BR112017013318B1 - Processo para produção de glicose de uma matéria-prima celulósica, sistema para hidrolisar uma matéria-prima celulósica e reator de hidrólise - Google Patents

Abstract

REATOR DE HIDRÓLISE DE FLUXO PISTONADO E PROCESSO DE USO DO MESMO. Na presente invenção, é fornecido um processo para a hidrolisação da matéria-prima celulósica para produzir açúcar. O processo compreende a introdução de uma pasta aquosa celulósica pré-tratada em uma região de entrada de um reator de hidrólise de fluxo pistonado utilizando um dispositivo de introdução de pasta aquosa que reduz a quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator. A pasta aquosa de matéria-prima celulósica é hidrolisada no reator de hidrólise de fluxo pistonado colocando em contanto a matéria-prima celulósica com pelo menos enzima celulase para produzir glicose. Também é apresentado aqui um reator de hidrólise não misturado de fluxo descendente orientado verticalmente para hidrolisar uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada que compreende tal dispositivo de introdução de entrada em uma região superior.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente invenção oferece um processo para a produção de açúcares fermentáveis a partir de uma matéria prima de fibras celulósicas.

ANTECEDENTES

[0002] Nos últimos anos, foram envidados esforços para a produção de combustíveis e produtos químicos, principalmente etanol, de matérias-primas celulósicas, como plantações, resíduos agrícolas e florestais, devido ao seu baixo custo e ampla disponibilidade. Culturas dedicadas como gramas de crescimento rápido não têm atualmente grandes mercados. Quando os resíduos de silvicultura e agrícolas são tipicamente depositados e queimados, o seu uso para a produção de etanol oferece uma alternativa atraente para o descarte.

[0003] A produção de etanol ou outros produtos de fermentação a partir de matéria-prima celulósica geralmente envolve pré-tratamento da matéria-prima para aumentar a área superficial de celulose, com conversão limitada da celulose em glicose. O pré-tratamento é seguido de hidrólise enzimática da celulose que permanece na matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase para produzir glicose. A glicose é, então, convertida em etanol por micro-organismos.

[0004] As enzimas celulases utilizadas para hidrolisar a celulose em glicose incluem uma combinação de enzimas, incluindo exocelobiohidrolases (CBH), endoglucanases (EG), beta-glicosidases e outras enzimas. As enzimas CBH e EG catalisam a hidrólise da celulose (ligação beta-1,4-D-glucano). As enzimas CBH, CBHI e CBHII (também conhecidas como Cel7 e cel6, de acordo com a designação da família glicosídeo hidrolase), atuam sobre as extremidades dos polímeros de glicose nas microfibrilas de celulose e liberam celobiose, enquanto que as enzimas EG (incluindo EGI, EGII, EGIII e EGV, também conhecidos como Cel7, Cel5, Cel12 e Cel45, respectivamente) atuam na celulose em locais aleatórios. Juntas, as enzimas de celulase hidrolisam a celulose em celobiose, que, por sua vez, é hidrolisada para glicose em beta-glicosidase (beta-G). Além de CBH, EG e beta-glucosidase, existem várias enzimas acessórias que auxiliam na digestão enzimática de celulose (ver pedidos de patente WO 2009/026722 (Scott), que é aqui incorporado, por referência, e Harris et al., 2010, biochemistry, 49:3305 a 3316).

[0005] A hidrólise enzimática é geralmente realizada em um ou mais reatores de batelada misturada. Entretanto, para que os reatores de hidrólise convencionais misturem pastas aquosas efetivamente durante a hidrólise, é normalmente necessária uma grande entrada de potência. Além disso, em uma grande instalação comercial, diversos reatores de batelada para hidrólise são necessários. Esses requisitos podem aumentar significativamente o capital e custos de operação do processo de hidrólise. A hidrólise não misturada tem o potencial para economia de custo ao evitar o uso de equipamento e a entrada de potência associada com a mistura.

[0006] Além disso, os inventores reconhecem que o uso de uma hidrólise não misturada contínua com enzimas de celulase para produzir glicose pode dar a oportunidade de diminuir o custo da hidrólise enzimática. A hidrólise contínua refere-se à pasta aquosa alimentada e retirada de um reator de hidrólise de forma contínua, em relação à hidrólise em batelada, em que o reator de hidrólise é geralmente preenchido no início e esvaziado ao final da hidrólise. Realizar a hidrólise dessa maneira oferece uma operação mais simples e evita a perda de eficiência durante o enchimento e esvaziamento de recipientes associado à hidrólise em batelada.

[0007] Apesar das vantagens associadas com hidrólise não misturada, problemas podem surgir durante o funcionamento. Em uma forma de hidrólise contínua não misturada, mostra pastas aquosas em que não há ou há gradiente de velocidade axial limitado na direção radial. Entretanto, os inventores reconheceram que, durante a hidrólise não misturada, real e contínua, as pastas aquosas podem canalizar. A canalização ocorre quando uma parte da pasta aquosa flui através do reator de hidrólise mais rapidamente do que o esperado a partir do volume do reator dividido pela taxa de fluxo. Em particular, as pastas aquosas de canalização têm velocidade axial na direção radial. Tal fenômeno pode ser uma consequência de alterações nas propriedades reológicas da pasta aquosa à medida que ocorre a hidrólise. Em particular, conforme a hidrólise ocorre, a pasta aquosa passa a fluir mais prontamente à medida que a viscosidade diminui. Desta forma, pode levar a formação de canais quando houver mudanças significativas na velocidade axial da pasta aquosa está na direção radial.

[0008] A canalização pode ter vários impactos negativos na hidrólise da celulose. Particularmente, a canalização reduz o tempo de residência da pasta aquosa no reator, que por sua vez reduz a conversão de celulose do volume de reator disponível. Além disso, uma vez que algumas enzimas, tais como beta-glucosidase, que não se ligam aos sólidos de fibra, a formação de canal pode reduzir o tempo de residência no reator de enzima. Isso pode levar a uma significativa redução no rendimento da glicose, já que a β-glicosidase é necessário para converter a celobiose em glicose.

[0009] Um problema observado pelos inventores durante a hidrólise enzimática é que, quando uma pasta aquosa de matéria-prima é introduzida na parte superior de um reator não misturado, a quantidade de movimento do fluxo de pasta aquosa que é introduzida pode criar turbulência na região de entrada dos conteúdos do reator. Os inventores descobriram que esse é particularmente o caso, se um fluxo de entrada ou jato do material cai a uma distância significativa no conteúdo da pasta aquosa dentro do reator. Conforme discutido também na presente invenção, descobriu-se que tais quedas podem criar uma região em que o conteúdo do reator em que o fluxo pistonado não é mantido. Por conta deste efeito, o resultado é uma parte da canalização do conteúdo do reator e outra parte age como um volume estagnado no reator. Isto reduz a eficiência volumétrica do reator e resulta em menor conversão de celulose. Dessa forma, existe uma necessidade na técnica de processos e projetos de reator contínuos em que as condições do fluxo pistonado são substancialmente mantidas.

SUMÁRIO

[0010] De acordo com uma modalidade da invenção, é apresentado um processo otimizado e um projeto de reator para a produção de açúcares fermentáveis a partir de uma matéria-prima de fibras celulósicas.

[0011] Em algumas modalidades, o(s) processo(s) aqui descrito(s) pode(m) oferecer vantagens em relação a processos conhecidos para a conversão de matéria-prima celulósica para açúcares fermentáveis utilizando enzimas celulase. A presente invenção refere-se a processos projetos do reator para hidrólise de uma pasta aquosa de matéria prima celulósica pré- tratada usando um reator de hidrólise de fluxo pistonado que compreende uma região de entrada com um dispositivo de introdução de pasta aquosa que dissipa a quantidade de movimento dos conteúdos da pasta aquosa na região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado durante ou após a introdução da pasta aquosa no reator de hidrólise. A redução da quantidade de movimento da pasta aquosa pode promover uma melhor distribuição de fluxo da pasta aquosa durante a hidrólise e reduzir o volume estagnado no reator. Um fluxo pistonado mais uniforme pode melhorar o tempo de residência da pasta aquosa no reator, o que, por sua vez, pode permitir um aumento da eficiência volumétrica.

[0012] Dessa forma, de acordo com um aspecto da invenção, é apresentado um processo para a hidrólise de uma matéria-prima celulósica, processo que compreende as etapas de: (i) fornecer uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada com um teor de sólidos não dissolvidos de cerca de 5% em peso a cerca de 40% em peso de sólidos não dissolvidos; (ii) transportar a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada para um reator de hidrólise de fluxo pistonado; (iii) introduzir a pasta aquosa de matéria-prima celulósica em um reator de hidrólise de fluxo pistonado usando um dispositivo de introdução de pasta aquosa que reduz a quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator; e (iv) hidrolisar a pasta aquosa da matéria- prima celulósica pré-tratada no reator de hidrólise do fluxo pistonado, colocando em contato a matéria-prima celulósica com pelo menos enzimas celulase para produzir glicose.

[0013] Em algumas modalidades da invenção, parte da celulose hidrolisada no reator não misturado é de cerca de 10% em peso e cerca de 100% em peso ou entre cerca de 10% em peso e cerca de 70% em peso. De acordo com outra modalidade da invenção, uma matéria-prima celulósica hidrolisada da etapa (iv) é alimentada em um reator de hidrólise misturado e ali hidrolisada.

[0014] Em outras modalidades da invenção, a hidrólise é realizada com beta- glicosidase.

[0015] O reator de hidrólise de fluxo pistonado ou reator de hidrólise misturado, se tal for usado, pode ser um entre uma pluralidade de reatores em um sistema.

[0016] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é apresentado um processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica, processo que compreende as etapas de: (i) fornecer uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada com um teor de sólidos não dissolvidos de cerca de 5% em peso a cerca de 40% em peso de sólidos não dissolvidos; (ii) transportar a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada para um reator de hidrólise de fluxo pistonado; (iii) introduzir a pasta fluida de matéria-prima celulósica ao reator de hidrólise de fluxo pistonado usando um dispositivo de introdução de pasta aquosa que reduz a quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície do conteúdo do reator; (iv) hidrolisar a pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada no reator de hidrólise de fluxo pistonado, colocando em contanto a matéria-prima celulósica com pelo menos enzimas celulase para produzir glicose; (v) opcionalmente hidrolisar uma pasta aquosa parcialmente hidrolisada produzida na etapa (iv) em um reator de hidrólise misturado; e (iv) fermentar a glicose produzida na etapa (iv) ou (v) com microorganismos para produzir o produto de fermentação. O produto de fermentação pode ser um álcool, como etanol.

[0017] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é apresentado um sistema para hidrolisar uma matéria-prima celulósica, sistema que compreende: (i) um reator de pré-tratamento para produzir uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada; (ii) um dispositivo para transportar a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada; e (iii) um reator de hidrólise de fluxo pistonado para receber a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada e hidrolisar a matéria-prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase, o reator de hidrólise de fluxo pistonado, compreende um dispositivo de introdução da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator quando o reator está em funcionamento.

[0018] Em certas modalidades da invenção, o sistema compreende adicionalmente um reator de hidrólise misturado para receber e hidrolisar ali uma pasta aquosa de matéria-prima que foi parcialmente hidrolisada no reator de hidrólise de fluxo pistonado ou misturado. O reator de hidrólise do fluxo pistonado pode ser um reator contínuo com uma altura e diâmetro de cerca de 0,2:1,0 a cerca de 10,0:1,0.

[0019] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é apresentado um reator de fluxo pistonado não misturado descendente e orientado verticalmente para hidrólise de uma pasta aquosa de matéria prima celulósica pré-tratada compreendendo: (i) dispositivo para a introdução de uma pasta aquosa para redução de quantidade de movimento axial dos conteúdos do reator quando o dito reator está em funcionamento; e (ii) uma saída em uma região inferior do reator de hidrólise para retirada de pasta aquosa que é ao menos parcialmente hidrolisada a partir do reator, o reator de fluxo pistonado com uma razão entre altura e diâmetro de cerca de 0,2:1,0 a cerca de 10,0:1,0.

[0020] De acordo com qualquer um dos aspectos anteriores da invenção, o dispositivo de introdução de pasta aquosa é um dispositivo dissipador de entrada. Em uma modalidade da invenção, o dispositivo dissipador compreende uma ou mais placas distribuidoras.

[0021] A presente invenção será descrita em relação a outras modalidades. Entretanto, fica evidente aos versados na técnica que inúmeras variações e modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção, conforme definido nas reivindicações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0022] A Figura 1A é um dispositivo de introdução de pasta aquosa compreendendo uma tubulação vertical em uma região de entrada de um reator de fluxo pistonado com um braço giratório em sua extremidade proximal.

[0023] A Figura 1B é um dispositivo de introdução de pasta aquosa em uma região de entrada em um reator de fluxo pistonado que compreende uma tubulação vertical com uma placa de distribuidor.

[0024] A Figura 1C é um dispositivo de introdução de pasta aquosa em uma região de entrada em um reator de fluxo pistonado que compreende um tubo vertical de alimentação com um par de placas de distribuidor.

[0025] A Figura 1D é um dispositivo de introdução de pasta aquosa disposto em um reator de fluxo pistonado que compreende várias portas de alimentação opostas configuradas para introduzir uma pasta aquosa na superfície de conteúdos da pasta aquosa através da parede do reator.

[0026] A Figura 2 mostra o sinalizador de permeação (KI) para a matéria- prima celulósica pré-tratada com fluxo para baixo através de um reator de hidrólise de fluxo pistonado medido como uma fração do tempo de residência médio esperado (fração de MRT esperada) com e sem um dispositivo de introdução de pasta aquosa que compreende uma placa de distribuidor em concentrações de sólidos não dissolvidos de 12,8% em peso e 11,6% em peso.

DESCRIÇÃO DETALHADA Processamento de matéria-prima antes do pré-tratamento

[0027] A matéria-prima para o processo é um material celulósico. O termo "matéria-prima celulósica" significa qualquer tipo de biomassa vegetal, tais como, mas não se limitando a, colheitas cultivadas, como, mas não se limitando a, gramíneas, por exemplo, mas não se limitando a, gramíneas C4, como grama de crescimento rápido, capim corda, grama de centeio, miscanthus, alpiste ou uma combinação das mesmas, resíduos de processamento de açúcar, por exemplo, mas não se limitando a, folhas e cumes, e bagaço, como bagaço de cana de açúcar, polpa de beterraba, ou uma combinação dos mesmos, resíduos agrícolas, por exemplo, mas não se limitando a, palha de soja, palha de milho, palha de arroz, palha de cana-de- açúcar, cascas de arroz, palha de cevada, espigas de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de aveia, cascas de aveia, fibra de milho, ou uma combinação dos mesmos, biomassa de floresta, por exemplo, mas não se limitando a, fibra de polpa de madeira reciclada, serragem, madeira de lei, por exemplo madeira de choupo tremedor, madeira macia, ou uma combinação dos mesmos. Além disso, a matéria-prima celulósica pode compreender materiais celulósicos ou materiais de silvicultura, tais como, mas não se limitando a papel, papelão e similares. A matéria-prima celulósica pode compreender uma espécie de fibra ou, alternativamente, a matéria-prima celulósica pode compreender uma mistura de fibras que se originam de diferentes matérias-primas celulósicas. Além disso, a matéria-prima celulósica pode compreender nova matéria-prima celulósica, matéria-prima celulósica parcialmente seca, matéria-prima celulósica completamente seca ou uma combinação dos mesmos. Adicionalmente, novas variedades de matéria prima celulósica podem ser produzidas a partir de quaisquer espécies mencionadas acima por melhoramento vegetal ou por engenharia genética.

[0028] As matérias-primas celulósicas compreendem celulose em uma quantidade maior que cerca de 20%, mais preferencialmente maior que cerca de 30%, mais preferencialmente maior que cerca de 40% (p/p). Por exemplo, o material celulósico pode compreender cerca de 20% a cerca de 50% (p/p) de celulose, ou qualquer quantidade dentro desse intervalo. Ademais, a matéria-prima celulósica pode compreender lignina em uma quantidade maior que cerca de 10%, mais tipicamente, em uma quantidade maior que cerca de 15% (p/p). O material celulósico pode também compreender pequenas quantidades de matéria-prima de sacarose, frutose e amido.

[0029] As matérias-primas celulósicas que têm tamanhos de partícula menores que cerca de 15 centímetros (6 polegadas) não podem exigir redução de tamanho. Ou seja, tais matérias primas podem ser simplesmente formadas em pasta aquosa em água e bombeadas para estágios de processo a jusante. Para matérias-primas de tamanhos de partículas maiores, a matéria prima celulósica é submetida geralmente 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 redução de tamanho por ação mecânica pode ser executada por qualquer tipo de equipamento adaptado para o propósito, por exemplo, mas não se limitando a, trituradores, moedores de tubo, cilindros, refinadores e hidrapulper. De preferência, pelo menos 90% por volume das partículas de redução de tamanho produzida pode ter um comprimento menor que cerca de 0,16 e cerca de 15 cm (1/16 e cerca de 6 pol.).

[0030] Antes, durante ou após a redução de tamanho, a matéria-prima pode ser transformada em pasta aquosa em água, o que permite que a matéria-prima seja bombeada. A razão de peso entre água e sólidos da matéria-prima celulósica seca na pasta aquosa é determinada por fatores como bombeamento, exigências de tubulação e outras considerações práticas.

[0031] A concentração de sólidos da pasta fluida aquosa de matérias- primas celulósicas é expressa como a concentração de sólidos não dissolvidos (UDS - "undissolved solids"). Antes do pré-tratamento, os sólidos não dissolvidos da matéria-prima celulósica pode ser de cerca de 3% a cerca de 30% ou cerca de 4% a cerca de 20%. A razão entre o peso de sólidos secos e a pasta aquosa é determinada pelo procedimento especificado no

Exemplo 1.

[0032] A fibra da matéria-prima pode ser imersa em água ou uma solução aquosa que compreende ácido. A imersão pode ser realizada ao introduzir a matéria-prima celulósica em um tanque, onde é misturada com água quente relativamente a uma consistência de sólido relativamente baixa. Geralmente, a matéria-prima celulósica é submetida à redução de tamanho antes de sua introdução no tanque onde ocorre a imersão. Além disso, a matéria-prima celulósica pode ser lixiviada, conforme WO 02/070753 (Griffin, que é aqui incorporado para referência).

[0033] Após a preparação da pasta aquosa, a lixiviação e/ou imersão, a matéria-prima celulósica pode ser subsequentemente desidratada por qualquer técnica adequada. Por exemplo, a remoção de água pode ser executada pela utilização de dispositivos que removem a água sob pressão a partir da pasta aquosa de matéria-prima. Os dispositivos de remoção de água adequados para uso na invenção incluem prensas de rosca pressurizada ou parafuso de pressão, tais como aqueles descritos em WO 2010/022511 (aqui incorporado por referência) e filtros pressurizados. O processo de remoção de água, opcionalmente, inclui uma zona de pré-drenagem para drenar água para fora da pasta aquosa de matéria-prima a uma pressão atmosférica ou superior. Essa pasta aquosa de matéria-prima drenada é enviada para um ou mais dispositivos para drenagem da pasta sob pressão. A água expressa na matéria-prima celulósica pela etapa de drenagem pode ser reutilizada no processo.

Pré-tratamento da matéria-prima celulósica

[0034] A matéria-prima celulósica é submetido a pré-tratamento antes da hidrólise enzimática para produzir uma matéria-prima celulósica pré-tratada. O pré-tratamento geralmente oferece uma combinação da ação mecânica e química de forma a quebrar a estrutura de fibra da matéria-prima celulósica e aumentar a área superficial da matéria-prima para tornar a mesma acessível a enzimas celulase. De acordo com algumas modalidades, o pré-tratamento é realizado de modo que ocorra um alto grau de hidrólise da hemicelulose 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. Em uma modalidade, um ácido mineral diluído, a uma concentração de cerca de 0,02% (p/p) a cerca de 5% (p/p), ou qualquer quantidade entre os mesmos, (medido como a porcentagem em peso de ácido puro no peso total de matéria-prima seca mais solução aquosa) é usado para o pré-tratamento.

[0035] O ácido pode ser ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, ácido clorídrico ou ácido fosfórico. De preferência, o ácido é ácido sulfúrico. A quantidade de ácido adicionado à matéria prima celulósica pode variar, mas deve ser suficiente para se obter uma concentração final de cerca de 0,02% a cerca de 2% p/p de, ou qualquer quantidade entre as mesmas. O pH da matéria-prima resultante é de cerca de 0,4 a cerca de 3,5, ou qualquer faixa de pH entre os mesmos.

[0036] Um pré-tratamento ácido pode ser preferencialmente executado a uma temperatura máxima de cerca de 160°C a cerca de 280°C. Entretanto, na prática, haverá um atraso do processo de pré-tratamento antes de a matéria prima alcançar esta faixa de temperatura. As temperaturas acima mencionadas correspondem aos valores alcançados após a aplicação de calor suficiente para atingir uma temperatura dentro desta faixa. O tempo que a matéria prima é mantida dentro dessa faixa de temperatura pode ser de cerca de 6 segundos a cerca de 3600 segundos ou cerca de 15 segundos a cerca de 750 segundos ou cerca de 30 segundos a cerca de 240 segundos.

[0037] O pré-tratamento é geralmente realizado sob pressão. Por exemplo, a pressão durante o pré-tratamento pode ser entre cerca de 340 e cerca de 4800 kPa (50 e cerca de 700 psig) ou entre cerca de 520 e cerca de 4100 kPa (75 e cerca de 600 psig), ou qualquer faixa de pressão entre as mesmas.

[0038] A matéria-prima pode ser aquecida com vapor d' água durante ou após o pré-tratamento. Sem limitação, um método para transporte é usar o vapor de baixa pressão para parcialmente aquecer a matéria-prima, que é então bombeada para um trem de aquecimento de vários estágios. Outros meios podem ser aplicados para aquecer a matéria-prima, tais como dispositivos de mistura comercialmente disponíveis projetados para introduzir vapor e, opcionalmente, produto químico através de bocais de aspersão.

[0039] Um método para realizar o pré-tratamento ácido da matéria-prima é a explosão de vapor com o uso de condições de processo que estão definidos na patente U.S. n° 4.461.648 (Foody, que é aqui incorporada para referência). Outro método de pré-tratamento da pasta aquosa da matéria-prima envolve um pré- tratamento contínuo, o que significa que a matéria-prima celulósica é bombeada através de um reator continuamente. O pré-tratamento ácido contínuo é familiar àqueles versados na técnica; consulte, por exemplo, a patente US n° 5.536.325 (Brink); WO 2006/128304 (Foody e Tolan); e a patente US n° 4.237.226 (Grethlein), que são aqui incorporadas para referência. Técnicas adicionais conhecidas podem ser usadas conforme necessário, como no processo apresentado na patente US n° 4.556.430 (Converse et al.; que é aqui incorporada para referência).

[0040] 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 estão geralmente presentes na composição e incluem xilose, glicose, arabinose, manose, galactose ou uma combinação dos mesmos.

[0041] A fase aquosa da composição de matéria-prima pré-tratada pode, também, conter o ácido adicionado durante o pré-tratamento. Quando o ácido sulfúrico é utilizado no pré-tratamento, a composição que compreende a matéria- prima pré-tratada contém adicionalmente sais de bissulfato e/ou sulfato.

[0042] A composição que compreende a matéria-prima ácida pré-tratada também compreende ácido acético produzido durante o pré-tratamento ácido. A concentração de ácido acético no fluxo pode estar entre 0,1 e 20 g/L. Outros ácidos orgânicos podem ser liberados durante o pré-tratamento, incluindo, ácido galacturônico, ácido fórmico, ácido láctico e ácido glicurônico. O pré- tratamento pode também produzir lignina dissolvida e inibidores como furfural e hidroximetilfurfural (HMF). Consequentemente, a composição que compreende a matéria-prima pré-tratada ácida também pode conter esses componentes.

[0043] De acordo com uma modalidade exemplar da invenção, os componentes solúveis da composição de matéria-prima pré-tratada são separados dos sólidos. Esta separação pode ser realizada através de lavagem da composição de matéria-prima pré-tratada com uma solução aquosa para produzir um fluxo de lavagem, e um fluxo de sólidos compreendendo a matéria- prima pré-tratada e não hidrolisada. Alternativamente, o componente solúvel é separado dos sólidos por submeter a composição de matéria prima pré-tratada a uma separação sólido-líquido utilizando métodos conhecidos tais como centrifugação, microfiltração, filtração de placa e de estrutura, filtração de fluxo cruzado, filtração por pressão, filtração a vácuo, e semelhantes. Opcionalmente, uma etapa de lavagem pode ser incorporada na separação de sólidos-líquidos. Os sólidos separados, que contém celulose, podem então ser enviados para a hidrólise enzimática com enzimas celulase para converter a celulose em glicose. A hidrólise enzimática da celulose com enzimas celulase é descrita com mais detalhes adiante neste documento.

[0044] O componente solúvel separado da separação acima descrita, a qual inclui os açúcares liberados durante o pré-tratamento, o pré-tratamento ácido e outros componentes solúveis podem então ser fermentados utilizando um microorganismo capaz de fermentar os açúcares derivados do componente hemicelulose da matéria-prima.

[0045] O pré-tratamento também pode ser realizado sob condições alcalinas. Exemplos de processos de pré-tratamento alcalino adequados incluem pré-tratamento de expansão de fibra de amônia (AFEX) ou de amônia diluída. De acordo com o processo de AFEX, a biomassa celulósica é colocada em contato com amônia ou hidróxido de amônio, que é tipicamente concentrado em um recipiente de pressão. O contato é mantido por tempo suficiente para permitir que a amônia ou o hidróxido de amônio intumesça (ou seja, descristaliza) as fibras de celulose. A pressão é, então, rapidamente reduzida, o que permite que a amônia vaporize rapidamente ou entre em ebulição e exploda a estrutura de fibra de celulose. A amônia 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.

[0046] O pré-tratamento de diluição diluída utiliza mais soluções diluídas de amônia ou hidróxido de amônio do que AFEX. Tal processo de pré-tratamento pode, ou não, produzir qualquer monossacarídeo. O pré-tratamento de amônia 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.

[0047] Após o pré-tratamento, a pasta aquosa da matéria-prima pré- tratada é geralmente resfriada antes da hidrólise enzimática para diminuir a temperatura na qual as enzimas celulase estão ativas. Deve-se notar que o resfriamento da matéria-prima pode ocorrer em várias fases utilizando a vaporização, trocador de calor ou outro meio adequado. Em uma modalidade da invenção, a matéria-prima pré-tratada é resfriada a temperaturas de cerca de 100°C e menos antes da hidrólise enzimática.

Hidrólise enzimática com um reator de fluxo pistonado que compreende um dispositivo de introdução da pasta aquosa que promove o fluxo pistonado

[0048] Em geral, a hidrólise é contínua. O termo "contínua" refere-se à hidrólise em relação a uma pasta fluida que é alimentada e retirada do reator de hidrólise continuamente. Na hidrólise em batelada, um reator é geralmente preenchido no início e no término de cada batelada. Tipicamente, com a hidrólise de fluxo contínuo, o reator é carregado até o nível desejado inicialmente, e depois disso, a alimentação da pasta aquosa até o topo e a retirada do produto do fundo é mantida a um taxa igual e constante substancialmente.

[0049] O reator de hidrólise (também chamado na presente invenção de "reator de fluxo pistonado" ou um "reator não misturado") é um reator contínuo adequado para condução da hidrólise enzimática de uma pasta aquosa com enzimas celulase, que não cause qualquer mistura por refluxo de seu conteúdo conforme é tipicamente empregado em reatores de hidrólise misturados. Em reatores de hidrólise misturados convencionais, a mistura é obtida por meio de misturadores mecânicos como agitadores ou edutores montados na parte superior, na lateral ou na parte inferior; movimentação rápida de fluxos de pasta líquida bombeada em ou através do vaso; e/ou a introdução ou geração de gases ou vapores no vaso. Além disso, os reatores são conhecidos por aplicar uma mistura periódica (também referido aqui como "mistura intermitente"), a pasta aquosa passa através de zonas de mistura ao longo do comprimento do reator (consulte por exemplo, patente U.S. N° 5.888.806 (Nguyen)).

[0050] Embora o reator de fluxo pistonado não misturado possa operar com uma certa quantidade de mistura localizada devido à introdução e retirada de líquidos e de sólidos do sistema, tal mistura localizada não resulta em qualquer dispersão ou mistura significativa do conteúdo do reator, como poderia ocorrer em reatores misturados. Por exemplo, uma pequena quantidade de mistura localizada pode ocorrer na parte inferior de um reator não misturado de fluxo descendente devido a uma ação de um raspador rotativo inferior ou outros dispositivos aplicados para a remoção do conteúdo do reator. A energia necessária para a descarga da pasta aquosa é, tipicamente, menor que 5%, 3% ou 1% do total de energia necessária para misturar totalmente a pasta aquosa com o uso de um reator misturado com design de hélice de sustentação convencional.

[0051] O processo compreende a introdução da matéria-prima celulósica no reator de hidrólise de fluxo pistonado usando a introdução de pasta aquosa de modo a reduzir a energia axial da pasta aquosa na superfície do conteúdo do reator. Por "reduz" entende-se que a quantidade de movimento da pasta aquosa é reduzida em relação à introdução de uma pasta aquosa usando um sistema de entrada convencional com um único tubo de alimentação vertical para baixo do diâmetro 0,1:1 diâmetro do reator, e uma redução de pelo menos 20 centímetros (8 polegadas) entre a saída do tubo e a superfície da pasta aquosa. Como usado aqui, o termo "superfície" dos conteúdos do reator significa 5% do volume da pasta aquosa em e abaixo do topo dos conteúdos da pasta aquosa.

[0052] O dispositivo de introdução da pasta aquosa pode ser um dispositivo dissipador de entrada, que é qualquer aparelho disposto internamente para reduzir a quantidade de movimento de uma pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada, conforme introduzido no reator de fluxo pistonado, de modo a evitar ou reduzir a canalização ou outra não uniformidade de fluxo de pasta aquosa em uma região de entrada do reator de fluxo pistonado. Sem estar vinculado a qualquer teoria, o dispositivo dissipador de entrada é projetado para dispersar a pasta aquosa ao longo da área em seção transversal do reator não misturado ou a um ângulo deslocado da direção de fluxo da pasta aquosa.

[0053] De acordo com várias modalidades da invenção, o dispositivo de introdução de pasta aquosa no reator de fluxo pistonado inclui um membro que se estende radialmente ou portas de entrada que servem para introduzir a pasta aquosa para os conteúdos do reator na região de entrada do reator radialmente sobre a área em seção transversal do mesmo. Tal disposição reduz a canalização e promove o fluxo pistonado. Deve ser entendido que a pasta aquosa não precisa ser redirecionada a 90 graus a partir da direção da alimentação de entrada. Ou seja, se a pasta aquosa for introduzida através de um tubo vertical central que se estende pelo topo do reator, a pasta aquosa pode ser gradualmente desviada para fora em direção ao conteúdo do reator por meio do dispositivo da introdução de pasta aquosa. O dispositivo de introdução da pasta aquosa na região de entrada do reator pode ser de qualquer configuração apropriada conhecida daqueles versados na técnica e pode incluir dispositivos com placas distribuidoras, cones invertidos, portas de entrada que introduzem a pasta aquosa radialmente, múltiplas entradas de alimentação ou tubulação de entrada que se estende para o conteúdo do reator para reduzir suficientemente a energia da pasta aquosa na região de entrada. O dispositivo dissipador de entrada pode ser projetado para uma queda de pressão para proporcionar melhor distribuição de fluxo. Em certas modalidades da invenção, a queda de pressão no dispositivo dissipador de entrada está entre 0,1 e 1 bar. A queda na pressão é determinada pela medição da pressão na região de saída do dispositivo com e sem o dispositivo de introdução da pasta aquosa e determinar a diferença de pressão.

[0054] Nas modalidades da invenção que aplicam um reator de fluxo pistonado descendente, a região de entrada do reator é o volume do reator medido a partir de seu topo a um local que seja 95% da altura do reator. O volume restante do reator, excluindo a saída, tipicamente não compreende quaisquer elementos misturadores ou outros dispositivos que impedem o fluxo de pasta aquosa. O volume restante, que exclui a saída, pode incluir o volume medido de um local que é 5% da altura do reator a 95% da altura do reator. A saída pode compreender um raspador montado na parte inferior ou um cone para facilitar a retirada da pasta aquosa do reator.

[0055] Alguns exemplos não-limitadores de dispositivos de introdução de pasta aquosa são descritos na Figuras 1A a 1D. A Figura 1A descreve uma modalidade na qual o dispositivo de introdução de entrada é um dispositivo dissipador de entrada que compreende um tubo vertical 4 que termina em um braço giratório horizontal 10 com portas de saída 12A e 12B que se estendem sobre os conteúdos da pasta aquosa 8. Nesta modalidade, o diâmetro do tubo vertical 4 tem uma razão entre 0,01:1 a 0,2:1 do diâmetro do reator. A matéria- prima celulósica é introduzida na tubulação vertical 4 e escoa de forma descendente através da tubulação vertical 4 e no braço giratório horizontal 10 e que sai através das portas de saída 12A e 12B. O braço horizontal 10 tem um diâmetro de 0,01 a 0,2:1 do diâmetro do reator e um comprimento de 0,05 a 0,6 do diâmetro do reator. A rotação do braço horizontal 10 pode situar-se na faixa de 0,5 a 5. Pela introdução da pasta celulósica nos conteúdos do reator através de tubos de alimentação e portas de saída rotativas 12A e 12B, a pasta aquosa de entrada é distribuída de forma mais uniforme sobre a superfície dos conteúdos do reator 8.

[0056] A Figura 1B mostra uma outra modalidade na qual o dispositivo de introdução de pasta aquosa é um dispositivo dissipador de entrada que compreende um tubo vertical 4 e uma única placa de distribuidor 16 posicionada sobre a superfície do conteúdo do reator 8. Nesta modalidade, o diâmetro do tubo vertical 4 é de 0,01:1 a 0,2:1 do diâmetro do reator. A placa distribuidora 16 tem um formato de disco, embora outros formatos possam ser empregados, como um quadrado ou em oval. A espessura da placa é suficiente para suportar o impacto de entrada de alimentação e pode ser facilmente selecionada por uma pessoa versada na técnica. O diâmetro do disco em relação ao diâmetro do reator de fluxo pistonado é 0,05 a 0,6. O disco 16 é suportado por hastes que se estendem a partir das paredes laterais do reator ou a partir de uma parede de topo do reator (não mostrado). O disco 16 é posicionado no topo da pasta aquosa, parcialmente submersa ou totalmente submersa dentro dos 5% do volume da pasta aquosa. A pasta celulósica é introduzida no tubo vertical 4 e flui de forma descendente pelo tubo 4. A pasta aquosa sai pela saída do tubo 4, cai na placa distribuidora em formato de disco 16 e em seguida flui pela placa. Ao fluir pela placa distribuidora 16, a quantidade de movimento da pasta aquosa é reduzida, que, por sua vez, promove mais fluxo pistonado dos conteúdos do reator 8.

[0057] Em tais modalidades em que o tubo de alimentação vertical 4 é empregada, a pasta aquosa de entrada pode cair pela saída da tubulação para a superfície de um elemento que se estende radialmente, como uma placa de dispersão, de 10 centímetros a 230 centímetros, de 13 centímetros a 180 centímetros, de 15 centímetros a 150 centímetros, de 18 centímetros a 127 centímetros ou 20 centímetros a 100 centímetros (4 polegadas a 90 polegadas, 5 polegadas a 70 polegadas, 6 polegadas a 60 polegadas, 7 polegadas a 50 polegadas ou 8 polegadas a 40 polegadas), ou qualquer valor entre os mesmos.

[0058] A Figura 1C mostra uma modalidade semelhante em que o dispositivo dissipador de entrada compreende tubo vertical 4 e duas placas distribuidoras em formato de disco, 16A e 16B posicionada uma no topo da outra com um vão entre elas. Nesta modalidade, o tubo vertical 4 é conectado ao topo da placa distribuidora 16A. A pasta aquosa da matéria-prima celulósica é alimentada através do tubo 4 e flui através do vão entre e as placas distribuidoras 16A e 16B. A passagem da pasta aquosa entre as placas 16A e 16B cria uma queda de pressão que facilita a distribuição uniforme da alimentação na área da seção transversal das placas distribuidoras 16A e 16B. O diâmetro do tubo 4 e as placas distribuidoras 16A e 16B são as mesmas descritas acima em relação à Figura 1B. A posição das placas distribuidoras 16A e 16B em relação à pasta aquosa é semelhante conforme descrito na Figura 1B. Conforme a Figura 1B, as placas 16A e 16B podem ser fixadas por meio de hastes à parede do reator ou no topo do reator. A distância entre as placas é de 0,64 cm a 13 cm (% pol. a 5 pol.).

[0059] A Figura 1D descreve uma outra modalidade em que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende quatro tubos de alimentação horizontal opostos 18A, 18B, 18C e 18D para introduzir pasta aquosa em uma direção radial através da parede do reator de fluxo pistonado em uma região de entrada do reator 6. Semelhante às Figuras 1A a C, o diâmetro dos tubos de alimentação horizontal são 0,01:1 a 0,2:1 do reator de diâmetro. As portas de alimentação 18A, 18B, 18C e 18D estão localizadas a uma altura ao longo do reator, de modo que a pasta aquosa da matéria-prima celulósica é introduzida pelas portas de alimentação ao longo da superfície dos conteúdos do reator 6. Os tubos de alimentação horizontal 18A, 18B, 18C e 18D podem estar posicionados no topo da pasta aquosa, parcialmente submersos ou totalmente submersos dentro de 5% do topo da pasta aquosa. Embora quatro tubos de alimentação horizontais sejam mostrados na Figura 1D, os tubos de alimentação 1 a 8 podem ser empregados ou os tubos de alimentação 2 a 8. Pela introdução da pasta aquosa com o referido dispositivo de introdução de pasta aquosa, a quantidade de movimento da pasta aquosa de entrada é reduzida que, por sua vez, promove mais fluxo pistonado ideal dos conteúdos do reator 8.

[0060] Outros dispositivos de introdução de entrada que podem ser usados na prática de modalidades da invenção incluem cones invertidos e tubulação de entrada estendida. Semelhante a uma placa distribuidora, um cone invertido reduz a quantidade de movimento da pasta aquosa da matéria-prima celulósica por meio de fluxo na superfície do cone. O diâmetro do cone invertido em relação ao diâmetro do reator de fluxo pistonado é de 0,05:1 a 0,6:1. Um tubo de entrada se estende para dentro, levemente para cima ou no topo dos conteúdos da pasta aquosa, de modo a reduzir a quantidade de movimento da pasta aquosa e aumentar o fluxo pistonado. O tubo de entrada estendido pode se estender para dentro da região de entrada do reator na faixa de cerca de 13 centímetros (5 polegadas) acima ou abaixo do topo da pasta aquosa. O diâmetro do tubo de entrada estendido em relação ao diâmetro do reator de fluxo pistonado pode ser 0,01:1 a 0,2:1.

[0061] Conforme descrito anteriormente, o reator é projetado de modo a obter um fluxo pistonado de conteúdos do reator. A frase "manter substancialmente um fluxo pistonado de conteúdos do reator" significa que os conteúdos do reator podem fluir através do reator sem qualquer impedimento significativo para a pasta aquosa que flui após fluir sobre ou através do dispositivo dissipador de entrada. Por exemplo, exclui os reatores que têm um rotor e estator e que são destinados a conferir cisalhamento à pasta aquosa e fornecer exposição contínua da superfície celulósica. A manutenção de um fluxo pistonado ou fluxo pistonado substancial dos conteúdos do reator é difícil de se obter em tais reatores. Sem limitação, o reator não misturado é, tipicamente, cilíndrico em seção transversal (perpendicular à direção do fluxo da pasta aquosa quando o reator estiver em uso).

[0062] O tempo de residência médio da pasta fluida de reator de fluxo pistonado pode ser pelo menos 90% do tempo de residência médio (volume/taxa de fluxo).

[0063] O termo "reator orientado verticalmente" significa que um reator é vertical ou substancialmente vertical. Pelo termo "substancialmente vertical" significa um reator que, quando em funcionamento, é orientado para cima a partir de 45° de uma linha perpendicular traçada à superfície na qual o reator é suportado. Em algumas modalidades da invenção, o reator é orientado até 30° de uma linha perpendicular traçada a horizontal.

[0064] A pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada introduzida no reator de hidrólise não misturado tem entre cerca de 8% em peso e cerca de 40% em peso, entre cerca de 10% em peso e cerca de 40% em peso ou entre cerca de 12% em peso e cerca de 40% em peso de sólidos não dissolvidos (UDS) ou qualquer faixa entre os mesmos. Em outra modalidade da invenção, a pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada tem entre cerca de 15% em peso e cerca de 30% em peso de sólidos não dissolvidos, ou qualquer faixa entre os mesmos ou entre cerca de 15% em peso e cerca de 24% em peso de sólidos não dissolvidos (p/p). O teor de sólidos não dissolvidos tem como base no peso seco dos sólidos e é medido de acordo com o procedimento apresentado no Exemplo 1.

[0065] A consistência de sólidos anteriormente mencionados pode ser obtida por desidratação das preparações de matéria-prima antes do pré- tratamento, incluindo, por exemplo, uma matéria-prima mergulhada, uma matéria-prima lixiviada ou qualquer outra pasta aquosa da matéria-prima. Alternativamente, uma etapa de drenagem pode ser executada após o pré- tratamento na pasta aquosa da matéria-prima pré-tratada. Sem limitação, os dispositivos de drenagem adequados incluem prensas de parafuso, filtros, centrífugas e extrusoras. Em uma outra modalidade, a pasta fluida pode ser preparada pela adição de quantidades suficientes de água ou solução aquosa a uma matéria-prima que foi submetida à redução de tamanho de partícula para se obter teor de sólidos nesta faixa (consulte, por exemplo, WO 2009/125292 que é aqui incorporado para referência).

[0066] A hidrólise não misturada é uma operação contínua. Tipicamente, uma operação contínua começa após uma saída temporária, como é familiar àqueles versados na técnica. Uma razão adequada entre altura e diâmetro de um reator de hidrólise contínuo não misturado está entre cerca de 0,2:1,0 e cerca de 10,0:1,0, entre cerca de 1:1 e cerca de 6:1, entre cerca de 2:1 e cerca de 6:1, ou qualquer razão entre estes. A razão entre altura e diâmetro pode representar o volume do reator ocupado pela pasta aquosa ao invés das dimensões do reator. Deve-se compreender que, durante o funcionamento, o reator de hidrólise não misturado não precisa ser completo.

[0067] Um exemplo de uma faixa para o diâmetro do reator de hidrólise não misturado está entre cerca de 0,3 m e cerca de 9 m (1 pé e cerca de 30 pés) ou entre cerca de 0,3 m e cerca de 7,6 m (1 pé e cerca de 25 pés).

[0068] O número de reatores de hidrólise não misturados no sistema não depende do custo dos reatores, o volume da pasta aquosa e outros fatores. Para uma unidade comercial, o número típico de reatores de hidrólise não misturados pode ser, por exemplo, de 1 a 10. Os reatores não misturados podem estar em uma configuração consecutiva ou paralela. Os versados na técnica podem prontamente selecionar uma opção adequada pela relação das vantagens e desvantagens de cada modelo de esquema.

[0069] A hidrólise enzimática da celulose em açúcares solúveis pode ser executada com qualquer tipo de enzimas celulase adequadas para tais propósitos, independentemente de sua fonte. Entre as células mais amplamente estudadas, caracterizadas e comercialmente produzidas estão aquelas obtidas de fungos dos gêneros Aspergillus, Humicola, Chrysosporium, Melanocarpus, Myceliopthora, Sporotrichum e Trichoderma, e das bactérias dos gêneros Bacillus e Thermobifida. As enzimas celulase podem compreender pelo menos duas enzimas celobiohidrolase denominadas CBHI e CBII (também conhecido como Cel7 e Cel6, de acordo com a designação da família glicosídeo hidrolase) e pelo menos quatro enzimas EG incluindo, mas não se limitam a, EGI, EGII, EGII e EGV (também conhecido como Cel7, Cel5, Cel12 e Cel45, respectivamente). Consulte Lynd et al., 2002, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 66(3):506-577 para uma revisão de sistemas de enzima celulase e Coutinho and Henrissat, 1999, "Carbohydrate-active enzymes: an integrated database approach". In Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering, Gilbert, Davies, Henrissat and Svensson eds., The Royal Society of Chemistry, Cambridge, pp. 3 a 12).

[0070] A conversão de celobiose e glicose é executado pela enzima beta- glicosidase. O termo "beta-glicosidase", significa qualquer enzima que hidrolisa o dímero de glicose, celobiose, em glicose. A atividade da enzima β-glicosidase é definida por sua atividade pela Enzyme Commission como EC 3.2.1.21. A enzima beta-glicosidase pode decorrer de várias fontes; entretanto, em todos os casos, a enzima β-glicosidase pode hidrolisar a celobiose em glicose. A enzima β- glicosidase pode ser uma Família 1 ou Família 3 de glicosídeo hidrolase, embora outros membros de família possam ser usados. Em uma modalidade preferencial, a enzima β-glicosidase é a proteína Bgl1 de Trichoderma reesei. Também é contemplado que a enzima β-glicosidase pode ser modificada para incluir um domínio de ligação de celulose, desse modo permitindo que a presente enzima se ligue à celulose.

[0071] Além de CBH, EG e beta-glucosidase, existem várias enzimas acessórias que auxiliam na digestão enzimática de celulose (consulte pedido de patente WO 2009/026722 (Scott), que é aqui incorporado para referência e Harris et al., 2010, Biochemistry, 49:3305 a 3316). Incluem EGIV, também conhecido como glicosídeo hidrolase 61, swollenin, expansin, lucinen e proteína induzida por celulose (CIP). A glicose pode ser enzimaticamente convertida em dímeros gentiobiose, soforose, laminaribiose e outros, através de reações de transglicosilação beta-glucosidase.

[0072] Uma dosagem adequada de celulase pode ser de cerca de 1,0 a cerca de 40,0 mg unidades de papel filtro (FPU ou IU) por grama de celulose, ou qualquer quantidade dentro desse intervalo. A FPU é uma medida padrão familiar àqueles versados na técnica e é definida e medida de acordo com Ghose (Pure Appl e. Chem., 1987, 59:257 a 268; que é aqui incorporada para referência). Uma dosagem de celulase preferencial é de cerca de 10 a 20 FPU por grama de celulose.

[0073] As enzimas celulase podem ser adicionadas à pasta aquosa de matéria-prima antes ou durante sua introdução no reator de hidrólise não misturado ou o próprio reator de hidrólise não misturado. Exemplos de métodos para a adição de enzima incluem injeção direta, que podem envolver o uso de mistura; mistura estática ou não rotativa; ou motorizada, mistura em linha, que pode empregar os dispositivos rotativos em linha ou trituradores em linha. Alternativamente, as enzimas podem ser adicionadas diretamente ao reator de hidrólise, embora a adição de enzimas antes da introdução da matéria-prima pré- tratada no reator de hidrólise seja preferida para dispersão ideal de mistura da enzima na pasta aquosa. As enzimas podem ser manipuladas em uma solução aquosa ou como um pó ou granulado.

[0074] A hidrólise enzimática no reator não misturado produz açúcares solúveis, incluindo glicose, oligômeros, dímeros e/ou glicose. A enzima beta- glicosidase pode ser omitida da mistura de enzimas, no entanto, é preferencial incluí-la durante a hidrólise, já que o rendimento de glicose é significativamente reduzido em sua ausência.

[0075] A hidrólise enzimática é, geralmente, realizada a um pH entre cerca de 4,0 e 6,0, já que está dentro da faixa ideal de pH da maioria das celulases. Quando o pH da matéria-prima celulósica pré-tratada é ácido, o pH pode tipicamente ser aumentado com álcali de cerca de pH 4,0 a cerca de 6,0 antes da hidrólise enzimática, ou mais tipicamente entre cerca de 4,5 e cerca de 5,5. Entretanto, são conhecidas as celulases com pH ideal com valores de pH mais ácido e mais alcalino.

[0076] O pH da matéria-prima celulósica pré-tratada pode ser ajustado com amônia, hidróxido de amônio, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, carbonato de potássio, bicarbonato de potássio, carbonato de sódio, bicarbonato de sódio, carbonato de cálcio ou cal, embora o ajuste de pH não seja limitado a esses produtos químicos. O álcali pode ser adicionado como um sólido, como uma solução em água ou uma pasta aquosa. Por exemplo, a amônia pode ser adicionada como um gás ou como hidróxido de amônio.

[0077] O álcali pode ser adicionado à matéria-prima pré-tratada depois de ser resfriado, antes do resfriamento, ou em pontos antes e após o resfriamento. O ponto de adição de álcali pode coincidir com a adição de enzima celulase ou o ponto de adição pode ser a montante ou a jusante do local de adição de enzima. Se a enzima for adicionada a montante do ponto de adição de álcali, o tempo de contato da enzima a um pH mais baixo da matéria-prima pré-tratada seria tipicamente reduzido para evitar inativação de enzima. Sem limitação, é preferencial que o álcali é adicionado antes da adição de enzima ou simultaneamente com o mesmo.

[0078] O álcali pode ser adicionado na linha para a matéria-prima pré- tratada, como um misturador em linha, para bombear a jusante de um pré- tratamento ou diretamente no reator não misturado. Uma bomba que compreende portas de injeção de produtos químicos, e que promove a mistura, como uma bomba de consistência média, pode ser empregada para dispersar álcali e enzima simultaneamente. Sem limitação, um dispositivo de mistura em linha pode ser empregado para adicionar separadamente álcali e enzima.

[0079] A temperatura da pasta aquosa é ajustada de modo que esteja dentro da faixa ideal para a atividade das enzimas celulase. Geralmente, uma temperatura de cerca de 45°C a cerca de 70°C, ou cerca de 45°C a cerca de 65°C, ou qualquer temperatura intermediária, é adequada para a maioria das enzimas celulase. Entretanto, a temperatura da pasta aquosa pode ser mais alta para enzimas celulase termofílicas. Deve ser entendido que a temperatura pode não ser constante por todo o reator. Para o propósito da presente especificação, a faixa de temperatura é aquela da maior parte dos conteúdos do reator.

[0080] A fim de manter a temperatura de hidrólise desejada, os reatores de hidrólise podem ser encamisados com vapor d' água, reatores, água quente, ou outras fontes de calor. Além disso, os reatores podem ser isolados para reter calor.

[0081] O tempo de residência hidráulica no reator não misturado pode estar entre 0,5 e 36 horas, entre 4 e 24 horas, ou entre 6 e 12 horas. O limite superior desta faixa é geralmente limitado pela instabilidade de fluxo.

[0082] A matéria-prima enzimaticamente tratada resultante da hidrólise não misturada pode se assemelhar a um tampão de material, ou a consistência pode ser similar a de uma pasta fluida aquosa. Como usado aqui, o termo "pasta aquosa da matéria-prima" refere-se a uma matéria-prima pré- tratada que se assemelha a uma pasta fluida aquosa ou de uma mistura de celulose parcialmente hidrolisada que se parece com um tampão de material.

[0083] Em algumas modalidades, a hidrólise enzimática e a fermentação são realizadas em tanques separados, de modo que cada reação biológica possa ocorrer na sua respectiva temperatura ideal. Entretanto, a hidrólise pode ser realizada simultaneamente com fermentação em uma sacarificação e fermentação simultânea. SSF é tipicamente realizada a temperaturas de 35 a 38°C, que é um compromisso entre 50°C ideal para a celulase e 28°C ideal para levedura.

Hidrólise misturada

[0084] De acordo com algumas modalidades, a pasta aquosa de matéria- prima celulósica a partir da hidrólise misturada é posteriormente alimentada em um ou mais reatores de hidrólise que hidrolisa a matéria-prima sob mistura, conforme descrito mais adiante neste documento. No sistema de reator ou reator não misturado, a hidrólise enzimática da celulose reduz a viscosidade da matéria-prima celulósica pré-tratada. Vantajosamente, pela redução da viscosidade da matéria-prima pré-tratada por hidrólise enzimática, as exigências de energia associadas à mistura são reduzidas durante a hidrólise da mistura de celulose parcialmente hidrolisada no(s) reator(es) de hidrólise misturado(s).

[0085] Deve ficar entendido que as medições de viscosidade são dependentes das características do fluido que está sendo medido. Para fins dessa especificação, o termo "viscosidade" é usado para indicar as pastas aquosas espessas ou finas no sentido qualitativo.

[0086] De acordo com uma modalidade da invenção, após a conclusão da hidrólise não misturada, a conversão de porcentagem de celulose na mistura de celulose parcialmente hidrolisada está entre cerca de 10% em peso e a cerca de 70% em peso ou entre cerca de 15% em peso e cerca de 65% em peso ou entre 10% em peso e cerca de 50% em peso ou a cerca de 10% em peso e cerca de 40% em peso ou qualquer valor entre os mesmos. A porcentagem de hidrólise da celulose nesta mistura é medida de acordo com o método do Exemplo 2 e é medida na saída do reator de hidrólise não misturado ou, se um sistema de reatores de hidrólise não misturados na saída do último reator no sistema.

[0087] Vários exemplos de configurações de reatores misturados e não misturados em paralelo, em série e combinações dos mesmos que podem ser empregados de acordo com a invenção são mostrados na patente US n° 8.709.770, que é aqui incorporada para referência. A mistura no(s) reator(es) de hidrólise misturado(s) pode ser obtida por qualquer meio convencional, incluindo misturadores mecânicos como edutores, agitadores ou propulsores montados no topo, na lateral ou na parte inferior; movimentação rápida de fluxos de pasta líquida bombeada em ou através do vaso; e/ou a introdução ou geração de gases ou vapores no vaso. Um reator de hidrólise misturado particularmente adequada é um reator tanque agitado contínuo (Reator CSTR).

[0088] Semelhante à hidrólise não misturada, a hidrólise enzimática na hidrólise misturada é geralmente realizada em um pH entre cerca de 4,0 e 6,0, já que está dentro da faixa de pH ideal da maioria das celulases. Entretanto, são conhecidas as celulases com pH ideal com valores de pH mais ácido e mais alcalino.

[0089] A temperatura da pasta aquosa durante a hidrólise misturada é ajustada de modo que esteja dentro da faixa ideal para a atividade das enzimas celulase. Geralmente, uma temperatura de cerca de 45°C a cerca de 70°C, ou cerca de 45°C a cerca de 65°C, ou qualquer temperatura intermediária, é adequada para a maioria das enzimas celulase. Entretanto, a temperatura da pasta aquosa pode ser mais alta para enzimas celulase termofílicas.

[0090] O(s) reator(es) de hidrólise misturada pode(m) ser submetido(s) à agitação leve, tipicamente com uma entrada de potência máxima de até 590 W/4500 litros (0,8 hp/1000 galões) ou pode receber agitação pesada de até 15 kW/4500 litros (20 hp/1000 galões).

[0091] Opcionalmente, uma quantidade adicional de enzima celulase pode ser adicionada durante a hidrólise misturada.

[0092] Quando a hidrólise é realizada em um sistema de hidrólise misturada que inclui múltiplos reatores de hidrólise misturados, o número de reatores de hidrólise misturados no sistema depende do custo dos reatores, o volume da pasta aquosa e outros fatores. Para uma unidade de escala comercial, o número típico de reatores de hidrólise pode ser, por exemplo, de 3 a 12. De preferência, a hidrólise enzimática misturada é um processo contínuo, com alimentação contínua de matéria-prima celulósica pré-tratada e remoção da glicose. Entretanto, deve-se compreender que os processos em batelada e em batelada alimentada estão também incluídos dentro do escopo da presente invenção.

[0093] Para manter a temperatura da hidrólise desejada, os conteúdos do reator(s) de hidrólise são opcionalmente aquecidos ou resfriados. O aquecimento ou resfriamento pode ser realizado com aquecimento ou camisas de resfriamento ou troca de calor com pasta fluida recirculada. O fluido de aquecimento ou resfriamento usado no trocador de calor ou na camisa pode incluir vapor, água quente, água fria, salmoura ou glicol. Deve-se compreender que a temperatura dos conteúdos do reator durante a hidrólise misturada pode ser mantida dentro de uma faixa desejada sem qualquer aquecimento ou resfriamento dos conteúdos do reator.

[0094] Outros parâmetros de desenho do sistema de hidrólise misturada podem ser ajustados como necessário. Por exemplo, o volume de um reator de hidrólise misturado em uma hidrólise da celulase pode estar na faixa de cerca de 100.000 L a cerca de 20.000.000 L, ou qualquer volume entre os mesmos, por exemplo, entre 200.000 e 5.000.000 L, ou qualquer quantidade entre os mesmos. O tempo total de residência da pasta aquosa em um sistema de hidrólise pode estar entre cerca de 12 horas a cerca de 200 horas, ou qualquer quantidade entre os mesmos.

[0095] Após a hidrólise misturada ser concluída, o produto é glicose e qualquer celulose não-reagida. Os sólidos insolúveis presentes no fluxo resultante, incluindo lignina, podem ser removidos usando técnicas convencionais de separação sólido-líquido antes de qualquer outro processamento. Entretanto, pode ser desejável transportar sólidos e líquidos na corrente de açúcar para processamento adicional.

[0096] De acordo com uma modalidade da invenção, entre cerca de 75% e cerca de 100% (p/p) da celulose na pasta aquosa de matéria-prima pré- tratada é convertida em glicose e/ou celobiose no término da hidrólise misturada, ou entre cerca de 85% e cerca de 95%, ou qualquer faixa entre os mesmos. Isso inclui faixas com limites numéricos de 75, 80, 85, 90, 95 ou 100%. A determinação da conversão de celulose é descrita no Exemplo 2.

Fermentação

[0097] A fermentação de açúcar resultante da hidrólise pode produzir um ou mais produtos de fermentação selecionados de um álcool, um álcool de açúcar, um ácido orgânico e uma combinação dos mesmos (consulte, também, Feng et al., American Chemical Society, 11 de julho de 2011 em Sustainable Production of Fuels, Chemicals, and Fibers from Forest Biomass; Zhu, J., et al.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2011).

[0098] A fermentação é tipicamente realizada em um pH entre cerca de 4,0 e cerca de 6,0, entre cerca de 4,5 e cerca de 6,0. Para obter a faixa de pH para fermentação anteriormente mencionada, pode ser necessário adicionar álcali ao fluxo que compreende glicose.

[0099] Em uma modalidade, o produto de fermentação é um álcool, como etanol ou butanol. Para a produção de etanol, a fermentação é tipicamente realizada com uma levedura Saccharomyces spp. A glicose e a outras hexoses presentes em qualquer fluxo de açúcar podem ser fermentadas para etanol por Saccharomyces cerevisiae, embora as leveduras modificadas geneticamente, possam ser empregadas também, conforme discutido abaixo. O etanol pode então ser destilado para obter uma solução de etanol concentrada. O butanol pode ser produzido a partir de glicose por um microorganismo como Clostridium acetobutylicum e, então, concentrado por destilação.

[0100] A xilose e arabinose que são derivados de hemiceluloses podem também ser fermentadas em etanol por levedura que contém uma cepa naturalmente, ou tiver sido modificada para conter, a capacidade de fermentar açúcares em etanol. Exemplos de micróbios que foram geneticamente modificados para fermentar xilose incluem cepas recombinantes de Saccharomyces nas quais foi inserido (a) os genes de xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH) a partir de Pichia stipitis (consulte, por exemplo, as patentes US n°s 5.789.210, 5.866.382, 6.582.944 e 7.527.927 e a patente europeia n° 450530) ou (b) gene de xilose isomerase (XI) fúngica ou bacteriana (consulte, por exemplo, as patentes US n°s 6.475.768 e 7.622.284). Exemplos de levedura que foram geneticamente modificados para fermentar L- arabinose incluem, mas não se limitam a, cepas recombinantes de Saccharomyces nas quais foram inseridos os genes de rotas metabólicas de arabinose fúngica (por exemplo a patente US n° 7.527.951) ou bacteriana (por exemplo, WO 2008/041840).

[0101] Ácidos orgânicos que podem ser produzidos durante a fermentação incluem ácido láctico, ácido cítrico, ácido ascórbico, ácido málico, ácido succínico, ácido pirúvico, ácido hidroxipropiônico, ácido itaconóico e acético. Em um exemplo não limitador, o ácido láctico é o produto de fermentação de interesse. Os micro-organismos industriais mais conhecidos para a produção de ácido láctico a partir da glicose são espécies do gênero Lactobacillus, Bacillus e Rhizopus.

[0102] Além disso, os açúcares de pentose e xilose podem ser fermentados em xilitol por cepas selecionadas do grupo consistindo em Candida, Pichia, Pachysolen, Hansenula, Debaryomyces, Kluyveromyces e Saccharomyces. As bactérias são também conhecidas por produzir xilitol, incluindo Corynebacterium sp., Enterobacter liquefaciens e Mycobacterium smegmatis.

[0103] Na prática, a fermentação é realizada geralmente em ou próximo à temperatura e pH ideais do micro-organismo de fermentação. Uma faixa de temperatura típica para a fermentação de glicose em etanol usando Saccharomyces cerevisiae está entre cerca de 25°C e cerca de 35°C, embora a temperatura possa ser mais alta se a levedura for naturalmente ou geneticamente modificada para ser termoestável. A dose do micro-organismo de fermentação dependerá de outros fatores, como a atividade do micro-organismo de fermentação, o tempo de fermentação desejado, o volume do reator e outros parâmetros. Deve ser entendido que estes parâmetros podem ser ajustados conforme desejado por uma pessoa versada na técnica para alcançar condições ideais de fermentação.

[0104] A fermentação também pode ser suplementada com nutrientes adicionais requeridos para o crescimento do microorganismo de fermentação. Por exemplo, extrato de levedura, aminoácidos específicos, fosfato, fontes de nitrogênio, sais, elementos de traço e vitaminas podem ser adicionados para hidrolisar a pasta aquosa para suportar seu crescimento.

[0105] A fermentação pode ser realizada em batelada, em batelada alimentada ou contínua com ou sem agitação. De preferência, os reatores de fermentação são agitados levemente com agitação mecânica. Uma fermentação comercial e típica pode ser feita com o uso de reatores múltiplos. Os micro-organismos de fermentação podem ser reciclados novamente no fermentador ou podem ser enviados para destilação sem reciclagem.

[0106] Se etanol ou butanol for o produto de fermentação, a recuperação pode ser executada por meio de destilação, tipicamente com concentração adicional, como peneiras moleculares ou extração por membrana.

[0107] O caldo de fermentação que é enviado para a destilação é uma solução de álcool diluída contendo sólidos, incluindo celulose não convertida e quaisquer componentes adicionados durante a fermentação para suportar crescimento dos microorganismos.

[0108] Os micro-organismos podem estar potencialmente presentes durante a destilação dependendo se os mesmos foram, ou não, reciclados durante a fermentação. O caldo pode ser preferencialmente 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 do 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.

[0109] Naquelas modalidades em que o etanol é concentrado, a(s) coluna(s) na unidade de destilação pode ser preferencialmente 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 é enviada para a coluna de cerveja onde é parcialmente concentrada. Da coluna de cerveja, o vapor d 'água segue para uma coluna de retificação para purificação adicional. Alternativamente, é empregada uma coluna de destilação que compreende uma seção de enriquecimento ou retificação integral.

[0110] 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.

[0111] Uma corrente aquosa que permanece após a destilação de etanol e que contém sólidos, chamados de "fundos fixos" é retirada do fundo de um ou mais das colunas de uma unidade de destilação. Essa corrente conterá sais inorgânicos, açúcares não fermentados e sais orgânicos.

[0112] Quando o álcool apresentar um ponto de ebulição mais alto que a água, como o butanol, a destilação é 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".

[0113] A presente invenção será ilustrada adicionalmente nos exemplos a seguir. Entretanto, deve ser entendido que estes exemplos são somente para fins ilustrativos e não devem ser usados para limitar o escopo da presente invenção. Exemplos

Exemplo 1: Determinação da concentração de sólidos não dissolvidos em uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica

[0114] A determinação do teor de sólidos não dissolvidos (UDS) é executada da seguinte forma.

[0115] 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 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 UDS é quantificado mediante a determinação de, como uma porcentagem, do número de sólidos secos por grama de pasta aquosa.

Exemplo 2: Determinação do grau de conversão de celulose após a hidrólise misturada ou não misturada

[0116] O grau de conversão de celulose é determinado pela medição das concentrações iniciais de celulose, glicose e celobiose e as concentrações de glicose e celobiose após realizar a hidrólise não misturada ou misturada e aplicar as seguintes equações.

X = Conversão de celulose (%) G = Concentração de glicose (g/L) Go = Concentração inicial de glicose (g/L) G2 = Concentração de dímero (g/L); inclui principalmente celobiose, mas também gentiobiose e outros dímeros G2o = Concentração inicial de dímero (g/L); inclui principalmente celobiose, mas também gentiobiose e outros dímeros Gmax = Conversão de glicose a uma conversão de celulose 100% (g/L) Co = Concentração inicial de celulose (%) Xo= Concentração de xilose (g/L)

Exemplo 3: Distribuição de tempo de residência da pasta aquosa que flui através de um reator vertical que compreende um dispositivo dissipador de entrada

[0117] Este exemplo demonstra que o uso de um dispositivo de introdução de pasta aquosa em um reator de fluxo pistonado que compreende uma tubulação de entrada vertical e uma placa distribuidora pode aumentar o tempo de residência de uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica em relação a um reator sem tal dispositivo.

[0118] A matéria-prima usada nesse exemplo foi o bagaço de cana-de- açúcar. O bagaço de cana-de-açúcar sofreu redução de tamanho da partícula e pré-tratado com ácido sulfúrico a uma temperatura elevada. As condições de reação para o pré-tratamento são conforme apresentado na patente US. n° 7.754.457, que é aqui incorporada para referência.

[0119] O tempo de residência para a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada foi estudado no reator de fluxo pistonado vertical. A pasta aquosa da matéria-prima celulósica foi introduzida no topo do reator de fluxo pistonado e, então, segue para baixo através do reator até a saída. O dispositivo de introdução de pasta aquosa usado neste exemplo é mostrado na Figura 1B. O reator de fluxo pistonado tinha uma razão entre comprimento e diâmetro de 2 e o volume era de 220 L. A taxa de fluxo da pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré-tratada entre 25 e 30 L/min, assim o tempo médio de residência esperado foi de 7,3 a 8,4 minutos.

[0120] Com referência à Figura 1B, a pasta aquosa de matéria-prima celulósica de entrada foi alimentada através de uma tubulação de entrada 4 e a placa distribuidora em forma de disco 16 foi colocada 8 polegadas abaixo da saída da tubulação de entrada 4 na superfície dos conteúdos do reator 8. A distância da queda a partir da extremidade adjacente da tubulação de entrada 4 até a superfície da pasta aquosa em uma região de entrada 6 do reator de fluxo pistonado era de 8 polegadas. Para comparar o efeito do tempo de residência com e sem uma placa distribuidora, o tempo de residência também foi medido pela introdução da pasta aquosa celulósica pré-tratada por meio de uma tubulação de entrada 4 sem uma placa distribuidora disposta abaixo de sua saída.

[0121] O tempo de residência foi medido como uma distribuição de tempo de residência (RTD) com estudos de sinalizador, usando o iodeto como sinalizador. O sinalizador de iodeto introduzido na entrada do reator de fluxo pistonado e o tempo através do reator e da saída foi medido e quantificado como o tempo de passagem. O tempo de passagem foi, então, comparado a um tempo de residência médio esperado e calculado com o fluxo pistonado ideal. A distribuição de tempo de residência foi determinada nesse exemplo para duas concentrações diferentes de sólidos não dissolvidos (UDS); especificamente 12,8 e 11,6% em peso.

[0122] A razão entre o tempo de passagem do sinalizados medido e o tempo de residência médio calculado e esperado era usado para avaliar quantitativamente o volume efetivo do reator. Uma passagem do sinalizador, conforme indicado por uma razão da unidade inferior entre o tempo passagem e o tempo de residência médio esperado, mostra uma canalização e o volume estável no reator de fluxo pistonado.

[0123] Os dados da Figura 2 mostram o efeito positivo da placa distribuidora de alimentação de entrada em relação ao tempo de passagem do sinalizador. Quando a placa distribuidora é usada para dissipar a quantidade de movimento axial da alimentação de entrada, o tempo de passagem do sinalizador é mais próximo do tempo médio de residência. Os dados da Figura 2 prevê o uso de um dispositivo de introdução de pasta aquosa que compreende uma placa distribuidora levaria a uma maior eficácia do volume do reator em comparação ao fornecimento de tal placa.

[0124] Deve-se compreender que os exemplos anteriormente mencionados servem a propósitos ilustrativos apenas e não devem ser interpretados como uma limitação à invenção atual de nenhuma maneira.

Claims (25)

1. Processo para produção de glicose de uma matéria-prima celulósica caracterizado por compreender as etapas de: (i) fornecer uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré- tratada com conteúdo de sólidos não dissolvidos entre 5 e 40% em peso de sólidos não dissolvidos; (ii) transportar uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré- tratada em um reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo; (iii) introduzir a pasta aquosa de matéria-prima celulósica em uma região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo usando um dispositivo de introdução de pasta aquosa que reduz a quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator; e (iv) hidrolisar a dita pasta aquosa da matéria-prima celulósica pré- tratada no reator de hidrólise de fluxo pistonado por contato com a matéria- prima celulósica com pelo menos enzimas celulase para produzir glicose.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende duas ou mais portas de alimentação que introduzem a pasta aquosa horizontalmente através de uma parede do dito reator adjacente a uma região de topo do conteúdo do reator.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a hidrólise é realizada com beta-glicosidase.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que uma matéria-prima celulósica parcialmente hidrolisada da etapa (iv) é alimentada a um reator de hidrólise misturado e adicionalmente hidrolisada no mesmo.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a porção da celulose hidrolisada no reator de fluxo pistonado está entre 10% em peso e 100% em peso.

6. Processo para produzir um produto de fermentação a partir de uma matéria-prima celulósica caracterizado por compreender as etapas de: (i) fornecer uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré- tratada com conteúdo de sólidos não dissolvidos entre 5 e 40% em peso de sólidos não dissolvidos; (ii) colocar a matéria-prima celulósica pré-tratada no reator de hidrólise de fluxo pistonado; (iii) introduzir a pasta aquosa de matéria-prima celulósica em uma região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado usando um dispositivo de introdução de pasta aquosa que reduz a quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator; (iv) hidrolisar a dita pasta aquosa de matéria-prima celulósica no reator de hidrólise de fluxo pistonado por contato da matéria-prima celulósica com pelo menos enzimas celulase para produzir glicose; (v) opcionalmente, hidrolisar, ainda, uma pasta aquosa produzida na etapa (iv) em um reator de hidrólise misturado; e (vi) fermentar a glicose produzida a partir da etapa (iv) ou (v) com micro-organismos para produzir o produto de fermentação.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o produto da fermentação é um álcool.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o álcool é um etanol.

9. Sistema para hidrolisar uma matéria-prima celulósica caracterizado por compreender: (i) um reator de pré-tratamento para produzir uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada; (ii) um dispositivo para transportar a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada; e (iii) um reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo para receber a matéria-prima pré-tratada a partir do dito aparelho e a hidrólise da matéria- prima celulósica pré-tratada com enzimas celulase, o dito reator de hidrólise de fluxo pistonado compreendendo um dispositivo de introdução da pasta aquosa para reduzir quantidade de movimento axial da pasta aquosa na superfície dos conteúdos do reator quando o reator está em funcionamento.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda um ou mais reatores de hidrólise misturados para receber e hidrolisar uma pasta aquosa de matéria-prima que tenha sido parcialmente hidrolisada no reator de hidrólise de fluxo pistonado.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o aparelho é um tubo.

12. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução da pasta aquosa compreende uma porta de alimentação que termina em uma placa distribuidora disposta em uma região de entrada do reator de hidrólise.

13. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende um tubo e um braço horizontal giratório, o dito braço giratório compreendendo uma primeira e uma segunda porta de saída.

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende um tubo e uma primeira e segunda placa distribuidora em formato de disco, a dita primeira e segunda placa distribuidora em formato de disco posicionada uma no topo da outra com um vão entre elas, de forma que a pasta aquosa de matéria-prima celulósica é alimentada através do fluxo de tubo através do vão.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende uma pluralidade de tubos de alimentação horizontal para introduzir uma pasta aquosa na direção radial.

16. Reator de hidrólise de fluxo pistonado descendente orientado verticalmente para hidrolisar uma pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré- tratada caracterizado por compreender: (i) um dispositivo de introdução de pasta aquosa para reduzir a quantidade de movimento axial na superfície do conteúdo do reator quando o dito reator está em funcionamento; e (ii) uma saída em uma região inferior do reator de hidrólise de fluxo pistonado para retirar a pasta aquosa que é pelo menos parcialmente hidrolisada do reator; o dito reator de fluxo pistonado compreendendo uma matéria-prima celulósica pré-tratada e enzimas celulase e com uma razão entre altura e diâmetro de 0,2:1,0 a 10,0:1,0.

17. Reator de hidrólise não misturado orientado verticalmente, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que um dispositivo de introdução de pasta aquosa é um dispositivo dissipador com uma placa distribuidora.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda: a) duas ou mais portas de alimentação que introduzem a pasta aquosa horizontalmente através de uma parede do dito reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo adjacente a uma região de topo do conteúdo do reator; b) uma porta de alimentação que termina em uma placa distribuidora disposta em uma região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo; c) um tubo e primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco, a dita primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco posicionadas uma no topo da outra com um vão entre elas, de forma que a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada é alimentada através do fluxo de tubo através do vão; ou d) um tubo e um braço horizontal giratório, o dito braço giratório compreendendo primeira e segunda portas de saída.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda uma placa distribuidora disposta em uma região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo.

20. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda um tubo e uma primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco, a dita primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco posicionada uma no topo da outra com um vão entre elas, de forma que a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-tratada é alimentada através do fluxo de tubo através do vão.

21. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda um tubo e um braço horizontal giratório, o dito braço giratório compreendendo uma primeira e uma segunda porta de saída.

22. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda um dispositivo dissipador configurado para dispersar a pasta aquosa a um ângulo deslocado da direção do fluxo da pasta aquosa.

23. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda uma placa distribuidora.

24. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda um cone invertido.

25. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de introdução de pasta aquosa compreende ainda: a) uma ou mais portas de alimentação que introduzem a pasta aquosa horizontalmente através de uma parede do dito reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo adjacente a uma região de topo do conteúdo do reator; b) uma porta de alimentação que termina em uma placa distribuidora disposta em uma região de entrada do reator de hidrólise de fluxo pistonado contínuo; c) um tubo e primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco, a dita primeira e segunda placas distribuidoras em formato de disco posicionadas uma no topo da outra com um vão entre elas, de forma que a pasta aquosa de matéria-prima celulósica pré-trarada é alimentada através do fluxo do tubo através do vão; d) um tubo e um braço horizontal giratório, o dito braço giratório compreendendo uma primeira e uma segunda porta de saída; ou e) um cone invertido.

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