BR112016021699B1

BR112016021699B1 - Método para processar uma matéria-prima celulósica em alta consistência

Info

Publication number: BR112016021699B1
Application number: BR112016021699-7A
Authority: BR
Inventors: Robert Griffin; Torbjorn van der Meulen; Harold NEUMANN; Robert Glenns
Original assignee: Iogen Energy Corporation
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2023-01-24
Also published as: US20180179704A1; US10179971B2; CA2941083C; CA2941083A1; BR112016021699A2; WO2015139141A1

Abstract

MÉTODO PARA PROCESSAR UMA MATÉRIA-PRIMA CELULÓSICA EM ALTA CONSISTÊNCIA É aqui fornecido um processo para produzir um álcool a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende: submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compre-ende bagaço, folhas, copas, ou qualquer combinação dos mesmos, à remo-ção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneira-ção, triagem, lavagem, separação ciclônica ou qualquer combinação dos mesmos. O bagaço, as folhas ou as copas, ou qualquer combinação dos mesmos, dos quais pelo menos uma porção da sílica foi removida, são tratados em um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar, em que o teor de sólidos não dissolvi-dos de uma pasta aquosa durante os ditos estágios de processamento alcança uma porcentagem ponderal de pelo menos 15%. Consequentemente, o açúcar é fermentado com levedura ou bactérias para produzir o álcool e o álcool é concentrado e recuperado.

Description

CAMPO

[0001] A presente revelação refere-se a um método para processar matéria-prima celulósica.

ANTECEDENTES

[0002] Existe um crescente interesse na produção de etanol combustível ou outros produtos de fermentação a partir de matérias-primas celulósicas. Uma matéria-prima particular de interesse é um material celulósico que permanece após o processamento de cana-de-açúcar. A porção insolúvel de cana-de- açúcar, que é conhecida como bagaço, tem um alto teor de polissacarídeo e poderia ser adequada para a conversão em etanol ou outros combustíveis ou produtos químicos. As folhas e as copas de cana-de-açúcar também podem servir como uma fonte de açúcar para a conversão em tais produtos.

[0003] Um processo proposto para produzir um produto de fermentação, como etanol, a partir de materiais celulósicos derivados de cana-de-açúcar é executar um pré-tratamento, seguido por hidrólise enzimática da celulose em glicose. O pré-tratamento geralmente quebra a estrutura de fibra da matéria-prima celulósica e aumenta a área superficial da matéria-prima para tornar a mesma acessível a enzimas celulase. O pré-tratamento pode ser realizado de modo que ocorra um alto grau de hidrólise do xilan e apenas uma pequena quantidade de conversão de celulose em glicose. A celulose é hidrolisada em glicose em uma etapa subsequente que usa enzimas celulase. Outros processos de pré- tratamento, como certos pré-tratamentos alcalino, não hidrolisam ou resultam em hidrólise de xilan limitada. Ademais, é possível hidrolisar xilan e celulose com o uso de tratamento químico mais severo, como hidrólise ácida concentrada.

[0004] Independentemente do método para produzir açúcar fermentável, a adição de água à matéria-prima de entrada para formar uma pasta aquosa é frequentemente executada para facilitar o transporte e o manuseio mecânico da matéria-prima celulósica. A pasta aquosa tipicamente consiste em pedaços ou partículas de matéria-prima celulósica em água a uma consistência de cerca de 1 a cerca de 10% em peso de sólidos secos não dissolvidos, visto que pastas aquosas de matéria-prima podem ser bombeadas com mais facilidade quando o teor de sólidos secos estiver dentro dessa faixa.

[0005] Entretanto, para que processos de conversão celulósica sejam mais econômicos, seria desejável que os mesmos operem em um teor inferior de água. O processamento de matéria-prima de baixo teor de água tem inúmeras vantagens em vários estágios do processo, em que uma é a redução no tamanho de equipamento que, por sua vez, reduz o custo de capital. Benefícios adicionais de baixo teor de água incluem consumo de energia reduzido, incluindo reduções em custos de bombeamento, de aquecimento, de resfriamento e de evaporação. Ademais, os custos de uso de água podem ser reduzidos, o que é especialmente vantajoso em climas áridos onde a água é extremamente valiosa.

[0006] Outro problema associado à conversão de matérias-primas lignocelulósicas em etanol e em outros produtos de fermentação é a presença de cinza na matéria-prima de entrada, que contém sais inorgânicos, sílica e outros componentes. A presença de cinza em matérias-primas lignocelulósicas, particularmente sais inorgânicos como sais de potássio, é conhecida por aumentar o consumo de produto químico devido ao seu efeito de tamponamento. Conhece-se a remoção de cinza de matérias-primas como palha de trigo por meio da lixiviação com uma solução aquosa antes do tratamento químico conforme descrito na Patente n- U.S. 7.901.511 (Griffin et al.). Embora a lixiviação possa reduzir a necessidade de produtos químicos, a mesma pode consumir quantidades significativas de água. Dessa forma, a cinza não é frequentemente removida de matérias-primas como palha de trigo antes do processamento devido ao custo associado à sua remoção.

SUMÁRIO

[0007] São aqui revelados processos para tratar matéria-prima celulósica, em particular, matérias-primas celulósicas derivadas de cana-de-açúcar.

[0008] De acordo com um primeiro aspecto, é fornecido um processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende: submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem separar pelo menos sílica da matéria-prima por diferenças de tamanho ou densidade; (ii) pré-tratar o bagaço, as folhas ou as copas, ou uma combinação dos mesmos, dos quais pelo menos uma porção da sílica foi removida sob pressão para produzir uma matéria-prima pré-tratada; (iii) despressurizar pelo menos parcialmente a matéria-prima pré-tratada, o que compreende passar a matéria-prima pré-tratada através de um orifício, produzindo, assim, uma matéria-prima pré-tratada despressurizada; (iv) hidrolisar a matéria-prima pré-tratada despressurizada com enzimas celulase para produzir glicose; e (v) fermentar a glicose para produzir o produto de fermentação.

[0009] De acordo com modalidades, o orifício pode ser formado no interior de uma válvula. A válvula pode ser uma válvula de sopro.

[0010] Em uma modalidade adicional, a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode ter pelo menos parcialmente água removida após a etapa (i) e antes da etapa de pré-tratamento. O pré-tratamento pode compreender a adição de um ácido.

[0011] Além da remoção de sílica, a etapa (i) pode compreender remover sal inorgânico, ferro e alumina da matéria-prima celulósica derivada de cana- de-açúcar.

[0012] De acordo com um aspecto adicional, é fornecido um processo para produzir um álcool a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de- açúcar que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneiração, triagem, lavagem, separação ciclônica ou qualquer combinação dos mesmos, removendo, assim, pelo menos sílica da mesma; (ii) tratar o bagaço, as folhas ou as copas, ou qualquer combinação dos mesmos, dos quais pelo menos uma porção da sílica foi removida, em um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar, em que o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa durante os ditos estágios de processamento alcança uma porcentagem ponderai de pelo menos 15%; (iii) fermentar o açúcar para produzir o álcool com levedura ou bactérias; e (iv) concentrar e recuperar o álcool.

[0013] De acordo com outro aspecto, é fornecido um processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneiração, triagem, lavagem, separação ciclônica ou qualquer combinação dos mesmos, removendo, assim, pelo menos sílica da mesma; (ii) tratar o bagaço, as folhas ou as copas, ou qualquer combinação dos mesmos, dos quais pelo menos uma porção da sílica foi removida, em um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar, em que o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa durante os ditos estágios de processamento está entre 12 e 35 por cento em peso; (iii) fermentar o açúcar formando o produto de fermentação com levedura ou bactérias; e (iv) recuperar o produto de fermentação. De acordo com várias modalidades, o um ou mais estágios de processamento podem compreender equipamento de processo de alta consistência que compreende um dispositivo de remoção de água. O dispositivo de remoção de água pode ser uma prensa helicoidal ou rosca de tampão.

[0014] O um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar fermentável podem compreender pré-tratamento. A sílica pode ser removida a montante de pré-tratamento.

[0015] O bagaço, as folhas, as copas ou qualquer combinação dos mesmos, podem ter um teor de cinzas entre 0,5% em peso e cerca de 18% em peso. O teor de cinzas pode ser entre 5% em peso e 18% em peso.

[0016] O bagaço, as folhas, as copas ou qualquer combinação dos mesmos podem ser submetidos à peneiração a seco. Opcionalmente, o bagaço, as folhas, as copas ou qualquer combinação dos mesmos podem ser secos antes da peneiração a seco.

[0017] Em uma modalidade adicional, o bagaço, as folhas, as copas ou qualquer combinação dos mesmos podem ser submetidos a processamento a úmido que compreende remover sílica mediante sedimentação ou por meio do uso de pelo menos um hidrociclone.

[0018] De acordo com uma modalidade adicional, pelo menos 20 por cento em peso da sílica do bagaço, das copas, das folhas ou de qualquer combinação dos mesmos pode ser removido antes da etapa de tratamento (p/p).

[0019] Em uma modalidade adicional, pelo menos 40 por cento em peso da sílica do bagaço, das copas, das folhas ou de qualquer combinação dos mesmos pode ser removido antes da etapa de tratamento.

[0020] De acordo com uma modalidade adicional, o um ou mais estágios de processamento compreendem imergir o bagaço, as copas, as folhas ou qualquer combinação dos mesmos em uma solução aquosa.

[0021] A solução aquosa pode compreender um produto químico de pré- tratamento.

[0022] Em modalidades adicionais, o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa durante os estágios de processamento pode alcançar uma porcentagem ponderai de pelo menos 20% (p/p).

[0023] Em modalidades adicionais, o um ou mais estágios de processamento podem compreender uma etapa de pré-tratamento para produzir matéria-prima pré-tratada e a hidrólise de celulose contida na matéria- prima pré-tratada com enzimas celulase para produzir o açúcar.

[0024] De acordo com um aspecto adicional, é fornecido um processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneiração, triagem, lavagem, separação ciclônica ou qualquer combinação dos mesmos, removendo, assim, pelo menos sílica da mesma; (ii) tratar o bagaço, as folhas ou as copas, ou qualquer combinação dos mesmos, dos quais pelo menos uma porção da sílica foi removida, em um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar, em que o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa alimentada para ou formada durante os ditos um ou mais estágios de processamento alcança uma porcentagem ponderai de pelo menos 15%, e os estágios de processamento compreendem alimentar, com uma corrente de processo, o equipamento suscetível à erosão por sílica da matéria-prima derivada de cana-de-açúcar, em que o equipamento é selecionado a partir de um dispositivo de remoção de água, uma câmara de aquecimento, uma válvula ou uma combinação dos mesmos; e (iii) fermentar o açúcar para produzir o produto de fermentação.

[0025] De acordo com uma modalidade, o equipamento pode ser um dispositivo de remoção de água, como um alimentador de rosca de tampão e uma prensa helicoidal. De acordo com uma modalidade adicional, o equipamento pode ser um dispositivo de mistura de vapor. Em outra modalidade, o equipamento pode ser uma válvula de sopro.

[0026] De acordo com um aspecto adicional, é fornecido um processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneiração, triagem, lavagem, separação ciclônica ou uma combinação dos mesmos, removendo, assim, pelo menos sílica dos mesmos; (ii) produzir uma pasta aquosa da matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar antes, após ou durante a etapa (i); (iii) remover água da pasta aquosa com pelo menos um dispositivo de remoção de água para produzir um material com água pelo menos parcialmente removida; (iv) pré-tratar o material com água removida, a partir do qual pelo menos uma porção da sílica foi removida na etapa (i) sob pressão para produzir uma matéria-prima pré-tratada; (iii) despressurizar pelo menos parcialmente a matéria-prima pré-tratada que compreende passar a matéria-prima pré-tratada através de um orifício, produzindo, assim, uma matéria-prima pré-tratada despressurizada; (iv) hidrolisar a matéria-prima pré-tratada despressurizada com enzimas celulase para produzir glicose; e (v) fermentar a glicose para produzir o produto de fermentação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0027] A Figura 1 é um sistema de pré-tratamento no qual o material celulósico derivado de cana-de-açúcar pode ser pré-tratado após a remoção de sílica.

[0028] A Figura 2 mostra a perda de material de anel retentor de sede (g/kg) de uma válvula de sopro como uma função do tempo (hora) em serviço para bagaço cana-de-açúcar conforme recebido, bagaço peneirado e palha de trigo.

[0029] A Figura 3A mostra o volume (%) versus tamanho de partícula (μm) de sílica de bagaço antes (linha sólido) e após (linha tracejada) o tratamento ultrassónico.

[0030] A Figura 3B mostra o volume (%) versus tamanho de partícula (μm) de sílica de palha de trigo antes (linha sólido) e após (linha tracejada) o tratamento ultrassónico.

[0031] A Figura 4A é uma fotografia de microscópio óptico de sílica de bagaço de cana-de-açúcar.

[0032] A Figura 4B é uma fotografia de microscópio óptico de sílica de palha de trigo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0033] As rubricas fornecidas não se destinam a limitar as várias modalidades aqui descritas. Termos como "compreende", "que compreende", "compreendem", "inclui", "que inclui" e "incluem" não se destinam a serem limitadores. Além disso, o uso do singular inclui o plural e "ou" significa "e/ou" exceto onde especificado em contrário. A menos que definido de outro modo no presente documento, todos os termos técnicos e científicos usados na presente invenção têm o mesmo significado, conforme comumente compreendido pelo versado na técnica.

[0034] Conforme mencionado, bagaço, copas, folhas de cana-de-açúcar, ou qualquer combinação desses materiais, são atualmente de interesse para a produção de biocombustível de segunda geração. Entretanto, correntes de processo derivadas desses materiais são frequentemente difíceis de serem manuseadas. Modalidades são baseadas no reconhecimento que a erosão em equipamento de processo é particularmente problemática, como o equipamento usado durante a operação em alta consistência, com matérias-primas celulósicas derivadas de cana-de-açúcar devido ao alto nível de sílica introduzida no processo proveniente da matéria-prima de entrada. O dano por erosão ao equipamento exposto às correntes de processo com altos níveis de sílica pode ser de alto custo visto que necessita reparo frequente, substituição de alto custo de equipamento ou tempo de inatividade.

[0035] Ademais, constatou-se que as características do componente de sílica de cinza na matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar variam consideravelmente daquela sílica presente em outras matérias-primas celulósicas como palha de trigo. Conforme aqui descrito, essas diferenças podem contribuir para o desgaste aumentado no equipamento observado durante o uso de material celulósico derivado de cana-de-açúcar como uma matéria-prima. Um exemplo de tal equipamento propenso ao dano por erosão é um dispositivo de remoção de água, uma câmara de aquecimento, uma bomba ou uma válvula. O dispositivo de remoção de água pode incluir um alimentador de rosca de tampão ou uma prensa helicoidal pressurizada. A câmara de aquecimento pode incluir um misturador de vapor. Bombas que são propensas à erosão incluem bombas de deslocamento positivo, como bombas de cavidade progressiva e bombas centrífugas. A válvula pode ser um dispositivo através do qual a matéria-prima passa após ter sido pré- tratada, como uma válvula de sopro.

[0036] As modalidades reveladas envolvem remover pelo menos sílica antes do processamento de bagaço, folhas e/ou copas de cana-de-açúcar. A remoção de pelo menos sílica de tal matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode reduzir a erosão no equipamento durante o processamento de material contendo essa matéria-prima ou matéria-prima derivada da mesma. Mediante a remoção de sílica em um estágio a montante do processo, com máxima vantagem antes do pré-tratamento, o dano por erosão pode ser reduzido, resultando, assim, em economia significativa em custos operacionais e de capital.

Matéria-prima

[0037] O material de partida para uso no processo é matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, copas, folhas ou qualquer combinação dos mesmos. O bagaço é o material que permanece após a prensagem de caules de cana-de-açúcar para obter caldo de cana-de- açúcar. Folhas de cana-de-açúcar incluem qualquer folha verde e/ou folha seca de uma planta de cana-de-açúcar. As copas podem incluir a parte da planta de cana entre a extremidade de copa e o último nó de caule. As copas e/ou folhas da cana-de-açúcar podem ser separadas do caule de cana-de-açúcar em um moedor de cana-de-açúcar ou nos campos em que as plantas são cultivadas.

[0038] A matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que inclui bagaço, folhas e/ou copas pode compreender celulose, hemicelulose e lignina em uma quantidade maior que cerca de 20%, com mais preferência, maior que cerca de 30%, com mais preferência, maior que cerca de 40% (p/p). Por exemplo, o bagaço, as folhas ou as copas podem compreender cerca de 15% a cerca de 50% (p/p) de celulose, ou qualquer quantidade dentro desse intervalo. Tais matérias-primas compreendem hemicelulose, incluindo xilan, arabinana, manana e galactano. Ademais, a matéria-prima pode compreender lignina em uma quantidade maior que cerca de 10%, mais tipicamente, em uma quantidade maior que cerca de 15% (p/p).

[0039] A matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode conter mais que 0,5% em peso de cinza (p/p), ou mais tipicamente, maior que 1% em peso, 3% em peso ou 5% em peso de cinza (p/p). A cinza inclui, mas não se limita a, areia de sílica, também chamada aqui de "sílica", sais de potássio, cálcio e sódio. Ferro e alumina também podem estar presentes na cinza. Os sais podem existir como carbonato, fosfato, cloreto ou outras formas de sal comuns. Magnésio e outros minerais também podem estar presentes dependendo da fonte da matéria-prima. Em algumas modalidades, o teor de cinzas da matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar é entre cerca de 0,5% em peso e cerca de 18% em peso, entre cerca de 3% em peso e cerca de 18% em peso, ou entre cerca de 5% em peso e cerca de 18% em peso. O teor de cinzas é determinado de acordo com o Exemplo 1.

[0040] Opcionalmente, a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar é submetida à redução de tamanho por meio de métodos incluindo, mas não se limitando a, moagem, trituração, agitação, retalhamento, compressão/expansão, ou outros tipos de ação mecânica. A matéria-prima pode ter partículas com um comprimento de cerca de 0,159 a cerca de 20 cm, 0,159 a 13 cm (cerca de 1/16 a cerca de 8 polegadas, 1/16 a 5 polegadas), ou qualquer quantidade dentre dessas faixas. Entretanto, deve-se compreender que a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar não precisa ser submetida à redução de tamanho.

Remoção de sílica

[0041] As modalidades compreendem submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas e/ou copas para um processo de remoção de sílica. Deve-se observar que pelo menos uma porção da sílica é removida da matéria-prima derivada de cana-de-açúcar. Por exemplo, pelo menos 50% em peso da sílica (p/p) pode ser removido da matéria-prima nativa. Adicionalmente, um processo de remoção de sílica pode adicionalmente remover outros componentes de cinza na matéria-prima incluindo, mas não se limitando a, sais inorgânicos, ferro e/ou alumina. A remoção de sílica pode incluir métodos de processamento a seco ou a úmido.

[0042] Em um processo a seco, a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode ser submetida à peneiração e/ou à triagem por meio de técnicas conhecidas. Processos de triagem ou peneiração a seco não incluem a adição de líquido. Antes da peneiração ou da triagem, a matéria-prima pode ser seca, visto que isso pode aprimorar a remoção de sílica.

[0043] O processamento a úmido pode incluir a adição de água. O processamento a úmido pode envolver o uso de um ou mais separadores ciclônicos. O processamento a úmido pode, alternativa ou adicionalmente, depender da sedimentação de pelo menos sílica em um ou mais recipientes. Isso pode incluir o uso de um tanque para permitir que pelo menos sílica sedimente da matéria-prima, opcionalmente combinado com um ou mais estágios de lavagem a montante da sedimentação. Um exemplo não limitador de uma técnica de processamento a úmido envolve o uso de um recipiente para remover partículas pesadas mediante a sedimentação e a separação ciclônica para remover partículas mais finas. Um exemplo adicional inclui o uso de tanques agitados que têm formato cônico.

[0044] Os processo para a remoção de sílica também podem se distinguir de acordo com diferenças nas propriedades físicas entre a sílica e a matéria- prima para efetuar a separação. Ou seja, os processos podem se distinguir por uma separação baseada em diferenças de tamanho entre a sílica e a matéria- prima derivada de cana-de-açúcar ou diferenças na densidade. Processos de separação baseados na separação por tamanho incluem peneiração ou triagem, enquanto processos de separação baseados em densidade incluem, sem limitação, sedimentação e separação ciclônica.

[0045] O nível de cinza removida do bagaço, das folhas e/ou das copas de cana-de-açúcar pode ser pelo menos 30% em peso, pelo menos 40% em peso, pelo menos 50% em peso, pelo menos 60% em peso ou pelo menos 70% em peso em relação à matéria-prima de entrada (p/p).

Produção de açúcar em alta consistência

[0046] Após a remoção de sílica, a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode ser submetida a um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar. Os estágios de processamento podem ser conduzidos a uma consistência entre 12 e 35% em peso, 14 e 30% em peso ou qualquer faixa entre esses intervalos. De acordo com certas modalidades, o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa durante os ditos estágios de processamento alcança uma porcentagem ponderai de pelo menos 15, 18, 20, 22, 24, 26, 28 ou 30% em peso.

[0047] A consistência de uma pasta aquosa ou de uma corrente de processo é medida como o teor de sólidos não dissolvidos ("UDS") conforme apresentado no Exemplo 2.

[0048] Uma variedade de estágios de processamento pode ser executada para produzir açúcar a partir do bagaço, das folhas e/ou das copas em alta consistência. Tal processamento pode incluir pré-tratar a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar para quebrar a estrutura de fibra e para aprimorar a acessibilidade de celulose a uma hidrólise enzimática subsequente que hidrolisa celulose em glicose. Exemplos desses estágios de processamento são descritos, por sua vez, abaixo.

(a) Processamento antes do pré-tratamento

[0049] Os estágios de processamento podem incluir uma ou mais etapas executadas para preparar a matéria-prima celulósica derivada de cana-de- açúcar para o pré-tratamento. Exemplos de tais etapas incluem (i) tratamento térmico, (ii) tratamento químico, como intumescimento ou imersão, ou uma combinação dos mesmos.

[0050] O tratamento térmico pode incluir o uso de calor para tratar a matéria-prima a uma temperatura acima de 80°C. Isso pode envolver uma etapa de vaporização ou uma etapa de imersão com a aplicação de calor. A matéria-prima pode ser aquecida com vapor com o uso de dispositivos de mistura comercialmente disponíveis projetados para introduzir vapor e, opcionalmente, produto químico através de bocais de aspersão.

[0051] A matéria-prima pode ser imersa em uma solução aquosa que inclui água, ou uma solução que compreende produto químico de pré-tratamento. Um benefício da imersão da matéria-prima antes do pré-tratamento com uma solução que compreende produto químico de pré-tratamento é que isso pode assegurar a impregnação uniforme da matéria-prima com o produto químico de pré-tratamento que, por sua vez, ajuda a alcançar o cozimento uniforme no pré-tratamento subsequente. A impregnação uniforme assegura que parte da matéria-prima não seja cozida em excesso e degradada devido à alta concentração localizada do produto químico de pré-tratamento, enquanto outra matéria-prima não é mal cozida, resultando em campo com baixo teor de xilose e dificultar a hidrólise de celulose. O mau cozimento ou o cozimento em excesso de matéria-prima celulósica pode ser particularmente problemático quando o pré-tratamento é conduzido sob consistência média ou alta de sólidos devido à não uniformidade da concentração do produto químico de pré- tratamento e à temperatura são mais evidentes.

[0052] A fim de alcançar as consistências-alvo apresentadas anteriormente, o processo pode compreender um ou mais etapas de remoção de água de uma pasta aquosa de matéria-prima antes do pré-tratamento, embora seja possível eliminar a remoção de água se o teor de sólidos de matéria-prima já estiver dentro da faixa-alvo. A remoção de água pode aumentar a consistência da pasta aquosa de matéria-prima para acima de 15% em peso, 18% em peso, 20% em peso, 22% em peso, 24% em peso, 26% em peso, 28%, 30% em peso, 32% em peso, 34% em peso ou 36% em peso. Exemplos de faixas incluem 15 a 36% em peso de sólidos não dissolvidos ou 18 a 32% em peso de sólidos não dissolvidos. A remoção de água pode envolver a remoção de água sob pressão da matéria-prima, ou à pressão atmosférica, conforme discutido abaixo.

[0053] Um método para reduzir o teor de água é remover água de uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar para formar um tampão compactado de material antes de excetuar o pré-tratamento em um reator a jusante (consulte o documento WO 2010/022511, que está aqui incorporado por referência). Tampões de matéria-prima podem ser produzidos por meio de vários dispositivos, como alimentadores de rosca de tampão, prensas de rosca pressurizadas, alimentadoras de rosca de pistão coaxial ou dispositivos de rosca modular.

[0054] Durante a produção de um tampão de material, o teor de água da matéria-prima é reduzido de modo que o teor de sólidos seja alto o suficiente para que ocorra a formação de tampão. A remoção de água pode ocorrer em um próprio dispositivo de formação de tampão ou a remoção de água e a formação de tampão podem ser executadas em peças separadas de equipamento. Existe uma variedade de dispositivos conhecidos que podem ser utilizados para remover água da matéria-prima antes da formação de tampão. Exemplos incluem drenos, dispositivos de filtração, peneiras, prensas de rosca, extrusoras ou uma combinação dos mesmos.

[0055] Sem limitação, um dispositivo de formação de tampão que incorpora uma seção de remoção de água para uso nas modalidades apresentadas pode ser uma prensa helicoidal pressurizada ou um alimentador de rosca de tampão, conforme descrito no documento WO 2010/022511, que está aqui incorporado por referência. Água extraída da matéria-prima pela etapa de remoção de água pode ser reutilizada no processo, como para formação e pasta aquosa e/ou imersão da matéria-prima de entrada.

[0056] Se a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar for submetida à remoção de água sob pressão, o aumento de pressão pode ser ocasionado por uma ou mais bombas de alta pressão. A bomba ou outro dispositivo de alimentação aumenta a pressão da matéria-prima antes da remoção de água. Alternativamente, a matéria-prima submetida à remoção de água pode ser à pressão atmosférica ou a uma pressão abaixo de cerca de 0,31 MPa (45 psia).

[0057] Pode haver uma etapa opcional de pré-drenagem da matéria-prima a fim de remover por drenagem solução aquosa da pasta aquosa de matéria- prima à pressão atmosférica ou maior. Essa pasta aquosa de matéria-prima pré-drenada pode ser, então, submetida à remoção de água adicional.

[0058] O tampão de matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar pode ter um teor de sólidos secos não dissolvidos entre cerca de 20 e 50% em peso, entre cerca de 20 e 40% em peso ou entre 20 e 35% em peso. Conforme discutido, mediante a remoção da totalidade, ou de uma porção, da sílica da matéria-prima, o equipamento de processo pode ser menos propenso à erosão, o que é particularmente problemático em altas consistências.

[0059] Após a formação de tampão, o tampão de matéria-prima celulósica, ou segmentos do mesmo, pode ser desagregadas formando partículas e aquecida com vapor com o uso de um dispositivo conforme apresentado na Publicação copendente e cedida à mesma cessionária n2 U.S. 2013/0071903.

(b) Pré-tratamento

[0060] Após as etapas de tratamento para aumentar a consistência de matéria-prima, a matéria-prima pode ser submetida a pré-tratamento. O pré- tratamento é operada em uma faixa de teor de sólidos não dissolvidos entre 12% em peso e 35% em peso, ou qualquer faixa entre esse intervalo.

[0061] O pré-tratamento pode ser com calor, processamento mecânico, adição de um ou mais produtos químicos, biocatalisadores, ou combinações dos mesmos. Após o pré-tratamento, entre 30 e 100% em peso do xilan pode ser hidrolisado, embora possa haver hidrólise de xilan limitada durante alguns pré-tratamentos. Após o pré-tratamento, entre 10 e 100% em peso da lignina pode permanecer insolúvel. Exemplos não limitadores de pré-tratamento incluem pré-tratamento ácido, pré-tratamento alcalino e pré-tratamento hidrotérmico, cada dos quais será discutido, por sua vez, abaixo. Um pré- tratamento ácido pode ser executado a uma temperatura máxima de cerca de 120°C a cerca de 280°C. O tempo no qual a matéria-prima é mantida a essa temperatura pode ser de cerca de 6 segundos a cerca de 2 horas. O pré- tratamento ácido produz uma composição que compreende uma matéria-prima pré-tratada ácida. Açúcares produzidos pela hidrólise de hemicelulose durante o pré-tratamento ácido estão geralmente presentes na composição e podem incluir xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação dos mesmos. Ácidos orgânicos também podem estar presentes na composição e podem incluir ácido acético, ácido galacturônico, ácido fórmico, ácido lático, ácido glicurônico ou uma combinação dos mesmos. Muitas matérias-primas celulósicas contêm hemicelulose com grupos acetila fixados ao xilan. Processos de pré-tratamento liberam ácido acético dos grupos acetila.

[0062] Exemplos de processos de pré-tratamento alcalino adequados incluem pré-tratamento de expansão de fibra de amónia (AFEX) ou de amónia diluída. De acordo com o processo de AFEX, a biomassa celulósica é colocada em contato com amónia ou hidróxido de amónio, que é tipicamente concentrado em um recipiente de pressão. O contato é mantido por tempo suficiente para permitir que a amónia ou o hidróxido de amónio intumesça as fibras de celulose. A pressão é, então, rapidamente reduzida, o que permite que a amónia vaporize rapidamente ou entre em ebulição e exploda a estrutura de fibra de celulose. A amónia rapidamente vaporizada pode ser, então, recuperada de acordo com processos conhecidos. O processo de AFEX pode ser executado a cerca de 20°C a cerca de 150°C ou a cerca de 20°C a cerca de 100°C e todas as temperaturas entre essas faixas. A duração desse pré-tratamento pode ser de cerca de 1 minuto a cerca de 20 minutos, ou qualquer tempo entre essa faixa.

[0063] O pré-tratamento de diluição diluída utiliza mais soluções diluídas de amónia ou hidróxido de amónio do que AFEX. Tal processo de pré-tratamento pode, ou não, produzir qualquer monossacarídeo. O pré-tratamento de amónia diluída pode ser conduzido a uma temperatura de cerca de 100 a cerca de 150°C ou qualquer temperatura entre essa faixa. A duração de tal pré-tratamento pode ser de cerca de 1 minuto a cerca de 20 minutos, ou qualquer tempo entre essa faixa.

[0064] Um pré-tratamento hidrotérmico pode ser executado sem a adição de produto químico de pré-tratamento, com a aplicação de calor. Um exemplo de uma temperatura adequada para o pré-tratamento hidrotérmico é entre cerca de 80°C e cerca de 260°C, ou entre cerca de 100°C e cerca de 210°C. Sem limitação, o equipamento que pode ser usado para executar o pré- tratamento hidrotérmico é uma extrusora.

[0065] Vários tipos de reatores podem ser usados para pré-tratar a matéria- prima incluindo dois ou mais reatores, dispostos em série ou em paralelo. De acordo com uma modalidade, o reator é um reator vertical, que pode ser um reator vertical de fluxo ascendente ou de fluxo descendente. Em outra modalidade, o reator é um reator horizontal ou inclinado. O reator pode ser equipado com um mecanismo interno, como uma rosca, uma transportadora, um raspador ou mecanismo similar, para transportar a matéria-prima lignocelulósica através do mesmo e/ou para auxiliar na descarga do reator.

[0066] Produtos químicos para pré-tratar a matéria-prima podem ser adicionados à matéria-prima durante um processo de imersão executado antes da remoção de água, antes da formação de tampão, à câmara de aquecimento, à formação de tampão dispositivo, ao reator, ou uma combinação dos mesmos.

[0067] A pressão no reator pode estar entre cerca de 0,6 MPa e cerca de 407 MPa (cerca de 90 psia e cerca de 680 psia) e qualquer pressão entre essa faixa ou entre 0,7 MPa e 4,5 MPa (100 psia e 650 psia). A pressão da matéria-prima pressurizada pré-tratada pode ser, então, reduzida em um ou mais estágios. Em uma modalidade, a despressurização envolve passar a matéria-prima pré-tratada pressurizada através de um orifício. O orifício pode ter entre 2,5 e 20 cm (entre 1 e 8 polegadas) de diâmetro ou entre 3,8 e 18 cm (entre 1,5 e 7 polegadas) de diâmetro. Conforme apresentado nos exemplos, a passagem de uma pasta aquosa de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar pressurizada através de um orifício, como um orifício formado em uma válvula, em alta velocidade, pode ocasionar erosão devido à presença de sílica na matéria-prima derivada de cana-de-açúcar. Constatou-se que o dano por erosão proveniente da sílica encontrada no bagaço de cana-de-açúcar é mais erosivo do que a sílica proveniente da palha de trigo. Dessa forma, a remoção de sílica de bagaço de cana-de-açúcar a montante da despressurização pode reduzir o desgaste de equipamento e aumentar o tempo de inatividade associado à substituição de equipamento desgastado.

(c) Hidrólise enzimátíca

[0068] A matéria-prima pré-tratada contém celulose, que pode ser submetida à hidrólise de celulose com enzimas celulase. Os termos "enzimas celulase", "celulase" ou "enzimas" significam enzimas que catalisam a hidrólise de celulose em produtos como glicose, celobiose e outros celo-oligossacarídeos. Celulase é um termo genérico que denota uma mistura de múltiplas enzimas que compreende exo-celobiohidrolases (CBH), endoglucanases (EG) e β- glucosidases (βG) que podem ser produzidas por meio de inúmeras plantas e micro-organismos. O processo das modalidades reveladas pode ser executado com qualquer tipo de enzimas celulase, independente de sua fonte.

[0069] Opcionalmente, antes da hidrólise enzimátíca, os açúcares provenientes de pré-tratamento são separados de componentes de matéria-prima não hidrolisada na pasta aquosa de matéria-prima pré-tratada. Processos para executar a separação incluem, mas não se limitam a, filtração, centrifugação, lavagem ou outros processos conhecidos para remover sólidos de fibra ou sólidos suspensos. A corrente de açúcar aquoso pode ser, então, concentrada, por exemplo, por meio de evaporação, com membranas, ou similares. Qualquer sólido-traço é tipicamente removido por meio de microfiltração.

[0070] Em uma modalidade, a corrente de açúcar aquoso separado dos sólidos de fibra é fermentada para produzir um álcool por meio de uma levedura ou bactéria. O álcool pode ser etanol ou butanol ou um álcool de açúcar selecionado a partir de xilitol, arbitol, eritritol, manitol e galactitol. De preferência, o álcool de açúcar é xilitol.

[0071] Uma temperatura na faixa range de cerca de 45°C a cerca de 55°C, ou qualquer temperatura dentro desse intervalo, pode ser adequada para a maior parte das enzimas celulase, embora a temperatura possa ser maior para enzimas celulase termofílicas. Uma dosagem adequada de celulase pode ser de cerca de 1,0 a cerca de 40,0 mg de proteína por grama de celulose, ou qualquer quantidade dentro desse intervalo. A concentração de proteína pode ser medida de acordo com Smith et al., 1985, Anal Biochem. 150(1 ):76 a 85; que está aqui incorporado por referência. Uma dosagem de celulase preferencial é de cerca de 1 a 15 mg por grama de celulose.

[0072] A hidrólise enzimática da celulose pode ser executada por cerca de 24 horas a cerca de 250 horas, ou qualquer período de tempo dentro desse intervalo, dependendo do grau de conversão desejado. A pasta aquosa produzida dessa forma pode ser uma solução aquosa que compreende glicose, xilose, outros açúcares, lignina e outros sólidos suspensos não convertidos.

Fermentação do açúcar

[0073] Após a hidrólise enzimática, os açúcares podem ser separados dos sólidos suspensos e fermentados para produzir produtos de fermentação, incluindo, sem limitação, etanol ou butanol por meio de levedura ou bactéria ou álcoois de açúcar. Se for produzido etanol, a fermentação pode ser executada com uma levedura, incluindo, sem limitação, Saccharomyces cerevisiae.

[0074] Os açúcares dissolvidos que são submetidos à fermentação podem incluir não apenas a glicose liberada durante a hidrólise de celulose, mas também açúcares provenientes de um pré-tratamento, a saber, xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação dos mesmos. Esses açúcares podem ser fermentados junto com a glicose produzida por hidrólise de celulose ou os mesmos podem ser alimentados para uma fermentação separada. Em uma modalidade, tais açúcares são convertidos em etanol, junto com a glicose da hidrólise de celulose, por uma cepa de levedura de Saccharomyces cerevisiae que tem a capacidade de converter glicose e xilose em etanol. A cepa de Saccharomyces cerevisiae pode ser geneticamente modificada de modo a ter a capacidade de produzir esse subproduto valioso (consulte, por exemplo, Patente US n° 5.789.210, que está aqui incorporada por referência), embora tenha sido relatado que algumas cepas de levedura de Saccharomyces cerevisiae sejam naturalmente capazes de converter xilose em etanol.

Recuperação do produto de fermentação

[0075] Se etanol ou butanol for o produto de fermentação, a recuperação pode ser executada por meio de destilação, tipicamente com concentração adicional do produto por peneiras moleculares ou extração por membrana.

[0076] A cerveja de fermentação que é enviada para a destilação é uma solução de álcool diluído. A cerveja de fermentação pode compreender sólidos de lignina que fazem parte de um teor de sólidos não dissolvidos da cerveja, incluindo celulose não convertida, e qualquer componente adicionado durante a fermentação para suportar o crescimento dos micro-organismos.

[0077] Micro-organismos podem estar presentes durante a destilação dependendo se os mesmos foram, ou não, reciclados durante a fermentação. O caldo pode ser desgaseificado para remover dióxido de carbono e, então, bombeado através de uma ou mais colunas de destilação para separar o álcool dos outros componentes no caldo. O modo de operação do sistema de destilação pode depender da possibilidade de o álcool ter um ponto de ebulição mais alto ou mais baixo do que a água. Com mais frequência, o álcool tem um ponto de ebulição mais baixo do que a água, como é o caso quando o etanol é destilado.

[0078] Naquelas modalidades em que o etanol é concentrado, a(s) coluna(s) na unidade de destilação pode ser operada em um modo contínuo, embora devesse ser entendido que processos em batelada também possam ser usados. O calor para o processo de destilação pode ser introduzido em um ou mais pontos por meio de injeção de vapor direto ou indiretamente através de trocadores de calor. A unidade de destilação pode conter uma ou mais colunas de retificação e de cerveja separadas, caso no qual a cerveja diluída pode ser enviada para a coluna de cerveja onde é parcialmente concentrada. Da coluna de cerveja, o vapor d'água pode ir para uma coluna de retificação para purificação adicional. Alternativamente, pode ser empregada uma coluna de destilação que compreende uma seção de enriquecimento ou retificação integral.

[0079] Após a destilação, a água restante pode ser removida do vapor d'água por uma resina de peneira molecular, por extração de membrana ou por outros métodos conhecidos pelos versados na técnica para a concentração de etanol além dos 95% que é tipicamente alcançado por meio de destilação. O vapor d'água pode ser, então, condensado e desnaturado.

[0080] Quando o álcool apresentar um ponto de ebulição mais alto que a água, como o butanol, a destilação pode ser executada para remover a água e outros compostos voláteis do álcool. O vapor de água sai do topo da coluna de destilação e é conhecido como "corrente suspensa".

[0081] Uma corrente de processo que permanece após a destilação e que contém sólidos, chamados de "fundos fixos" ou como uma "corrente de fundos fixos", pode ser retirada do fundo de um ou mais das colunas de uma unidade de destilação.

[0082] Embora modalidades particulares tenham sido descritas no precedente, deve ser entendido que outras modalidades são possíveis e se destinam a estarem incluídas no presente documento. Ficará evidente para o versado na técnica que modificações de e ajustes às modalidades precedentes, não mostradas, são possíveis.

Exemplos Exemplo 1: Determinação do teor de cinzas de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar

[0083] A quantidade de cinza é expressa como a porcentagem de resíduo que permanece após a oxidação a seco a 575°C de acordo com NREL o Relatório Técnico NREL/TP-510-42622, Janeiro de 2008, que está aqui incorporado por referência. Os resultados são registrados em relação a uma amostra seca em forno a 105°C (seca de um dia para o outro).

[0084] A fim de determinar o teor de cinzas, um cadinho é primeiro aquecido sem nenhuma amostra em uma fornalha abafada por 4 horas a 575 ± 25°C, resfriado e, então, pesado. Após o aquecimento, o cadinho é resfriado e, então, seco até alcançar peso constante, que é definido como menor que uma mudança de ± 3 mg no peso do cadinho mediante uma hora de reaquecimento do cadinho a 575 ±25°C.

[0085] A amostra analisada é um corpo de prova seco em forno a 105°C. O peso da amostra seca em forno é registrado após a secagem a 105°C de um dia para o outro em um forno e esse peso é chamado de "peso seco em forno" ou "ODW". A amostra pesada seca é colocada no cadinho e levada às cinzas até alcançar peso constante em uma fornalha abafada ajustada para 575 ±25°C. O cadinho e a cinza são pesados subsequente à formação de cinzas e a porcentagem de cinza é determinada em uma base de ODW. A cinza é quantificada mediante a determinação, como uma porcentagem, do número de gramas de cinza por grama de amostra seca em forno.

Exemplo 2: Determinação da concentração de sólidos não dissolvidos em uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar

[0086] A determinação do teor de sólidos secos não dissolvidos (UDS) em uma pasta aquosa é executada da seguinte forma.

[0087] Uma quantidade fixa de pasta aquosa é dispensada em um prato de balança de plástico e o peso de pasta aquosa é registrado com um uso de escala analítica. Um círculo de papel filtro de 1,6 μm, adequadamente dimensionado para um funil de Buchner, é colocado em uma lata de pesagem de alumínio e o peso combinado da lata e do papel filtro é registrado. Após transferir o papel filtro pré-pesado para o funil de Buchner, a pasta aquosa pré- pesada é passada através do papel filtro para isolar os sólidos. Pequenos volumes de água desionizada são usados para assegurar que os sólidos sejam quantitativamente transferidos do prato de pesagem para o funil de Buchner. Os sólidos são, então, lavados com o uso de água desionizada em excesso, em que, após isso, a amostra lavada e o papel filtro são transferidos para uma lata de alumínio pré-pesada. Deve-se tomar cuidado para assegurar que os sólidos sejam quantitativamente transferidos. Após a secagem da lata de alumínio em um forno a 105°C de um dia para o outro, o conteúdo é pesado precisamente e o teor de UDS é quantificado mediante a determinação de, como uma porcentagem ou razão, do número de sólidos secos por grama de pasta aquosa.

Exemplo 3: Processamento de matéria-prima celulósica derivada de cana-de- açúcar sob condições de baixo teor de água

[0088] Com referência à Figura 1, uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que tem uma consistência de cerca de 1% a cerca de 10% (p/p), de preferência, cerca de 3% a cerca de 5% (p/p) em linha de pasta aquosa 102 é bombeada por meio de uma bomba 104 através da linha de alimentação 106 para uma prensa helicoidal de remoção de água pressurizada indicada pela referência numérica geral 108. A prensa helicoidal de remoção de água pressurizada 108 compreende uma carcaça sólida 105 que tem uma porta de entrada de matéria-prima 112 e uma porta de prensado 114. A linha de alimentação 106 alimenta pasta aquosa de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar para a prensa helicoidal de remoção de água 108 através da porta de entrada de matéria-prima 112 a uma pressão de, por exemplo, cerca de 0,5 MPa a cerca de 6 MPa (cerca de 70 psia a cerca de 900 psia). A pressão pode ser determinada mediante a medição da pressão com um sensor de pressão (não mostrado) situado na porta de entrada de matéria-prima 112.

[0089] Uma tela 116 é disposta na carcaça 105 para fornece um espaço externo 118 entre a tela e a circunferência interna da carcaça 105. Um parafuso 120 é concêntrica e giratoriamente montado na tela 116. Os passos 122 do parafuso 120 têm diâmetro externo geralmente constante e são fixados a uma haste de parafuso com um diâmetro de núcleo que aumenta da extremidade de entrada 124 para a extremidade de saída 126 da prensa helicoidal de remoção de água pressurizada 108.

[0090] Água e qualquer outro líquido, incluindo sólidos dissolvidos, que foram extraídos da pasta aquosa de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar são retirados para o espaço 118, que serve como uma câmara de coleta para a água retirada. O espaço 118 é conectado através da porta de prensado 114 a uma turbina 132 que retira água retirada através de uma linha de prensado 130. A água retirada, ou prensada, pode ser, então, enviada para um sistema de constituição de pasta aquosa de retorno de prensado (não mostrado) através da linha 134.

[0091] A matéria-prima derivada de cana-de-açúcar com água parcialmente removida deixa a zona de remoção de água e de formação de tampão da prensa helicoidal 108 na extremidade de saída 126. A razão entre o peso de água e os sólidos secos de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar na matéria-prima derivada de cana-de-açúcar com água parcialmente removida pode estar na faixa de cerca de 1,5:1 (67% em peso de UDS) a cerca de 4:1 (20% em peso de UDS) deixando a zona de remoção de água e de formação de tampão. A razão ponderai entre água e sólidos secos de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar na matéria-prima derivada de cana-de-açúcar com água removida ou a porcentagem de sólidos secos não dissolvidos é determinada pela coleta de uma amostra da matéria-prima de, por exemplo, uma extremidade de saída 126 da prensa helicoidal 108, e pela determinação da razão ponderai ou ada porcentagem ponderai de UDS na amostra por meio do método descrito no Exemplo 2 acima.

[0092] A extremidade de saída 126 da prensa helicoidal pressurizada 108 é conectada de modo operacional a uma zona de tampão 136. Um tampão da matéria-prima derivada de cana-de-açúcar com água parcialmente removida é forçado através da zona de tampão 136 e é descarregado na saída de tampão 137. Também pode haver um dispositivo de restrição (não mostrado) na saída de tampão 137.

[0093] Uma porta de entrada de vapor 138 e/ou portas 138A são supridas por uma fonte de vapor através da linha de entrada de vapor 139. O tampão de matéria-prima com água parcialmente removida, que contém água na faixa de cerca de 0,5 a cerca de 5 vezes o peso dos sólidos secos de matéria-prima, é alimentado em uma câmara de aquecimento de alto cisalhamento (também chamada de misturador de vapor) 140 através de uma câmara de alimentação 141.

[0094] Na câmara de aquecimento de alto cisalhamento 140, o tampão de matéria-prima, ou segmentos do mesmo, é desintegrado em partículas, que são aquecida por contato com vapor direto através do vapor introduzido através da linha 139 e/ou das portas 138A. O vapor também pode ser introduzido no corpo da câmara de aquecimento 140. Conforme mencionado anteriormente, o tampão pode quebrar-se em segmentos conforme é descarregado da prensa helicoidal pressurizada 108, oi conforme é alimentado em outros dispositivos posicionados a jusante da prensa helicoidal 108.

[0095] A câmara de aquecimento 140 é um dispositivo horizontalmente orientado cilíndrico que tem uma haste giratória concêntrica 142 montada coaxialmente na câmara. A haste concêntrica 142 compreende uma pluralidade de elementos de desintegração 143 montados em sua região média e que se projetam radialmente da mesma. Alguns elementos de desintegração compreendem uma extremidade distai 144 que tem "formato em T" para varrer a superfície interna da câmara 140, conforme descrito abaixo. A região de entrada da haste 142 compreende um trado de entrada 145 para transportar o tampão, ou segmentos do mesmo, para a região média da câmara. Além disso, um trado de saída 146, com passo oposto, é fornecido em uma região de saída da haste 142 para descarregar matéria-prima desintegrada aquecida produzida na câmara de aquecimento 140 para um reator de pré-tratamento 152.

[0096] A ação de cisalhamento é conferida ao tampão de matéria-prima, ou segmentos do mesmo, na câmara de aquecimento 140 pela pluralidade de elementos de desintegração 143. Durante a desintegração, o tampão de matéria-prima ou segmentos do mesmo é quebrado em pequenas partículas.

[0097] A matéria-prima desintegrada aquecida é descarregada da câmara de aquecimento 140 para o reator de pré-tratamento 152, que compreende um recipiente horizontalmente orientado cilíndrico dentro do qual é montada uma transportadora helicoidal 154 que tem passos 156. O reator de pré-tratamento 152 opera a uma pressão de cerca de 0,6 MPa a cerca de 4,7 MPa (cerca de 90 psia a cerca de 680 psia), um pH de cerca de 0,5 a cerca de 3,0 e uma temperatura de cerca de 160°C a cerca de 260°C. A matéria-prima derivada de cana-de-açúcar é tratada no reator por um período de tempo de cerca de 10 a cerca de 600 segundos. O pH desejado no reator 152 pode ser obtido por meio da adição de ácido à matéria-prima derivada de cana-de-açúcar antes da porta de entrada 112 da prensa helicoidal pressurizada.

[0098] Um dispositivo de descarga 158 descarrega a matéria-prima pré- tratada do reator de pré-tratamento 152. Subsequentemente, a matéria-prima pré-tratada é rapidamente vaporizada em um recipiente ou recipientes de rápida vaporização (não mostrado) para resfriar a mesma antes da hidrólise enzimática.

[0099] Constatou-se que matéria-prima derivada de cana-de-açúcar contendo cinza rica em sílica ocasionava excessiva perda de material em área de processo propensas à erosão. As áreas em que ocorreu a erosão foram na bomba 104, na prensa helicoidal pressurizada 108, na câmara de aquecimento de alto cisalhamento 140 e em uma válvula de sopro situada no dispositivo de descarga 158 do reator de pré-tratamento 152.

Exemplo 4: Remoção de sílica de matéria-prima derivada de cana-de-açúcar reduzo desgaste de equipamento

[0100] Foram conduzidos estados sobre o desgaste de equipamento mediante a determinação da perda de material em uma área de processo propensa à erosão no sistema de pré-tratamento de alta consistência descrito no Exemplo 3 com referência à Figura 1. Nesse exemplo, foi examinado o dano a um componente de válvula de sopro situado no dispositivo de descarga 158 com uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar com e sem remoção de cinza e comparado ao dano ocasionado pela palha de trigo que tem teor de sílica similar. A matéria-prima derivada de cana-de-açúcar nesse exemplo foi o bagaço de cana-de-açúcar obtido no Brasil.

[0101] A sílica foi removida da matéria-prima com o uso de um método de remoção de cinza a seco, chamado aqui de "remoção de cinza", para produzir matéria-prima com cinza removida. A palha de trigo foi moída por martelo em um moinho de martelo com telas de 1,9 cm (% de polegada) e não foi submetida à remoção de cinza.

[0102] O bagaço conforme recebido, o bagaço com cinza removida e a palha de trigo foram pré-tratado no sistema descrito na Figura 1. O impacto da erosão sobre a válvula de sopro no dispositivo de descarga 158 foi examinado mediante a medição de perda de material de componentes de válvula de sopro como uma função do tempo em g/kg. Em particular, a perda de material de anel retentor de sede da válvula de sopro foi examinada. O anel retentor de sede de válvula é um anel fabricado a partir de aço inoxidável que retém uma sede de válvula de cerâmica no lugar por meio de um encaixe por rosca. A sede de válvula é um componente da válvula que um tampão entra em contato quando a válvula está em uma posição fechada. O peso do anel retentor de sede de válvula foi medido em vários pontos no tempo e a perda foi medida em gramas por quilogramas originais de material antes da exposição à pasta aquosa de matéria-prima contendo sílica.

[0103] Os resultados da perda de material de palha de trigo, de bagaço com cinza removida e de bagaço não submetido À remoção de cinza como uma função do tempo em operação são mostrados na Figura 2. Conforme mostrado na Figura 2, a remoção de cinza de matéria-prima de bagaço em comparação com bagaço sem remoção de cinza reduziu a perda de material do anel retentor de sede material significativamente. A perda de material do anel para o bagaço com cinza removida foi reduzida quase 100X em relação à matéria-prima de bagaço conforme recebido (comparar pontos de dados de diamante com pontos de dados de quadrado da Figura 2). Acredita-se que a perda de material nas partes componentes de válvula de sopro devido ao bagaço que não foi peneirado se deu devido à alta concentração de cinza, particularmente, do componente de sílica da cinza no bagaço. A cinza e a sílica de palha de trigo, do bagaço conforme recebido e do bagaço com cinza removida é mostrada na Tabela 1 abaixo. Tabela 1: Teor de cinza e de sílica na palha de trigo, no bagaço conforme recebido e no bagaço com cinza removida

[0104] A remoção de cinza reduziu o teor de sílica de bagaço para os níveis de palha de trigo (consulte a Tabela 1 acima). Conforme mostrado na Tabela 1 acima, o teor de sílica de bagaço com cinza removida era de cerca de 21 mg/g e palha de trigo conforme recebida era de cerca de 24 mg/g. O teor de cinza de bagaço com cinza removida era de cerca de 34 mg/g e palha de trigo conforme recebida era de 52 mg/g. Entretanto, em comparação com a palha de trigo, o bagaço com cinza removida ainda era mais abrasivo. A perda de material de anel retentor de sede de válvula de sopro que foi encontrada após 200 horas de pré-tratamento na palha de trigo foi observada após 50 horas em bagaço peneirado em rendimento de matéria-prima comparável (consulte a Figura 2).

Exemplo 5: Caracterização de sílica de bagaço

[0105] Nesse exemplo, foi examinado o impacto de tamanho de partícula de sílica sobre taxas de erosão. A distribuição de tamanho de partícula para o bagaço e para a palha de trigo foi obtida por difração de laser com o uso de um instrumento Malvern Mastersizer™ 2000. As partículas foram submetidas ao mesmo tratamento ultrassónico e as medições foram realizadas antes e depois de tal tratamento. A distribuição de tamanho de partícula para bagaço e para palha de trigo é mostrada nas Figuras 3A e 3B.

[0106] Conforme visto em comparação com as Figuras 3A e 3B, as partículas de sílica de bagaço eram, em média, maiores. O tamanho médio de partícula ponderado volumétrico para partículas de bagaço era de 313 μm em comparação com 116 μm para a palha de trigo. O ultrassom apresentou apenas um pequeno efeito sobre a sílica de bagaço, mas um significativo impacto sobre a sílica de palha de trigo. Isso é visto mediante a comparação com dados antes e depois do ultrassom nas Figuras 3A e 3B. A porcentagem volumétrica de partículas de bagaço que têm tamanho de partícula de 313 μm permaneceu essencialmente inalterada. Em contrapartida, a percentagem volumétrica de partículas de sílica de palha de trigo que têm um tamanho de partícula de 116 μm após ultrassom diminui de modo mais substancial.

[0107] Essa observação sugere que a sílica de palha de trigo ou é fraturada ou consiste em aglomerados. A observação que a sílica de bagaço não sofreu impacto do tratamento ultrassónico sugere integridade aumentada das partículas de sílica em comparação com partícula de sílica de palha de trigo.

[0108] A morfologia de sílica de bagaço e de silica de palha de trigo foi subsequentemente examinada por meio de microscopia óptica. São mostrados micrográficos de bagaço de cana-de-açúcar e palha de trigo nas Figuras 4A e 4B. A ampliação de cada amostra é igual (40X). Conforme mostrado pelos micrográficos, a área superficial das duas amostras de sílica é diferente. A sílica de bagaço tem uma aparência de cristal simples com superfícies lisas e bordas afiadas enquanto a sílica de palha de trigo é arredondada e os grãos parecem ter uma estrutura aglomerada.

[0109] Sem se ater à teoria, os micrográficos sugerem o porquê de o ultrassom ter um impacto diferente sobre as duas amostras de sílica. O ultrassom quebrou a sílica de palha de trigo fraturada e aglomerada, enquanto a sílica de bagaço sólida geralmente não foi afetada. Acredita-se que a integridade e a morfologia da sílica de bagaço podem ser uma explicação para as propriedades erosivas de sílica de bagaço nos componentes de válvula de sopro.

[0110] Deve-se compreender que os exemplos anteriormente mencionados servem a propósitos ilustrativos apenas e não devem ser interpretados como uma limitação às modalidades reveladas de nenhuma maneira.

Claims

1. Processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar, caracterizado pelo fato de que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, para remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem separar pelo menos sílica da matéria-prima por diferenças de tamanho ou densidade; (ii) pré-tratar o bagaço, folhas ou copas, ou uma combinação dos mesmos, a partir das quais pelo menos uma porção da sílica foi removida sob pressão, para produzir uma matéria-prima pré-tratada; (iii) despressurizar pelo menos parcialmente a matéria-prima pré- tratada compreendendo passar a matéria-prima pré-tratada através de um orifício, produzindo, assim, uma matéria-prima pré-tratada despressurizada; (iv) hidrolisar a matéria-prima pré-tratada despressurizada com enzimas celulase para produzir glicose; e (v) fermentar a glicose para produzir o produto de fermentação.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o orifício é formado no interior de uma válvula.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a válvula é uma válvula de sopro.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar tem pelo menos parcialmente a água removida após a etapa (i) e antes da etapa de pré-tratamento.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o pré-tratamento compreende a adição de um ácido.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que sal inorgânico, ferro e/ou alumina são removidos da matéria-prima na etapa (i).

7. Processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar, caracterizado pelo fato de que compreende: (i) submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar que compreende bagaço, folhas, copas, ou uma combinação dos mesmos, à remoção de sílica selecionada a partir de processos que compreendem peneiração, triagem, separação ciclônica ou qualquer combinação dos mesmos, removendo, assim, pelo menos sílica dos mesmos; (ii) tratar o bagaço, folhas ou copas, ou qualquer combinação dos mesmos, a partir das quais pelo menos uma porção da sílica foi removida, em um ou mais estágios de processamento para produzir açúcar, em que o teor de sólidos não dissolvidos de uma pasta aquosa durante os ditos estágios de processamento está entre 12 e 35 por cento em peso; (iii) fermentar o açúcar formando o produto de fermentação com levedura ou bactérias; e (iv) recuperar o produto de fermentação.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os um ou mais estágios de processamento compreendem equipamento de processo de alta consistência que compreende um dispositivo de remoção de água.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de remoção de água é uma prensa helicoidal ou uma rosca de tampão.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que os um ou mais estágios de processamento para a produção de açúcar fermentável compreendem pré-tratamento e em que a sílica é removida à montante do pré-tratamento.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o bagaço, folhas, copas ou qualquer combinação dos mesmos, têm um teor de cinzas entre 0,5% em peso e 18% em peso.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o teor de cinzas está entre 5% em peso e 18% em peso.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que submeter a matéria-prima celulósica derivada de cana-de-açúcar compreendendo bagaço, folhas, copas ou qualquer combinação dos mesmos, para remoção de sílica compreende submeter o bagaço, folhas, copas ou qualquer combinação dos mesmos à triagem ou peneiração à seco.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende secagem o bagaço, folhas, copas ou qualquer combinação dos mesmos antes da triagem ou peneiração à seco.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que o bagaço, folhas, copas ou qualquer combinação dos mesmos são submetidos a processamento a úmido que compreende remover sílica mediante sedimentação ou por meio do uso de pelo menos um hidrociclone.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 15, caracterizado pelo fato de que pelo menos 20% em peso da sílica do bagaço, copas, folhas ou qualquer combinação dos mesmos é removido antes da etapa (ii).

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 16, caracterizado pelo fato de que pelo menos 40% em peso da sílica do bagaço, copas, folhas ou qualquer combinação dos mesmos é removido antes da etapa (ii).

18. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 17, caracterizado pelo fato de que um ou mais estágios de processamento compreendem imergir o bagaço, copas, folhas ou qualquer combinação dos mesmos em uma solução aquosa.

19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 18, caracterizado pelo fato de que o um ou mais estágios de processamento compreendem uma etapa de pré-tratamento para produzir matéria-prima pré- tratada e hidrólise da celulose contida na matéria-prima pré-tratada com enzimas celulase para produzir o açúcar.