tal como metanol, etanol, (iso)propanol, butanol, etileno glicol, metoxietanol, ou solventes orgânicos compreendendo uma porção de ácido carboxílico (grupo COOH), tal como ácido fórmico, ácido acético, ácido peracético e ácidos haloacéticos. A presença de grandes quantidades de ácido durante organossolve é altamente indesejável, já que isso pode causar corrosão pesada do equipamento e reator. Entretanto, uma quantidade catalítica de ácido deve estar presente além do solvente orgânico não hidroxílico, conforme descrito abaixo.

[020] Um composto é considerado como um solvente no contexto da presente invenção, quando está líquido sob as condições do processo da reação organossolve, preferencialmente quando está líquido em condições ambientes. É preferido que o solvente tenha ponto de ebulição suficientemente baixo para facilitar o trabalho pela destilação ou quaisquer outros meios de separação. Eficácia mais processual, é preferido que o solvente orgânico seja reciclado para o reator organossolve para uma etapa organossolve adicional após ter sido removido do licor organossolve. Tal remoção é convenientemente realizada pela destilação, para a qual é preferido que o ponto de ebulição do solvente orgânico esteja abaixo do da água, que também está presente no licor. Desse modo, o solvente orgânico não hidroxílico preferencialmente tem um ponto de ebulição abaixo de 100 °C, mais preferencialmente abaixo de 90 °C, ainda mais preferencialmente entre 30 °C e 85 °C, mais preferencialmente entre 45 °C e 80 °C. Além disso, o solvente não deve ser apolar, uma vez que a lignina dificilmente dissolve em tais solventes, e, por isso, hidrocarbonetos e hidrocarbonetos halogenados não polares não são adequados. Os solventes apolares podem estar presentes no líquido de tratamento como um componente menor além do solvente não hidroxílico (polar), preferencialmente menos de 5% em peso com base no peso total do líquido de tratamento, mais preferencialmente solventes apolares tais como hidrocarbonetos ou não presente em absoluto.

[021] Em particular, um solvente orgânico não hidroxílico adequado deve conter pelo menos uma função contendo oxigênio e/ou nitrogênio (éter, cetona, éster, amina, amida, imida, cianeto, nitro), especialmente uma função pelo menos contendo um átomo de oxigênio, tal como em éteres, cetonas, ésteres e amidas. Preferencialmente, o solvente não hidroxílico compreende uma porção de éter e/ou uma porção de carbonila, tal como uma porção de cetona, uma porção de éster ou uma porção de amida, mais preferencialmente o solvente não hidroxílico compreende pelo menos uma porção de cetona e opcionalmente um ou mais selecionados de uma porção de éter, uma porção de éster ou uma porção de amida. Preferencialmente, o solvente orgânico não hidroxílico é selecionado de éteres e cetonas, mais preferencialmente, o solvente orgânico não hidroxílico é uma cetona. As cetonas são especialmente preferidas em vista da solubilidade elevada em solventes de cetona. Os éteres preferidos incluem dimetoxietano, tetraidrofurano (THF), 1,4- dioxano e 1,3-dioxolano. As cetonas preferidas incluem acetona, butanona (= metil etil cetona ou MEK), metil isobutil cetona (MIBK), ciclo-hexanona, ésteres de ácido acetoacético (3-oxobutanoico), e ésteres levulínicos (4- oxopentanoico), tais como levulinato de metila e levulinato de etila. Os ésteres preferidos incluem ésteres C3-C5, tais como acetato de etila.

[022] Em uma realização especialmente preferida, o solvente orgânico não hidroxílico é selecionado do grupo consistindo em acetona, butanona, levulinato de etila e misturas desses, mais preferencialmente selecionado do grupo consistindo em acetona, butanona e misturas desses, ou alternativamente selecionado do grupo consistindo em acetona levulinato de etila, ainda mais preferencialmente, o solvente orgânico não hidroxílico compreende acetona ou uma mistura de acetona e butanona, mais preferencialmente, o solvente orgânico não hidroxílico é acetona. Alternativamente, o solvente orgânico não hidroxílico compreende uma mistura de acetona e butanona, preferencialmente é uma mistura de acetona e butanona. No caso do solvente orgânico não hidroxílico compreender uma mistura de acetona e butanona, a razão em peso entre a butanona e a acetona é preferencialmente 10/1 a 1/5, mais preferencialmente 5/1 a 1/2, mais preferencialmente 3/1a 1/1. Preferencialmente, o líquido de tratamento compreende pelo menos 10% em peso do solvente orgânico não hidroxílico, mais preferencialmente entre 20% em peso e 80% em peso, ainda mais preferencialmente entre 20% em peso e 70% em peso, ainda mais preferencialmente entre 25% em peso e 70% em peso ou entre 20% em peso e 60% em peso, mais preferencialmente entre 30% em peso e 60% em peso. Aqui, os valores da % em peso do solvente não hidroxílico são dados com base no peso total dos solventes (isto é, solvente não hidroxílico, água e quantidades opcionalmente menores de solvente hidroxílico) no líquido de tratamento.

[023] O líquido de tratamento compreende, ainda, água, e opcionalmente outros solventes orgânicos, além do solvente orgânico não hidroxílico. A presença de água no líquido de tratamento permite que as reações de hidrólise ocorram durante o organossolve, a fim de quebrar a rede de componentes estruturais. Deve ser notado que tal hidrólise ocorre nas ligações covalentes entre, por exemplo, lignina e hemicelulose, e não necessariamente entre os monômeros de açúcar dentro de uma cadeia de polissacarídeo tal como celulose. Preferencialmente, o líquido de tratamento compreende pelo menos 5% em peso água, mais preferencialmente pelo menos 10% em peso, ainda mais preferencialmente entre 20% em peso e 80% em peso água, ainda mais preferencialmente entre 30% em peso e 75% em peso água, mais preferencialmente entre 40% em peso e 70% em peso água. A razão em peso entre o(s) solvente(s) orgânico(s) (isto é, o(s) solvente(s) orgânico(s) não hidroxílico(s) e opcionalmente qualquer outro solvente orgânico) e a água é preferencialmente entre 20/80 e 80/20, mais preferencialmente entre 30/70 e 75/25, ainda mais preferencialmente entre 40/60 e 70/30, ainda mais preferencialmente entre 40/60 e 65/35, mais preferencialmente entre 40/60 e 60/40. As quantidades mais elevadas de água, tais como pelo menos 20% em peso, pelo menos 30% em peso ou ainda pelo menos 40% em peso, e/ou as quantidades mais baixas de solvente não hidrolítico, tal como no máximo de 80% em peso, no máximo 70% em peso ou ainda no máximo 60% em peso, são preferidas, já que a presença de quantidades significativas de água inibe a autocondensação do solvente e, portanto, a perda do solvente não hidrolítico, que normalmente ocorre durante condições organossolve ao utilizar líquidos de tratamento compreendendo quantidades maiores de solvente não hidrolítico. Aqui, os valores da % em peso da água são dados com base no peso total dos solventes (isto é, solvente não hidroxílico, água e opcionalmente quantidades menores de solvente hidroxílico) no líquido de tratamento.

[024] Quantidades menores de outros, isto é, solventes orgânicos hidroxílicos, além do(s) solvente(s) orgânico(s) não hidroxílico(s), também podem estar presentes. Esses podem ser tipicamente alcoóis tais como etanol. Foi descoberto que substituir parte do etanol, que é comumente utilizado durante o tratamento organossolve da biomassa, com um solvente orgânico não hidroxílico já afeta beneficamente os resultados do processo organossolve de baixa temperatura. Preferencialmente, o líquido de tratamento compreende no máximo 25% em peso de solventes hidroxílicos, em particular alcoólicos, mais preferencialmente no máximo 10% em peso, ainda mais preferencialmente no máximo 2% em peso, mais preferencialmente solvente orgânico alcoólico. Aqui, os valores % em peso do solvente hidroxílico são dados com base no peso total dos solventes (isto é, solvente não hidroxílico, água e solvente hidroxílico) no líquido de tratamento. Em uma realização especialmente preferida, o líquido de tratamento consiste em acetona, água e um ácido, em que a razão em peso entre acetona e água é preferencialmente entre 40/60 e 70/30.

[025] Durante uma reação organossolve, o ácido está presente para reduzir o pH. Tipicamente, o pH durante o organossolve de baixa temperatura está entre 0,5 e 7,0, preferencialmente entre 1,0 e 5,0, mais preferencialmente entre 1,5 e 3,0. Para fracionamento ideal para polpa de celulose e licor contendo lignina, a quantidade de ácido presente durante o organossolve é preferencialmente entre 5 mmols e 2,5 mols por kg de peso seco da biomassa, mais preferencialmente entre 50 mmols e 1 mol, mais preferencialmente entre 100 e 750 mmols. De outra maneira definida, a quantidade de ácido está preferencialmente entre 0,5 e 250 g por kg de peso seco da biomassa, mais preferencialmente entre 0,5 e 100 g, ainda mais preferencialmente pelo menos 5 e/ou até 100 g, mais preferencialmente pelo menos 10 g e/ou até 75 g. Convenientemente, o ácido está compreendido no líquido de tratamento, mas o ácido também pode ser adicionado separadamente à suspensão da biomassa no líquido de tratamento ou à biomassa antes do restante do líquido de tratamento ser adicionado.

[026] Preferencialmente, a concentração do ácido no líquido de tratamento está entre 1 mM e 200 mM, mais preferencialmente entre 10 mM e 100 mM, mais preferencialmente de 35 a 85 mM. Em termos de peso, é preferido que o líquido de tratamento compreenda entre 0,01% em peso e 2,0% em peso de ácido, mais preferencialmente entre 0,05% em peso e 1,5% em peso, mais preferencialmente entre 0,1% em peso e 1,0% em peso. Quantidades de ácido no líquido de tratamento acima dos limites superior podem resultar em mais reações colaterais, e, desse modo, a formação de mais impurezas, e em mais condensação do solvente e consequente perda do solvente, durante o organossolve. Quantidades mais baixas de ácido, por outro lado, reduz a extensão do fracionamento e deslignificação realizados pelo presente processo. Os inventores descobriram que as faixas de concentração ácida acima fornecem resultados ideais em que nenhuma ou quase nenhuma autocondensação do solvente é observada, enquanto a deslignificação permanece alta. Como o técnico no assunto aprecia, a quantidade de ácido que é utilizada para o desempenho ideal da reação organossolve pode variar dependendo da resistência do ácido (pKa) e a capacidade de neutralização do ácido da biomassa, bem como das condições do processo. Trabalhar em razões L/S reduzidas favorece um aumento na concentração ácida no líquido de tratamento, mas ao mesmo tempo uma redução na carga de ácido por kg de biomassa. As razões L/S preferidas são dadas em outro lugar no relatório descritivo.

[027] Os ácidos adequados incluem ácidos orgânicos e ácidos inorgânicos. Os ácidos preferidos têm um valor de pKa de 4,5 ou menor, preferencialmente um valor de pKa de 3,0 ou menor, mais preferencialmente um valor de pKa de 1,0 ou menor. Os ácidos com valores de pKa baixo são preferidos, já que uma quantidade mais baixa é necessária para habilitar o fracionamento organossolve eficaz da biomassa, quando comparado aos ácidos com um valor de pKa mais elevado. Os ácidos adequados incluem ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico, ácido perclórico, ácidos sulfônicos tais como ácido metanossulfônico e ácido para-toluenossulfônico, ácido fórmico, ácido oxálico, ácido benzoico, ácido láctico, ácido malônico, ácido maleico, ácido dicloroacético, ácido tricloroacético, ácido trifluoroacético, e combinações desses. Como os ácidos carboxílicos são mais propensos às reações colaterais do que os ácidos que não compreendem um grupo carboxila, tal como ácidos inorgânicos, o uso de ácidos não carboxílicos ou menos ácidos inorgânicos é especialmente preferido. Desse modo, preferencialmente o ácido é selecionado de ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido clorídrico, ácido fosfórico, ácido para-toluenossulfônico, e combinações desses. Mais preferencialmente, ácido sulfúrico é utilizado. Nesse documento, “o ácido” pode se referir a um único composto, ou a uma mistura de diferentes ácidos. Preferencialmente, um único ácido é utilizado.

[028] Em uma realização particularmente preferida, a etapa organossolve é realizada em uma temperatura de 130 a 160 °C, preferencialmente de 130a 150 °C e preferencialmente por uma duração de 60 a 150 minutos, utilizando um líquido de tratamento compreendendo um solvente de cetona non-hidroxílico, a dita cetona preferencialmente compreendendo acetona, butanona ou uma mistura dessas, e água em uma razão em peso de 40/60 a 70/30, preferencialmente 40/60 a 60/40, e 10 a 100 mM, preferencialmente 35 a 85 mM de ácido, preferencialmente ácido sulfúrico.

[029] Organossolve em temperaturas reduzidas é acompanhado com menos reações colaterais comparado ao organossolve em temperaturas convencionais. Menos degradação de hemicelulose ou xilose para subprodutos indesejados (por exemplo, furfural e huminas) e menos formação de pseudoligninas (por exemplo, pela reação de produtos de degradação de xilano e xilose com lignina) é observada. É importante notar que o organossolve de baixa temperatura utilizando um solvente orgânico não hidroxílico também causa menos degradação de hemicelulose ou xilose para subprodutos indesejados (por exemplo, xilosidades) e menos formação de pseudolignina (por exemplo, por etoxilação), comparado ao organossolve de baixa temperatura utilizando um solvente orgânico alcoólico, em particular etanol. Durante o organossolve, certas quantidades de açúcares monoméricos são formadas em todos os momentos, tais como glicose e xilose. Utilizar o organossolve de baixa temperatura com um solvente orgânico não hidroxílico, menos produtos de degradação ou subprodutos de açúcares monoméricos são observados. Glicosídeos e xilosidades foram produzidos em níveis baixos apenas, se em tudo, contrário ao organossolve de baixa temperatura com etanol como solvente, e também quantidades menores de hidroximetilfurfural (de glicose) e furfural (de xilose) foram detectadas. A formação de glicosídeos e xilosidades é uma das maiores perdas na valorização da biomassa, já que aqueles compostos possuem valor econômico limitado, comparado à glicose e xilose, e não são facilmente convertidos em compostos mais valiosos. Além disso, tais poucas reações colaterais também levam a uma perda de solvente reduzida, que ocorre quando os solventes hidroxílicos reagem através de sua porção de hidroxila com açúcares (monoméricos) ou lignina. Como tais reações colaterais não ocorrem para os solventes não hidroxílicos, a perda de solvente é reduzida a um mínimo.

[030] Uma maior vantagem do processo organossolve de acordo com a presente invenção é a formação de correntes de produto com pureza mais elevada (menos impurezas), quando comparado aos processos organossolve da técnica anterior, e um rendimento mais elevado em sacarídeos monoméricos, oligoméricos e poliméricos. Isso é especialmente verdade no caso do processo organossolve de acordo com a invenção ser combinado com hidrólise da polpa de celulose, que converte sacarídeos poliméricos e oligoméricos em sacarídeos monoméricos, como tal obtendo rendimentos elevados de sacarídeos monoméricos com base nos carboidratos totais presentes na biomassa.

[031] Organossolve produz uma polpa de celulose e um licor contendo lignina. O licor de lignina obtido pelo processo de acordo com a invenção compreende um teor mais elevado de lignina nativa e uma quantidade mais elevada de xilose, quando comparado aos licores de lignina da técnica anterior. Sem ficar limitado a nenhuma teoria, está previsto que poucas reações ocorrem entre lignina e, por exemplo, derivados de celulose ou hemicelulose, produtos de degradação desses, ou outros componentes reativos presentes na biomassa tais como proteínas e outros componentes não estruturais, durante o processo organossolve de acordo com a invenção. Essas reações são reduzidas no processo de acordo com a invenção em virtude da temperatura reduzida da reação organossolve e o uso de solvente orgânico não hidroxílico. Hemicelulose ou seus derivados monoméricos são propensos à degradação, em vista dessa degradação reduzida, ocorre menos reação dos produtos de degradação reativos com lignina. A quantidade de porções de hidroxila na lignina (tipicamente determinada em mmol OH por g de lignina) é uma medida para a natividade da lignina, isto é, o grau ao qual a lignina produzida pelo processo de tratamento da biomassa se assemelha à lignina nativa, em particular, na medida em que seu padrão de substituição é levado em consideração. As porções de hidroxila presentes na lignina nativa podem reagir com, por exemplo, produtos de degradação de hemicelulose e componentes não estruturais na biomassa (proteínas, outros extrativos), sob as condições da reação organossolve. Um teor de hidroxila reduzido indica, desse modo que a maioria da pseudolignina é formada. O processo de acordo com a invenção provê lignina com um teor de hidroxila aumentado, quando comparado ao processo da técnica anterior, ambos em vista da temperatura reduzida da reação organossolve e o uso de um solvente orgânico não hidroxílico.

EXTRAÇÃO

[032] Em uma realização, o processo de acordo com a invenção compreende uma ou mais etapa de extração, antes de ser submetido ao organossolve. No contexto da presente invenção, uma ou mais etapas de extração antes do organossolve também são referidas como “pré-extração”. A pré- extração inclui pelo menos uma etapa de extração aquosa e/ou pelo menos uma etapa de extração orgânica. Sem ficar limitado por uma teoria, acredita-se que a extração da biomassa antes do organossolve remove os componentes não estruturais da biomassa (extrativos) que pode dificultar o processo organossolve e/ou a subsequente hidrólise de celulose enzimática. Em vista de muitas reações colaterais que ocorrem quando o organossolve de baixa temperatura é realizado utilizando um solvente hidroxílico, realizar tal pré-extração pode ser preferido.

[033] No contexto da presente invenção, “extração orgânica” refere-se á extração com um líquido de extração compreendendo pelo menos 20% em peso de um ou mais solventes orgânicos, preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo menos 70%, e, desse modo, no máximo 80% em peso água, preferencialmente no máximo 50%, mais preferencialmente no máximo 30%. Igualmente, “extração aquosa” refere-se à extração com um líquido de extração compreendendo pelo menos 80% em peso água, e, desse modo, no máximo 20% em peso de um ou mais solventes orgânicos. Em uma realização, apenas uma etapa de extração é realizada antes do organossolve, em que a biomassa é extraída com um líquido de extração compreendendo um primeiro solvente orgânico, opcionalmente como uma mistura com água. Alternativamente, a extração envolve múltiplas etapas de extração, cada com um líquido de extração diferente compreendendo água, um ou mais solventes orgânicos ou misturas desses. Nesse documento, múltiplas extrações com o mesmo líquido de extração são referidas como uma única etapa de extração. Desse modo, no caso da extração ser realizada antes do organossolve, a extração pode envolver pelo menos uma, pelo menos duas, pelo menos três ou pelo menos quatro etapas de extração separadas. Em uma realização, pelo menos uma etapa de extração aquosa é realizada antes do organossolve, utilizando água como líquido de extração (isto é, contendo menos de 20% do solvente orgânico). Em uma realização alternativa, pelo menos uma etapa de extração aquosa é realizada antes do organossolve, utilizando água como líquido de extração (isto é, contendo menos de 20% do solvente orgânico), e pelo menos uma etapa de extração orgânica é realizada utilizando um líquido de extração compreendendo pelo menos 20%, preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo menos 70% de um solvente orgânico.

[034] No processo de acordo com a invenção, as reações colaterais são evitadas ao utilizar um solvente não hidroxílico, e desse modo, em uma realização, é vantajoso não empregar uma etapa de pré-extração antes do fracionamento organossolve de baixa temperatura. Em uma realização, nenhuma pré-extração orgânica é realizada e nenhuma ou apenas uma pré-extração aquosa é realizada. Não obstante, como a pré- extração pode resultar em um desempenho ainda melhor da própria etapa organossolve e uma hidrólise enzimática mais eficaz da celulose e, desse modo, uma redução adicional da carga de enzima exigida e custos associados, realizando uma ou mais etapas de pré-extração aquosa e/ou orgânica não é excluída do processo da invenção.

[035] Os solventes orgânicos adequados a serem utilizados em pré-extração orgânica incluem, entre outros, alcoóis e dióis inferiores e, éteres, cetonas, amidas, alcanos inferiores, ácidos carboxílicos e CO2 (supercrítico: sc). No contexto da presente invenção, CO2 (sc) é considerado como um solvente orgânico, em vista de sua adequabilidade em pré-extração orgânica. Nesse documento, “inferior” significa contendo de 1 a 6 átomos de carbono (C1-C6), especialmente C2- C4 para alcoóis, e especialmente C3-C5 para outros solventes incluindo cetonas, éteres, ésteres e amidas. O solvente orgânico é preferencialmente miscível em água ou capaz de dissolver pelo menos 10% em peso de água. Exemplos de solventes orgânicos adequados para serem utilizados em pré- extração orgânica incluem metanol, etanol, propanol, isopropanol, butanol e seus isômeros, etileno glicol, propileno glicol, metoxietanol, dimetoxietano, dietileno glicol, dioxano, acetona, metil etil cetona, tetraidrofurano, dimetil formamida, dimetil acetamida, N-metil etc. Outro(s) (co)solventes polares também podem ser utilizados, embora essas sejam ligeiramente menos preferidos, por exemplo, acetonitrila, ácido fórmico, ácido acético, acetato de metila, acetato de etila e haloalcanos não apolares tais como diclorometano. Os solventes apolares, tais como CO2 (sc) ou hidrocarbonetos, por exemplo, pentano, ciclopentano, hexano, tolueno ou misturas desses, tais como éter de petróleo, também podem ser utilizados como (co)solventes, ou como solventes em uma etapa de extração adicional opcional. No contexto da presente invenção, misturas de solventes orgânicos miscíveis também são englobadas no termo “solvente orgânico”. Preferencialmente, o solvente orgânico a ser utilizado na pré-extração orgânica é selecionada de metanol, etanol, propanol, butanol e acetona, mais preferencialmente de metanol, etanol e acetona. Pode ser vantajosamente útil utilizar o mesmo solvente orgânico para pré-extração já que é utilizado como solvente orgânico não hidroxílico no líquido

[036] A etapa de pré-extração aquosa é convenientemente realizada utilizando água de torneira (não desmineralizada) ou filtrada, água relativamente limpa, enquanto a água desmineralizada também é adequada, com no máximo 20% em peso de solventes orgânicos adicionados ou outros aditivos, preferencialmente sem solventes orgânicos adicionados ou outros aditivos. As etapas de pré-extração aquosa podem ser realizadas utilizando um líquido de extração aquoso, em particular água. O líquido aquoso pode conter agentes que auxiliam na dissolução de extrativos, tais ácidos, bases, sais e tensoativos. O pH pode ser de ligeiramente alcalino a ácido, por exemplo entre 2 e 10, preferencialmente entre 4 e 8. Se quantidades menores desejadas, um solvente orgânico (por exemplo, conforme descrito acima para a extração orgânica) pode ser adicionado ao líquido de extração aquoso. Entretanto, o nível dos solventes orgânicos é preferencialmente mantido baixo, por exemplo, abaixo de 20% em peso, mais preferencialmente abaixo de 10% em peso, mais preferencialmente abaixo de 2% em peso.

[037] Cada etapa de extração individual da extração pode ser realizada utilizando qualquer técnica de extração conhecida na técnica. Convenientemente, a extração é realizada pela lavagem da biomassa com o líquido de extração, ou por encharcamento da biomassa no líquido de extração. Nessa realização, a biomassa preferencialmente encharca pelo menos 1 minuto no líquido de extração, mais preferencialmente entre 5 minutos e 600 minutos, mais preferencialmente entre 10 minutos e 120 minutos. A extração também pode ser realizada em fases, em um modo contracorrente. Em tal modo encenado, o líquido de extração relativamente limpo é utilizado para uma segunda fase ou posterior da extração e o extrato da segunda fase ou posterior é utilizado como um líquido de extração para a fase anterior (ou primeira). Dessa maneira, a quantidade residual de extrativos na biomassa é minimizada enquanto mantém a quantidade de líquido de extração relativamente baixa. A extração contracorrente permite uma redução na quantidade total do solvente de extração.

[038] Cada etapa de extração da extração pode ser realizada com água e/ou o primeiro solvente orgânico como líquido de extração, em que o líquido de extração tem uma temperatura entre sua temperatura de fusão e sua temperatura de ebulição (ou mais elevada, se pressurizada), isto é, está na forma líquida. As temperaturas de extração preferidas são de 10 a 100°C. Para etapas de extração aquosa, a temperatura de extração é mais preferencialmente de 15 a 75°C, mais preferencialmente de 20 a 60°C, e para etapas de extração orgânica mais preferencialmente de 15 a 80°C, mais preferencialmente de 30 a 75°C. Para etapas de extração utilizando uma mistura de água e solvente(s) orgânico(s), o técnico no assunto apreciará como manipular as temperaturas para resultados ideais. Para cada etapa de extração individual, a quantidade de líquido de extração está preferencialmente entre 0,1 L e 25 L de líquido por kg de biomassa. Para extração orgânica de fase única, a quantidade preferida de líquido de extração está entre 0,1 L e 12 L, mais preferida entre 0,5 L e 6 L do solvente por kg de biomassa. Para extração aquosa de fase única, a quantidade preferida de líquido de extração está entre 0,1 L e 12 L, mais preferida entre 0,5 L e 10 L do solvente por kg de biomassa. Para extração contracorrente, a quantidade preferida do líquido de extração está entre 0,1 L e 6 L, especialmente entre 0,5 L e 4 L do solvente por kg de biomassa. O peso da biomassa é entendido nesse documento como o peso seco, sem água aderente.

[039] A mistura de biomassa e líquido de extração pode ser filtrada após cada etapa de extração da extração, utilizando um filtro com poros pequenos o suficiente para reter a biomassa picada e lavada ou encharcada, e poros grandes o suficiente para permitir que o extrato, compreendendo extrativos, passe. Tipicamente, os poros de tal filtro estão entre 10 μm e 10 mm de diâmetro, preferencialmente entre 100 μm e 1 mm. A retentado compreendendo biomassa é utilizado para tratamento adicional por organossolve conforme descrito abaixo.

[040] Durante a extração, o peso seco total da biomassa pode reduzir como os componentes solúveis em água e/ou solúveis em solvente orgânico serão lavados. Esses extrativos podem incluir sais, proteínas, ácidos graxos, triglicerídeos, ceras, terpenos e ácidos de resina. Conforme o técnico no assunto apreciará, os componentes hidrofílicos (por exemplo, sais, proteínas solúveis em água) serão predominantemente lavados durante a extração aquosa, isto é, na etapa de pré-extração, enquanto os componentes lipofílicos são predominantemente extraídos durante a extração com um solvente orgânico. A composição e a concentração de componentes laváveis dependem altamente do tipo da biomassa. Por exemplo, as fibras anuais, tais como palha, contêm quantidades relativamente grandes de ácidos graxos e/ou materiais cerosos, que podem ser extraídos utilizando solvente orgânico, e madeira (macia) pode conter quantidades significativas de terpenos e ácidos de resina.

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA

[041] Em uma realização preferida, a corrente de produto enriquecido com celulose (polpa), que é obtido como um produto da etapa organossolve, é submetida à hidrólise enzimática. A hidrólise enzimática de celulose para glicose é realizada por uma enzima ou combinação de enzimas capazes de hidrolisar a celulose, referida como enzimas hidrolíticas, preferencialmente celulases. A hidrólise de celulose também é conhecida como celulólise. A atividade de enzimas de celulase é tipicamente medida em FPU (unidade de filtro de papel); consulte Ghose, T. K. Measurement of cellulase activities. Pure Appl. Chem. 1987, 59, 257-268. O processo de acordo com a invenção pode ser realizado utilizando qualquer enzima de celulase. As enzimas de celulase adequadas são endocelulases (clivagem da celulose nas posições internas), exocelulases (clivagem da celulose nas posições externas máximas para produzir celobiose ou celutetraose), beta-glucosidases (celobiases, clivagem dos produtos de exocelulase nas unidades de glicose). Outras enzimas de celulase, tais como celulases oxidativas e celulose fosforilases, são menos preferidas. Preferencialmente, uma combinação de enzimas de celulase é utilizada, em particular uma combinação de endocelulase, exocelulase e β-glucosidase. Também, hemicelulases (por exemplo, xilanases, arabinases, mananases, etc.) podem estar presentes para decompor qualquer hemicelulose residual restante após a etapa organossolve.

[042] No processo de acordo com a invenção, a hidrólise enzimática de celulose pode ser realizada em qualquer maneira conhecida na técnica. Desse modo, a corrente de produto enriquecido com celulose ou polpa rica em celulose é colocada em contato com uma enzima capaz de hidrolisar a celulose, preferencialmente uma mistura de celulases. O hidrolisado resultante é rico em glicose, que pode ser processado, ainda, opcionalmente após separação dos resíduos sólidos, tais como fermentados para produzir, por exemplo, etanol ou outros alcoóis, ou térmica ou quimicamente tratados para produzir, por exemplo, 5-hidroximetil-furfural e outros furanos, ou a glicose pode ser utilizada como tal, como conhecido na técnica.

[043] No caso de uma etapa de pré-extração aquosa (isto é, o líquido de extração compreende abaixo de 20% em peso do solvente orgânico) ser parte do processo de acordo com a invenção, o extrato aquoso, em particular um extrato aquoso contendo proteína, obtido pela pré-extração aquosa, é beneficamente utilizado como suplemento durante a hidrólise enzimática da polpa de celulose. A presença de tal extrato aquoso, opcionalmente após concentração (parcial) pelos métodos conhecidos na técnica, resulta em aumento significativo da atividade da enzima durante a hidrólise enzimática da celulose. Como tal, o carregamento da enzima durante a etapa de hidrólise enzimática pode ser significativamente reduzido, sem afetar negativamente o rendimento da glicose e/ou a taxa de formação da glicose. Surpreendentemente, o extrato de biomassa aquosa rica em proteína, adequado para aumentar a atividade da enzima de hidrolização, pode eficazmente ser preparado pela extração da biomassa com água e subsequentemente filtrar a mistura. Não são necessárias etapas de purificação adicionais para alcançar um aumento significativo na atividade da enzima durante a hidrólise enzimática. Outros componentes, que podem ser coextraídos da biomassa durante a extração aquosa, não podem inibir a enzima hidrolítica (celulase) durante a hidrólise enzimática da celulose, ou essa inibição é mais do que compensada pelo aumento da atividade causado pela presença do extrato aquoso. A proteína da biomassa em si constitui uma fonte de proteína relativamente barata e facilmente acessível.

[044] Como um resultado da exigência da enzima reduzida (adicional), essa realização preferida do processo de acordo com a invenção atende à necessidade de reduzir os custos da hidrólise enzimática da celulose. Sem ficar ligado a uma teoria, os inventores supõem que as proteínas do extrato aquoso são absorvidas para a lignina presente no substrato celulósico. Como tal, a quantidade de enzima hidrolítica inativada pela absorção na lignina liberada diminui. Desse modo, uma polpa rica em celulose, originando da biomassa pré-tratada está em contato simultaneamente com (i) uma enzima capaz de hidrolisar a celulose, preferencialmente uma (mistura de) celulase(s), e com (ii) um extrato aquoso rico em proteína originando da extração aquosa de biomassa. Em uma realização especialmente preferida, a biomassa é submetida à pré-extração aquosa, e opcionalmente pré-extração orgânica, e subsequentemente submetida ao pré- tratamento de acordo com a presente invenção, isto é, submetida ao organossolve conforme descrito nesse documento, e o extrato de biomassa aquoso rico em proteína utilizado durante a hidrólise enzimática da biomassa origina da extração aquosa da mesma biomassa, antes do organossolve. O extrato rico em proteína pode ser o extrato diretamente obtido ou um concentrado desse.

ETAPAS DO PROCESSO ADICIONAIS

[045] O licor, resultante da separação da polpa enriquecida com celulose, pode ser tratado ou separado adicionalmente para a finalidade de isolar outros produtos valiosos. Em particular, o licor, contendo lignina, carboidratos (notavelmente hemicelulose e seus produtos de degradação), ácidos orgânicos, sais e outros compostos, pode ser esgotado em lignina por precipitação da lignina através da diminuição do teor de solvente orgânico do licor, por exemplo, pela diluição com água e/ou por evaporação do solvente orgânico (não hidroxílico e/ou outro), por exemplo, seguido pela centrifugação. Alternativamente, a razão dentro de uma a mistura de solventes orgânicos pode ser alterada, o que pode levar a uma separação de fase entre as fases aquosa e orgânica, facilitando a separação que pode, por exemplo, ser realizada por decantação. Isso é particularmente prático no caso de uma mistura de solventes ser utilizada como solvente orgânico não hidroxílico. Reduzir o teor de acetona (por exemplo, por evaporação) ou aumentar o teor de butanona (por exemplo, por adição da mesma) leva a tal separação de fase. A corrente aquosa líquida resultante, que é esgotada em lignina, e que contém níveis apreciáveis de derivados de hemicelulose, por exemplo, xilose e seus oligômeros e polímeros, pode vantajosamente ser submetida às etapas do processo para recuperar ou valorizar esses carboidratos, por exemplo, por tratamento anaeróbico utilizando uma cultura anaeróbica de digestões ou fermentações anaeróbicas comerciais como um lodo de partida. As temperaturas utilizadas no tratamento anaeróbico são típicas para micro- organismos mesofílicos, isto é, entre 15 e 55°C, preferencialmente entre 30 e 45°C. O biogás pode ser coletado do tratamento anaeróbico. Alternativamente, a fermentação anaeróbica pode ser realizada para converter os produtos de decomposição de hemicelulose e outros possíveis produtos orgânicos em etanol ou outros alcoóis, ao utilizar leveduras capazes de converter açúcares em alcoóis e dióxido de carbono. A levedura pode vantajosamente ter sido projetada também para ser capaz de converter outros açúcares específicos (por exemplo, xilose) de hemiceluloses em alcoóis, por exemplo, pela introdução de enzimas de conversão de xilose-isomerase e/ou arabinose na levedura (consulte, por exemplo, WO 03/062430, WO 2008/041840, WO 2010/074577). As finalidades alternativas desses carboidratos que se originam da hemicelulose incluem tensoativos, álcool de açúcar ou produção de furano.

EXEMPLOS EXEMPLO 1: SOLUBILIDADE DE LIGNINA EM SOLVENTES DE CETONA

[046] A lignina (preparada através do processo Alcell, consulte Pye e Lora, Tappi J., 1991, 74, 113-118) foi dissolvido à temperatura ambiente em vários sistemas de solvente que são adequados como líquido de tratamento para uma etapa organossolve. Para o sistema de solvente de etanol/água, 100 g de lignina foram misturados com 1 L de solvente, e para os sistemas de solvente de cetona/água, 500 g de lignina foram misturados com 1 L de solvente. A solubilidade de lignina é dada na Tabela 2 abaixo. TABELA 2 : SOLUBILIDADE DE LIGNINA EM VÁRIOS SISTEMAS DE SOLVENTE

EXEMPLO 2 : ORGANOSSOLVE DE BAIXA TEMPERATURA COM ACETONA

[047] A palha de trigo foi picada em pedaços de cerca de 1 cm de comprimento, e foi dividido em oito lotes que receberam diferentes tratamentos como resumido na Tabela 3. A pré-extração foi realizada nos lotes 2, 5 e 7, que envolveu a extração com 10 L de água por kg de biomassa, e subsequentemente com 10 L de etanol ou acetona por kg da biomassa original antes da extração aquosa. Os lotes de 1 a 8 foram subsequentemente submetidos ao organossolve na temperatura indicada, utilizando o sistema de solvente e tempo de tratamento, conforme dado na Tabela 3. A razão de líquido/sólido foi de 10 L por kg de biomassa. O ácido sulfúrico foi adicionado ao líquido de tratamento dos lotes 1 a 7. A concentração aumentada de H2SO4 para os lotes que não sofreram pré-extração (1, 3, 4, 6) foi aplicada para contrariar a capacidade de neutralização ácida mais elevada da parte mineral da biomassa original, que é, de outra forma, reduzida durante a pré-extração por remoção (parcial) da parte mineral part. Para o lote 8, nenhuma ácido foi adicionado, e organossolve foi realizado autocataliticamente em uma temperatura de 205 °C. TABELA 3: PRÉ-EXTRAÇÃO E CONDIÇÕES DE TRATAMENTO DE PALHA DE TRIGO

[048] Durante o organossolve com etanol/água como líquido de tratamento (lote 1), a formação de esferas de ácidos graxos e/ou material ceroso foi observada, que dificultou o fracionamento da palha no licor enriquecido com lignina e a polpa enriquecida com celulose, originando uma concentração de glucano inferior na polpa. Apenas quando a biomassa pré-extraída foi submetida ao organossolve de etanol/água (lote 2), não forma observadas esperas cerosas. Nos lotes 3 a 7, que estão de acordo com a invenção e em que acetona/água foi utilizada como líquido de tratamento, não foram observadas tais esferas para ambas as palhas de trigo pré-extraídas e não pré-extraídas.

[049] Os resultados do organossolve em relação à polpa são dados na Tabela 4. Os rendimentos da polpa, porcentagens de deslignificação e composições de polpa são aceitáveis para todos os experimentos, embora para o organossolve de etanol (não de acordo com a invenção), a etapa adicional de pré-extração da biomassa deu uma pureza de glucano mais elevada da polpa. Reduzir o tempo de reação de 120 para 60 minutos do organossolve de acetona (lotes 3 vs. 4) deu surpreendentemente resultados similares em termos de deslignificação e composições de polpa, enquanto o rendimento da polpa aumenta. O organossolve de temperatura elevada (lote 8) deu resultados similares em termos de composição de polpa e deslignificação, indicando que a redução da temperatura não afeta negativamente o desempenho do organossolve de fracionamento. A forma da lignina (teor de hidroxila) obtido a partir do licor obtido após o organossolve também é dada na Tabela 4. Primeiro de tudo, a lignina obtida por organossolve de baixa temperatura com acetona mostra um teor aumentado de grupos hidroxila, quando comparado ao organossolve de baixa temperatura com etanol como solvente, indicativo de lignina mais nativa e formação reduzida de pseudoligninas. Além disso, o teor de hidroxila da lignina é marcadamente aumentado quando comparado à lignina obtida com organossolve de temperatura elevada em cerca de 200 °C. O teor de hidroxila da lignina foi determinado através de método químico úmido conforme descrito por Zakis et al., “Functional analysis of lignins and their derivatives”, TAPPI Press, Atlanta, 1994, page 94.

[050] As composições foram determinadas utilizando o método descrito em W.J.J. Huijgen, A.T. Smit, P.J. de Wild, H. den Uil, BioResource Technology, 2012, 114, 389-398. Ali, glucano, xilano e outros polissacarídeos foram determinados por hidrólise e análise de monossacarídeos e, desse modo, incluem quaisquer produtos de hidrólise (oligômeros e monômeros). Os quatro componentes dados na Tabela 4 compõem aproximadamente 90% em peso da polpa, e os 10% em peso restantes podem incluir (precursores de) monômeros de açúcar (incluindo arabinose, galactose, manose e ramnose), ácidos urônicos e extrativos (componentes não estruturais tais como peptídeos, lipídios, DNA, clorofila). TABELA 4: RENDIMENTO E COMPOSIÇÃO DA POLPA, TEOR DE HIDROXILA DE LIGNINA

[a] Baseado no peso seco da biomassa fresca, antes da pré-extração. [b] Redução no teor da lignina na polpa comparado à biomassa fresca. [c] Teor de OH em mmol por g de lignina; nd = não determinado. [d] Baseado no peso seco da polpa de celulose.

[051] Alguns produtos de degradação de xilano e glucano foram detectados no licor contendo lignina. Os produtos obtidos de xilano e glucano são dados na Tabela 5, em equivalentes de xilose e glicose, respectivamente. Em geral, mais xilano residual é encontrado na polpa quando nenhuma pré-extração é realizada, quando etanol é utilizado em vez de acetona (lotes 1 e 2), e quando organossolve é realizado em temperatura elevada sem ácido (lote 8). A hidrólise e produtos de degradação de xilano são encontrados no licor. É importante notar, o rendimento de xilose monomérica é grandemente aumentado quando etanol é substituído por acetona uma vez que não são formadas xilosidades de etila utilizando organossolve de baixa temperatura com acetona. Um pouco de furfural é detectado em todos os licores. Mais, se nem toda a hemicelulose restante terá sido convertida em xilo-oligossacarídeos solúveis (XOS), que termina no licor, ou para produtos de condensação indesejáveis, tais produtos de condensação de lignina- furfural e huminas que deverão ser formados na temperatura mais elevada utilizada na reação organossolve do lote 8.

[052] Em relação aos produtos de glucano, a principal diferença entre etanol e acetona como solvente orgânico é a formação de glicosídeos no solvente hidroxílico, enquanto não são formados etilglicosídeos utilizando solvente não hidroxílico. O efeito mais significativo associado com a redução da temperatura da reação organossolve de 205 °C para 140 °C é o aumento no rendimento de xilose, enquanto o grau de hidrólise de xilano permanece mais ou menos o mesmo. Isso indica que xilano degrada-se para além de seus açúcares monoméricos em temperatura elevada em subprodutos indesejáveis que não foram medidos. Igualmente, o, glucano é degrado, até certo ponto em temperatura elevada, que não é encontrado como monômeros de glicose ou HMF. Desse modo, os monômeros de glicose que são formados durante o organossolve degradam-se em subprodutos indesejáveis a 205 °C. TABELA 5 : DISTRIBUIÇÃO DE PRODUTOS DE XILANO E GLUCANO

[a] Em equivalentes de xilose; mols de produto com base nos mols totais de unidades monoméricas de xilose presentes em xilano na biomassa fresca, antes da pré- extração. As porcentagens totais acima de 100% resultam das imprecisões de medição. Xilano é encontrado na polpa, o restante no licor. Xyl = xilose; EX = etil xilosidades; [b] Nos equivalentes de glicose; mols do produto com base nos mols totais de unidades monoméricas de glicose presentes em glucano na biomassa fresca, antes da pré- extração. As porcentagens totais acima de 100% resultam das imprecisões de medição. Glucano é encontrado na polpa, o restante no licor. Glc = glicose; HMF = 5-hidroximetil- furfural; EG = etil-glicosídeos; bdl = abaixo do limite de detecção.

[053] A polpa enriquecida de celulose obtida pelo fracionamento organossolve de cada um dos lotes foi subsequentemente submetida à hidrólise enzimática. Condições: 10 FPU por grama de polpa (para os lotes 1 e 2: 20 FPU/g, para o lote 8: 38 FPU/g) de enzima de celulase (Accellerase 1500 (lotes 1 a 7) ou Accellerase 1000 (lote 8), DuPont Industrial Biosciences); 1,50 g de polpa (peso seco) por 50,0 mL de água tamponada a pH 4,8; tempo = 72 h. O progresso da hidrólise enzimática foi monitorado por determinação do rendimento da glicose (como % em peso com base no peso seco total da polpa em t = 0 h) em vários intervalos até t = 72 h. A figure resume os resultados obtidos utilizando a polpa enriquecida com celulose obtida por organossolve dos lotes 1 a 8. Os valores máximos de conversão de glicose para os lotes 1, 2 e 8 foram obtidos após 24 h, em vista da carga de enzima aumentada. A polpa de celulose obtida por organossolve em temperaturas reduzidas é prontamente hidrolisada com uma carga de enzima relativamente baixa de 10 FPU/g. Os lotes 4 a7, submetidos ao organossolve de baixa temperatura com acetona por 60 minutos, foram hidrolisados mais ou menos similarmente ao lote 3 que foi submetido ao organossolve por 120 minutos. A partir do ponto de vista de economia, é benéfico realizar a reação organossolve por um período de tempo mais curto, para o qual o processo de acordo com a invenção é bem ajustado. A polpa obtida com organossolve de temperatura elevada deu um rendimento inferior em glicose, especialmente uma vez que a conversão final já foi obtida após 24 h, enquanto os outros lotes não alcançaram a conversão final de glicose no final da medição em t = 72 h. A polpa obtida por organossolve de etanol de biomassa não pré- extraída (lote 1) deu rendimento de glicose ligeiramente menor do que a polpa obtida por organossolve de acetona dos lotes 3, 5 e 7, especialmente em vista da conversão adicional esperada desses lotes após t = 72 h. A polpa obtida do organossolve de etanol da biomassa pré-extraída (lote 2) deu o rendimento de glicose mais elevado, com base no peso total do polpa, que é devido apo seu teor de glucano elevado (consulte Tabela 4) e uma carga de enzima mais elevada. Entretanto, o rendimento total da glicose com base no glucano presente na biomassa fresca é mais ou menos similar para todos os experimentos. Desse modo, é concluído que o processo organossolve é eficazmente realizado em temperaturas reduzidas, tais como a 140 °C ou menos, utilizando acetona como solvente orgânico, e que as polpas de celulose obtidas com isso são eficazmente hidrolisadas para glicose. EXEMPLO 3 : ORGANOSSOLVE DE BAIXA TEMPERATURA COM LEVULINATO DE ETILA

[054] A palha de trigo foi picada em pedaços de cerca de 1 cm de comprimento, e foi dividida em três lotes que foram subsequentemente submetidos ao organossolve a 140 °C por 120 min, utilizando o sistema de solvente como dado na Tabela 6. A razão de líquido/sólido foi de 10 kg por kg de biomassa. 60 mM de ácido sulfúrico foram adicionados ao líquido de tratamento. Substituição do etanol por levulinato de etila como o solvente orgânico não afetou significativamente o rendimento da polpa, mas deu origem a um rendimento de lignina, determinado como a quantidade de lignina precipitada mediante uma diluição de três vezes do licor com água com uma temperatura de cerca de 5 °C, com base no peso total da lignina presente na biomassa. Utilizar levulinato de etila como um solvente resultou em uma parcela maior de lignina que terminou no licor. A partir do rendimento da polpa imutável e o aumento no rendimento da lignina no licor, pode ser concluído que a polpa contém um teor crescente de glucano, com teor crescente de levulinato de etila no líquido de tratamento.

[055] As Tabelas 7 e 8 dão os rendimentos dos produtos (de degradação) de xilano e glucano formados durante o organossolve. Quando etanol é substituído por levulinato de etila, menos xilosidades e glicosídeos foram formados durante o organossolve de baixa temperatura, e o teor de açúcares monoméricos aumentado, indicando menos degradação ou reação adicional de hemicelulose e celulose além de seus monômeros. TABELA 6: CONDIÇÕES DE ORGANOSSOLVE E RESULTADOS DE

[a] EL = levulinato de etila [b] Baseado no peso seco da biomassa fresca. [c] Quantidade de lignina precipitada, com base no peso total de lignina na biomassa fresca. TABELA 7 : PRODUTOS DE DEGRADAÇÃO DE XILANO OBSERVADOS NO LICOR[A]

[a] Em % em peso com base no peso seco de xilano na biomassa fresca. TABELA 8 : PRODUTOS DE DEGRADAÇÃO DE GLUCANO OBSERVADOS NO LICOR[A]

[a] E, % em peso com base no peso seco de glucano na biomassa fresca. HMF = 5-(hidroximetil)furfural; EMF = 5- (etoximetil)furfural; bdl = abaixo do limite de detecção.

EXEMPLO 4: ORGANOSSOLVE DE BAIXA TEMPERATURA COM MISTURAS DE ACETONA/BUTANONA

[056] 280 g de madeira de faia seca foram submetidos ao organossolve a 140 °C por 120 minutos, utilizando a acetona/butanona/água 20/40/20 (p/p/p) como sistema de solvente em uma razão de líquido para sólido de 4,3 kg de líquido de tratamento para 1 kg de biomassa (peso seco). O ácido sulfúrico até uma concentração de 60 mM foi adicionado ao líquido de tratamento.

[057] O rendimento da polpa após o organossolve totalizou 41,3% em peso, com uma deslignificação de 87,8% (ambos calculados como na Tabela 4). A polpa continha 78,8% em peso de glucano, 2,3% em peso de xilano e 7,3% em peso de lignina, com base no peso seco da polpa. Tais resultados excelentes, em termos de deslignificação e composição de polpa, demonstram que o uso de (misturas) de solventes aquosos e não hidroxílicos permite o fracionamento organossolve eficaz da biomassa em baixas temperaturas e baixas razões de L/S.

Claims (19)

1. PROCESSO PARA FRACIONAMENTO DA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA E PARA CONVERSÃO DA HEMICELULOSE PARA XILOSE, caracterizado por compreender o tratamento da biomassa com um líquido de tratamento em uma temperatura de 100 °C a 160 °C, em que o líquido de tratamento compreende: i) de 20 a 70% em peso de solvente orgânico não hidroxílico compreendendo um éter e/ou uma porção carbonila, ii) de 20 a 80% em peso de água, e iii) entre 0,5 e 100 g de ácido por kg de biomassa. Em que o tratamento produz uma pasta compreendendo celulose e um licor compreendendo lignina e xilose.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo solvente orgânico não hidroxílico compreender cetonas.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo solvente orgânico não hidroxílico ser acetona.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o líquido de tratamento é caracterizado por compreender: i) de 30 a 60% em peso de um solvente orgânico não hidroxílico compreendendo um éter e/ou uma porção de carbonila, ii) de 40 a 70% em peso de água, e iii) entre 5 e 75 g de ácido por kg de biomassa.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o líquido de tratamento é caracterizado por compreender uma razão em peso entre o(s) solvente(s) orgânico(s) e a água entre 40/60 e 65/35.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o líquido de tratamento é caracterizado por compreender entre 0,01% em peso e 2,0% em peso do ácido.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ácido ter um valor de pKa de 4,5 ou menos.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ácido ser ácido sulfúrico.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela biomassa lignocelulósica ser selecionada do grupo consistindo em biomassa herbácea, madeira macia, madeira dura, e combinações desses.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, em que a biomassa lignocelulósica é caracterizada por compreender biomassa herbácea.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, em que a biomassa lignocelulósica é caracterizada por ser uma biomassa herbácea e/ou madeira dura.

12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tratamento ser realizado utilizando uma razão entre líquido e sólido (L/S) abaixo de 12/1.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pela razão L/S ser abaixo de 8/1.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender, ainda, extração da biomassa com um líquido de extração em uma temperatura abaixo de 100 °C antes do tratamento com o líquido de tratamento, em que o líquido de extração compreende água e/ou um solvente orgânico.

15. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 14, em que o líquido de extração é caracterizado por compreender pelo menos 80% em peso de água.

16. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que o líquido de extração é caracterizado por compreender pelo menos 50% em peso de um solvente orgânico.

17. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo solvente orgânico ser selecionado de alcoóis C2-C4 e cetonas C3-C5.

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por prover uma polpa enriquecida com celulose que é submetida à hidrólise enzimática.

19. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pela hidrólise enzimática prover um hidrolisado que é submetido à fermentação.

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