BR112016014871B1 - Processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de biomassa celulósica - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA PRODUZIR AÇÚCARES FERMENTÁVEIS A PARTIR DE BIOMASSA CELULÓSICA. A presente invenção é capaz de produzir glicose e açúcares de hemicelulose a partir de biomassa lignocelulósica. Em algumas variações, um processo inclui opcionalmente a pré-cozedura de uma matéria-prima de biomassa; a extração da matéria-prima com água quente líquida para produzir sólidos ricos em glucano e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, os quais incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; a lavagem dos sólidos ricos em glucano; a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; separadamente, a hidrolisação do glucano por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em glucanos com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase, opcionalmente com a remoção da glicose in situ por microfiltração e/ou ultrafiltração; e a recuperação ou fermentação dos monômeros hemicelulósicos e da glicose. Configurações e condições preferidas são reveladas.

Description

DADOS DE PRIORIDADE

[001] Este pedido de patente internacional reivindica prioridade ao pedido de patente americano no US 14/583,566, depositado em 26 de dezembro de 2014, e pedido de patente provisório americano no US 61/921,087, depositado em 27 de dezembro de 2013, cada um dos quais é incorporado a este documento por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se, de maneira geral, a processos para recuperar açúcares fermentáveis a partir de biomassa lignocelulósica.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[003] Há um interesse mundial pela descoberta de substituições ou substitutos para petróleo e outros combustíveis fósseis. Por uma variedade de motivos, o etanol atualmente está sendo amplamente produzido comercialmente a partir de matérias-primas de alimentos, tais como milho, trigo e cana-de-açúcar. O etanol pode também ser produzido a partir de biomassa, a qual é considerada ser qualquer material orgânico de ocorrência natural contendo celulose.

[004] A biomassa contém celulose e hemicelulose, a qual pode ser convertida em açúcares C6, tal como glicose, e açúcares C5, tal como xilose. A estrutura destes materiais na biomassa pode ser considerada um longo fio de celulose cristalina envolto por uma camada de hemicelulose, com tanto a celulose quanto a hemicelulose envoltas por lignina. As hemiceluloses são polímeros geralmente lineares ou ramificados de açúcares C5, mas podem incluir outros compostos, tais como grupos acetila, que formam ácido acético em solução.

[005] Para o processamento de biomassa a açúcares fermentáveis, o pré-tratamento eficaz de biomassa é crítico para expor a celulose a hidrólise enzimática. Existem muitas tecnologias de pré-tratamento de biomassa. É típico que processos de pré-tratamento envolvam uma etapa mecânica inicial, na qual a biomassa é finamente triturada por uma combinação de lascamento, trituração e/ou moagem. Por exemplo, processos de explosão de vapor usam descompressão explosiva para reduzir significativamente o tamanho de partícula de biomassa grosseira, enquanto que outros processos de pré-tratamento comumente empregam uma etapa de moagem ou trituração secundária para reduzir ainda mais o tamanho de partícula da biomassa lascada. Hidrólise em ácido diluído é outro processo de pré-tratamento comum.

[006] Melhorias ainda são necessárias em processos de biomassa lignocelulósica, para produzir economicamente açúcares fermentáveis a partir da celulose e de frações de hemicelulose.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[007] A presente invenção aborda as necessidades acima mencionadas na técnica.

[008] Em algumas variações, a presente invenção provê um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) opcionalmente, a pré-cozedura da matéria-prima; (c) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose compreendendo glucano, em que a lavagem é realizada a um pH de lavagem selecionado dentre cerca de 3 a cerca de 7, e em que a lavagem remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose; (e) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (f) a hidrólise do glucano para glicose, separadamente da etapa (e) , por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase; e (g) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos monômeros hemicelulósicos e da glicose, separadamente ou em combinação.

[009] Em algumas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a cerca de 220 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 4 horas. Em certas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a cerca de 200 °C, ou de cerca de 170 °C a cerca de 185 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 30 minutos, ou de cerca de 10 minutos a cerca de 20 minutos.

[010] Em algumas realizações, a extração na etapa (c) emprega um catalisador ácido, o qual pode ser um ácido orgânico ou um ácido inorgânico. Por exemplo, o catalisador ácido pode ser ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, ou outro ácido orgânico. Em algumas realizações, o catalisador ácido é ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ou uma combinação destes.

[011] Os inibidores de hidrólise removidos durante a etapa (d) podem incluir, entre outros, um ou mais compostos selecionados do grupo que consiste em ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, furfural, hidroximetilfurfural, oligômeros de hemicelulose, e combinações, derivados ou produtos de degradação destes. A lavagem na etapa (d) gera um líquido de lavagem que pode ser combinado com o licor de extrato, ou processado ou purgado separadamente.

[012] Em algumas realizações, o pH de lavagem é selecionado dentre cerca de 5 a cerca de 6. Em certas realizações, o pH de lavagem é selecionado dentre cerca de 5,3 a cerca de 5,6. Em certas realizações preferidas, a etapa (d) emprega lavagem contracorrente.

[013] A etapa (g) pode incluir a fermentação da glicose a qualquer produto de fermentação. Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a fermentação dos monômeros de hemicelulose a qualquer produto de fermentação, o qual pode ser o mesmo ou diferente do produto de fermentação de glicose. Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a concentração da glicose e/ou dos monômeros hemicelulósicos por evaporação, filtração em membrana, ou outra operação adequada.

[014] Opcionalmente, o processo adicionalmente compreende a remoção de pelo menos uma porção da lignina, em forma dissolvida, do licor de extrato. Opcionalmente, o processo adicionalmente compreende a remoção de lignina, que está presente em forma suspensa, do licor de extrato.

[015] Outras variações da invenção proveem um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) opcionalmente, a pré-cozedura da matéria-prima; (c) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose lavado compreendendo glucano; (e) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (f) a hidrolisação do glucano a glicose por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase, em que a etapa (f) inclui a remoção da glicose in situpor microfiltração e/ou ultrafiltração; e (g) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos monômeros hemicelulósicos e da glicose, separadamente ou em combinação.

[016] Em algumas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a 220 °C, cerca de 160 °C a 200 °C, ou cerca de 170 °C a 185 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 4 horas, cerca de 3 a 30 minutos ou cerca de 10 a 20 minutos. Um catalisador ácido orgânico ou inorgânico pode ser utilizado para auxiliar na extração.

[017] Em algumas realizações, a lavagem na etapa (d) remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose e gera um líquido de lavagem que é combinado com o licor de extrato. Os inibidores de hidrólise podem incluir um ou mais compostos selecionados do grupo que consiste em ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, furfural, hidroximetilfurfural, oligômeros de hemicelulose, e combinações, derivados ou produtos de degradação destes. A lavagem pode ser realizada a um pH de lavagem selecionado dentre cerca de 3 a cerca de 7, ou cerca de 5 a cerca de 6 em certas realizações. A lavagem pode ser realizada em contracorrente.

[018] As etapas (e) e (f) podem ser realizadas separadamente ou em uma etapa ou unidade de processo combinada. Em algumas realizações, a microfiltração e/ou ultrafiltração gera um retentado que é retornado à etapa (f) para reciclar o catalisador ácido ou as enzimas que possuam atividade de glucanase.

[019] Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a fermentação da glicose e/ou fermentação dos monômeros hemicelulósicos. A etapa (g) pode incluir a concentração da glicose e/ou dos monômeros hemicelulósicos por evaporação, filtração em membrana, e/ou outra operação unitária. O processo pode adicionalmente incluir remoção e recuperação de lignina.

BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA

[020] A Figura 1 é um diagrama de blocos de fluxo do processo da invenção, em algumas realizações.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[021] A descrição permitirá que um técnico no assunto faça e utilize a invenção, e descreve diversas realizações, adaptações, variações, alternativas, e usos da invenção. Estas e outras realizações, características, e vantagens da presente invenção se tornarão mais aparente ao técnico no assunto quando tomadas em referência à seguinte descrição detalhada da invenção com quaisquer desenhos apensos.

[022] Conforme utilizado neste relatório descritivo e nas reivindicações apensas, as formas singulares “um”, “uma”, e “o(a)", incluem referentes plurais, a menos que o contexto claramente indicar o contrário. Salvo definição em contrário, todos os termos técnicos e científicos utilizados neste documento possuem o mesmo significado que o comumente entendido por um técnico no assunto ao qual esta invenção pertence. Todos os números de composição e intervalos baseados em porcentagens são porcentagens em peso, salvo indicação em contrário. Todos os intervalos de números ou condições se destinam a englobar qualquer valor específico contido dentro da faixa, arredondados a qualquer ponto decimal adequado.

[023] Salvo indicação em contrário, todos os números que exprimem condições de reação, estequiometrias, concentrações de componentes, e assim por diante, utilizados no relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Portanto, salvo indicação em contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos no seguinte relatório descritivo e reivindicações apensas são aproximações que podem variar dependendo pelo menos de uma técnica analítica específica.

[024] O termo “compreendendo”, o qual é sinônimo de “incluindo”, “contendo”, ou “caracterizado por” é inclusivo, ou aberto, e não exclui elementos não citados ou etapas de métodos adicionais. “Compreendendo” é um termo da técnica utilizado em linguagem de reivindicações, o qual significa que os elementos citados na reivindicação são essenciais, mas outros elementos de reivindicações podem ser adicionados e ainda formar um construto dentro do escopo da reivindicação.

[025] Conforme utilizado neste documento, a expressão “consistindo em” exclui qualquer elemento, etapa, ou ingrediente não especificados na reivindicação. Quando a expressão “consiste em” (ou suas variações ) aparecer em uma cláusula do corpo de uma reivindicação, em vez de imediatamente após o preâmbulo, ela limita apenas o elemento estabelecido nessa cláusula; outros elementos não são excluídos de uma reivindicação como um todo. Conforme utilizado neste documento, a expressão “consistindo essencialmente em” limita o escopo de uma reivindicação aos elementos ou etapas de métodos especificados(as), mais os que não afetam materialmente a base e a(s) característica(s) da matéria reivindicada.

[026] Em relação aos termos “compreendendo”, “consistindo em”, e “consistindo essencialmente em”, onde um destes três termos é utilizado neste documento, a presente matéria revelada e reivindicada pode incluir o uso de qualquer um dos dois outros termos. Assim, em algumas realizações não recitadas explicitamente de outra forma, qualquer instância de “compreendendo” pode ser substituída por “consistindo em” ou, alternativamente, por “consistindo essencialmente em”.

[027] Certas realizações exemplares da invenção serão agora descritas. Estas realizações não se destinam a limitar o escopo da invenção conforme reivindicada. A ordem das etapas pode ser variada, algumas etapas podem ser omitidas, e/ou outras etapas podem ser adicionadas. Referências neste documento à primeira etapa, segunda etapa, etc., são apenas para propósitos de ilustração.

[028] A matéria-prima de biomassa pode ser selecionada dentre árvores folhosas, resinosas, resíduos florestais, resíduos agrícolas (tal como bagaço ou palha de cana-de-açúcar), resíduos industriais, resíduos de consumidor, ou suas combinações .

[029] Em algumas variações, a presente invenção provê um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) opcionalmente, a pré-cozedura da matéria-prima; (c) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose compreendendo glucano, em que a lavagem é realizada a um pH de lavagem selecionado dentre cerca de 3 a cerca de 7, e em que a lavagem remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose; (e) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (f) a hidrólise do glucano para glicose, separadamente da etapa (e) , por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase; e (g) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos monômeros hemicelulósicos e da glicose, separadamente ou em combinação.

[030] Em algumas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a cerca de 220 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 4 horas. Em certas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a cerca de 200 °C, ou de cerca de 170 °C a cerca de 185 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 30 minutos, ou de cerca de 10 minutos a cerca de 20 minutos.

[031] Em algumas realizações, a extração na etapa (c) emprega um catalisador ácido, o qual pode ser um ácido orgânico ou um ácido inorgânico. Por exemplo, o catalisador ácido pode ser ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, ou outro ácido orgânico. Em algumas realizações, o catalisador ácido é ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ou uma combinação destes.

[032] Reatores conhecidos ou equipamentos relacionados podem ser empregados para a etapa de extração. O reator (ou o recipiente de extração) pode ser em lote ou contínuo, e pode ser um reator sob agitação, um reator de fluxo em pistão, ou um padrão de fluxo diferente. Uma pluralidade de reatores pode ser empregada.

[033] Os inibidores de hidrólise removidos durante a etapa (d) podem incluir, entre outros, um ou mais compostos selecionados do grupo que consiste em ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, furfural, hidroximetilfurfural, oligômeros de hemicelulose, e combinações, derivados ou produtos de degradação destes. A lavagem na etapa (d) gera um líquido de lavagem que pode ser combinado com o licor de extrato, ou processado ou purgado separadamente.

[034] Em algumas realizações, a remoção de pelo menos uma porção dos oligômeros de hemicelulose (por exemplo, oligômeros de xilose) permite uma ação mais eficaz e eficiente de enzimas glucanase sobre o glucano restante. Pode ser possível reduzir a severidade do pré-tratamento térmico (das condições de extração), resultando em um rendimento de xilose mais alto, e menos perda para furfural, quando a lavagem é realizada para remover oligômeros de hemicelulose.

[035] Em algumas realizações, o pH de lavagem é selecionado dentre cerca de 5 a cerca de 6, tais como cerca de 5,0, 5,1, 5,2, 5,3, 5,4, 5,5, 5,6, 5,7, 5,8, 5,9, ou 6,0. Em algumas realizações, o pH de lavagem é selecionado dentre cerca de 6 a cerca de 7, tais como cerca de 6,0, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, ou 7,0. Em certas realizações, o pH de lavagem é selecionado dentre cerca de 5,3 a cerca de 5,6, a qual é uma faixa de pH que pode ser prontamente alcançada com controle de processo. Preferivelmente, o pH de lavagem é selecionado de modo que a neutralização da biomassa ocorra durante a lavagem. O propósito da neutralização é trazer toda a partícula de biomassa, incluindo a estrutura de poros interna, a um pH que não afetará de maneira adversa a enzima, a qual ela encontrará na etapa de hidrólise posterior.

[036] O pH de lavagem pode variar durante a lavagem, à medida que os componentes entram na solução. Opcionalmente, um ou mais aditivos podem ser introduzidos para melhorar a eficiência de lavagem. Os aditivos podem ser componentes reciclados de operações a jusante.

[037] Em certas realizações preferidas, a etapa (d) emprega lavagem contracorrente. Uma lavagem contracorrente pode ser realizada para remover inibidores encontrados na fração de sólidos dissolvidos do material pré-tratado, tal como oligômeros de xilose. Um esquema contracorrente pode criar um fluxo rico em hemicelulose, e um fluxo rico em glucano, cada um dos quais pode ser hidrolisado separadamente com enzimas formuladas para a composição específica do fluxo. A eficiência da lavagem pode ser classificada ao medir a quantidade de sólidos dissolvidos restantes no material. O líquido de lavagem tipicamente conterá oligômeros e monômeros de hemicelulose, glicose e oligômeros de glicose (por exemplo, celobiose), ácido acético, e diversas espécies inferiores.

[038] Qualquer equipamento conhecido pode ser empregado para lavagem. Em algumas realizações, o aparelho de lavagem inclui um tanque de mistura de suspensão, seguido por uma prensa de rosca com capacidade de lavagem, seguida por um segundo tanque de mistura de suspensão, seguido por uma segunda prensa de rosca com capacidade de lavagem. A lavagem pode ser em lote, contínua, ou semicontínua.

[039] A etapa (f) para hidrolisar o glucano a glicose é preferivelmente realizada (em algumas realizações) separadamente da etapa (e) . Tipicamente, o fluxo rico em hemicelulose produzido por lavagem é, em grande parte, sólidos dissolvidos, com uma pequena quantidade de sólidos suspensos residuais. A hidrólise deste material rico em hemicelulose pode ser realizada, por exemplo, em um hidrolisador com pH controlado e temperatura controlada agitado, separado da hidrólise da fração rica em glucano de sólidos suspensos da lavagem. O isolamento e a hidrólise independente dos oligômeros hemicelulósicos ajudam na conversão dos oligômeros hemicelulósicos, bem como do fluxo de sólidos ricos em celulose. Os oligômeros hemicelulósicos podem ser convertidos de maneira mais eficiente pela aplicação de uma mistura de enzima formulada para a conversão de oligômeros de xilose (ou oligômeros de manose, por exemplo, no caso de árvores resinosas). A glucanase aplicada ao fluxo de sólidos ricos em celulose não é inibida pela presença de oligômeros hemicelulósicos.

[040] O fluxo rico em glucano produzido pelo sistema de lavagem é, em grande parte, sólidos suspensos, com uma pequena quantidade de sólidos dissolvidos residuais. A hidrólise deste material rico em glucano (isto é, o fluxo de sólidos ricos em celulose) pode ser realizada em um hidrolisador com pH controlado e temperatura controlada agitado, separado da hidrólise da fração de sólidos dissolvidos da lavagem. Conforme observado acima, o isolamento e a hidrólise independente dos oligômeros de hemicelulose permite uma melhor função da glucanase aplicada ao fluxo de sólidos ricos em celulose.

[041] Enquanto glucano é o polímero de açúcar predominante no fluxo de sólidos ricos em celulose fibroso, xilano ainda está geralmente presente. O fluxo de açúcar hidrolisado resultante é, então, uma mistura de glicose, oligômeros de glicose, monômeros de hemicelulose, e oligômeros de hemicelulose. Quando a matéria-prima inicial é árvore folhosa ou um resíduo agrícola, tal como bagaço ou palha de cana-de-açúcar, a hemicelulose é principalmente xilose/xilano. Quando a matéria-prima inicial é uma árvore resinosa, a hemicelulose inclui açúcares C6 significativos, tal como manose/manana.

[042] Em algumas realizações, sólidos suspensos residuais são separados (tal como com um decantador horizontal), re-suspensos em água de processo, e em seguida, recebem uma dose adicional de enzimas. O propósito desta segunda hidrólise é concluir a conversão de glucano ao manter uma concentração de glicose baixa o suficiente para que a inibição de glicose não seja encontrada (tal como menos de 55 g/L) .

[043] A etapa (g) pode incluir a fermentação da glicose a qualquer produto de fermentação. Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a fermentação dos monômeros de hemicelulose a qualquer produto de fermentação, o qual pode ser o mesmo ou diferente do produto de fermentação de glicose. Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a concentração da glicose e/ou dos monômeros hemicelulósicos por evaporação, filtração em membrana, ou outra operação adequada.

[044] Opcionalmente, o processo adicionalmente compreende a remoção de pelo menos uma porção da lignina, em forma dissolvida, do licor de extrato. Opcionalmente, o processo adicionalmente compreende a remoção de lignina, que está presente em forma suspensa, do licor de extrato.

[045] Outras variações da invenção proveem um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de biomassa celulósica, o processo compreendendo: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) opcionalmente, a pré-cozedura da matéria-prima; (c) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose lavado compreendendo glucano; (e) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (f) a hidrolisação do glucano a glicose por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase, em que a etapa (f) inclui a remoção da glicose in situpor microfiltração e/ou ultrafiltração e/ou outros meios de separação; e (g) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos monômeros hemicelulósicos e da glicose, separadamente ou em combinação.

[046] A remoção in situde glicose durante a etapa (f) , por microfiltração, ultrafiltração, ou outros meios, permite altas cargas de sólidos de glucano, uma vez que a inibição do produto é evitada ou reduzida. Na ausência de altas concentrações de oligômeros de hemicelulose (devido à etapa de lavagem), a glucanase permanece ativa, produzindo glicose por um tempo mais longo. Isto permite a possibilidade de executar um lote alimentado com uma carga de sólidos eficaz muito mais alta, quando a glicose é removida do hidrolisador para evitar a inibição de glicose, tal como por meio de remoção in situpor microfiltração e/ou ultrafiltração.

[047] Em algumas realizações, condições de extração eficazes incluem uma temperatura de extração selecionada dentre cerca de 160 °C a 220 °C, cerca de 160 °C a 200 °C, ou cerca de 170 °C a 185 °C, e um tempo de extração selecionado dentre cerca de 3 minutos a cerca de 4 horas, cerca de 3 a 30 minutos ou cerca de 10 a 20 minutos. Um catalisador ácido orgânico ou inorgânico pode ser utilizado para auxiliar na extração.

[048] Em algumas realizações, a lavagem na etapa (d) remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose e gera um líquido de lavagem que é combinado com o licor de extrato. Os inibidores de hidrólise podem incluir um ou mais compostos selecionados do grupo que consiste em ácido acético, ácido fórmico, ácido láctico, furfural, hidroximetilfurfural, oligômeros de hemicelulose, e combinações, derivados ou produtos de degradação destes. A lavagem pode ser realizada a um pH de lavagem selecionado dentre cerca de 3 a cerca de 7, ou cerca de 5 a cerca de 6 em certas realizações. A lavagem pode ser realizada em contracorrente.

[049] As etapas (e) e (f) podem ser realizadas separadamente ou em uma etapa ou unidade de processo combinada. Em algumas realizações, a microfiltração e/ou ultrafiltração gera um retentado que é retornado à etapa (f) para reciclar o catalisador ácido ou as enzimas que possuam atividade de glucanase.

[050] Em algumas realizações, a etapa (g) compreende a fermentação da glicose e/ou fermentação dos monômeros hemicelulósicos. A etapa (g) pode incluir a concentração da glicose e/ou dos monômeros hemicelulósicos por evaporação, filtração em membrana, e/ou outra operação unitária.

[051] O processo pode adicionalmente incluir remoção e recuperação de lignina. Preferivelmente, o processo inclui a geração de um bolo dos sólidos de lignina residuais no hidrolisado com um teor de sólidos totais maior que cerca de 25% em peso, 30% em peso, 35% em peso, 40% em peso, 45% em peso, 50% em peso ou mais. Altos níveis de sólidos viabilizam a combustão em uma caldeira de biomassa sem remoção de umidade adicional.

[052] Outras variações da invenção proveem um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-energia e/ou palha de cana-energia, o processo compreendendo: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-energia e/ou palha de cana-energia; (b) opcionalmente, a limpeza e/ou a pré-cozedura da matéria-prima; (c) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose lavado compreendendo glucano; (e) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (f) a hidrolisação do glucano a glicose por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase, em que a etapa (f) inclui a remoção da glicose in situpor microfiltração e/ou ultrafiltração; e (g) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos monômeros hemicelulósicos e da glicose, separadamente ou em combinação.

[053] Outras variações da invenção proveem um processo para produzir açúcares fermentáveis a partir de bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-energia e/ou palha de cana-energia, o processo compreendendo: (a) a limpeza de uma matéria-prima compreendendo bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, bagaço de cana-energia e/ou palha de cana-energia para remover areia, sujeiras, pequenas pedras, e detritos não celulósicos; (c) a pré-cozedura da matéria-prima; (d) a extração da matéria-prima com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (e) a lavagem dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose lavado compreendendo glucano; (f) a hidrólise dos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (g) a hidrolisação do glucano a glicose por meio do contato do fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase, em que a etapa (f) inclui a remoção da glicose in situpor microfiltração e/ou ultrafiltração; (h) a fermentação dos monômeros hemicelulósicos a etanol ou outro produto de fermentação; e (i) a fermentação da glicose a etanol ou outro produto de fermentação, o qual pode ser o mesmo produto ou um produto diferente do gerado na etapa (g).

[054] A Figura 1 é um diagrama de blocos de fluxo do processo e sistema da invenção, em algumas realizações. Na Figura 1, a biomassa celulósica é opcionalmente pré-cozida antes de alimentar uma unidade de extração por água quente. Esta unidade é configurada para extrair a biomassa (e/ou biomassa pré-cozida) com água quente líquida sob condições de extração eficazes para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, com oligômeros hemicelulósicos e lignina. Um catalisador de extração é opcional. Os sólidos são, em seguida, enviados a uma unidade de lavagem com pH controlado configurada para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose lavado compreendendo glucano. A lavagem é realizada a um pH de lavagem selecionado dentre cerca de 3 a cerca de 7, tal como cerca de 5 a cerca de 6. A lavagem remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose. Opcionalmente, o líquido de lavagem pode ser combinado com outro fluxo no processo, tal como a alimentação ao reator de hidrólise de hemicelulose (por exemplo, quando o líquido de lavagem contiver altas concentrações de oligômeros de xilose). Os sólidos ricos em glucano lavados são hidrolisados com um catalisador ácido ou de enzima (ou um catalisador básico) para produzir glicose em solução. Os oligômeros hemicelulósicos são hidrolisados a monômeros hemicelulósicos ao trazer o licor de extrato em contato com enzimas que possuam atividade de hemicelulase, ou com um catalisador ácido (ou básico).

[055] Em algumas realizações, o processo começa à medida que a biomassa é recebida ou reduzida a aproximadamente %” de espessura. Em uma primeira etapa do processo, a biomassa é alimentada a um recipiente de extração pressurizado operando continuamente ou em modo em lote. A biomassa pode ser pré-cozida ou lavada em água para remover sujeira e ar arrastado. A biomassa é imersa com licor aquoso ou vapor saturado e aquecida a uma temperatura entre cerca de 100 °C a cerca de 250°C, por exemplo, 150 °C, 160 °C, 170 °C, 180 °C, 190 °C, 200 °C, ou 210 °C. Preferivelmente, a biomassa é aquecida a cerca de 180 °C a 210 °C. A pressão no recipiente pressurizado pode ser ajustada para manter o licor aquoso como um líquido, um vapor, ou uma combinação destes. Pressões exemplares incluem cerca de 1 atm a cerca de 30 atm, tal como cerca de 3 atm, 5 atm, 10 atm ou 15 atm.

[056] O licor aquoso pode conter compostos acidificantes, tal como (entre outros) ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácido acético, ácido fórmico, ou ácido oxálico, ou suas combinações. A concentração de ácido diluído pode variar de 0,01% a 10%, conforme necessário, para melhorar a solubilidade de minerais específicos, como potássio, sódio, ou sílica. Preferivelmente, a concentração de ácido é selecionada dentre cerca de 0,01% a 4% em peso, tal como 0,1%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2%, 2,5%, 3%, ou 3,5%.

[057] O ácido para hidrólise de hemicelulose pode ser selecionado dentre ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ou dióxido de enxofre. Alternativamente, ou além disso, o ácido pode incluir ácido fórmico, ácido acético, ou ácido oxálico do licor de cozedura ou reciclado de hidrólises anteriores. Alternativamente, enzimas hemicelulase podem ser utilizadas para hidrólise de hemicelulose.

[058] Quando enzimas forem empregadas para a hidrólise de celulose, as enzimas são preferivelmente enzimas celulase. Enzimas podem ser introduzidas com a solução de lavagem, por exemplo, água, condensados reciclados, permeado reciclado, ou suas combinações . Alternativamente, ou além disso, a hidrólise enzimática pode ser realizada após a lavagem e remoção de hemiceluloses, minerais e outro material solúvel.

[059] Quando um ácido for empregado para a hidrólise de celulose, o ácido pode ser selecionado dentre ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácido fórmico, ácido acético, ácido oxálico, ou suas combinações. Hidrólise com ácido diluído é preferida, para evitar a degradação do açúcar. Ácidos podem ser introduzidos às lascas extraídas com a solução de lavagem, por exemplo, água, condensados reciclados, permeado reciclado, ou suas combinações. Alternativamente, ou além disso, a hidrólise ácida pode ser realizada após a lavagem e remoção de hemiceluloses, minerais e outro material solúvel.

[060] Uma etapa de processo pode incluir a secagem do material extraído a uma umidade final desejada. O calor necessário para secar pode ser derivado da parte em combustão da biomassa inicial. Alternativamente, ou além disso, o calor para secar pode ser provido por outros meios, tal como uma caldeira de gás natural ou outro combustível fóssil auxiliar, ou de uma fonte de calor de resíduos.

[061] Outra etapa de processo pode incluir o preparo dos sólidos residuais (com alto teor de lignina) para combustão. Esta etapa pode incluir refinação, moagem, fluidificação, compactação, e/ou pelotização do material seco. Os sólidos podem ser alimentados a uma caldeira na forma de pó fino, fibras soltas, granulados, briquetes, extrudados, ou qualquer outra forma adequada.

[062] Outra etapa de processo pode incluir a evaporação do hidrolisado para remover parte ou a maioria dos ácidos voláteis. A etapa de evaporação é preferivelmente realizada abaixo do pH de dissociação de ácido acético de 4,8, e mais preferivelmente, um pH selecionado dentre cerca de 1 a cerca de 2,5. Em algumas realizações, etapas de evaporação adicionais podem ser empregadas. Estas etapas de evaporação adicionais podem ser conduzidas em diferentes condições (por exemplo, temperatura, pressão e pH) .

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

[064] Em algumas realizações, uma parte ou todos os ácidos orgânicos evaporados podem ser reciclados, como vapor ou condensado, à primeira etapa (etapa de cozedura) e/ou terceira etapa (etapa de lavagem) para auxiliar na remoção de minerais da biomassa. Esta reciclagem de ácidos orgânicos, tal como ácido acético, pode ser otimizada com condições de processo que possam variar dependendo da quantidade reciclada, para melhorar a eficácia de cozedura e/ou lavagem.

[065] Algumas realizações da invenção permitem o processamento de “resíduos agrícolas”, o que, para os presentes propósitos, se destina a incluir biomassa lignocelulósica associada a culturas alimentares, gramíneas anuais, culturas energéticas, ou outras matérias-primas anualmente renováveis. Resíduos agrícolas exemplares incluem, entre outros, palhada de milho, fibra de milho, palha de trigo, bagaço de cana-de-açúcar, palha de arroz, palha de aveia, palha de cevada, Miscanthus, cana-energia, ou suas combinações. Em certas realizações, o resíduo agrícola é bagaço de cana-de-açúcar.

[066] Opcionalmente, uma parte ou todos os açúcares hemicelulósicos são combinados com a glicose, para formar um fluxo combinado de biomassa-açúcares. Em algumas realizações, os açúcares hemicelulósicos são recuperados separadamente da glicose. Em algumas realizações, açúcares de hemicelulose fermentáveis são recuperados da solução em forma purificada.

[067] Em algumas realizações, glicose e/ou açúcares de hemicelulose fermentáveis são fermentados para produzir bioquímicos ou biocombustíveis tais como (entre outros) etanol, 1-butanol, isobutanol, ácido acético, ácido láctico, ou quaisquer outros produtos de fermentação. Um produto de fermentação purificado pode ser produzido ao destilar o produto de fermentação, o que também gerará um fluxo de fundo de destilação contendo os sólidos residuais. Um estágio de evaporação de fundo pode ser utilizado, para produzir sólidos residuais.

[068] Uma parte, ou todos os sólidos residuais podem ser coqueimados com sólidos residuais de biomassa (por exemplo, lignina), se desejado. Alternativamente, ou além disso, o processo pode incluir a recuperação dos sólidos residuais como um coproduto de fermentação em forma sólida, líquida ou pastosa. O coproduto de fermentação pode ser utilizado como um fertilizante ou componente de fertilizante, uma vez que tipicamente será rico em potássio, nitrogênio e/ou fósforo.

[069] A publicação de pedido de patente americana no US 2011/0081689, de Flanegan et al., publicada em 7 de abril de 2011, é incorporada por referência a este documento. Algumas realizações da presente invenção podem opcionalmente incorporar etapas ou condições adicionais (tal como, entre outros, tratamentos mecânicos) que são reveladas na publicação de pedido de patente americana no US 2011/0081689.

[070] Nesta descrição detalhada, foi feita referência a múltiplas realizações da invenção e exemplos não limitativos referentes à como a invenção pode ser entendida e praticada. Outras realizações que não fornecem todas as características e vantagens estabelecidas neste documento podem ser utilizadas, sem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção. Esta invenção incorpora experimentação e otimização de rotina dos métodos e sistemas descritos neste documento. Tais modificações e variações são consideradas dentro do escopo da invenção definido pelas reivindicações.

[071] Todos(as) os(as) publicações, patentes e pedidos de patente citados neste relatório descritivo são incorporados a este documento por referência na íntegra, como se cada publicação, patente ou pedido de patente fosse especificamente e individualmente publicado(a) neste documento.

[072] Quando os métodos e as etapas descritos acima indicarem certos eventos ocorrendo em certa ordem, os técnicos no assunto reconhecerão que a ordem de certas etapas pode ser modificada, e que tais modificações estão de acordo com as variações da invenção. Além disso, certas etapas podem ser realizadas simultaneamente em um processo paralelo quando possível, bem como realizadas sequencialmente.

[073] Portanto, na medida em que existem variações da invenção, as quais estão dentro do espírito da revelação ou equivalente às invenções encontradas nas reivindicações apensas, a intenção é que esta patente cobrirá essas variações também. A presente invenção deve ser limitada apenas ao que é reivindicado.

Claims (10)

1. PROCESSO PARA PRODUZIR AÇÚCARES FERMENTÁVEIS A PARTIR DE BIOMASSA CELULÓSICA, sendo o dito processo caracterizado por compreender: (a) a provisão de uma matéria-prima compreendendo biomassa celulósica; (b) opcionalmente, a pré-cozedura da dita matéria- prima; (c) a extração da dita matéria-prima com água quente líquida e um catalizador ácido em temperatura selecionada entre 160 °C e 200 °C, e um tempo de extração selecionado entre 3 e 30 minutos para produzir sólidos ricos em celulose e um licor de extrato contendo sólidos dissolvidos, em que os ditos sólidos dissolvidos incluem oligômeros hemicelulósicos e lignina; (d) a lavagem contracorrente dos sólidos ricos em celulose para produzir um fluxo de sólidos ricos em celulose compreendendo glucanos, em que a lavagem é realizada a um pH de lavagem controlado e selecionado entre 5 a 7, e em que a lavagem remove inibidores de hidrólise dos sólidos ricos em celulose; (e) combinação do líquido de lavagem obtido na etapa (d) com o dito licor de extrato obtido na etapa (c); (f) a hidrólise dos ditos oligômeros hemicelulósicos a monômeros hemicelulósicos por meio do contato do dito licor de extrato com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de hemicelulase; (g) a hidrólise do dito glucano a glicose por meio do contato do dito fluxo de sólidos ricos em celulose com um catalisador ácido ou enzimas que possuam atividade de glucanase e remoção da dita glicose in situ por microfiltração e/ou ultrafiltração; (h) retorno do material retido na microfiltração e/ou ultrafiltração à etapa (g) para reciclar o dito catalisador ácido ou as ditas enzimas que possuam atividade de glucanase; (i) concentração da dita glicose e/ou dos ditos monômeros hemicelulósicos por evaporação; (j) a recuperação, fermentação e/ou processamento adicional de cada um dos ditos monômeros hemicelulósicos e da dita glicose, separadamente ou em combinação.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas ditas condições de extração eficazes incluírem uma temperatura de extração selecionada entre 170 °C e 185 °C, e um tempo de extração selecionado entre 10 e 20 minutos.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito catalisador ácido ser um ácido orgânico.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo dito ácido orgânico ser ácido acético.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito catalisador ácido ser um ácido inorgânico.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo ácido inorgânico ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre ou uma combinação destes.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo pH de lavagem poder ser selecionado entre 5 e 6.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas etapas (f) e (g) serem conduzidas separadamente.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a etapa (i) é caracterizada por compreender a fermentação da dita glicose e/ou fermentação dos ditos monômeros hemicelulósicos.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, sendo o dito processo adicionalmente caracterizado por compreender a remoção de pelo menos uma porção da dita lignina do dito licor de extrato.