BR112018010741B1

BR112018010741B1 - Método para resfriamento e hidrólise de biomassa pré-tratada e sistema para hidrólise de biomassa

Info

Publication number: BR112018010741B1
Application number: BR112018010741-7A
Authority: BR
Inventors: Stephen A. Rowland; Chris MALLALIEU; Ryan Taylor; Ziyad Rahme
Original assignee: Iogen Energy Corporation
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2022-11-22
Also published as: WO2017088061A1; BR112018010741A2; CA3002682A1; BR112018010741A8; CA3002682C; US10889795B2; US20180355303A1

Abstract

Descarregar a biomassa pré-tratada a partir de um reator de pré-tratamento e misturar a biomassa pré-tratada descarregada com um líquido de resfriamento em um vaso fornece uma pasta aquosa resfriada tendo uma consistência que é menor que cerca de 12%, em peso. Uma vez que a consistência é relativamente baixa, a pasta aquosa resfriada pode ser bombeada até uma elevação mais alta com o uso de equipamento de bombeamento padrão. Na elevação mais alta, a pasta aquosa resfriada pode ser separada em um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta aquosa e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa (por exemplo, tendo uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso). O componente sólido pode ser alimentado em uma entrada de um reator de hidrólise, enquanto o componente líquido pode ser alimentado em um sistema de resfriamento que fornece um fluxo resfriado. O fluxo resfriado pode, então, ser reciclado de volta para o vaso.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente revelação se refere a um sistema e método para hidrolisar biomassa e, em particular, a um sistema e método para resfriar a biomassa pré- tratada antes da hidrólise.

ANTECEDENTES

[0002] A produção de combustíveis para transporte (por exemplo, etanol) a partir de biomassa continua a atrair o interesse, devido ao baixo custo e ampla disponibilidade de biomassa, e porque os biocombustíveis podem ser usados para substituir o uso de combustíveis fósseis. Por exemplo, o etanol pode ser misturado com gasolina em concentrações predeterminadas (por exemplo, 10%).

[0003] Os biocombustíveis de primeira geração, também chamados de biocombustíveis convencionais, são produzidos a partir de biomassa que contém açúcar, amido ou óleo vegetal. Por exemplo, o etanol pode ser produzido por fermentação de açúcares que são facilmente extraídos de plantações de açúcar (por exemplo, cana-de-açúcar ou beterraba sacarina), ou pode ser produzido por fermentação de açúcares derivados de matérias-primas à base de amido (por exemplo, grãos de milho, cevada, trigo, batata ou mandioca). De fato, o desvio do cultivo ou das plantações para a produção de biocombustível de primeira geração levou a um grande debate sobre o aumento no preço dos alimentos e/ou redução do fornecimento de alimentos associados ao mesmo. Além disso, existem preocupações relacionadas à energia e ao impacto ambiental desses processos de produção.

[0004] Biocombustíveis de segunda geração, também chamados de biocombustíveis avançados, sendo que a biomassa contém material lignocelulósico e/ou é obtida a partir de resíduos agrícolas ou sobras (por exemplo, sabugos de milho, forragem de milho (por exemplo, colmos e folhas), bagaço de cana, lascas de madeira, resíduos de madeira), podem atenuar alguns desses problemas. Por exemplo, quando o bioetanol produzido usando-se processos de segunda geração (isto é, também chamado de como etanol celulósico) é derivado de refugo ou resíduo agrícola, sua produção não deve afetar a produção alimentar. De fato, grandes esforços têm sido feitos para avançar os processos de produção de etanol celulósico.

[0005] A biomassa lignocelulósica tipicamente contém celulose, hemicelulose e lignina, cada uma das quais está presente nas paredes celulares vegetais. A celulose (por exemplo, um tipo de glucano) é um polissacarídeo de cadeia não- ramificada que inclui monômeros de açúcar hexose (C6) (por exemplo, glicose). A hemicelulose é um polissacarídeo de cadeia ramificada que pode incluir diferentes monômeros de açúcar pentose (C5) (por exemplo, xilose e arabinose) em adição à glicose. A lignina é um polímero orgânico complexo que tipicamente inclui polímeros reticulados de fenol. Embora seja geralmente insolúvel em água em condições moderadas, a lignina pode ser solúvel em graus variados de ácido diluído ou base alcalina. A razão e/ou a estrutura desses componentes podem variar dependendo da fonte de biomassa.

[0006] A produção de etanol a partir da biomassa lignocelulósica envolve mais frequentemente a decomposição da celulose e/ou da hemicelulose em açúcares constituintes, que podem ser fermentados. Infelizmente, a celulose, a hemicelulose e/ou a lignina encontradas na biomassa lignocelulósica são tipicamente estruturadas dentro das paredes vegetais para resistir à degradação. Por exemplo, acredita-se que a lignina, que pode ser o componente mais recalcitrante da biomassa lignocelulósica, esteja firmemente ligada à celulose e/ou hemicelulose.

[0007] Em geral, a biomassa lignocelulósica pode ser decomposta em açúcares em um ou mais estágios, sendo que ao menos um estágio inclui uma hidrólise química (por exemplo, que pode incluir a adição de ácido, base e/ou calor) e/ou uma hidrólise enzimática (por exemplo, que inclui o uso de enzima(s)).

[0008] Por exemplo, uma abordagem comum para converter biomassa lignocelulósica em açúcar(es) inclui (a) um estágio de pré-tratamento, seguido de (b) hidrólise ácida ou enzimática. Nessa abordagem, o objetivo do estágio de pré- tratamento pode ser decompor a estrutura de lignina e/ou romper a estrutura cristalina da celulose, de modo que os ácidos ou enzimas usados na hidrólise subsequente possam facilmente acessar e hidrolisar a celulose em açúcar, que pode então ser fermentado em etanol.

[0009] Em geral, qualquer método de pré-tratamento que aprimora a taxa e/ou rendimento de açúcar na hidrólise (por exemplo, pela liberação da celulose da lignina e/ou tornando a celulose mais acessível) pode ser usado. Alguns exemplos de pré-tratamentos incluem pré-tratamento com ácido diluído, pré- tratamento com álcali (por exemplo, cal), expansão de fibra com amônia, auto- hidrólise (por exemplo, extração em água quente que não exige a adição de ácidos ou bases), explosão de vapor d'água, solvente orgânico e/ou oxidação úmida. Alternativamente, outro pré-tratamento é usado.

[0010] Em muitos casos, mas não em todos, o pré-tratamento envolverá o aquecimento e/ou a adição de calor à biomassa lignocelulósica na presença de água (por exemplo, em um reator sob pressão). A presença de calor e água pode romper as ligações de hidrogênio na matéria-prima lignocelulósica e fazer com que a biomassa se expanda. Por exemplo, o pré-tratamento pode incluir a injeção de vapor d’água sob alta pressão em um reator contendo a biomassa lignocelulósica. Na maior parte desses casos, a temperatura de pré-tratamento estará abaixo de cerca de 300°C. Por exemplo, a temperatura de pré-tratamento pode estar entre cerca de 130°C e cerca de 240°C, ou entre cerca de 180°C e cerca de 230°C, enquanto a pressão pode estar entre 0,19 MPa e cerca de 4,8 MPa (28 psig e cerca de 700 psig), ou entre cerca de 1 MPa e cerca de 2,52 MPa (145 psig e cerca de 365 psig). O tempo de reação de pré-tratamento pode estar entre alguns segundos até 30 min ou mais.

[0011] Embora a presença de água possa ser vantajosa em termos de produção de um substrato rompido e/ou hidratado, grandes quantidades de água podem aumentar a quantidade de calor necessário para que a biomassa atinja a temperatura de pré-tratamento desejada. Por exemplo, se a biomassa lignocelulósica for aquecida mediante a injeção de vapor d’água no reator de pré- tratamento, mais vapor d’água será necessário para uma biomassa de baixa consistência do que para a biomassa de alta consistência (por exemplo, para alcançar a mesma temperatura dentro do reator).

[0012] Em geral, o termo "consistência" refere-se à quantidade de sólidos secos não dissolvidos ou "UDS" de uma amostra, e é muitas vezes expressa como uma razão em uma base de peso (p:p), ou como porcentagem em uma base de peso, por exemplo, % (p/p), também denotada aqui como % em peso. Por exemplo, a consistência pode ser determinada por filtração e lavagem da amostra para remover os sólidos dissolvidos e, então, secagem da amostra em uma temperatura e durante um período de tempo que é suficiente para remover a água da amostra, mas que não resulte em degradação térmica da amostra. Após a remoção da água, ou secagem, os sólidos secos são pesados e o peso de água na amostra é a diferença entre o peso da amostra e o peso dos sólidos secos.

[0013] Em geral, a água pode também ser adicionada à matéria-prima lignocelulósica para formar uma pasta aquosa e, dessa forma, facilitar o transporte e o manuseio mecânico da matéria-prima (por exemplo, bombeamento). Por exemplo, a pasta aquosa da matéria-prima lignocelulósica, que inclui pedaços ou partículas de matéria-prima lignocelulósica em água, é mais facilmente bombeada quando tem uma consistência entre cerca de 1 e cerca de 10% em peso de sólidos secos não dissolvidos.

[0014] Além de facilitar o bombeamento da biomassa lignocelulósica, o uso de pastas aquosas de baixa consistência pode resultar em menos danos ao equipamento (por exemplo, devido à erosão e/ou corrosão). Ao contrário, o uso de pastas aquosas de consistência relativamente altas pode ser vantajoso para o pré-tratamento (por exemplo, conforme discutido na publicação de patente US n° 20130071903). Por exemplo, em pré-tratamentos tendo uma etapa de aquecimento, a quantidade de energia necessária para aquecer está relacionada à massa total da pasta aquosa de matéria-prima, incluindo a água adicionada para transporte da matéria-prima. Consequentemente, o uso de uma matéria-prima de consistência relativamente alta pode reduzir a energia necessária para aquecimento no pré-tratamento (por exemplo, se calor for fornecido por uma camisa de aquecimento, a adição de água quente e/ou a adição de vapor d’água). Além disso, o uso de um sistema de pré-tratamento de consistência relativamente alta também pode ser vantajoso em termos de redução do custo de capital (por exemplo, reatores a jusante menores) e/ou custos operacionais (por exemplo, menos energia para aquecimento, resfriamento e/ou evaporação a jusante). Ademais, os custos de uso de água podem ser reduzidos, o que é especialmente vantajoso em climas áridos onde a água é extremamente valiosa.

[0015] Um método para redução do teor de água e os consequentes requisitos de energia para aquecimento durante o pré-tratamento, é remover a água da pasta aquosa da matéria-prima de entrada antes da execução do pré-tratamento, como por exemplo, é descrito no documento WO 2010/022511. Por exemplo, a matéria- prima drenada pode ser produzida por vários dispositivos, como alimentadores de rosca de tampão e prensas de rosca pressurizadas. Em alguns casos, 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 dentro de um dispositivo de formação de tampão ou a remoção de água e a formação de tampão podem ser executadas em peças separadas do equipamento. Alternativamente, é possível eliminar a remoção de água a montante da formação de tampão se o teor de sólidos da matéria-prima já estiver em uma alta consistência desejada.

[0016] Entretanto, apesar das vantagens anteriormente mencionadas associadas a pastas aquosas de consistência relativamente alta, seu manuseio a jusante do pré-tratamento pode apresentar problemas. Por exemplo, para que os reatores agitados convencionais misturem a pasta aquosa altamente viscosa de maneira eficaz (por exemplo, durante a hidrólise enzimática), uma entrada de alimentação muito grande pode ser necessária. Além disso, pode ser necessário equipamento especializado para transportar a biomassa lignocelulósica pré-tratada dentro do sistema. Esses requisitos podem aumentar significativamente o capital e custos operacionais do processo. Por exemplo, embora a biomassa lignocelulósica com uma consistência abaixo de cerca de 12% em peso possa ser transferida para dentro do sistema com uma bomba convencional (por exemplo, uma bomba centrífuga), bombear a biomassa lignocelulósica pré-tratada que tem uma consistência maior que cerca de 12% em peso pode exigir uma bomba de consistência média (por exemplo, uma bomba centrífuga especial ou uma bomba de deslocamento positivo), enquanto bombear a biomassa lignocelulósica pré-tratada com uma consistência maior que cerca de 15% em peso pode exigir uma bomba de deslocamento positivo. Infelizmente, o custo dessas bombas especializadas é significativamente mais alto (por exemplo, comparado às bombas usadas para bombear a biomassa pré-tratada que tem uma consistência menor que cerca de 12%, em peso). Além disso, as bombas de deslocamento positivo, como bombas de cavidade progressiva, podem ter pressões de descarga muito altas e/ou ter altas taxas de desgaste. Além disso, o diâmetro dos tubos usados para transportar essas pastas aquosas altamente viscosas pode precisar ser relativamente grande para reduzir a queda de pressão (isto é, uma vez que altas velocidades de fluxo e/ou altas viscosidades do fluido resultam em uma maior queda de pressão através de uma seção de tubo e uma vez que velocidades de fluxo baixas significam tubos maiores). Por exemplo, embora a biomassa lignocelulósica com uma consistência abaixo de cerca de 12%, em peso, possa ser transportada em uma tubulação com uma velocidade na ordem de cerca de 2,1 m/s (7 pés/segundo), pode ser melhor bombear a biomassa lignocelulósica com uma consistência maior que cerca de 15%, em peso, com uma velocidade maior que 0,6 m/s (2 pés/segundo) para reduzir a queda de pressão. Notavelmente, a biomassa lignocelulósica pré-tratada, que frequentemente tem uma textura enlameada, pode ser mais difícil de bombear do que a biomassa lignocelulósica que não foi pré-tratada, mesmo para as mesmas consistências. Alternativamente, e/ou adicionalmente, a biomassa lignocelulósica que tem uma consistência maior que cerca de 15%, em peso, pode ser transferida dentro do sistema usando esteiras transportadoras horizontais (por exemplo, esteiras transportadoras de rosca) e/ou a força da gravidade. Mais especificamente, a saída de um componente pode precisar ser deslocada verticalmente a partir da entrada de um componente sucessivo de modo que a transferência da biomassa lignocelulósica seja auxiliada pela gravidade. Infelizmente, se o número de componentes e/ou o tamanho dos componentes for grande, isso pode aumentar os requisitos de altura de construção.

[0017] Outro desafio de pré-tratamento das pastas aquosas de alta consistência é que pode ser muito difícil resfriar uma pasta aquosa espessa (por exemplo, tendo cerca de 15% de UDS ou mais). Por exemplo, pode ser desejável resfriar a matéria-prima pré-tratada a partir da temperatura de pré-tratamento (por exemplo, que pode situar-se entre cerca de 100°C e 300°C, entre 120°C e 240°C, entre 160°C e 230°C e/ou entre 180°C e 230°C) a uma temperatura que seja compatível com micro-organismos(s) usado(s) em uma conversão biológica subsequente. Por exemplo, as enzimas usadas na hidrólise podem ter faixas de temperatura ótimas dentro da faixa entre 20°C e 90°C, entre 30°C e 65°C, entre 40°C e 60°C ou entre 45°C e 55°C. Em geral, a temperatura de pré-tratamento máxima e/ou final pode depender do tipo de matéria-prima, enquanto que a faixa de temperatura da hidrólise pode depender das condições de hidrólise (por exemplo, pH, quantidade e/ou tipo de mistura, tempo de permanência) e/ou a quantidade e/ou tipo de enzima(s) usada(s) (por exemplo, enzimas termofílicas e/ou termoestáveis podem tolerar temperaturas mais altas).

[0018] Uma abordagem para resfriar as pastas aquosas de alta consistência (por exemplo, com ao menos 18%, em peso, de UDS) é descarregar a pasta aquosa pré-tratada a quente em um ou mais tanques flash. Quando a pasta aquosa quente e sob alta pressão é descarregada em um tanque de pressão mais baixa, a temperatura da pasta aquosa cai, liberando calor que evapora uma porção da pasta aquosa (isto é, para produzir um fluxo flash). Em geral, a temperatura da pasta aquosa resfriada está relacionada à pressão no tanque de flash. Se o tanque flash estiver sob pressão atmosférica, a pasta aquosa de alta consistência pode ser resfriada a uma temperatura relativamente alta até cerca de 100°C. Entretanto, se o tanque flash estiver sob vácuo, a pasta aquosa de alta consistência pode ser resfriada de uma temperatura relativamente alta até abaixo de 100°C (por exemplo, a 50°C). Infelizmente, os tanques flash a vácuo são muito caros e grandes. Além disso, para facilitar a transferência da matéria-prima de alta consistência por meio da gravidade (por exemplo, para permitir a descarga do tanque flash a vácuo através de uma conta-gotas e uma porta de vedação), esse componente volumoso pode precisar estar situado em alta elevação. Além disso, o transporte da pasta aquosa resfriada pode ainda exigir diluição, bombas de especialidade e/ou tubos de diâmetro muito grande devido à alta viscosidade da pasta aquosa. Além disso, misturar produtos químicos e/ou enzimas de ajuste de pH com uma pasta aquosa de alta consistência pode ser difícil.

[0019] Outra abordagem para resfriar as pastas aquosas de alta consistência é adicionar água fria à pasta aquosa antes da transferência da pasta aquosa para o tanque de hidrólise. Infelizmente, grandes volumes de água fria podem ser necessários para atingir a temperatura desejada. Embora a adição de grandes volumes de água possa facilitar o bombeamento com uma bomba de baixa consistência, o excesso de água pode aumentar o volume de líquido sendo alimentado ao reator de hidrólise, o que pode necessitar do uso de um recipiente maior, e/ou pode resultar em uma solução de açúcar relativamente diluída (por exemplo, após a hidrólise) e/ou solução de etanol (por exemplo, após a fermentação). De fato, mesmo se a água fria incluir água reciclada de outro processo (por exemplo, do depósito), os desafios ainda podem surgir das condições relativamente diluídas.

[0020] Na publicação de patente US N° 2015/0240198, Romero et al. discutem um sistema para resfriamento da biomassa pré-tratada antes da mistura com enzimas, sendo que um fluxo de mistura parcialmente hidrolisada é resfriado e usado como um agente refrigerante para a biomassa pré-tratada quente. Ao recircular a mistura parcialmente hidrolisada como um agente refrigerante, a quantidade de água de resfriamento necessária é reduzida. Além disso, pode não haver necessidade de aumentar o tamanho do reator de hidrólise, e o rendimento final de concentração de açúcar pode ser aumentado. Infelizmente, o sistema proposto ainda se baseia em bombas de consistência média para transferir a pasta aquosa pré-tratada para o tanque de hidrólise. Além disso, como o fluxo reciclado compreenda uma mistura parcialmente hidrolisada, a qual pode ser relativamente viscosa, o trocador de calor usado para resfriar a pasta aquosa pode não ser tão eficiente quanto seria para uma pasta aquosa menos viscosa. Além disso, como a pasta aquosa resfriada pode ser transferida com uma bomba de consistência misturada, a consistência da pasta aquosa pode não ser alta o suficiente para ser compatível com processos de hidrólise enzimática de alta consistência.

SUMÁRIO

[0021] A presente revelação descreve uma ou mais modalidades, sendo que a biomassa pré-tratada é misturada com um líquido de resfriamento para produzir uma pasta aquosa resfriada e menos viscosa, facilitando assim o bombeamento da mesma. Antes da hidrólise, a pasta aquosa resfriada é submetida a uma separação sólido-líquido (por exemplo, através de uma ou mais centrífugas decantadoras), que remove ao menos uma porção do líquido para fornecer um fluxo de líquido e um fluxo de sólidos. Os sólidos são transportados para o reator de hidrólise e/ou fermentação, enquanto que o fluxo de líquido (por exemplo, centrato) é resfriado e reciclado de volta ao processo para fornecer ao menos uma porção do líquido de resfriamento.

[0022] Um aspecto da presente revelação refere-se a um método para resfriamento da biomassa pré-tratada que compreende: descarregar a biomassa pré- tratada a partir de um reator de pré-tratamento; misturar a biomassa pré-tratada descarregada com um líquido de resfriamento em um vaso, o vaso incluindo uma saída para fornecer uma pasta aquosa; bombear a pasta aquosa até um separador de sólido-líquido, o dito separador sólido-líquido para fornecer um primeiro fluxo que compreende um componente líquido da pasta aquosa e um segundo outro fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa; alimentar ao menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido a uma entrada de um reator de hidrólise; alimentar ao menos uma porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido para um sistema de resfriamento para fornecer um fluxo resfriado; e alimentar ao menos uma porção do fluxo resfriado até o vaso para fornecer líquido de resfriamento.

[0023] Mais um aspecto da presente descrição refere-se a um sistema para hidrolisar biomassa que compreende: um reator de pré-tratamento para pré-tratar a biomassa antes da reação de hidrólise; um primeiro sistema de resfriamento em comunicação fluida com o reator de pré-tratamento para receber biomassa pré-tratada descarregada a partir do reator de pré-tratamento, o primeiro sistema de resfriamento incluindo um vaso que tem uma entrada para receber um líquido de resfriamento, um agitador para misturar a biomassa pré-tratada descarregada a partir do reator de pré- tratamento com o líquido de resfriamento, e uma saída para fornecer uma pasta aquosa que compreende a biomassa pré-tratada; um sistema de separação sólido- líquido para separar a pasta aquosa em um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta aquosa e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa; um reator de hidrólise em comunicação fluida com o sistema de separação sólido-líquido, o reator de hidrólise tendo uma entrada para receber ao menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido; um segundo sistema de resfriamento para reduzir a temperatura de ao menos uma primeira porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido para fornecer um fluxo resfriado; ao menos uma tubulação para transportar ao menos uma porção do fluxo resfriado para o vaso para fornecer líquido de resfriamento; e uma bomba para transferir a pasta aquosa do vaso para o sistema de separação sólido-líquido.

[0024] Ainda outro aspecto da presente revelação se refere a um método para hidrolisar biomassa que compreende: descarregar a biomassa de um reator de pré- tratamento pressurizado em um tanque flash, a diferença na pressão entre o reator de pré-tratamento pressurizado e o tanque flash fazendo com que a biomassa resfrie de uma primeira temperatura para uma segunda temperatura; misturar a biomassa descarregada com um líquido de resfriamento em uma zona de mistura do tanque flash para formar uma pasta aquosa que tem uma consistência que é menor que cerca de 12% em peso, a pasta aquosa estando a uma terceira temperatura menor que a segunda temperatura; bombear a pasta aquosa tendo uma consistência que é menor que cerca de 12%, em peso, até um separador sólido-líquido, o dito separador sólido-líquido para fornecer um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta aquosa e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa, o dito outro segundo fluxo tendo uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40% em peso; alimentar ao menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido a uma entrada de um reator de hidrólise; alimentar ao menos uma porção da primeira corrente que compreende o componente líquido a um sistema de resfriamento para fornecer um fluxo resfriado, o fluxo resfriado tendo uma quarta temperatura, a quarta temperatura menor que a terceira temperatura e menor que cerca de 50°C; e alimentar ao menos uma porção do fluxo resfriado até o tanque flash.

[0025] Ainda outro aspecto da presente revelação se refere a um sistema para hidrolisação da biomassa que compreende: um reator de pré-tratamento para o pré- tratamento de biomassa; um reator de hidrólise para hidrolisar a biomassa pré- tratada; e um sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado disposto a jusante do reator de pré-tratamento e a montante do reator de hidrólise para resfriar a biomassa pré-tratada antes da hidrólise, o dito sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado compreendendo: um vaso que tem uma entrada para o recebimento de um líquido de resfriamento, uma zona de mistura para misturar a biomassa descarregada do reator de pré-tratamento com o líquido de resfriamento e uma saída para fornecer uma pasta aquosa que compreende a biomassa pré- tratada; um separador sólido-líquido para remover o líquido da pasta aquosa de modo que a biomassa tendo uma consistência maior que cerca de 15%, em peso, é alimentada no reator de hidrólise; um dispositivo de resfriamento para reduzir a temperatura de ao menos uma porção do líquido removido da pasta aquosa para fornecer um fluxo resfriado; e um ou mais condutos para transportar ao menos uma porção do fluxo resfriado para o vaso.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] A Figura 1 é um diagrama de fluxo de um método de acordo com uma modalidade da invenção;

[0027] A Figura 2 é um diagrama esquemático mostrando um sistema para hidrólise de biomassa de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0028] A Figura 3 é um diagrama esquemático mostrando um sistema para hidrólise de biomassa de acordo com outra modalidade da presente invenção;

[0029] A Figura 4 é um diagrama esquemático mostrando um sistema para hidrólise de biomassa de acordo ainda com outra modalidade da presente invenção;

[0030] A Figura 5 é um diagrama esquemático mostrando um sistema para resfriamento de biomassa pré-tratada antes da hidrólise de acordo com uma modalidade da presente invenção; e

[0031] A Figura 6 é um diagrama esquemático mostrando um exemplo de um sistema para resfriamento de biomassa pré-tratada antes da hidrólise de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0032] Certas modalidades exemplificadoras da invenção serão agora descritas em mais detalhes, com referência aos desenhos, nos quais as características similares são identificadas por números de referência similares. A invenção pode, no entanto, ser incorporada em várias formas diferentes e não deve ser interpretada como uma limitação às modalidades aqui descritas.

[0033] A terminologia usada aqui tem o propósito de descrever certas modalidades apenas e não se destina a limitar a invenção. Por exemplo, como usado aqui, as formas singulares "um/uma" e "o/a" podem incluir referências no plural, a menos que o contexto determine claramente o contrário. Os termos "compreende", "compreendendo", "incluindo" e/ou "inclui", como usados aqui, têm por objetivo significar "incluindo, mas não se limitando a". O termo "e/ou", como usado aqui, tem por objetivo se referir a um ou a ambos os elementos assim unidos. A frase "ao menos um", em referência a uma lista de um ou mais elementos, tem por objetivo referir-se a ao menos um elemento selecionado dentre um ou mais dos elementos na lista de elementos, mas não incluindo necessariamente ao menos um de cada e todo elemento especificamente listado na lista de elementos. Dessa forma, como um exemplo não limitador, a expressão "ao menos um dentre A e B" pode se referir a ao menos um A sem B presente, ao menos um B sem A presente ou ao menos um A e ao menos um B em combinação. Os termos "primeiro", "segundo", etc. podem ser usados para distinguir um elemento de outro, e esses elementos não devem ser limitados por esses termos. Exceto onde definido em contrário, todos os termos técnicos e científicos usados na presente invenção têm o mesmo significado, conforme comumente compreendido pelo versado na técnica.

[0034] Com referência à Figura 1, é mostrado um método de acordo com uma modalidade da invenção. A biomassa é alimentada para um pré-tratamento 10, que envolve uma etapa de aquecimento para produzir a biomassa pré-tratada. A biomassa pré-tratada é resfriada em um estágio de mistura 20, sendo que um líquido de resfriamento é misturado com a biomassa pré-tratada. Uma vez que o líquido de resfriamento suficiente foi adicionado para resfriar a biomassa até uma temperatura predeterminada e/ou dentro de uma faixa de temperatura predeterminada, a biomassa é submetida a uma separação sólido-líquido 30, que remove ao menos uma porção do líquido de resfriamento adicionado no estágio de mistura 20. Um fluxo líquido produzido pela separação sólido-líquido 30 é reciclado de volta para o estágio de mistura 20 depois de ser resfriado 40 (isto é, para fornecer ao menos uma porção do líquido de resfriamento adicionado no estágio de mistura 20), fornecendo, dessa forma, um circuito de resfriamento 60. Um fluxo sólido produzido pela separação sólido-líquido 30 é alimentado à conversão biológica 50 (por exemplo, hidrólise e/ou fermentação).

[0035] Vantajosamente, a quantidade e/ou temperatura do líquido de resfriamento adicionado no estágio de mistura 20 pode ser selecionada de modo que a consistência da biomassa pré-tratada após a mistura 20 seja reduzida a um ponto em que possa ser bombeada para um estágio subsequente com o uso de uma bomba relativamente barata (por exemplo, uma bomba centrífuga) e uma tubulação de diâmetro relativamente pequeno (por exemplo, dimensionada para fornecer uma velocidade de fluxo entre cerca de 1,2 e 3 m/s (cerca de 4 e 10 pés/segundo)). Por exemplo, em uma modalidade, a consistência é reduzida para menos que cerca de 12%, em peso. Em uma modalidade, a consistência é reduzida para menos que cerca de 10%, em peso. Em outra modalidade, a consistência é reduzida para cerca de 8%, em peso. Isso é particularmente benéfico quando a planta é projetada de modo que a biomassa pré-tratada precisa ser transportada para uma elevação relativamente alta antes do estágio subsequente. Por exemplo, em alguns sistemas, a entrada para o reator de hidrólise pode estar em um ponto relativamente alto no sistema. Notavelmente, uma vez que a separação sólido-líquido reduz a consistência da biomassa, a quantidade de líquido adicionada durante o resfriamento 20 não deve afetar as operações a jusante.

[0036] De fato, em uma modalidade, o método ilustrado na Figura 1 fornece um sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado entre pré- tratamento e a conversão biológica (por exemplo, o circuito de resfriamento 60 é um sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado). Mais especificamente, ele fornece um sistema sendo que o líquido de resfriamento usado para reduzir a temperatura da biomassa pré-tratada é reciclado diretamente sem afetar substancialmente as reações a jusante e/ou os vasos. A frase "circuito substancialmente fechado" refere-se ao fato de que o grau de separação sólido- líquido fornecido na separação sólido-líquido 30 pode ser selecionado para fornecer uma consistência predeterminada na subsequente conversão biológica e/ou para levar em conta o fato de que líquidos adicionais (por exemplo, produtos químicos de ajuste de pH, soluções enzimáticas, tensoativo, água etc.) podem ser adicionados entre pré-tratamento e a conversão biológica. Em modalidades onde a consistência desejada da biomassa em conversão biológica é substancialmente igual à consistência da biomassa descarregada do pré-tratamento, a quantidade de líquido removido na separação sólido-líquido pode ser substancialmente igual à quantidade de líquido de resfriamento alimentado no estágio de mistura (por exemplo, volume/unidade de tempo), ou pode ser maior que a quantidade de líquido de resfriamento alimentado no estágio de mistura se uma quantidade substancial de outro líquido tiver sido adicionada. Notavelmente, isto é particularmente vantajoso quando a biomassa que tem uma consistência relativamente alta deve ser alimentada na conversão biológica (por exemplo, alta em relação às reações de hidrólise convencionais onde a biomassa inicialmente alimentada à hidrólise tem uma consistência que é menor que 15%, em peso). Nas modalidades em que a quantidade de líquido removido na separação sólido-líquido é maior que a quantidade de líquido de resfriamento alimentado no estágio de mistura, o excesso de líquido (por exemplo, que pode ser alto em açúcares C5) pode ser levado adiante no processo (por exemplo, a um ou mais reatores de fermentação e/ou a um ou mais reatores de hidrólise). Em outras modalidades (por exemplo, onde a consistência desejada da biomassa na hidrólise é menor que a consistência da biomassa descarregada do pré-tratamento, ou em que algum líquido é perdido), a quantidade de líquido removido na separação sólido-líquido pode ser menor que a quantidade de líquido de resfriamento alimentado no estágio de mistura. Nesta última modalidade, o líquido de resfriamento pode ser coberto até o volume adequado (por exemplo, com o uso de água fresca, líquidos reciclados, soluções de produtos químicos de ajuste de pH, etc.).

[0037] Vantajosamente, o circuito de resfriamento 60 também fornece um ponto no processo em que água adicional, soluções (por exemplo, produtos químicos de ajuste de pH) e/ou enzimas podem ser adicionadas à biomassa. Por exemplo, se o pré-tratamento envolve o aquecimento da biomassa em condições de baixo pH, então o pH pode precisar ser ajustado antes de uma subsequente hidrólise enzimática e/ou fermentação. Em uma modalidade, um produto químico de ajuste de pH (por exemplo, um produto químico neutralizante) é introduzido na água de resfriamento antes da mistura da biomassa com a água de resfriamento. Uma vez que a mistura 20 resulta em uma pasta aquosa que tem uma consistência que é menor que cerca de 12%, é obtida uma distribuição uniforme do produto químico adicionado. Em outras modalidades, o produto químico de ajuste de pH, enzimas e/ou outros produtos químicos são adicionados diretamente no misturador e/ou são introduzidos na pasta aquosa em algum ponto antes da separação sólido- líquido.

Biomassa

[0038] A biomassa refere-se a materiais biológicos derivados de organismos vivos ou recentemente vivos. Por exemplo, a biomassa inclui matéria vegetal cultivada para uso como biocombustível, matéria vegetal ou animal usada para a produção de fibras, produtos químicos ou calor e/ou resíduos biodegradáveis. Além disso, o termo biomassa inclui biomassa processada (por exemplo, matéria-prima que foi submetida a uma ou mais etapas de processamento).

[0039] A biomassa alimentada ao pré-tratamento 10 pode incluir qualquer biomassa que deve ser pré-tratada em ao menos uma etapa que usa temperaturas elevadas e, portanto, precisa ser resfriada para uma subsequente conversão biológica (por exemplo, hidrólise e/ou fermentação).

[0040] Em uma modalidade, a biomassa alimentada ao pré-tratamento 10 inclui matéria-prima lignocelulósica ou é derivada de matéria-prima lignocelulósica.

[0041] Entende-se pelo termo "matéria-prima lignocelulósica" qualquer tipo de matéria-prima contendo ao menos celulose e lignina (por exemplo, pode conter biomassa de planta não-lenhosa e/ou matéria-prima derivada de biomassa vegetal). Por exemplo, em uma modalidade, o teor combinado de celulose, hemicelulose e lignina na matéria-prima lignocelulósica é maior que 25%, em peso (p/p). Em uma modalidade, sacarose, frutose e/ou amido também estão presentes, mas em quantidades menores que a celulose e a hemicelulose.

[0042] Alguns exemplos de matéria-prima lignocelulósica e/ou matéria-prima derivada de lignocelulose incluem:(i) culturas energéticas;(ii) resíduos, subprodutos ou resíduos do processamento de biomassa vegetal em um aparato, ou matéria prima derivada da mesma;(iii) resíduos agrícolas;(iv) biomassa florestal;(v) material residual derivado de polpa e produtos de papel;(vi) resíduos de polpa e papel; e/ou (vii) resíduos municipais que incluem componentes removidos de resíduos municipais.

[0043] As culturas energéticas incluem culturas de biomassa como gramíneas, incluindo as gramíneas C4, como capim switchgrass (Panicum virgatum), cana de energia, sorgo, capim cordgrass (do gênero Spartina), azevém (Lolium perenne), miscanthus, capim-amarelo (Phalaris arundinacea), gramíneas C3 como Arundo donax ou uma combinação das mesmas.

[0044] Os resíduos, os subprodutos e os resíduos do processamento de biomassa vegetal em uma instalação de matéria-prima derivada dos mesmos incluem resíduos que permanecem após a obtenção de açúcar de biomassa vegetal, como bagaço de cana-de-açúcar, ponteiros e folhas da cana-de-açúcar, polpa de beterraba, ou resíduos que permanecem após a remoção do açúcar do alcachofra de Jerusalém, ou resíduos que permanecem após o processamento do grão, como fibra de milho, forragem de milho e farelo de grãos.

[0045] Os resíduos agrícolas incluem, mas não se limitam a, forragem de feijão- soja, forragem de milho, forragem de sorgo, ponteiros e/ou folhas de cana-de-açúcar, cascas de arroz, palha de arroz, palha de cevada, espigas de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de aveia, palha de centeio, cascas de aveia, fibra de milho ou espigas de milho. Como usado aqui, a palha refere-se à porção de haste, caule e/ou folhagem das culturas remanescentes após a remoção de componentes contendo amido e/ou açúcar para consumo, enquanto a forragem inclui a porção de caule e folhagem das culturas após a remoção dos componentes contendo amido e/ou açúcar de material de origem vegetal para consumo.

[0046] A biomassa florestal inclui uma fibra de polpa de madeira reciclada, serragem, madeira de lei, madeira macia, aparas e/ou cortes de operações madeireiras. Os resíduos de polpa e de papel incluem resíduos de polpa química como licor negro, licor de sulfito gasto, sedimentos e/ou sólidos finos.

[0047] O resíduo municipal inclui o material ou resíduo pós-consumo de uma variedade de fontes, como fontes domésticas, comerciais, institucionais e/ou industriais. Por exemplo, o termo inclui a recusa da coleta de resíduos e/ou de lodo de esgoto.

[0048] Em uma modalidade, a biomassa inclui matéria-prima lignocelulósica fresca, matéria-prima lignocelulósica parcialmente seca, matéria-prima lignocelulósica totalmente seca, ou uma combinação das mesmas. Em uma modalidade, a matéria-prima lignocelulósica é tratada com um produto químico e armazenada por um período de tempo prolongado. Em uma modalidade, a matéria- prima lignocelulósica é produzida por melhoramento genético de planta ou por engenharia genética. Em uma modalidade, a biomassa inclui uma mistura de fibras que se originam de diferentes tipos de materiais vegetais, incluindo misturas de matérias-primas celulósicas e não celulósicas.

Preparação de Biomassa

[0049] Em uma modalidade, a biomassa é tratada em uma ou mais etapas de preparatórias antes do pré-tratamento 10 e/ou como parte do pré-tratamento 10. Alguns exemplos de preparação de biomassa incluem a redução do tamanho, a lavagem, a formação de pasta fluida, a imersão, a remoção de água, a formação de tampão, a adição de calor e a adição de produtos químicos (por exemplo, pré- tratamento e/ou outros). Em geral, esses tratamentos preparatórios podem depender do tipo de biomassa e/ou do pré-tratamento selecionado.

[0050] Em uma modalidade, a biomassa é submetida a uma redução de tamanho. Por exemplo, em uma modalidade, a matéria-prima lignocelulósica com um tamanho médio de partícula maior que cerca de 15 centímetros (6 polegadas) é submetida à redução de tamanho. Alguns exemplos de métodos de redução de tamanho incluem, mas não se limitam a, moagem, trituração, agitação, corte em tiras, compressão/expansão e/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, a título de exemplo, mas sem constituir- se em limitação, trituradores, moedores de tubo, prensas de cilindro, refinadores e hidrapulperes. Em uma modalidade, ao menos 90%, em volume, das partículas produzidas a partir da redução de tamanho pode ter um comprimento entre cerca de 0,159 e cerca de 16 centímetros (cerca de 1/16 e cerca de 16 polegadas). Em uma modalidade, o equipamento para a redução do tamanho de partícula é um triturador, um refinador ou uma prensa de cilindro como revelado no WO 2006/026863. Em uma modalidade, em que o tamanho de partícula da matéria- prima já está entre 1,3 e 20 centímetros (% a 8 polegadas), a biomassa não é submetida à redução de tamanho.

[0051] Em uma modalidade, a biomassa é lavada para remover areia, cascalho e/ou outras partículas estranhas que, de outro modo, podem causar danos ao equipamento a jusante. Em uma modalidade, a biomassa é lavada antes, durante ou após a redução de tamanho. Em uma modalidade, a biomassa não é lavada.

[0052] Em uma modalidade, a biomassa é transformada em uma pasta fluida (por exemplo, água), que permite que a biomassa seja bombeada. Em uma modalidade, a biomassa é transformada em uma pasta aquosa após a redução de tamanho. A razão desejada entre o peso da água e sólidos da biomassa seca na pasta fluida pode ser determinada por fatores como bombeabilidade, exigências de tubulação e outras considerações práticas. Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa é transformada em uma pasta aquosa para fornecer uma consistência entre cerca de 1%, em peso, e cerca de 40%, em peso ou 1% em peso e 20%, em peso, ou entre cerca de 4%, em peso, e cerca de 10%, em peso.

[0053] Em uma modalidade, a biomassa é embebida em água e/ou uma solução aquosa (por exemplo, compreendendo um pré-tratamento químico). Em uma modalidade, a biomassa é embebida após ser transformada em pasta fluida (por exemplo, a pasta fluida de biomassa é alimentada no tanque de imersão). A alimentação da biomassa transformada em uma pasta aquosa em um tanque de imersão pode permitir que o(s) produto(s) químico(s) de pré-tratamento impregne(m) mais uniformemente a biomassa, que pode, por sua vez, proporcionar um cozimento uniforme na etapa de aquecimento do pré-tratamento. Por exemplo, a imersão da matéria-prima em uma solução compreendendo um produto químico de pré- tratamento (por exemplo, como ácido sulfúrico, ácido sulfuroso ou um álcali) tipicamente fornece uma impregnação uniforme da biomassa com o produto químico de pré-tratamento. A imersão da matéria-prima em água, pode permitir que produtos químicos gasosos de pré-tratamento (por exemplo, dióxido de enxofre) impregnem mais uniformemente e/ou impregnem completamente a biomassa durante as etapas de adição de produtos químicos subsequentes. Em geral, a impregnação uniforme pode assegurar que parte do material não seja cozido em excesso e/ou degradado devido à alta concentração localizada do produto químico de pré-tratamento, e/ou que outra parte do material não seja cozida suficientemente (por exemplo, o que pode resultar em baixo rendimento de xilose e hidrólise de celulose incompleta). O mau cozimento ou o cozimento em excesso da matéria-prima lignocelulósica pode ser particularmente problemático quando a etapa de aquecimento do pré-tratamento é conduzida sob consistência média ou alta dos sólidos devido à não-uniformidade da concentração do produto químico de pré-tratamento e da temperatura estarem mais pronunciadas.

[0054] Em uma modalidade, a imersão é conduzida em baixa consistência. Por exemplo, em uma modalidade, a imersão é conduzida a uma consistência entre 1 e 20%, em peso, (peso:peso), entre 2 e 18%, em peso, ou entre 3 e 15%, em peso. A imersão pode ser realizada em qualquer temperatura e duração adequadas. Por exemplo, em uma modalidade, a imersão é executada de 20°C a 80°C por uma duração na faixa entre cerca de 1 minuto e 20 minutos. A imersão pode ser realizada em um ou mais vasos em batelada ou contínuos, ou uma combinação dos mesmos. Os vasos podem ser vasos misturados, vasos não misturados, ou uma combinação dos mesmos.

[0055] Em uma modalidade, a biomassa é drenada para fornecer uma consistência desejada para a etapa de aquecimento do pré-tratamento. Em uma modalidade, a remoção de água é obtida subsequente à biomassa que é lavada, transformada em pasta aquosa e/ou mergulhada. Em uma modalidade, a desidratação da biomassa inclui a remoção de água da biomassa sob pressão ou à pressão atmosférica. Em uma modalidade, a remoção de água da biomassa não é fornecida. Em uma modalidade, em que a biomassa é submetida à remoção de água após a etapa de imersão, a água da remoção de água é reciclada de volta para a etapa de imersão. Em outra modalidade, em que a biomassa é submetida à remoção de água após a etapa de imersão, a água da remoção de água não é reciclada de volta para a etapa de imersão (por exemplo, de modo que a etapa de imersão seja parte de um estágio de lixiviação e/ou de modo que o líquido da remoção de água possa ser processado separadamente). Em uma modalidade em que a biomassa é submetida à remoção de água após a formação da pasta aquosa e/ou após imersão em água, a água expressada da biomassa na remoção de água é reciclada de volta para as etapas de formação de pasta aquosa e/ou imersão.

[0056] Em uma modalidade, a remoção de água é obtida com o uso de um escorredor, dispositivo de filtração, tela, prensa de rosca, extrusora ou uma combinação dos mesmos. Em uma modalidade, a remoção de água é obtida com o uso de uma centrífuga. Em uma modalidade, a remoção de água é obtida antes e/ou faz parte da formação de tampão. Sem limitação, um dispositivo de formação de tampão que incorpora uma seção de remoção de água pode ser uma prensa de rosca pressurizada ou um alimentador de rosca de tampão, conforme descrito no WO 2010/022511, que é aqui incorporado, a título de referência. Em uma modalidade, em que a biomassa é 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, pode aumentar a pressão da biomassa antes da remoção de água (por exemplo, de cerca de 0,3 MPa a cerca de 6,2 MPa, ou de cerca de 0,5 MPa a cerca de 5,5 MPa ou cerca de 1 MPa a cerca de 4,8 MPa (por exemplo, cerca de 50 psig a cerca de 900 psig, ou de cerca de 70 psig a cerca de 800 psig ou cerca de 140 psig a cerca de 700 psig). A pressão pode ser medida com um sensor de pressão localizado em uma porta de entrada da biomassa em um dispositivo de remoção de água ou um dispositivo de formação de tampão que também remove a água da matéria-prima. Alternativamente, a matéria-prima submetida à remoção de água pode estar na pressão atmosférica ou em uma pressão abaixo de cerca de 0,3 MPa (50 psig).

[0057] Em uma modalidade, a biomassa (por exemplo, que pode ou não ter sido submetida à remoção de água anterior) é submetida à formação de tampão. Em geral, a formação de tampão pode ser considerada uma integração de partículas de biomassa lignocelulósica em uma massa compactada, aqui chamada de tampão. Os dispositivos de formação de tampão podem ou não formar um tampão que age como uma vedação entre áreas de diferente pressão. Por exemplo, dispositivos de formação de tampão podem ser usados na extremidade frontal de um reator de pré-tratamento pressurizado. Em uma modalidade, a biomassa é alimentada em um dispositivo de formação de tampão que remove a água da biomassa e/ou está disposto a jusante de um dispositivo de remoção de água. Em uma modalidade, o dispositivo de formação de tampão que remove a água da biomassa inclui uma carcaça ou envoltório com aberturas através das quais a água pode passar. Alguns exemplos de dispositivos de formação de tampão que removem a água da biomassa incluem um alimentador de rosca de tampão, uma prensa de rosca pressurizada, um alimentador de rosca de pistão coaxial e um dispositivo de rosca modular.

[0058] Em uma modalidade, a biomassa drenada pode ter uma razão entre o peso de água e dos sólidos secos não dissolvidos entre cerca de 0,5:1 (67% em peso) e 5:1 (17% em peso), ou entre cerca de 1:1 (50% em peso) e cerca de 4:1 (20% em peso), ou entre cerca de 1,5:1 (40% em peso) a cerca de 4:1 (20% em peso) ou entre cerca de 1,5:1 (40% em peso) e cerca de 3,5:1 (22% em peso).

[0059] Em uma modalidade, a biomassa é submetida a uma etapa que adiciona calor (por exemplo, aplicação externa de calor, um líquido quente e/ou vapor d’água). Em uma modalidade, a biomassa é aquecida, como parte da etapa de imersão, como parte de uma etapa de lixiviação ou como uma etapa separada. Em uma modalidade, a biomassa é submetida a uma etapa de adição de vapor d'água a montante da entrada no reator de pré-tratamento. Em outra modalidade, a biomassa desidratada é pré-aquecida antes de ser alimentada no reator de pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa desidratada é alimentada em uma "câmara de aquecimento" a jusante ou a "uma câmara de aquecimento de alto cisalhamento", antes de ser alimentada em um reator de pré-tratamento. Por exemplo, a câmara de aquecimento, que pode ser uma câmara alongada orientada horizontalmente ou essencialmente orientada horizontalmente, pode incluir elementos desintegrantes para a desintegração do tampão de biomassa em partículas e/ou pode incluir entradas para a injeção direta de vapor d'água (por exemplo, para pré-aquecer a biomassa e fornecer transferência de calor eficiente) e/ou a adição de produtos químicos de pré- tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, um produto químico de pré-tratamento, como dióxido de enxofre, pode também ser adicionado durante a injeção direta de vapor d'água. Em uma modalidade, a biomassa é pré-aquecida antes de ser alimentada ao reator de pré-tratamento usando uma câmara de aquecimento, conforme revelado, por exemplo, na patente US n° 2013/0071903, que é aqui incorporada, a título de referência. Em uma modalidade, a pressão e a temperatura de operação da câmara de aquecimento correspondem à pressão e à temperatura do reator de pré-tratamento a jusante. Em uma modalidade, a biomassa é residente na câmara de aquecimento durante entre cerca de 1 e cerca de 120 segundos ou mais longo.

Pré-tratamento

[0060] Em geral, o pré-tratamento se refere a uma ou mais etapas, sendo que a biomassa é tratada de modo que a estrutura de fibra da mesma é rompida e/ou de modo a tornar a celulose na biomassa mais suscetível e/ou acessível a enzimas em uma hidrólise subsequente.

[0061] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 inclui a alimentação da biomassa em um reator de pré-tratamento e o aquecimento da biomassa no mesmo (por exemplo, diretamente ou indiretamente) sob pressão. Consequentemente, o reator de pré-tratamento pode incluir uma ou mais válvulas para manter o reator de pré-tratamento a uma pressão predeterminada (por exemplo, maior que cerca de 0,6 MPa e menor que cerca de 4,7 MPa (cerca de 90 psig e menor que cerca de 680 psig)) e/ou meios de aquecimento para aquecer a biomassa (por exemplo, uma jaqueta de aquecimento e/ou entradas para injeção direta de vapor d'água). Notavelmente, a injeção direta de vapor d'água pode ser vantajosa em termos de aquecimento rápido e uniforme da biomassa de alta consistência e/ou para decompor a estrutura da biomassa através de explosão de vapor d'água.

[0062] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 inclui o aquecimento da biomassa em uma temperatura ou faixa de temperatura predeterminadas. Em geral, a temperatura predeterminada será maior que cerca de 100°C. Por exemplo, em uma modalidade, a temperatura de pré-tratamento está entre cerca de 100°C e cerca de 300°C, entre cerca de 160°C e cerca de 280°C e/ou entre cerca de 180°C e cerca de 240°C. Em uma modalidade, a temperatura de pré- tratamento é de cerca de 190°C. Na prática, pode haver um atraso entre o momento em que se inicia o processo de aquecimento é e o tempo em que a biomassa atinge a temperatura de pré-tratamento predeterminada.

[0063] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 inclui o aquecimento da biomassa no reator de pré-tratamento sob condições ácidas ou básicas. Em uma modalidade, as condições ácidas ou básicas são obtidas pela adição de um ou mais produtos químicos de pré-tratamento à biomassa. O(s) produto(s) químico(s) de pré-tratamento pode(m) ser adicionado(s) à matéria-prima durante uma etapa de imersão antes da remoção de água, antes da formação de tampão, à câmara de aquecimento, ao dispositivo de formação de tampão, ao reator de pré-tratamento ou qualquer combinação dos mesmos. O pH pode ser medido tomando-se uma amostra da biomassa a após a adição do(s) produto(s) químico(s) ser concluída, e medindo-se o pH em temperatura ambiente.

[0064] Em uma modalidade, o produto químico de pré-tratamento compreende um ou mais ácidos, de modo que a biomassa no reator de pré-tratamento tenha um pH entre cerca de 0 e cerca de 3,5, entre cerca de 0,5 e cerca de 3 ou entre cerca de 1,0 e cerca de 2,5. Em uma modalidade, os um ou mais ácidos compreendem ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, cloreto de hidrogênio, ácido fosfórico, dióxido de enxofre, ácido oxálico ou uma combinação dos mesmos.

[0065] Em outra modalidade, o produto químico de pré-tratamento compreende álcali e/ou uma ou mais bases, de modo que a biomassa no reator de pré-tratamento tenha um pH entre cerca de 11 e cerca de 13. Em uma modalidade, o álcali e/ou uma ou mais bases compreendem hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, amônia, hidróxido de amônio, carbonato de cálcio, cal ou uma combinação dos mesmos.

[0066] Em outra modalidade, o produto químico de pré-tratamento inclui um ou mais oxidantes, como oxigênio e/ou ozônio.

[0067] O tempo em que a biomassa é mantida na temperatura de pré- tratamento pode depender do tipo de matéria-prima, dos produtos químicos de pré- tratamento (por exemplo, se algum) e/ou do grau desejado de pré-tratamento. Em uma modalidade, o grau de pré-tratamento é selecionado para converter grande parte do componente de hemicelulose em açúcares solúveis (por exemplo, xilose, manose, arabinose e glicose), mas uma pequena parte do componente de celulose (por exemplo, que pode ser hidrolisada em uma hidrólise enzimática subsequente). Por exemplo, em uma modalidade, o grau de pré-tratamento é selecionado de modo que a quantidade de xilano hidrolisado em xilose é maior que cerca de 50, cerca de 60, cerca de 70, cerca de 80 ou cerca de 90% em peso. Em outra modalidade, o grau de pré-tratamento é selecionado de modo que substancialmente nenhum xilano seja hidrolisado para xilose. Em uma modalidade, o grau de pré-tratamento é selecionado para minimizar os produtos de degradação do açúcar, como furfural e 5- hidroximetilfurfural (HFM), que podem inibir a hidrólise enzimática. Em uma modalidade, o grau de pré-tratamento é selecionado para maximizar a quantidade de celulose hidrolisada em glicose.

[0068] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 é um pré-tratamento com ácido diluído selecionado para hidrolisar ao menos uma porção do componente de hemicelulose, mas para minimizar a hidrólise do componente de celulose. Nesta modalidade, o produto químico de pré-tratamento é um ácido como ácido sulfúrico, ácido clorídrico ou ácido oxálico, a temperatura de pré-tratamento situa- se entre cerca de 120 e cerca de 210°C, e o tempo de residência no reator de pré-tratamento situa-se entre segundos e horas (por exemplo, entre cerca de 10 segundos e cerca de 120 minutos). Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa é mergulhada em uma solução de 0,2 a 2,5% em p/p de ácido sulfúrico antes da remoção de água e injeção de vapor d’água.

[0069] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 é um pré-tratamento de SO2 selecionado para hidrolisar ao menos uma porção do componente de hemicelulose e para minimizar a hidrólise do componente de celulose. Nesta modalidade, o produto químico de pré-tratamento é dióxido de enxofre e/ou ácido sulfuroso, a temperatura de pré-tratamento situa-se entre cerca de 180 e cerca de 230°C, e o tempo de residência no reator de pré-tratamento situa-se entre segundos e minutos (por exemplo, entre cerca de 10 segundos e cerca de 30 minutos, e mais comumente menos que cerca de 10 minutos). Em uma modalidade, a biomassa é mergulhada em água antes da remoção de água, impregnação de dióxido de enxofre e injeção de vapor d’água.

[0070] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 é uma auto-hidrólise, sendo que os compostos ácidos liberados durante a etapa de aquecimento (por exemplo, injeção de vapor d’água) aceleram a hidrólise da hemicelulose. Nesta modalidade, nenhum produto químico de pré-tratamento é adicionado, a temperatura de pré- tratamento situa-se entre cerca de 180°C e cerca de 230°C, e o tempo de residência no reator de pré-tratamento situa-se entre segundos e horas (por exemplo, entre cerca de 10 segundos e cerca de 120 minutos).

[0071] Em outra modalidade, o pré-tratamento 10 compreende uma expansão de fibra de amônia (AFEX), que é um tipo de pré-tratamento alcalino, e que pode produzir pouco ou nenhum monossacarídeo. No processo FEX, a biomassa 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 AFEX pode ser executado a cerca de 60°C a cerca de 160°C. A duração desse pré- tratamento pode variar de minutos a horas (por exemplo, pode estar entre cerca de 1 minuto e cerca de 20 minutos).

[0072] Em cada uma das modalidades acima descritas em que o pré-tratamento 10 inclui a adição de vapor d’água, o vapor d’água sob alta pressão pode penetrar na estrutura da biomassa e molhar o material. Se a pressão no reator for rapidamente liberada (por exemplo, ao final do tempo de residência predeterminado no reator de pré-tratamento), a biomassa úmida pode "explodir", fornecendo assim uma biomassa pré-tratada que tem uma estrutura substancialmente triturada e/ou rompida. Notavelmente, a expansão do vapor d’água e/ou a reação da biomassa com água a temperaturas elevadas fornece tanto uma decomposição mecânica quanto química da estrutura de biomassa. Além disso, a liberação súbita de pressão da explosão de vapor d’água pode resultar no rápido descarregamento do material pré-tratado do reator de pré-tratamento (por exemplo, através de uma válvula de expulsão por sopro).

[0073] Em geral, qualquer reator de pré-tratamento que proporcione as condições de pré-tratamento pode ser usado. Em uma modalidade, o reator de pré- tratamento é um reator vertical, um reator horizontal ou um reator inclinado. Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator vertical e inclui um varredor giratório (não mostrado) que transporta a biomassa aquecida para uma rosca transportadora, de modo que possa ser descarregada por meio de uma válvula de sopro. Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator horizontal que inclui uma rosca transportadora que leva a biomassa aquecida à válvula de sopro. Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator horizontal e a biomassa a ser tratada em seu interior tem uma consistência entre cerca de 17% em peso e cerca de 67% em peso. Em uma modalidade, o pré-tratamento é conduzido em um ou mais reatores de pré-tratamento.

[0074] Em modalidades em que a biomassa tendo uma consistência entre cerca de 17%, em peso, e cerca de 67%, em peso, é alimentada no reator de pré-tratamento, e em que o pré-tratamento 10 não decompõe significativamente o componente de celulose da biomassa (por exemplo, embora alguns ou todos os componentes da hemicelulose possam ser hidrolisados), a biomassa descarregada do reator de pré- tratamento pode ter uma consistência relativamente alta (por exemplo, maior que cerca de 15%, em peso, ou mesmo maior que cerca de 20% em peso) e pode ser relativamente quente (por exemplo, em uma temperatura maior que cerca de 100°C e mais comumente maior que cerca de 140°C).

Resfriamento

[0075] Em geral, a biomassa pré-tratada relativamente quente pode precisar ser resfriada, em uma ou mais etapas, antes da conversão biológica 50. Por exemplo, a biomassa pré-tratada pode precisar ser resfriada a partir da temperatura de pré-tratamento (por exemplo, que pode ser tão alta quanto cerca de 300°C, ou mais comumente menor que cerca de 240°C abaixo) a uma temperatura que é compatível com o(s) microorganismo(s) usado(s) na subsequente conversão biológica 50. Por exemplo, as enzimas usadas na hidrólise de celulose podem ter uma temperatura ótima para faixas de atividade entre cerca de 20°C e cerca de 80°C, e mais comumente entre cerca de 40°C e cerca de 60°C, enquanto que o etanol que produz cepas de levedura, que pode ser usado para fermentar os açúcares, frequentemente tem uma temperatura ótima de fermentação entre cerca de 28°C e cerca de 40°C. Em uma modalidade, a biomassa pré-tratada relativamente quente é resfriada até uma temperatura entre cerca de 45°C e cerca de 55°C. Em uma modalidade, a biomassa pré- tratada relativamente quente é resfriada até cerca de 50°C, que é a temperatura ótima para uma celulase comumente disponível.

[0076] Novamente com referência à figura 1, a biomassa pré-tratada descarregada do reator de pré-tratamento pode ser resfriada quando é misturada com um líquido de resfriamento no estágio de mistura 20. Em geral, o estágio de mistura 20 pode usar um ou mais vasos, sendo que ao menos um vaso tem um agitador para misturar o líquido de resfriamento com a biomassa pré-tratada, formando assim uma pasta aquosa resfriada. O termo agitador, como usado aqui, refere-se a qualquer dispositivo, componente e/ou meios de agitação que coloca ao menos uma porção do líquido de resfriamento e/ou da biomassa pré-tratada em movimento, de modo a permitir a mistura. Por exemplo, alguns meios de fornecimento de agitação incluem agitação mecânica, injeção de gás e mistura hidráulica. Alguns exemplos de agitadores e/ou vasos adequados que incluem um agitador incluem hélices (por exemplo, hélice de fluxo axial, hélice de fluxo radial, ou hélice de fluxo misto), um agitador giratório (por exemplo, incluindo um propulsor, pás, turbina de pás planas, turbina de pás inclinadas e/ou pás), misturador revolvido e edutores. Em uma modalidade, o agitador e/ou vaso que inclui o agitador é um misturador turbulento. Em outra modalidade, o agitador é um misturador laminar (por exemplo, uma hélice de âncora). Opcionalmente, o vaso inclui um ou mais defletores.

[0077] Vantajosamente, o líquido de resfriamento e/ou outros líquidos suficientes podem ser adicionados em uma zona de mistura do vaso, de modo que a pasta aquosa resfriada que sai do vaso tenha uma consistência que facilita o bombeamento da pasta aquosa resfriada dentro do sistema (por exemplo, menos que cerca de 12%, em peso). Por exemplo, em uma modalidade, a consistência da pasta aquosa resfriada é de cerca de 8%. Em uma modalidade, uma bomba, como uma bomba centrífuga, é usada para bombear a pasta aquosa resfriada até a elevação (por exemplo, até uma elevação acima de uma entrada para uma hidrólise e/ou tanque de fermentação na conversão biológica 50). Mais especificamente, a bomba é usada para transportar a pasta aquosa resfriada até uma separação sólido-líquido 30.

[0078] Em geral, a separação sólido-líquido 30 pode utilizar qualquer aparelho, dispositivo e/ou sistema que separa ao menos uma porção do líquido na pasta aquosa dos sólidos na pasta aquosa. Em uma modalidade, a separação sólido-líquido 30 utiliza um ou mais aparelhos que separam líquidos e sólidos com o uso de gravidade e/ou forças centrífugas. Por exemplo, em uma modalidade, a separação sólido-líquido usa uma ou mais centrífugas decantadoras. As centrífugas decantadoras, que se baseiam em uma decantação acelerada de sólidos devido à aceleração centrífuga, podem ser vantajosas em relação a outros separadores de sólido-líquido, pois podem proporcionar uma separação relativamente rápida e fácil, podem ter um rendimento relativamente alto, e podem ser operados em modo contínuo. Além disso, descobriu-se que as centrífugas decantadoras são particularmente eficientes na remoção de água de biomassa pré- tratada e, em particular, mais eficiente do que dispositivos convencionais de separação sólido-líquidos como prensas para filtro de placa/armação, prensas para filtro de esteira e prensas para parafuso. Por exemplo, descobriu-se que a biomassa pré-tratada e, em particular, a biomassa pré-tratada com vapor d’água, que pode ter uma consistência relativamente enlameada, podem obstruir os separadores sólidos-líquidos convencionais que dependem de uma separação física entre as fases sólidas e líquidas (por exemplo, como prensas filtrantes). Além disso, o uso de uma centrífuga decantadora para a separação sólido-líquido pode ser vantajoso uma vez que esses dispositivos podem ser projetados para fornecer continuamente um primeiro fluxo que compreende um componente líquido da pasta aquosa (por exemplo, frequentemente denominado centrato) e um outro segundo fluxo que compreende um componente sólido da pasta aquosa (por exemplo, frequentemente denominado torta úmida). Adicionalmente, vantajosamente, as centrífugas decantadoras, que podem usar uma combinação de drenagem e compactação, podem ser projetadas para fornecer uma torta úmida que tem uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso. Além disso, em funcionamento, a centrífuga decantadora pode ser usada para fornecer torta úmida que tem consistência variável pela adição de centrato à torta úmida, melhorando assim ainda mais a flexibilidade.

[0079] A torta úmida é alimentada a uma entrada de um reator na conversão biológica (por exemplo, um reator de hidrólise e/ou um reator de fermentação). Opcionalmente, as enzimas são misturadas à torta úmida antes de entrar no reator de conversão biológica e/ou diretamente no reator de conversão biológica. As enzimas podem ser manipuladas em uma solução aquosa ou como um pó ou granulado.

[0080] Ao menos, uma porção do centrato é reciclada de volta para o vaso após ser resfriada no sistema de resfriamento 40. Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui um ou mais dispositivos que resfriam ativamente o centrato. Resfriar ativamente o centrato vantajosamente permite que a temperatura do centrato resfriado seja ajustada conforme necessário e, mais especificamente, ajustada de modo que a temperatura e/ou consistência da pasta aquosa resfriada esteja dentro de uma faixa predeterminada. Por exemplo, se for desejado que a pasta aquosa resfriada tenha uma consistência de cerca de 8%, em peso, e temperatura de cerca de 50°C, e se for determinado que um volume predeterminado de centrato fornecerá a consistência de aproximadamente 8%, em peso, então o sistema de resfriamento pode resfriar o centrato para uma temperatura que permitiria que o volume predeterminado de centrato resfriasse a biomassa até cerca de 50°C.

[0081] Em geral, a consistência da pasta aquosa resfriada depende da temperatura e da consistência da biomassa pré-tratada descarregada no vaso e da temperatura do centrato resfriado. Para a biomassa pré-tratada que tem uma consistência que situa-se entre cerca de 15% e cerca de 25% e uma temperatura de cerca de 100°C, pode ser vantajoso resfriar o centrato até entre cerca de 25°C e cerca de 35°C. Por exemplo, para biomassa pré-tratada tendo uma temperatura de cerca de 100°C, e uma consistência de cerca de 20%, em peso, o resfriamento do centrato até cerca de 30°C, pode vantajosamente fornecer uma pasta aquosa que tem uma temperatura de cerca de 50°C, e uma consistência de cerca de 8%. Por comparação, o resfriamento do centrato apenas para cerca de 35°C, pode diminuir a consistência para cerca de 6%, em peso. Notavelmente, as pastas aquosas que têm uma consistência que é menos que cerca de 6%, em peso, podem aumentar a carga hidráulica na centrífuga decantadora (por exemplo, ou outro separador sólido-líquido).

[0082] Em uma modalidade, o centrato é resfriado entre cerca de 0°C e cerca de 85°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado entre cerca de 10°C e cerca de 60°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado entre cerca de 20°C e cerca de 50°C, ou entre cerca de 20°C e cerca de 40°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado entre cerca de 25°C e cerca de 35°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado até cerca de 30°C.

[0083] Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada tem uma consistência entre cerca de 4%, em peso, e cerca de 15%, em peso. Em outra modalidade, a pasta aquosa resfriada tem uma consistência entre cerca de 5%, em peso, e cerca de 12%, em peso. Em outra modalidade, a pasta aquosa resfriada tem uma consistência entre cerca de 6%, em peso, e cerca de 10%, em peso. Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada tem uma consistência entre cerca de 7,5%, em peso, e cerca de 8,5%, em peso. Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada tem uma consistência de cerca de 8%, em peso. Fornecer uma pasta aquosa resfriada que tem uma consistência menor que cerca de 12% em peso, e em particular entre cerca de 6%, em peso, e cerca de 10%, em peso, pode ser vantajoso pelo fato de fornecer um compromisso razoável entre bombeabilidade, resfriamento, quantidade de biomassa transferida por unidade de volume e capacidade líquida das centrífugas decantadoras. Embora o fornecimento de uma pasta aquosa que tem uma consistência entre cerca de 5 e cerca de 12%, em peso, possa ter algumas vantagens econômicas, outras vantagens do circuito de resfriamento podem ser realizadas mesmo quando a consistência da pasta aquosa está fora dessa faixa.

[0084] Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui um ou mais sistemas de resfriamento industriais que são capazes de resfriar o componente líquido. Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui um ou mais trocadores de calor. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de resfriamento inclui um trocador de calor de envoltório e tubo, um trocador de calor de placa e quadro e/ou um trocador de calor líquido-líquido. Se mais de um trocador de calor for usado, eles podem ser configurados em paralelo ou em série. Em uma modalidade, o trocador de calor usa água em torre de resfriamento. Em outra modalidade, o trocador de calor usa água gelada que foi mecanicamente resfriada. Em outra modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui um ou mais sistemas refrigerantes diretos. Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui uma combinação de dispositivos e/ou mecanismos de resfriamento. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de resfriamento inclui um ou mais trocadores de calor que usam água de torre de resfriamento, um ou mais trocadores de calor que usam água gelada, um ou mais trocadores de calor que usam água de torre de resfriamento gelada e/ou um ou mais sistemas refrigerantes diretos.

[0085] Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada e/ou o centrato são transportados através do sistema com o uso de uma ou mais bombas e/ou condutos. Vantajosamente, as bombas e/ou condutos podem incluir bombas e/ou tubulações comumente usadas para transportar pastas aquosas que têm uma consistência menor que cerca de 12% em peso. Em uma modalidade, a(s) bomba(s), tubulação, decantador(es) e trocador(es) de calor são formados a partir de um material de liga baixa, como aço inoxidável de grau 304.

[0086] Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 40 inclui uma ou mais entradas para introduzir um produto químico de ajuste de pH na biomassa. Por exemplo, em uma modalidade, em que o pré-tratamento é um pré-tratamento ácido, o produto químico de ajuste de pH pode ser um álcali e/ou uma base como hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, hidróxido de amônio, hidróxido de cálcio, gás amônia, carbonato de cálcio, carbonato de potássio, ou quaisquer misturas dos mesmos. Em uma modalidade, o produto químico de ajuste de pH inclui um ou mais tampões. Em uma modalidade, em que o pré-tratamento é um pré-tratamento alcalino, o produto químico de ajuste de pH pode ser um ácido como ácido sulfúrico.

[0087] Em uma modalidade, um produto químico de ajuste de pH suficiente é adicionado para trazer o pH da pasta aquosa resfriada a um valor no qual a(s) enzima(s) em uma hidrólise subsequente tem atividade razoável. Em geral, o pH no qual uma enzima é compatível depende da(s) enzima(s) específica(s) utilizada(s) na hidrólise de celulose, e pode ser prontamente determinado pelos versados na técnica. Por exemplo, muitas celulases podem ter uma faixa de pH ótimo entre cerca de 4 e cerca de 7 e, frequentemente, cerca de 5. Em uma modalidade, são adicionados produtos químicos suficientes para o ajuste de pH, para trazer o pH da pasta aquosa de biomassa para entre cerca de 4 e cerca de 8. Em outra modalidade, são adicionados produtos químicos suficientes para o ajuste de pH, para trazer o pH da pasta aquosa de biomassa para entre cerca de 4,5 e cerca de 6.

[0088] Em uma modalidade, as uma ou mais entradas para introduzir o produto químico de ajuste de pH na biomassa estão em comunicação fluida com uma ou mais tubulações usadas para transportar o centrato resfriado de modo que o produto químico de ajuste de pH seja misturado ao líquido de resfriamento e, então, adicionado ao vaso. Em outra modalidade, as uma ou mais entradas para introduzir o produto químico de ajuste de pH na biomassa estão em comunicação fluida com o vaso de modo que o produto químico de ajuste de pH e o centrato resfriado sejam adicionados separadamente (embora opcionalmente simultaneamente) à biomassa. Em cada caso, o agitador e/ou líquido de resfriamento possibilita vantajosamente a obtenção de mistura uniforme e consistente (por exemplo, dentro de uma zona de mistura do vaso). Consequentemente, problemas associados à mistura de um produto químico de ajuste de pH com biomassa de alta consistência são evitados.

[0089] Em uma modalidade, a enzima é adicionada à pasta aquosa resfriada e de pH ajustado. Em uma modalidade, a enzima é adicionada a jusante do vaso (por exemplo, a montante ou a jusante da separação sólido-líquido 30). Opcionalmente, a enzima é dispersa no componente sólido com um misturador dedicado (por exemplo, um misturador de alta consistência). Em geral, a enzima pode ser adicionada à biomassa na forma sólida ou líquida. Em uma modalidade, a adição da enzima é executada pela adição da enzima a um reservatório, como um tanque, para formar uma solução de enzima, que é, então, introduzida no componente sólido da pasta aquosa alimentada na conversão biológica 50. Opcionalmente, a enzima é introduzida no componente sólido da pasta aquosa alimentada à conversão biológica 50 por meio de tubos de injeção de produtos químicos ou através de tubulação adequadamente dimensionada ou através de um tubo. Em uma modalidade, uma primeira dose de enzima é adicionada à pasta aquosa resfriada a montante da separação sólido-líquido 30, e uma segunda dose de enzima é adicionada ao fluxo que compreende os sólidos da separação sólido- líquido 30. Em uma modalidade, a enzima inclui celulase a uma dosagem total entre cerca de 1,0 a cerca de 40,0 unidades de papel filtro (FPU ou IU) por grama de celulose ou entre cerca de 2 a cerca de 20 mg de proteína por grama de celulose. Opcionalmente, a enzima é uma mistura de enzimas. Em uma modalidade, a solução de enzima é preparada com o uso de um excesso de centrato fornecido pelo decantador. Vantajosamente, a adição de enzima a muito mais do fluxo de centrato de maior volume oferece excelente dispersão na torta do decantador.

[0090] Conforme descrito acima, em uma modalidade, líquido de resfriamento suficiente pode ser adicionado no estágio de mistura 20 para resfriar a biomassa pré-tratada tendo uma consistência de cerca de 20%, em peso, e uma temperatura de cerca de 100°C a cerca de 50°C (por exemplo, e fornecer uma pasta aquosa resfriada que tem uma consistência de cerca de 8% em peso). Entretanto, conforme também descrito acima, em muitas modalidades, o pré-tratamento 10 será conduzido a temperaturas acima de 100°C (por exemplo, até 300°C, e, com frequência, entre cerca de 180°C e cerca de 240°C). Nessas modalidades, a biomassa pode ser resfriada a partir da temperatura de pré-tratamento (por exemplo, que é tipicamente maior que 100°C, uma mais tipicamente maior que cerca de 140°C) a cerca de 100°C por meio de uma ou mais etapas de vaporização. Por exemplo, em uma modalidade, o pré-tratamento inclui uma explosão de vapor d’água.

[0091] Em uma modalidade, o pré-tratamento 10 é dotado de um sistema de pré-tratamento 10a. Com referência à Figura 2, o sistema de pré-tratamento 10a inclui um sistema de remoção de água pressurizado 12, uma câmara de aquecimento opcional 14 e um reator de pré-tratamento 16. Embora ilustrado como três componentes separados para propósitos demonstrativos, deve-se compreender que o sistema de pré-tratamento pode incluir esses e/ou outros componentes, que podem ser fornecidos como um ou mais componentes separados e/ou como componentes integrados. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de pré-tratamento 10a inclui um dos sistemas de pré- tratamento descritos nas publicações de patente US N° 2010/0056774 e/ou 2013/0071903, que estão aqui incorporadas, por referência.

[0092] Novamente com referência à Figura 2, a biomassa é bombeada como uma pasta aquosa (por exemplo, tendo uma consistência de cerca de 1%, em peso, a cerca de 12%, em peso, e mais comumente entre cerca de 5%, em peso, a cerca de 7% em peso) ao sistema de remoção de água pressurizado 12. O sistema de remoção de água pressurizado pode incluir uma zona de pré-drenagem (não mostrada), sendo que ao menos parte da água é removida e alimentada em uma bomba de alta pressão (não mostrada), que cria uma zona de alta pressão para remoção de água adicional. O sistema de remoção de água pressurizado 12 reduz o teor de umidade da biomassa a uma quantidade adequada para o pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 inclui uma prensa de remoção de água pressurizada ou um alimentador de rosca de tampão pressurizado (por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US N° 2010/0056774). Em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 está em uma pressão entre cerca de 0,5 MPa (cerca de 70 psia) e cerca de 5,5 MPa (cerca de 800 psia). A biomassa drenada (por exemplo, que pode ou não estar sob a forma de tampão e pode ter uma consistência entre cerca de 20%, em peso, e cerca de 67% em peso), pode, então, ser alimentada na câmara de aquecimento opcional 14, por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US n° 2013/0071903 e, então, no reator de pré-tratamento 16. Um produto químico de pré-tratamento, se usado, pode ser adicionado ao sistema de remoção de água pressurizado 12 na câmara de aquecimento 14 e/ou diretamente no reator de pré-tratamento 16. Por exemplo, em uma modalidade, um produto químico de pré-tratamento ácido é adicionado à biomassa a montante da entrada de uma prensa de rosca pressurizada, na entrada de uma prensa de rosca pressurizada, em uma zona de remoção de água de uma prensa de rosca pressurizada, no alimentador da rosca de tampão pressurizada e/ou na zona de reação do reator de pré-tratamento. O produto químico de pré-tratamento pode ser adicionado sob a forma gasosa e/ou líquida.

[0093] O reator de pré-tratamento 16, que para propósitos exemplificadores é mostrado como um reator vertical, pode ser qualquer reator que possa conter a biomassa, ao mesmo tempo em que a biomassa é submetida a ao menos uma porção do pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o reator de pré- tratamento é um reator vertical, como um reator vertical de fluxo ascendente ou descendente. Em outra modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator horizontal ou inclinado. O reator de pré-tratamento 16 pode ser equipado com um mecanismo interno, como uma rosca, uma esteira transportadora, ou um mecanismo similar, para transportar a matéria-prima lignocelulósica dentro de uma zona de reator do reator de pré-tratamento.

[0094] Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento inclui uma ou mais entradas para a injeção de vapor d'água na biomassa. Consequentemente, o reator de pré-tratamento pode ser mantido em uma temperatura e/ou uma pressão predeterminadas. Por exemplo, em uma modalidade, uma ou mais entradas para injeção de vapor d'água são posicionadas próximas à zona de reator do reator de pré-tratamento 16.

[0095] Em geral, a biomassa será tratada no reator de pré-tratamento pressurizado 16 em uma temperatura elevada (por exemplo, acima de 100°C) por uma quantidade específica de tempo. Opcionalmente, a biomassa é tratada sob condições ácidas ou básicas por meio da adição de um ou mais produtos químicos de pré-tratamento. A temperatura, a pressão e/ou o tempo de residência da biomassa na zona de reação podem depender de inúmeras variáveis, incluindo o pH na zona de reação e o grau, se algum, ao qual a hidrólise do polissacarídeo é desejada. Por exemplo, em uma modalidade, em que o pré-tratamento é um pré- tratamento ácido, a biomassa pode ter um tempo de residência no reator de pré- tratamento de cerca de 10 segundos a cerca de 20 minutos, ou cerca de 10 segundos a cerca de 600 segundos ou cerca de 10 segundos a cerca de 180 segundos. A temperatura máxima pode situar-se entre cerca de 150°C a cerca de 280°C. O pH para o pré-tratamento pode estar entre cerca de 0,5 e cerca de 3, ou entre cerca de 1,0 e cerca de 2,0. Notavelmente, a matéria-prima lignocelulósica parcialmente drenada pode ser aquecida antes de sua entrada na zona de reação (por exemplo, na câmara de aquecimento opcional 14), na zona de reação ou uma combinação das mesmas.

[0096] Depois que a biomassa tiver sido residente na zona de reator do reator de pré-tratamento 16 por um tempo predeterminado, a biomassa tratada é, então, descarregada em um tanque flash 24 para fornecer a biomassa pré-tratada. Como o tanque flash 24 é mantido a uma pressão inferior à pressão do reator de pré- tratamento 16, a temperatura da biomassa pré-tratada cairá da temperatura de pré-tratamento para uma temperatura dependente da pressão no tanque flash. Por exemplo, se o tanque flash está sob uma pressão atmosférica, a temperatura de biomassa pré-tratada será de cerca de 100°C. Se o tanque flash estiver abaixo da pressão atmosférica, a temperatura será menor que 100°C. Se o tanque flash for mantido acima da pressão atmosférica, a temperatura será maior que 100°C. Vantajosamente, o uso de pressões que fornecem temperaturas que são de cerca de 100°C a ± 10°C, permite que quantidades razoáveis de água de resfriamento sejam usadas. Em uma modalidade, o tanque flash é mantido a cerca de 0,03 MPa (5 psig). Uma vez que essa sobrepressão resulta em uma temperatura de biomassa pré-tratada mais alta, a temperatura da água de resfriamento e/ou a quantidade de água de resfriamento adicionada (isto é, e, dessa forma, consistência de saída) pode ser ajustada para fornecer a temperatura da pasta aquosa desejada.

[0097] Em geral, a biomassa pré-tratada pode ter uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso, ao entrar no tanque flash. Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa pré-tratada tem uma consistência de cerca de 20%.

[0098] A biomassa pré-tratada resfriada (por exemplo, que tem uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso, e uma temperatura de cerca de 100°C) é, então, alimentada a um vaso 22, que está em comunicação fluida com o tanque flash 24. O vaso 22, que contém um líquido de resfriamento, tem um agitador para misturar a biomassa pré-tratada resfriada com o líquido de resfriamento para resfriar adicionalmente a biomassa e reduzir a viscosidade do mesmo. Em uma modalidade, o vaso 22 contém água suficiente para resfriar a biomassa pré-tratada a uma temperatura que é compatível com enzimas para converter a biomassa pré-tratada em um combustível de transporte e/ou outro produto. Por exemplo, em uma modalidade, o vaso contém água suficiente para produzir uma pasta aquosa resfriada em uma saída do mesmo tendo uma temperatura que é menor que cerca de 70°C, e uma consistência que está entre cerca de 5%, em peso, e cerca de 12%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, é fornecida uma pasta aquosa resfriada tendo uma temperatura de cerca de 50°C e uma consistência de cerca de 8%, em peso.

[0099] A pasta aquosa resfriada é transportada através da bomba centrífuga 70 até um sistema de separação sólido-líquido, que inclui uma centrífuga decantadora 32.

[0100] A centrífuga decantadora 32 separa a pasta aquosa resfriada em um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta aquosa (por exemplo, o centrato) e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa (por exemplo, a torta úmida). Em uma modalidade, a centrífuga decantadora fornece os dois fluxos em uma base substancialmente contínua. Em uma modalidade, a centrífuga decantadora remove líquido suficiente da pasta aquosa que a torta úmida tem uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, a torta úmida tem uma consistência de cerca de 20%.

[0101] A torta úmida é alimentada a uma entrada de um reator 52 na conversão biológica (por exemplo, um reator de hidrólise e/ou um reator de fermentação). Opcionalmente, as enzimas são misturadas à torta úmida antes de entrar no reator de conversão biológica e/ou diretamente no reator de conversão biológica.

[0102] O centrato é reciclado de volta para o vaso 22 após ser resfriado no sistema de resfriamento, que inclui um dispositivo de resfriamento 42. Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 42 inclui um trocador de calor (por exemplo, um trocador de calor de envoltório e de tubo, um trocador de calor de placa e quadro ou um trocador de calor líquido-líquido), que é usado para resfriar ativamente o centrato a uma temperatura predeterminada. Em uma modalidade, o centrato é resfriado abaixo de cerca de 60°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado abaixo de cerca de 35°C. Em uma modalidade, o centrato é resfriado a cerca de 30°C. Opcionalmente, o centrato é coletado em um tanque de centrato 34 antes de ser alimentado ao dispositivo de resfriamento 42. Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada do vaso 22 é bombeada para e alimentada em uma pluralidade de centrífugas decantadoras (por exemplo, operando em paralelo), e o centrato de cada decantador na pluralidade é alimentado no tanque de centrato 34. Nesta modalidade, o vaso 22, o tanque flash 24, a centrífuga decantadora 32, o tanque de centrato 34, o dispositivo de resfriamento 42 e a bomba 70 são todos parte de um sistema de resfriamento 60a usado para resfriar e/ou transportar a biomassa antes da conversão biológica 50.

[0103] Com referência à Figura 3, é mostrada uma outra modalidade de um sistema de resfriamento para resfriamento e/ou transporte da biomassa antes da conversão biológica 50. A biomassa é bombeada como uma pasta aquosa (por exemplo, tendo uma consistência de cerca de 1%, em peso, a cerca de 10%, em peso, e mais comumente entre cerca de 5%, em peso, a cerca de 7%, em peso) para o sistema de remoção de água pressurizado 12, o que reduz o teor de umidade da biomassa até uma quantidade adequada para pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 inclui uma prensa de remoção de água pressurizada ou um alimentador de rosca de tampão pressurizado (por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US N° 2010/0056774). Em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 está em uma pressão entre cerca de 0,5 MPa (cerca de 70 psia) e cerca de 5,5 MPa (cerca de 800 psia). A biomassa drenada (por exemplo, que pode ou não estar sob a forma de tampão e pode ter uma consistência entre cerca de 20%, em peso, e cerca de 67% em peso), pode, então, ser alimentada na câmara de aquecimento opcional 14, por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US n° 2013/0071903 e, então, no reator de pré-tratamento 16. Um produto químico de pré-tratamento, se usado, pode ser adicionado ao sistema de remoção de água pressurizado 12 na câmara de aquecimento 14 e/ou diretamente no reator de pré-tratamento 16. Por exemplo, em uma modalidade, um produto químico de pré-tratamento ácido é adicionado à biomassa a montante da entrada de uma prensa de rosca pressurizada, na entrada de uma prensa de rosca pressurizada, em uma zona de remoção de água de uma prensa de rosca pressurizada, no alimentador da rosca de tampão pressurizada e/ou na zona de reação do reator de pré-tratamento. O produto químico de pré-tratamento pode ser adicionado sob a forma gasosa e/ou líquida.

[0104] O reator de pré-tratamento 16, que para propósitos exemplificadores é mostrado como um reator vertical, pode ser qualquer reator que possa conter a biomassa, ao mesmo tempo em que a biomassa é submetida a ao menos uma porção do pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o reator de pré- tratamento é um reator vertical, como um reator vertical de fluxo ascendente ou descendente. Em outra modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator horizontal ou inclinado. O reator de pré-tratamento 16 pode ser equipado com um mecanismo interno, como uma rosca, uma esteira transportadora, ou um mecanismo similar, para transportar a matéria-prima lignocelulósica dentro de uma zona de reator do reator de pré-tratamento.

[0105] Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento inclui uma ou mais entradas para a injeção de vapor d'água na biomassa. Consequentemente, o reator de pré-tratamento pode ser mantido em uma temperatura e/ou uma pressão predeterminadas. Por exemplo, em uma modalidade, uma ou mais entradas para injeção de vapor d'água são posicionadas próximas à zona de reator do reator de pré-tratamento 16.

[0106] Em geral, a biomassa será tratada no reator de pré-tratamento pressurizado 16 em uma temperatura elevada (por exemplo, acima de 100°C) por uma quantidade específica de tempo. Opcionalmente, a biomassa é tratada sob condições ácidas ou básicas por meio da adição de um ou mais produtos químicos de pré-tratamento. De fato, a temperatura, a pressão e/ou o tempo de residência da biomassa na zona de reação podem depender de inúmeras variáveis, incluindo o pH na zona de reação e o grau, se algum, ao qual a hidrólise do polissacarídeo é desejada. Por exemplo, em uma modalidade, em que o pré-tratamento é um pré- tratamento ácido, a biomassa pode ter um tempo de residência no reator de pré- tratamento de cerca de 10 segundos a cerca de 20 minutos, ou cerca de 10 segundos a cerca de 600 segundos ou cerca de 10 segundos a cerca de 180 segundos. A temperatura máxima pode situar-se entre cerca de 150°C a cerca de 280°C. O pH para o pré-tratamento pode estar entre cerca de 0,5 e cerca de 3, ou entre cerca de 1,0 e cerca de 2,0. Notavelmente, a matéria-prima lignocelulósica parcialmente drenada pode ser aquecida antes de sua entrada na zona de reação (por exemplo, na câmara de aquecimento opcional 14), na zona de reação ou uma combinação das mesmas.

[0107] Depois que a biomassa tiver sido residente na zona de reator do reator de pré-tratamento 16 por um tempo predeterminado, a biomassa tratada é, então, descarregada em um tanque flash 26 para fornecer a biomassa pré-tratada. Como o tanque flash 26 é mantido a uma pressão inferior à pressão do reator de pré-tratamento 16, a temperatura da biomassa pré-tratada cairá da temperatura de pré-tratamento para uma temperatura dependente da pressão do tanque flash. Por exemplo, se o tanque flash estiver sob uma pressão atmosférica, a temperatura de biomassa pré- tratada será de cerca de 100°C. A biomassa pré-tratada pode ter uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso, mediante descarga no vaso de flash 26. Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa pré-tratada tem uma consistência de cerca de 20%, em peso.

[0108] O vaso de flash 26, que contém um líquido de resfriamento, tem um agitador para misturar a biomassa pré-tratada (por exemplo, tendo uma temperatura de cerca de 100°C, e uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso, após descarga imediata no dito vaso) com o líquido de resfriamento para resfriar adicionalmente a biomassa e reduzir a viscosidade do mesmo. Mais especificamente, o agitador fornece uma zona de diluição misturada que opera em uma consistência predeterminada (por exemplo, opera em uma consistência que é menor que cerca de 12%, em peso). Em uma modalidade, o vaso de flash 26 contém água suficiente para resfriar a biomassa pré-tratada a uma temperatura que é compatível com enzimas para converter a biomassa pré- tratada em um combustível de transporte e/ou outro produto. Em uma modalidade, o recipiente contém água suficiente para produzir uma pasta aquosa resfriada em uma saída do mesmo, tendo uma temperatura que é menor que cerca de 70°C, e uma consistência que situa-se entre cerca de 5%, em peso, e cerca de 12%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, é fornecida uma pasta aquosa resfriada tendo uma temperatura de cerca de 50°C e uma consistência de cerca de 8%, em peso. Em uma modalidade, o líquido usado para resfriar a biomassa e para reduzir a consistência foi resfriado pelo dispositivo de resfriamento 42 e tem tido produtos químicos de ajuste de pH (por exemplo, produtos químicos neutralizantes) adicionados ali para que a pasta aquosa na zona misturada seja de pH de cerca de 5 e cerca de 50°C. Em uma modalidade, a biomassa tem um tempo de retenção na ordem de cerca de 5 minutos na zona misturada.

[0109] A pasta aquosa resfriada é descarregada de uma saída do vaso de flash 26 e é bombeada até uma elevação vertical mais alta por meio de uma bomba centrífuga convencional 70 e tubulação padrão dimensionada para a pasta aquosa resfriada com viscosidade relativamente baixa (por exemplo, tendo uma consistência menor que cerca de 12%, em peso).

[0110] Em uma modalidade, a centrífuga decantadora 32 espessa a pasta aquosa resfriada de volta a um mínimo de cerca de 15%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, a centrífuga decantadora 32 espessa a pasta aquosa resfriada de volta a ao menos cerca de 18%, em peso. Em uma modalidade, a centrífuga decantadora 32 espessa a pasta aquosa resfriada de volta a ao menos cerca de 20%, em peso. Em uma modalidade, o volume do centrato coletado é igual ou maior que o volume de líquido necessário para resfriar a biomassa pré-tratada de cerca de 100°C a uma temperatura compatível com a conversão biológica 50. Embora o centrato possa ser alto em açúcares C5, deve-se notar que, uma vez que o sistema de resfriamento 60b pode ser um sistema de circuito substancialmente fechado, o rendimento do açúcar C5 não será substancialmente afetado pelo sistema de resfriamento 60b (isto é, uma vez que o sistema tenha alcançado a operação em regime permanente). Vantajosamente, nas modalidades em que a separação sólido- líquido é fornecida pela centrífuga decantadora 32, o centrato terá apenas uma quantidade mínima de sólidos finos de UDS (isto é, pequenos elementos fibrosos). Consequentemente, o centrato pode ser resfriado eficientemente com um trocador de calor convencional projetado para pastas aquosas de baixo UDS (por exemplo, nas modalidades em que o dispositivo de resfriamento 42 inclui um trocador de calor).

[0111] Em uma modalidade, qualquer excesso de centrato pode ser usado para reduzir a consistência da torta úmida, de modo que seja adequado para a conversão biológica e/ou para fornecer uma solução de enzima para a conversão biológica.

[0112] Vantajosamente, o tanque flash 26 fornece resfriamento da biomassa da temperatura de pré-tratamento para uma temperatura compatível com microorganismos usados na conversão biológica 50 sem o uso de um tanque flash a vácuo e sem diluir a biomassa até um ponto em que a carga hidráulica das centrífugas decantadoras é excedida. Mais especificamente, a combinação de uso de um tanque flash atmosférico e água de resfriamento resfriada abaixo de cerca de 50°C proporciona resfriamento máximo com água mínima sem a despesa de usar um flash a vácuo.

[0113] Além disso, o uso do sistema de resfriamento 60b fornece os meios para resfriar a biomassa pré-tratada sem lavagem. Mais especificamente, o sistema é mais flexível em relação ao fato de os açúcares C5 e/ou outros açúcares de pré-tratamento serem removidos por meio de uma lavagem e processados separadamente, ou se eles permanecem com os sólidos. Por exemplo, em uma modalidade, uma etapa de lavagem é integrada à separação sólido-líquido.

[0114] Com referência à Figura 4, é mostrada uma outra modalidade de um sistema de resfriamento para resfriamento e/ou transporte da biomassa antes da conversão biológica 50. A biomassa é bombeada como uma pasta aquosa (por exemplo, tendo uma consistência de cerca de 1%, em peso, a cerca de 12%, em peso, e mais comumente entre cerca de 5%, em peso, a cerca de 7%, em peso) para o sistema de remoção de água pressurizado 12, o que reduz o teor de umidade da biomassa até uma quantidade adequada para pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 inclui uma prensa de remoção de água pressurizada ou um alimentador de rosca de tampão pressurizado (por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US N° 2010/0056774). Em uma modalidade, o sistema de remoção de água pressurizado 12 está em uma pressão entre cerca de 0,5 MPa (cerca de 70 psia) e cerca de 5,5 MPa (cerca de 800 psia). A biomassa drenada (por exemplo, que pode ou não estar sob a forma de tampão e pode ter uma consistência entre cerca de 20%, em peso, e cerca de 67% em peso), pode, então, ser alimentada na câmara de aquecimento opcional 14, por exemplo, conforme descrito na publicação de patente US n° 2013/0071903 e, então, no reator de pré-tratamento 16. Um produto químico de pré-tratamento, se usado, pode ser adicionado no sistema de remoção de água pressurizado 12, na câmara de aquecimento 14, diretamente no reator de pré- tratamento 16 e/ou em qualquer ponto a montante do reator de pré-tratamento 16. Por exemplo, em uma modalidade, um produto químico de pré-tratamento ácido é adicionado à biomassa a montante da entrada de uma prensa de rosca pressurizada, na entrada de uma prensa de rosca pressurizada, em uma zona de remoção de água de uma prensa de rosca pressurizada, no alimentador da rosca de tampão pressurizada e/ou na zona de reação do reator de pré-tratamento. O produto químico de pré-tratamento pode ser adicionado sob a forma gasosa e/ou líquida.

[0115] O reator de pré-tratamento 16, que para propósitos exemplificadores é mostrado como um reator horizontal, pode ser qualquer reator que possa conter a biomassa, ao mesmo tempo em que a biomassa é submetida a ao menos uma porção do pré-tratamento. Por exemplo, em uma modalidade, o reator de pré- tratamento é um reator vertical, como um reator vertical de fluxo ascendente ou descendente. Em outra modalidade, o reator de pré-tratamento é um reator inclinado. O reator de pré-tratamento 16 pode ser equipado com um mecanismo interno, como uma rosca, uma esteira transportadora ou um mecanismo similar, para transportar a matéria-prima lignocelulósica dentro de uma zona de reator do reator de pré-tratamento.

[0116] Em uma modalidade, o reator de pré-tratamento 16 inclui uma ou mais entradas para a injeção de vapor d'água na biomassa. Consequentemente, o reator de pré-tratamento pode ser mantido em uma temperatura e/ou uma pressão predeterminadas. Por exemplo, em uma modalidade, uma ou mais entradas para injeção de vapor d'água são posicionadas próximas à zona de reator do reator de pré-tratamento 16.

[0117] Em geral, a biomassa será tratada no reator de pré-tratamento pressurizado 16 em uma temperatura elevada (por exemplo, acima de 100°C) por uma quantidade específica de tempo. Opcionalmente, a biomassa é tratada sob condições ácidas ou básicas por meio da adição de um ou mais produtos químicos de pré-tratamento. A temperatura, a pressão e/ou o tempo de residência da biomassa na zona de reação podem depender de inúmeras variáveis, incluindo o pH na zona de reação e o grau, se algum, ao qual a hidrólise do polissacarídeo é desejada. Por exemplo, em uma modalidade, em que o pré-tratamento é um pré- tratamento ácido, a biomassa pode ter um tempo de residência no reator de pré- tratamento de cerca de 10 segundos a cerca de 20 minutos, ou cerca de 10 segundos a cerca de 600 segundos ou cerca de 10 segundos a cerca de 180 segundos. A temperatura máxima pode situar-se entre cerca de 150°C a cerca de 280°C. O pH para o pré-tratamento pode estar entre cerca de 0,5 e cerca de 3, ou entre cerca de 1,0 e cerca de 2,0. Notavelmente, a matéria-prima lignocelulósica parcialmente drenada pode ser aquecida antes de sua entrada na zona de reação (por exemplo, na câmara de aquecimento opcional 14), na zona de reação ou uma combinação das mesmas.

[0118] Depois que a biomassa tiver sido residente na zona de reator do reator de pré-tratamento 16 por um tempo predeterminado, a biomassa tratada é, então, descarregada em um primeiro tanque flash 28 de uma pluralidade de tanques flash. Uma vez que o primeiro tanque flash 28 é mantido a uma pressão menor que a pressão do reator de pré-tratamento 16, embora maior que a pressão do segundo tanque flash 26, a temperatura da biomassa pré-tratada cairá à medida que esta passar do reator de pré-tratamento 16 para o primeiro tanque flash 28 para o segundo tanque flash 26. Por exemplo, em uma modalidade, o reator de pré- tratamento é mantido em uma primeira pressão (por exemplo, entre cerca de 0,6 Mpa (cerca de 90 psig) e cerca de 5,5 Mpa cerca de 800 psig)), o primeiro tanque flash 28 é mantido a uma segunda pressão mais baixa (por exemplo, entre cerca de 0,07 Mpa (cerca de 10 psig) e cerca de 0,6 Mpa (cerca de 90 psig)) e o segundo tanque flash é mantido a uma terceira pressão mais baixa (por exemplo, na ou perto da pressão atmosférica (por exemplo, cerca de 0 Pa (0 psig))). Vantajosamente, fornecer uma pluralidade de tanques flash dispostos em série, sendo que a pressão diminui ao longo da série pode proporcionar melhor recuperação e/ou reciclagem de vapor d’água. Por exemplo, em uma modalidade, o vapor d’água de baixa pressão recuperado do primeiro tanque flash 28 é usado em outro local no processo (por exemplo, em etapas de evaporação ou destilação), enquanto o segundo tanque flash é dotado de um purificador.

[0119] Nas modalidades em que o segundo tanque flash 26 está sob pressão atmosférica, a temperatura da biomassa pré-tratada descarregada diretamente no mesmo pode ser de cerca de 100°C. Em uma modalidade, essa biomassa pré-tratada pode ter uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, a biomassa pré-tratada tem uma consistência de cerca de 20% mediante a descarga no vaso de flash 26.

[0120] O vaso de flash 26, que contém um líquido de resfriamento, tem um agitador para misturar a biomassa pré-tratada (por exemplo, tendo uma temperatura de cerca de 100°C, e uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso, após descarga imediata no dito vaso) com o líquido de resfriamento para resfriar adicionalmente a biomassa e reduzir a viscosidade do mesmo. Mais especificamente, o agitador fornece uma zona de diluição misturada que opera em uma consistência predeterminada (por exemplo, opera em uma consistência que é menor que cerca de 12%, em peso). Em uma modalidade, o vaso de flash 26 contém água suficiente para resfriar a biomassa pré-tratada a uma temperatura que é compatível com enzimas para converter a biomassa pré- tratada em um combustível de transporte e/ou outro produto. Em uma modalidade, o recipiente contém água suficiente para produzir uma pasta aquosa resfriada em uma saída do mesmo, tendo uma temperatura que é menor que cerca de 70°C, e uma consistência que situa-se entre cerca de 5%, em peso, e cerca de 12%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, é fornecida uma pasta aquosa resfriada tendo uma temperatura de cerca de 50°C e uma consistência de cerca de 8%, em peso. Em uma modalidade, o líquido usado para resfriar a biomassa e para reduzir a consistência foi resfriado pelo dispositivo de resfriamento 42 e tem tido produtos químicos de ajuste de pH (por exemplo, produtos químicos neutralizantes) adicionados ali para que a pasta aquosa na zona misturada esteja em pH de cerca de 5 e cerca de 50°C. Em uma modalidade, a biomassa tem um tempo de retenção na ordem de cerca de 5 minutos na zona misturada.

[0121] A pasta aquosa resfriada é descarregada de uma saída do vaso de flash 26 e é bombeada até uma elevação vertical mais alta por meio de uma bomba centrífuga convencional 70 e tubulação padrão dimensionada para a pasta aquosa resfriada com viscosidade relativamente baixa (por exemplo, tendo uma consistência menor que cerca de 12%, em peso).

[0122] A centrífuga decantadora 32 espessa a pasta aquosa resfriada de volta a um mínimo de 15%, em peso. Mais especificamente, a centrífuga decantadora 32 separa a pasta aquosa resfriada em um primeiro fluxo que compreende um componente líquido da pasta aquosa (por exemplo, o centrato) e um outro segundo fluxo que compreende um componente sólido da pasta aquosa (por exemplo, a torta úmida). Em uma modalidade, a centrífuga decantadora fornece os dois fluxos em uma base substancialmente contínua. Em uma modalidade, a centrífuga decantadora remove líquido suficiente da pasta aquosa que a torta úmida tem uma consistência entre cerca de 15%, em peso, e cerca de 40%, em peso. Por exemplo, em uma modalidade, a torta úmida tem uma consistência de ao menos cerca de 18%. Em uma modalidade, a torta úmida tem uma consistência de ao menos cerca de 20%, em peso. Em uma modalidade, a torta úmida tem uma consistência de cerca de 28%, em peso.

[0123] A torta úmida é alimentada a uma entrada de um reator 52 na conversão biológica (por exemplo, um reator de hidrólise e/ou um reator de fermentação). Opcionalmente, as enzimas são misturadas à torta úmida antes de entrar no reator de conversão biológica e/ou diretamente no reator de conversão biológica. Em uma modalidade, as enzimas são misturadas na torta úmida com um misturador 54.

[0124] O centrato é reciclado de volta para o tanque flash 26 após ser resfriado no sistema de resfriamento, que inclui um dispositivo de resfriamento 42. Em uma modalidade, o sistema de resfriamento 42 inclui um trocador de calor (por exemplo, um trocador de calor de envoltório e de tubo, um trocador de calor de placa e quadro ou um trocador de calor líquido-líquido), que é usado para resfriar ativamente o centrato a uma temperatura predeterminada. Em uma modalidade, o centrato é resfriado abaixo de cerca de 60°C. Em outra modalidade, o centrato é resfriado abaixo de cerca de 35°C. Em uma modalidade, o centrato é resfriado a cerca de 30°C. Opcionalmente, o centrato é coletado em um tanque de centrato (não mostrado) antes de ser alimentado no dispositivo de resfriamento 42. Em uma modalidade, a pasta aquosa resfriada do tanque flash 26 é bombeada para e alimentada em uma pluralidade de centrífugas decantadoras (por exemplo, operando em paralelo), e o centrato de cada decantador na pluralidade é alimentado no tanque de centrato. Nesta modalidade, o tanque flash 26, a centrífuga decantadora 32, o tanque de centrato (agora mostrado), o dispositivo de resfriamento 42 e a bomba 70 são todos parte de um sistema de resfriamento usado para resfriar e/ou transportar a biomassa antes de entrar no reator de conversão biológica 52.

[0125] Em uma modalidade, qualquer excesso de centrato pode ser usado para reduzir a consistência da torta úmida, de modo que seja adequado para a conversão biológica e/ou para fornecer uma solução de enzima para a conversão biológica.

[0126] Em uma modalidade, o centrato é periodicamente desviado do circuito de resfriamento e é fornecido um líquido relativamente limpo para substituir o centrato desviado.

[0127] Vantajosamente, o tanque flash 26 fornece resfriamento da biomassa da temperatura de pré-tratamento para uma temperatura compatível com microorganismos usados no reator de conversão biológica 52 sem o uso de um tanque flash a vácuo e sem diluir a biomassa até um ponto em que a carga hidráulica da centrífuga decantadora 32 é excedida. Mais especificamente, a combinação de uso de um tanque flash atmosférico e água de resfriamento resfriada abaixo de cerca de 50°C proporciona resfriamento máximo com água mínima sem a despesa de usar um flash a vácuo.

[0128] Além disso, o uso do sistema de resfriamento fornece os meios para resfriar a biomassa pré-tratada sem lavagem. Mais especificamente, o sistema é mais flexível em relação ao fato de os açúcares C5 e/ou outros açúcares de pré-tratamento serem removidos e processados separadamente, ou se eles permanecem com os sólidos.

[0129] Adicionalmente, vantajosamente, o tanque flash 26 também permite que a biomassa pré-tratada seja misturada uniformemente com um produto químico de ajuste de pH. Por exemplo, em uma modalidade em que a biomassa é mantida no reator de pré-tratamento 16 sob condições ácidas, uma base ou álcali 80 pode ser adicionada ao centrato de modo que ela é misturada com a biomassa pré-tratada na zona de mistura do tanque flash 26.

[0130] Além disso, o tanque flash 26 fornece os meios para resfriar a biomassa pré-tratada em um sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado, o qual, em uma modalidade, não afeta a(s) reação(ões) de conversão biológica a jusante (por exemplo, não dilui substancialmente a pasta aquosa de biomassa pré-tratada). Vantajosamente, esse sistema de resfriamento de circuito fechado proporciona um consumo de água relativamente baixo e permite que os componentes de prateleira (por exemplo, bombas) sejam usados para transportar a biomassa pré-tratada. Consequentemente, o processo e/ou sistema oferecem vantagens de custo significativas em comparação com os processos que usam componentes para transporte de pastas aquosas de consistência média. Além disso, uma vez que a viscosidade da pasta aquosa resfriada pode ser alterada pelo controle da temperatura do líquido de resfriamento, o operador não precisa se preocupar com o fluxo. Notavelmente, o controle de processo é alcançado usando-se circuitos de controle relativamente simples.

[0131] Vantajosamente, o sistema de resfriamento de circuito substancialmente fechado permite que a biomassa pré-tratada seja transportada para uma elevação mais alta com o uso de bombas relativamente baratas com menos complicações. Por exemplo, uma vez que o centrato tem uma viscosidade relativamente baixa e/ou é relativamente isento de sólidos não dissolvidos, uma bomba centrífuga padrão pode ser usada para bombear a pasta aquosa resfriada até uma entrada do reator de conversão biológica. Notavelmente, essa elevação relativamente alta pode não ser possível com bombas centrífugas se a consistência for maior que cerca de 15%, em peso. Notavelmente, uma vez que o centrato provavelmente tenha uma consistência mais baixa que muitos fluxos de processo no processo (por exemplo, considere o líquido de resfriamento usado na publicação de patente US n° 2015/0240198), essa consistência de pasta aquosa desejada pode ser obtida com menos líquido.

Conversão biológica

[0132] A torta úmida e/ou o excesso de centrato podem estar sujeitos a uma conversão biológica 50 na qual os microorganismos ajudam e/ou aceleram a conversão da biomassa em um produto predeterminado (por exemplo, um combustível de transporte, como etanol, ou outro combustível ou produto químico). Em geral, a conversão biológica pode incluir uma hidrólise enzimática e/ou fermentação.

[0133] O termo "hidrólise" refere-se à produção de açúcares e/ou oligômeros de açúcar de cadeia curta a partir de biomassa. Em geral, a hidrólise pode incluir a ruptura de ligações glicosídicas em polissacarídeos para produzir os açúcares e/ou oligômeros de açúcar. Por exemplo, a hidrólise da celulose pode produzir glicose de açúcar C6, enquanto a hidrólise da hemicelulose pode produzir açúcares C5 como xilose e arabinose, além de alguns açúcares C6.

[0134] Quando uma hidrólise é assistida e/ou acelerada com o uso de uma enzima, a hidrólise é chamada de hidrólise enzimática. Em uma modalidade, enzimas celulase são usadas para romper cadeias de celulose em glicose. Em particular, o termo "celulase" se refere a várias enzimas produzidas por fungos, bactérias ou protozoários que catalisam a celulólise. Por exemplo, o termo celulase pode denotar uma mistura de múltiplas enzimas que compreende exo-celobio- hidrolases (CBH), endoglucanases (EG) e β-glicosidases (βG) que podem ser produzidas por meio de inúmeras plantas e micro-organismos.

[0135] O(s) açúcar(es) e/ou oligômeros de açúcar produzidos pela hidrólise (por exemplo, a hidrólise enzimática e/ou uma hidrólise química) pode(m) ser fermentado(s) em um álcool. Por exemplo, em uma modalidade, o(s) açúcar(es) é/são fermentado(s) em etanol. Em outra modalidade, o(s) açúcar(es) é/são fermentado(s) em metanol, butanol ou propanol. Em outra modalidade, a fermentação produz ácido acético, ácido succínico ou outro produto químico.

[0136] Em geral, a fermentação pode usar levedura e/ou bactérias. Por exemplo, em uma modalidade, em que a fermentação é parte de uma produção de etanol, a fermentação é executada com uma levedura de Saccharomyces spp.

[0137] Em uma modalidade, a glicose e/ou outras hexoses derivadas da celulose são fermentadas em etanol usando uma Saccharomyces cerevisiae tipo selvagem ou uma levedura geneticamente modificada. Em outra modalidade, a glicose é fermentada para butanol usando um micro-organismo como Clostridium acetobutylicum.

[0138] A xilose e a arabinose que são derivadas de hemiceluloses podem ser fermentadas em etanol usando uma cepa de levedura que naturalmente contém, ou foi projetada para conter, a capacidade de fermentar esses 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° 5.789.210, 5.866.382, 6.582.944 e 7.527.927 e a patente europeia n° 450430) ou (b) gene de xilose isomerase (XI) fúngica ou bacteriana (consulte, por exemplo, as patentes US n° 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).

[0139] Alternativamente, a xilose e outros açúcares pentose podem ser fermentados em xilitol por cepas de levedura 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.

[0140] Em uma modalidade, a hidrólise e/ou a fermentação pode ser realizada na ou próximo à temperatura e/ou pH ideais do micro-organismo correspondente. Por exemplo, a celulase convencional pode ter valores de pH ótimos entre cerca de 4,5 e cerca de 5,5 e uma temperatura ótima entre cerca de 40°C e cerca de 60°C, enquanto que Saccharomyces cerevisiae pode ter valores de pH ótimos entre cerca de 4 e cerca de 5,5 e uma temperatura ótima entre cerca de 25°C e cerca de 35°C. Em uma modalidade, o micro-organismo inclui uma levedura que é natural ou geneticamente modificada para ter uma temperatura ótima acima de 58°C.

[0141] A dose do micro-organismo dependerá de outros fatores, como a atividade do micro-organismo, o tempo de reação desejado, o volume do reator e outros parâmetros. Deve ser compreendido que esses parâmetros podem ser ajustados conforme desejado por um versado na técnica para obter as condições ideais de fermentação.

[0142] Em algumas modalidades, a hidrólise enzimática e a fermentação são conduzidas em recipientes separados, de modo que cada reação biológica possa ocorrer na sua respectiva temperatura ideal. Em uma outra modalidade, a hidrólise (por exemplo, que pode também ser chamada de sacarificação) é conduzida simultaneamente à fermentação no mesmo recipiente. Por exemplo, em uma modalidade, a sacarificação e a fermentação simultâneas (SSF) são conduzidas em uma temperatura entre cerca de 35 e 38°C, que é uma média entre a temperatura ótima de 50 a 55°C para a celulase e de 25 a 35°C para a levedura.

[0143] Independentemente da conversão biológica incluir ou não hidrólise e fermentação simultâneas (SHF), sacarificação e fermentação simultâneas (SSF), ou hidrólise e fermentação híbridas (HHF) (por exemplo, em que as duas etapas separadas são conduzidas em um mesmo reator, mas em diferentes temperaturas), o reator pode conter açúcares C5 e/ou açúcares C6. Mais especificamente, os reatores podem conter não apenas a glicose liberada durante a hidrólise da celulose, mas também um ou mais açúcares que surgem do pré-tratamento (por exemplo, xilose, glicose, arabinose, manose e/ou galactose). Por exemplo, em uma modalidade, o excesso de centrato (por exemplo, que pode ter uma concentração relativamente alta de açúcares C5) é alimentado a um reator de hidrólise enzimática com o componente sólido da pasta aquosa, é alimentado a um reator de fermentação com os açúcares C6 fornecidos por uma hidrólise enzimática e/ou são processados em um reator de fermentação separado. Por exemplo, em uma modalidade, os reatores de fermentação separados são fornecidos para os açúcares C5 e C6, enquanto em outras modalidades, os açúcares C5 e C6 são submetidos à co-fermentação no mesmo reator ou série de reatores.

[0144] Em geral, a hidrólise e/ou a fermentação podem ser conduzidas de modo contínuo, em batelada alimentada ou em batelada. Em uma modalidade, a hidrólise e/ou a fermentação são conduzidas de modo contínuo, o que pode oferecer maior produtividade e custos mais baixos. Por exemplo, em uma modalidade, os tanques de hidrólise e/ou fermentação incluem um ou mais reatores com tanque de agitação contínua (CSTRs) e/ou um ou mais reatores de fluxo pistonado (PFRs). No reator de escoamento pistonado, a pasta fluida é bombeada por meio de uma tubulação ou tubo, de modo que apresente um perfil de velocidade relativamente uniforme ao longo do diâmetro da tubulação/tubo, e de modo que o tempo de residência dentro do reator forneça a conversão desejada.

[0145] Em uma modalidade, a hidrólise usa uma pluralidade de reatores de hidrólise. Por exemplo, em uma modalidade, a hidrólise inclui uma pluralidade de reatores de hidrólise incluindo um PRF e um CSTR em série como, por exemplo, descrito na patente US n° 8.709.770, que está aqui incorporada, por referência.

[0146] Em uma modalidade, a hidrólise é executada em um sistema de hidrólise, que inclui múltiplos reatores de hidrólise. O número de reatores de hidrólise no sistema pode depender do custo dos reatores, do volume da pasta aquosa e/ou outros fatores. Para uma unidade de etanol de escala comercial, o número típico de reatores de hidrólise pode ser, por exemplo, de 4 a 12. 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. O tempo total de residência nos reatores de hidrólise enzimática pode estar entre cerca de 24 horas e cerca de 250 horas, dependendo do grau de conversão desejado.

[0147] Com referência à Figura 5, é mostrada uma outra modalidade de um sistema de resfriamento para resfriamento e/ou transporte da biomassa para uma pluralidade de reatores de hidrólise. Nessa modalidade, a biomassa pré-tratada descarregada do reator de pré-tratamento 16 tem uma consistência que é menor que uma consistência da torta úmida, de modo que o excesso de centrato gerado pelo sistema de separação sólido-líquido 32 possa ser levado adiante no processo. Nessa modalidade, a hidrólise é conduzida em ao menos um primeiro reator de hidrólise 52a e um segundo reator de hidrólise 52b, e o excesso de centrato é alimentado a uma entrada do segundo reator de hidrólise, onde é eventualmente alimentado a um ou mais reatores de co-fermentação. Em outras modalidades, o excesso de centrato é adicionado de volta ao processo em qualquer estágio antes ou durante a co-fermentação. Introduzir o excesso de centrato a jusante do primeiro reator de hidrólise permite vantajosamente que o primeiro reator de hidrólise opere sob condições de consistência relativamente altas, fornecendo, dessa forma, tempos de retenção mais longos para o mesmo tamanho de vaso (por exemplo, se o primeiro reator for um reator de fluxo pistonado). Consequentemente, a presente modalidade é particularmente vantajosa se o primeiro reator de hidrólise 52a for um PFR e o segundo reator de hidrólise for um CSTR. Nesse caso, o excesso de centrato fornece líquido que pode facilitar a hidrólise e/ou mistura no CSTR.

[0148] Em uma modalidade, os sólidos insolúveis restantes após a hidrólise enzimática, incluindo lignina, são opcionalmente removidos com o uso de técnicas convencionais de separação sólido-líquido antes de qualquer processamento adicional. Em outra modalidade, os sólidos insolúveis restantes após a hidrólise enzimática são transportados para fermentação.

[0149] Em uma modalidade, a fermentação usa uma pluralidade de reatores de fermentação. Por exemplo, em uma modalidade, a hidrólise usa um CSTR e/ou um PFR.

[0150] Em uma modalidade, os reatores de fermentação são agitados levemente com agitação mecânica. Uma fermentação comercial e típica pode ser feita com o uso de reatores múltiplos. Em uma modalidade, os micro-organismos de fermentação são reciclados de volta para a fermentação antes da recuperação do produto.

[0151] O termo "recuperação" significa que o produto de fermentação é obtido em uma forma mais purificada e/ou concentrada do que no caldo de fermentação. A recuperação pode ser executada por meio de qualquer técnica adequada conhecida pelos versados na técnica, e inclui destilação para produtos de fermentação que têm um ponto de ebulição mais alto ou mais baixo que a água, como etanol e butanol, ou técnicas como extração líquido-líquido para ácido láctico.

[0152] Se etanol ou butanol for o produto de fermentação, a recuperação é executada por destilação. Opcionalmente, o produto de fermentação pode ser adicionalmente concentrado por peneiras moleculares ou extração de membrana.

Exemplos Exemplo 1: Sistema para resfriar a biomassa pré-tratada antes da hidrólise

[0153] A seguir é descrito um sistema para resfriar a biomassa pré-tratada antes da hidrólise, de acordo com uma modalidade da invenção.

[0154] Com referência à Figura 6, a biomassa pré-tratada tendo uma temperatura de cerca de 100°C, e uma consistência de cerca de 20%, em peso, é misturada com um líquido de resfriamento no tanque flash 26. O líquido de resfriamento, que tem uma temperatura de cerca de 30°C, é misturado com a biomassa pré-tratada e sai do tanque flash em uma saída próxima à zona de mistura do tanque flash como uma pasta aquosa tendo uma temperatura de cerca de 50°C e uma consistência de cerca de 8%, em peso. A pasta aquosa resfriada é bombeada até uma elevação vertical mais alta por meio de uma bomba centrífuga convencional 70 e tubulação padrão dimensionada para a pasta aquosa resfriada com viscosidade relativamente baixa (por exemplo, que tem uma consistência menor que cerca de 12%, em peso). Mais especificamente, a pasta aquosa resfriada é bombeada até uma centrífuga decantadora 32, que separa a pasta aquosa resfriada em um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta aquosa (por exemplo, o centrato) e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta aquosa (por exemplo, a torta úmida). A torta úmida, que tem uma temperatura de cerca de 50°C e uma consistência de cerca de 20%, em peso, é alimentada a uma entrada do reator de fluxo pistonado 52 após a enzima ser misturada na mesma. O centrato, que tem uma temperatura de cerca de 50°C, é reciclado de volta para o tanque flash 26 depois de ser resfriado (por exemplo, por trocador de calor HX) a cerca de 30°C.

[0155] É claro que, as modalidades acima foram fornecidas apenas como exemplos. Será apreciado pelos versados na técnica, que várias modificações, configurações alternativas, e/ou equivalente serão empregados sem se que se desvie do espírito e escopo da invenção. Por exemplo, embora o sistema de resfriamento de circuito fechado seja particularmente vantajoso quando a entrada para o reator de hidrólise é elevada em relação à saída do tanque flash, também é útil se os componentes e/ou estágios estiverem aproximadamente na mesma elevação. Consequentemente, o escopo da invenção é, portanto, destinado a ser limitado apenas pelo escopo das reivindicações em anexo.

Claims

1. Método para resfriamento e hidrólise da biomassa pré-tratada caracterizado por compreender: descarregar a biomassa pré-tratada a partir de um reator de pré-tratamento (16); misturar a biomassa pré-tratada descarregada com um líquido de resfriamento em um recipiente (26), o recipiente incluindo uma saída para fornecer uma pasta, em que o dito recipiente é um tanque flash que tem um agitador mecânico e o dito tanque flash está sob pressão atmosférica; bombear a pasta para um separador sólido-líquido (32), o dito separador sólido-líquido para fornecer um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta; alimentar pelo menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido a uma entrada de um reator de hidrólise (52); alimentar pelo menos uma porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido para um sistema de resfriamento para fornecer um fluxo resfriado; e alimentar pelo menos uma porção do fluxo resfriado para o recipiente para fornecer líquido de resfriamento.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da entrada para o reator de hidrólise (52) ser elevada em relação à saída do recipiente (26).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por compreender a introdução de um produto químico de ajuste de pH na biomassa pré-tratada descarregada, em que a introdução do dito produto químico de ajuste de pH na biomassa pré-tratada descarregada compreende a adição do produto químico de ajuste de pH a pelo menos uma porção do primeiro fluxo alimentado ao sistema de resfriamento, a pelo menos uma porção do fluxo resfriado e uma mistura compreendendo a biomassa pré-tratada descarregada e o líquido de resfriamento.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender a introdução de uma enzima ao outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido, em que a introdução da enzima ao outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido compreende a mistura do outro segundo fluxo com a enzima em um misturador antes de alimentar o outro segundo fluxo à entrada do reator de hidrólise.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato da pasta ter uma consistência que é menor que 12% em peso, e em que o outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido tem uma consistência maior que 15% em peso.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido ter uma consistência entre 18% em peso e 40% em peso.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato da pasta ter uma consistência entre 5% em peso e 12% em peso.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato da pasta ter uma consistência que é menor que 15% em peso, e em que uma diferença entre a consistência da pasta e a consistência do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido é de pelo menos 5% em peso.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato da biomassa pré-tratada descarregada do reator de pré- tratamento ter uma consistência que é menor que uma consistência do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido, e em que uma porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido é alimentada a um reator de fermentação.

10. Método para hidrólise da biomassa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender: reduzir uma pressão sobre a biomassa pré-tratada mediante a descarga da biomassa pré-tratada em um recipiente (26), sendo que a redução de pressão faz com que a biomassa pré-tratada resfrie a partir de uma primeira temperatura para uma segunda temperatura; em que a biomassa pré-tratada descarregada é misturada com um líquido de resfriamento em uma zona de mistura do recipiente (26) para formar uma pasta tendo uma consistência que é menor que 12% em peso, a pasta estando a uma terceira temperatura, sendo a terceira temperatura menor que a segunda temperatura; em que o dito outro segundo fluxo tem uma consistência entre 15% em peso e 40% em peso, e em que o fluxo resfriado está em uma quarta temperatura, a quarta temperatura sendo menor que a terceira temperatura e menor que 50°C.

11. Sistema para hidrólise da biomassa caracterizado por compreender: um reator de pré-tratamento (16) para pré-tratar a biomassa antes da reação de hidrólise; um primeiro sistema de resfriamento em comunicação fluida com o reator de pré-tratamento para receber biomassa pré-tratada descarregada a partir do reator de pré-tratamento, o primeiro sistema de resfriamento incluindo um recipiente (26) que tem uma entrada para receber um líquido de resfriamento, um agitador mecânico para misturar a biomassa pré-tratada descarregada a partir do reator de pré-tratamento com o líquido de resfriamento e uma saída para fornecer uma pasta que compreende a biomassa pré-tratada, em que o referido recipiente (26) compreende um tanque flash atmosférico; um sistema de separação sólido-líquido (32) para separar a pasta em um primeiro fluxo compreendendo um componente líquido da pasta e um outro segundo fluxo compreendendo um componente sólido da pasta; um reator de hidrólise (52) em comunicação fluida com o sistema de separação sólido-líquido (32), o reator de hidrólise (52) tendo uma entrada para receber ao menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido; um segundo sistema de resfriamento (42) para reduzir a temperatura de pelo menos uma primeira porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido para fornecer um fluxo resfriado; ao menos uma tubulação para transportar pelo menos uma porção do fluxo resfriado para o recipiente para fornecer líquido de resfriamento; e uma bomba (70) para transferir a pasta do recipiente para o sistema de separação sólido-líquido (32).

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do primeiro sistema de resfriamento compreender um primeiro tanque flash a montante do tanque flash atmosférico.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato do segundo sistema de resfriamento (42) compreender um trocador de calor acoplado a pelo menos uma tubulação.

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato do sistema de separação sólido-líquido (32) compreender uma centrífuga decantadora.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado por compreender um misturador disposto a jusante do sistema de separação sólido-líquido (32) e a montante do reator de hidrólise (52) para misturar a enzima com pelo menos uma porção do outro segundo fluxo compreendendo o componente sólido.

16. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo fato do reator de hidrólise ser um reator de fluxo em pistão.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender um reator com tanque de agitação contínua tendo uma primeira entrada em comunicação fluida com uma saída do reator de fluxo em pistão e uma segunda entrada para receber uma outra segunda porção do primeiro fluxo compreendendo o componente líquido.

18. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 17, caracterizado pelo fato do dito reator de pré-tratamento incluir pelo menos uma entrada para injetar vapor d’água no reator de pré-tratamento (16).

19. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 18, caracterizado pelo fato da bomba (70) compreender uma bomba centrífuga para transportar a dita pasta do recipiente até o sistema de separação sólido-líquido.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato da dita bomba (70) ser uma bomba configurada para transportar pastas tendo uma consistência que é menor que 12% em peso, e do dito sistema de separação sólido-líquido compreender um separador sólido-líquido configurado para fornecer um componente sólido tendo uma consistência entre 15% em peso e 40% em peso.