BR112019017106A2 - formação de zona de alta pressão para pré-tratamento - Google Patents

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Sweetwater Energy Inc
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Abstract

os métodos, sistemas e composições para o pré-tratamento uniforme de biomassa em segundos com baixa formação de inibidor são divulgados neste documento. o processo de pré-tratamento é usado para converter a biomassa em combustível, açúcares ou outros produtos químicos úteis submetendo a matéria-prima a um tempo de retenção rápido sob pressão e temperatura e/ou reagente químico. o sistema inclui, pelo menos, um tampão impermeável ao vapor de alta pressão e um aparelho de descarga por válvula de funcionamento contínuo para descarregar a matéria-prima pré-tratada, mantendo uma pressão uniforme no sistema de pré-tratamento.

Description

FORMAÇÃO DE ZONA DE ALTA PRESSÃO PARA PRÉ-TRATAMENTO
REFERÊNCIA CRUZADA [0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório Ns US 62/460.037, depositado em 16 fevereiro de 2017, que é incorporado neste documento por referência na sua totalidade.
FUNDAMENTOS [0002] Os dispositivos de extrusão são de natureza altamente versátil e podem ser usados para a produção de uma ampla variedade de produtos finais. As extrusoras podem ser usadas para pré-tratamento de materiais contendo polímeros, incluindo materiais de biomassa, tais como resíduos agrícolas e materiais lenhosos. Tais materiais têm variadas densidades, ligações químicas, teor de umidade e razões de expansão, dificultando o processamento. Na produção de produtos finais de pré-tratamento a partir de biomassa, pode ser útil realizar as reações de hidrólise de pré-tratamento o mais rápida e eficientemente possível para evitar a exposição dos materiais a condições excessivamente severas, resultando na formação de inibidores. Também pode ser importante manter a temperatura e a pressão constantes e uniformes no processo. Dessa maneira, os polímeros de celulose e hemicelulose podem ser separados dos polímeros de lignina rápida e eficientemente. Técnicas de pré-tratamento melhoradas são desejáveis para melhorar a eficiência da conversão de biomassa a partir de recursos renováveis e/ou materiais residuais para altos rendimentos de produtos mais valiosos.
[0003] Um processo de pré-tratamento para produzir polímeros hidrolisados a partir de biomassa é realizado expondo a matéria-prima a ácido diluído, alta temperatura e vapor de alta pressão durante um período de tempo seguido de explosão de vapor. Para se alcançar esse tratamento uniformemente em toda a biomassa, a biomassa pode ser sujeita a redução de tamanho por moagem, trituração, retalhamento ou outra ação mecânica, pode ser ainda mais reduzida em tamanho a partículas muito pequenas e, em seguida, alimentada em uma zona de reação curta onde é tratada alguns segundos antes da explosão de vapor. (Ver US20160273009A1.) O tamanho pequeno das partículas permite que o tratamento seja executado eficientemente sem subexposição ou superexposição a
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2/99 ácido, temperatura e pressão. No entanto, é difícil reduzir o tamanho uniformemente e pré-tratar enquanto a biomassa se move pelo sistema, porque é difícil manter a pressão constante. Modificações a tais técnicas podem melhorar a eficiência da conversão de biomassa a partir de recursos renováveis e/ou materiais residuais para altos rendimentos de produtos mais valiosos.
SUMÁRIO [0004] Em um aspecto, são divulgados neste documento métodos em escala industrial para o pré-tratamento de biomassa, o método compreendendo: (a) alimentar a biomassa em um sistema de extrusão compreendendo: (i) um barril que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (ii) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através do sistema de extrusão a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos compreendem elementos de seção configurados para formar: (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa, e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um plugue impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação; e (b) tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação durante menos de cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração de líquido/sólidos compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose e/ou lignina.
[0005] Em outro aspecto, são divulgadas neste documento composições de biomassa pré-tratadas produzidas pelos métodos divulgados neste documento.
[0006] Em outro aspecto, aqui são divulgados sistemas para pré-tratamento em escala industrial de biomassa, o sistema compreendendo: (a) um barril que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (b) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através da câmara interna do barril a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos
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3/99 compreendem elementos de seção configurados para formar: (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa; e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um plugue impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação; em que o sistema é configurado para tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação por, pelo menos, cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração de líquido compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose, lignina ou uma combinação destes.
INCORPORAÇÃO POR REFERÊNCIA [0007] Todas as publicações, patentes e pedidos de patente mencionados neste relatório descritivo são incorporados neste documento por referência na mesma medida como se cada publicação, patente ou pedido de patente individual fosse indicada específica e individualmente para ser incorporada por referência. Na medida em que um termo incorporado por referência entre em conflito com um termo definido neste documento, este relatório descritivo terá o controle.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0008] Os novos recursos da invenção são estabelecidos com particularidade nas reivindicações anexas. Uma melhor compreensão dos recursos e vantagens da presente invenção será obtida por referência à seguinte descrição detalhada que estabelece modalidades ilustrativas, nas quais os princípios da invenção são utilizados, e os desenhos em anexo dos quais:
[0009] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um aparelho divulgado neste documento com um plugue impermeável.
[0010] A FIG. 2 é uma vista em corte fragmentária horizontal de uma modalidade de um aparelho divulgado neste documento, ilustrando o barril, parafusos e válvula de extremidade, acoplados a uma extrusora de parafuso duplo da invenção.
[0011] A FIG. 3 é uma vista em corte transversal semelhante à da
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FIG. 2, que retrata a extrusora com os parafusos duplos.
[0012] A FIG. 4 é uma vista em corte transversal da placa de extremidade da extrusora, que encosta na extremidade da válvula de descarga.
[0013] A FIG. 5 é uma vista esquemática em corte transversal da placa de extremidade da extrusora e da abertura da placa de válvula que encosta na extremidade da extrusora.
[0014] A FIG. 6 é uma vista em corte transversal da extremidade da placa da válvula de descarga que encosta na extremidade da extrusora, mostrando a vedação voltada.
[0015] A FIG. 7 é uma vista em corte fragmentário horizontal da transição da descarga dos parafusos duplos ao orifício de saída.
[0016] A FIG. 8 é uma vista em corte horizontal do alojamento para um conjunto de válvula.
[0017] A FIG. 9 é um desenho esquemático que mostra como o conjunto de válvula se encaixa no alojamento.
[0018] A FIG. 10 é uma vista em corte horizontal do conjunto de válvula no alojamento.
[0019] A FIG. 11 é um desenho esquemático de uma modalidade de um venturi de expansão gradual usado como uma válvula de descarga com a válvula praticamente fechada.
[0020] A FIG. 12 é um desenho esquemático da modalidade de venturi de expansão gradual da FIG. 11, com a válvula praticamente aberta.
[0021] A FIG. 13 é um gráfico mostrando a distribuição de tamanho de partícula da biomassa de serragem de cereja após o pré-tratamento de acordo com uma modalidade dos métodos divulgados neste documento.
[0022] A FIG. 14 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um aparelho com um plugue impermeável e dois plugues permeáveis divulgados neste documento.
DESCRIÇÃO DETALHADA [0023] Conforme usado no relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas singulares um, uma e o(a) incluem referentes no plural, a menos que o contexto dite claramente o contrário. Assim, por exemplo, a referência
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5/99 a um monômero purificado inclui misturas de dois ou mais monômeros purificados. O termo compreendendo, conforme usado neste documento, é sinônimo de incluindo, contendo ou caracterizado por, e é inclusive ou em aberto e não exclui elementos adicionais, não recitados ou etapas do método.
[0024] Todos os números expressando quantidades de ingredientes, condições de reação, e assim por diante, usados no relatório descritivo e reivindicações, devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo cerca de. Nesse sentido, a menos que indicado o contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos neste documento são aproximações, que podem variar dependendo das propriedades desejadas de serem obtidas. Pelo menos, e não como uma tentativa de limitar o pedido da doutrina de equivalentes ao escopo de quaisquer reivindicações em qualquer pedido reivindicando prioridade ao presente pedido, cada parâmetro numérico deve ser interpretado levando em consideração o número de dígitos significativos e técnicas de arredondamento comuns.
[0025] Onde a frase por exemplo, como, incluindo e similares são usadas neste documento, a frase e sem limitação entende-se como subsequente a menos que explicitamente indicado o contrário. Portanto, por exemplo, produção de etanol significa por exemplo, e sem limitação, produção de etanol.
[0026] Neste relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, será feita referência a um número de termos que serão definidos para terem os seguintes significados. A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados neste documento têm o mesmo significado como comumente entendido por uma pessoa versada na técnica.
[0027] Definições [0028] A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados neste documento têm o mesmo significado como comumente entendido por uma pessoa versada na técnica.
[0029] Opcional ou opcionalmente significa que um evento ou circunstância descrita posteriormente pode ou não pode ocorrer e a descrição inclui casos quando o evento ou circunstância ocorre e casos em que não ocorre. Por exemplo, a frase o meio opcionalmente pode conter glicose significa que o meio
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6/99 pode ou não conter glicose como um ingrediente e que a descrição inclui meio contendo glicose e meio não contendo glicose.
[0030] Cerca de significa uma indicação numérica referenciada com 10% a mais ou a menos do que essa indicação numérica referenciada. Por exemplo, o termo cerca de 4 incluiría um intervalo de 3,6 a 4,4.
[0031] A fermentação é um processo químico anaeróbico pelo qual moléculas tais como glicose e xilose são quebradas para liberar energia e produtos finais da fermentação são sintetizados. Os processos de fermentação industrial começam com microrganismos adequados, como leveduras e bactérias, e condições específicas, tal como ajuste cuidadoso da concentração de nutrientes. Os produtos são de vários tipos: álcoois, glicerol e dióxido de carbono da fermentação de leveduras de vários açúcares; álcool butílico, acetona, ácido lático, glutamato monossódico e ácido acético de várias bactérias; e ácido cítrico, ácido glucônico e pequenas quantidades de antibióticos, vitamina B12 e riboflavina (vitamina B2) da fermentação de fungos. Álcool etílico e/ou butanol são produzidos através da fermentação de amido ou açúcar e são importantes fontes de biocombustível líquido.
[0032] Produto final fermentative e produto final de fermentação são usados permutavelmente neste documento para incluir biocombustíveis, produtos químicos, compostos adequados como combustíveis líquidos, combustíveis gasosos, triglicerídeos (TAGs), reagentes, matérias-primas químicas, aditivos químicos, auxiliares de processamento, aditivos alimentares, bioplásticos e precursores de bioplásticos e outros produtos. Exemplos de produtos finais fermentativos incluem, sem limitação, 1,4-diácidos (succínico, fumárico e málico), ácido 2,5-furanodicarboxílico, ácido 3-hidroxipropiônico, ácido aspártico; ácido glucárico, ácido glutâmico, ácido itacônico, ácido levulínico, 3-hidroxibutirolactona, glicerol, sorbitol, xilitol/arabinitol, butanodiol, butanol, metano, metanol, etano, eteno, etanol, n-propano, 1-propeno, 1-propanol, propanal, acetona, propionato, n-butano, 1-buteno, 1-butanol, butanal, butanoato, isobutanal, isobutanol,
2-metilbutanal, 2-metilbutanol, 3-metilbutanal, 3-metilbutanol, 2-buteno, 2-butanol,
2-butanona, 2,3-butanodiol, 3-hidroxi-2-butanona, 2,3-butanodiona, etilbenzeno, etenilbenzeno, 2-feniletanol, fenilacetaldeído, 1-fenilbutano, 4-fenil-1-buteno,
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4-fenil-2-buteno, 1 -fenil-2-buteno,1 -fenil-2-butanol, 4-fenil-2-butanol,
1- fenil-2-butanona, 4-fenil-2-butanona, 1 -fenil-2,3-butandiol,
-fenil-3-hidroxi-2-butanona, 4-fenil-3-hidroxi-2-butanona, 1 -fenil-2,3-butanodiona, n-pentano, etilfenol, etenilfenol, 2-(4-hidroxifenil)etanol, 4-hidroxifenilacetaldeido, 1 -(4-hidroxifenil)butano, 4-(4-hidroxifenil)-1 -buteno, 4-(4-hidroxifenil)-2-buteno, 1 -(4-hidroxifeniI)-1 -buteno, 1 -(4-hidroxifenil)-2-butanol, 4-(4-hidroxifenil)-2-butanol, 1 -(4-hidroxifenil)-2-butanona, 4-(4-hidroxifenil)-2-butanona,
-(4-hidroxifeni l)-2,3-butandiol, 1 -(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-butanona,
4-(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-butanona, 1 -(4-hidroxifenil)-2,3-butanonadiona, indoliletano, indolileteno, 2-(indol-3-)etanol, n-pentano, 1-penteno, 1-pentanol, pentanal, pentanoato, 2-penteno,
3- pentanona, 4-metilpentanal,
2- hidroxi-3-pentanona, 3-hidroxi-2-pentanona, 2,3-pentanodiona, 2-metilpentano,
4- metil-1 -penteno, 4-metil-2-penteno, 4-metil-3-penteno, 4-metil-2-pentanol,
2-metil-3-pentanol, 4-metil-2-pentanona, 2-metil-3-pentanona,
4-metil-2,3-pentanodiol, 4-metil-2-hidroxi-3-pentanona,
4-metil-3-hidroxi-2-pentanona, 4-metil-2,3-pentanodiona,
1-fenil-1-penteno, 1-fenil-2-penteno, 1-fenil-3-penteno, 1 -fenil-3-pentanol, 1 -fenil-2-pentanona,
-fenil-2,3-pentanodiol, 1 -fenil-3-hidroxi-2-pentanona, 4-meti I-1 -fenil-1 -penteno,
4-metiI-1 -fenil-3-pentanol, 4-metiI-1 -fenil-2-pentanol, 4-metiI-1 -fenil-3-pentanona, 4-meti I-1 -fenil-2-pentanona, 4-metil-1-fenil-2,3-pentanodiona, 4-metil-1-fenil-2-hidroxi-3-pentanona,
-(4-hidroxifeni I)-1 -penteno, 1 -(4-hidroxifenil)-3-penteno, 1 -(4-hidroxifenil)-3-pentanol, 1 -(4-hidroxifenil)-3-pentanona,
1-(4-hidroxifenil)-2-hidroxi-3-pentanona,
1-(4-hidroxifenil)-2,3-pentanodiona,
2-pentanol, 3-pentanol, 2-pentanona,
4-metilpentanol, 2,3-pentanodiol,
1-fenilpentano,
-fenil-2-pentanol, 1-fenil-3-pentanona,
-fenil-2-hidroxi-3-pentanona, 1 -fenil-2,3-pentanodiona, 4-metil-1 -fenilpentano, 4-metil-1 -fenil-2-penteno, 4-metil-1 -fenil-3-penteno,
4-metil-1 -fenil-2,3-pentanodiol,
4-metil-1-fenil-3-hidroxi-2-pentanona,
-(4-hidroxifenil)pentano,
-(4-hidroxifenil)-2-penteno,
-(4-hidroxifenil)-2-pentanol,
-(4-hidroxifenil)-2-pentanona,
1-(4-hidroxifenil)-2,3-pentanodiol,
-(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-pentanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)pentano,
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8/99
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-penteno,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-pentanol,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-pentanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-pentanodiol,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-penteno,
4-meti I-1 -(4-hidroxifeni I)-1 -penteno,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-pentanol,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-pentanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-pentanodiona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-pentanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hidroxi-3-pentanona,
1-(indol-3)-1-penteno,
1-(indol-3)-2-pentanol,
-(indol-3)-3-pentanona,
1-(indol-3)-2-hidroxi-3-pentanona,
-(indol-3)-2,3-pentanodiona,
4-meti I-1 -(indol-3)-2-penteno,
4-meti I-1 -(i ndol-3)-1 -penteno,
4-meti I-1 -(indol-3)-2-pentanol,
4-metil-1-(indol-3)-2-pentanona,
4-metil-1-(indol-3)-2,3-pentanodiona,
4-metil-1-(indol-3)-2-hidroxi-3-pentanona, n-hexano, 1-hexeno, 1-hexanol, hexanal, hexanoato, 2-hexeno, 3-hexeno, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-hexanona, 3-hexanona,
1-(indol-3)-2-penteno,
1-(indol-3)-3-pentanol,
1-indol-3-pentano,
1-(indol-3)-3-penteno,
-(indol-3)-2-pentanona,
-(indol-3)-2,3-pentanodiol,
1-(indol-3)-3-hidroxi-2-pentanona,
4-metil-1 -(indol-3-)pentano,
4-metil-1 -(indol-3)-3-penteno,
4-metil-2-(indol-3)-3-pentanol,
4-metil-1-(indol-3)-3-pentanona,
4-metil-1-(indol-3)-2,3-pentanodiol,
4-metil-1-(indol-3)-3-hidroxi-2-pentanona,
2,3-hexanodiol,
2,3-hexanodiona,
3,4-hexanodiol,
3,4-hexanodiona,
2-hidroxi-3-hexanona,
3-hidroxi-2-hexanona,
3-hidroxi-4-hexanona,
4-hidroxi-3-hexanona,
2-metilhexano,
3-metilhexano,
2-metil-2-hexeno,
2-metil-3-hexeno,
5-metil-2-hexeno,
4-metil-2-hexeno,
3-metil-3-hexeno,
3-metil-2-hexeno,
3-metil-1-hexeno,
2-metil-3-hexanol,
5-metil-2-hexanol,
5-metil-3-hexanol,
2-metil-3-hexanona,
5-metil-2-hexanona,
5-metil-3-hexanona,
2-metil-3,4-hexanodiol,
2-metil-3,4-hexanodiona,
5-metil-2,3-hexanodiol,
5-metil-2,3-hexanodiona,
4-metil-2,3-hexanodiol, 4-metil-2,3-hexanodiona,
2-metil-3-hidroxi-4-hexanona,
2-metil-4-hidroxi-3-hexanona,
5-metil-2-hidroxi-3-hexanona,
5-metil-3-hidroxi-2-hexanona,
4-metil-2-hidroxi-3-hexanona,
4-metil-3-hidroxi-2-hexanona, 2,5-dimetilhexano, 2,5-dimetil-2-hexeno,
2,5-dimetil-3-hexeno, 2,5-dimetil-3-hexanol, 2,5-dimetil-3-hexanona,
Petição 870190094089, de 19/09/2019, pág. 15/122
9/99
2.5- dimetil-3,4-hexanodiol, 2,5-dimetil-3,4-hexanodiona
2.5- dimetil-3-hidroxi-4-hexanona, 5-metil-1 -fenilhexano, 4-meti I-1 -fenilhexano
5-metil-1 -fenil-1 -hexeno,
4- meti I-1 -fenil-1 -hexeno,
5- metil-1 -fenil-2-hexanol,
4-meti I-1 -fenil-3-hexanol,
5-metil-1 -fenil-2-hexeno,
4- meti I-1 -fenil-2-hexeno,
5- meti 1-1 -fenil-3-hexanol,
5-metil-1 -fenil-2-hexanona,
5-metil-1 -fenil-3-hexeno,
4-meti I-1 -fenil-3-hexeno,
4-meti I-1 -fenil-2-hexanol,
5-metil-1 -fenil-3-hexanona,
4- meti I-1 -fenil-2-hexanona,
5- metil-1 -fenil-2,3-hexanodiol,
5-metil-1-fenil-3-hidroxi-2-hexanona,
4- metil-1-fenil-3-hidroxi-2-hexanona,
5- metil-1-fenil-2,3-hexanodiona,
4- metil-1-(4-hidroxifenil)hexano,
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexeno,
4-meti I-1 -(4-hidroxifeni I)-1 -hexeno,
4- metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexeno,
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexanol,
4- metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexanol,
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-hexanodiol,
4-metil-1 -fenil-3-hexanona
4-metil-1 -fenil-2,3-hexanodiol
5-metil-1-fenil-2-hidroxi-3-hexanona
4- metil-1-fenil-2-hidroxi-3-hexanona
4-metil-1 -fenil-2,3-hexanodiona
5-meti 1-1 - (4-h idroxifeni I)-1 -hexeno
5-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hexeno
4- metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexeno
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexanol
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexanol
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexanona
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hexanona
5-metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-hexanodiol
5-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-hexanona,
5-metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hidroxi-3-hexanona,
4-metil-1-(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-hexanona,
4- metil-1-(4-hidroxifenil)-2-hidroxi-3-hexanona,
5- metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-hexanodiona,
4- metil-1-(4-hidroxifenil)-2,3-hexanodiona,
5- metil-1 -(i ndol-3)-1 -hexeno,
5-metil-1 -(indol-3)-3-hexeno,
4- meti I-1 -(indol-3)-2-hexeno,
5- metil-1 -(indol-3)-2-hexanol,
4- meti I-1 -(indol-3)-2-hexanol,
5- metil-1 -(indol-3)-2-hexanona,
4-metil-1 -(indol-3-)hexano,
5-meti 1-1 -(indol-3)-2-hexeno,
4-metil-1 - (indol-3)-1 -hexeno,
4- metil-1 -(indol-3)-3-hexeno,
5- metil-1 -(indol-3)-3-hexanol,
4-meti I-1 -(indol-3)-3-hexanol,
5-meti 1-1 -(indol-3)-3-hexanona,
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4-meti 1-1 -(indol-3)-3-hexanona,
4-metil-1-(indol-3)-2,3-hexanodiol, 5-metil-1-(indol-3)-2-hidroxi-3-hexanona, 4-metil-1-(indol-3)-2-hidroxi-3-hexanona, 4-metil-1-(indol-3)-2,3-hexanodiona,
4- meti I-1 -(indol-3)-2-hexanona,
5- metil-1-(indol-3)-2,3-hexanodiol, 5-metil-1-(indol-3)-3-hidroxi-2-hexanona,
4- metil-1-(indol-3)-3-hidroxi-2-hexanona,
5- metil-1-(indol-3)-2,3-hexanodiona, n-heptano, 1-hepteno, 1-heptanol, heptanal, heptanoato, 2-hepteno, 3-hepteno, 2-heptanol, 3-heptanol, 4-heptanol, 2-heptanona, 3-heptanona, 4-heptanona, 2,3-heptanodiol, 2,3-heptanodiona, 3,4-heptanodiol, 2-hidroxi-3-heptanona,
4- hidroxi-3-heptanona,
6- metil-3-hepteno,
5- metil-3-hepteno,
6- metil-3-heptanol, I
2- metil-4-heptanona,
3- metil-4-heptanona, 6-metil-3,4-heptanodiol,
5- metil-3,4-heptanodiona, 2-metil-4-hidroxi-3-heptanona,
6- metil-4-hidroxi-3-heptanona, 5-metil-4-hidroxi-3-heptanona, 2,6-dimetil-2-hepteno,
2.5- dimetil-3-hepteno,
2.6- dimetil-4-heptanol, :
2.6- dimetil-3,4-heptanodiol, 2,5-dimetil-3,4-heptanodiol,
3-hidroxi-2-heptanona,
2-metilheptano,
2- metil-3-hepteno,
3- metil-3-hepteno,
5-metil-3-heptanol, , 6-metil-3-heptanona, , 2-metil-3,4-heptanodiol,
6-metil-3,4-heptanodiona,
3-metilheptano,
2-metil-2-hepteno,
2-metil-3-heptanol,
3-metil-4-heptanol, , 2,6-dimetilheptano,
2.6- dimetil-3-hepteno,
3.6- dimetil-3-hepteno,
2,5-dimetil-3-heptanol,
3,4-heptanodiona,
3-hidroxi-4-heptanona, 6-metil-2-hepteno, 5-metil-2-hepteno, 2-metil-4-heptanol, 2-metil-3-heptanona, 5-metil-3-heptanona, 2-metil-3,4-heptanodiona, 5-metil-3,4-heptanodiol,
2-metil-3-hidroxi-4-heptanona, 6-metil-3-hidroxi-4-heptanona, 5-metil-3-hidroxi-4-heptanona, 2,5-dimetilheptano,
2.5- dimetil-2-hepteno,
2.6- dimetil-3-heptanol, 2,5-dimetil-4-heptanol,
2,6-dimetil-3,4-heptanodiona, 2,5-dimetil-3,4-heptanodiona, 2,6-dimetil-3-hidroxi-4-heptanona, 2,6-dimetil-4-hidroxi-3-heptanona,
2,5-dimetil-3-hidroxi-4-heptanona, 2,5-dimetil-4-hidroxi-3-heptanona, n-octano,
1- octeno, 2-octeno, 1-octanol, octanal, octanoato, 3-octeno, 4-octeno, 4-octanol, 4-octanona, 4,5-octanodiol, 4,5-octanodiona, 4-hidroxi-5-octanona, 2-metiloctano,
2- metil-3-octeno,
3- metil-4-octeno, 3-metil-4-octanol,
2-metil-4-octeno,
6-metil-3-octeno,
6-metil-4-octanol,
7-metil-3-octeno,
2-metil-4-octanol,
2-metil-4-octanona,
3-metil-3-octeno,
7-metil-4-octanol,
7-metil-4-octanona,
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11/99
3-metil-4-octanona,
2-metil-4,5-octanodiona,
2-metil-4-hidroxi-5-octanona
6-metil-4-octanona,
3-metil-4,5-octanodiol,
2-metil-4,5-octanodiol,
3-metil-4,5-octanodiona,
-metil-5-hidroxi-4-octanona,
3-metil-4-hidroxi-5-octanona,
3-metil-5-hidroxi-4-octanona, 2,7-dimetiloctano,
2,7-dimetil-3-octeno, 2,7-dimetil-4-octeno,
2,7-dimetil-4-octanol,
2,7-dimetil-4-octanona, 2,7-dimetil-4,5-octanodiol, 2,7-dimetil-4,5-octanodiona,
2,7-dimetil-4-hidroxi-5-octanona, 2,6-dimetiloctano, 2,6-dimetil-3-octeno,
2.6- dimetil-4-octeno, 3,7-dimetil-3-octeno, 2,6-dimetil-4-octanol,
3.7- dimetil-4-octanol, 2,6-dimetil-4-octanona, 3,7-dimetil-4-octanona,
2,6-dimetil-4,5-octanodiol,
2,6-dimetil-4,5-octanodiona,
2.6- dimetil-4-hidroxi-5-octanona, 2,6-dimetil-5-hidroxi-4-octanona,
3.6- dimetiloctano, 3,6-dimetil-3-octeno, 3,6-dimetil-4-octeno, 3,6-dimetil-4-octanol,
3.6- dimetil-4-octanona, 3,6-dimetil-4,5-octanodiol, 3,6-dimetil-4,5-octanodiona,
3.6- dimetil-4-hidroxi-5-octanona, n-nonano, 1-nonano, 1-nonanol, nonanal, nonanoato, 2-metilnonano, 2-metil-4-nonano, 2-metil-5-nonano, 8-metil-4-nonano, 2-metil-5-nonanol, 8-metil-4-nonanol, 2-metil-5-nonanona, 8-metil-4-nonanona,
8-metil-4,5-nonanodiol, 8-metil-4,5-nonanodiona, 8-metil-4-hidroxi-5-nonanona,
8-metil-5-hidroxi-4-nonanona, 2,8-dimetilnonano, 2,8-dimetil-3-nonano,
2.8- dimetil-4-nonano, 2,8-dimetil-5-nonano, 2,8-dimetil-4-nonanol,
2.8- dimetil-5-nonanol, 2,8-dimetil-4-nonanona, 2,8-dimetil-5-nonanona,
2.8- dimetil-4,5-nonanodiol, 2,8-dimetil-4,5-nonanodiona,
2.8- dimetil-4-hidroxi-5-nonanona, 2,8-dimetil-5-hidroxi-4-nonanona,
2.7- dimetilnonano, 3,8-dimetil-3-nonano, 3,8-dimetil-4-nonano,
3.8- dimetil-5-nonano, 3,8-dimetil-4-nonanol, 3,8-dimetil-5-nonanol,
3.8- dimetil-4-nonanona, 3,8-dimetil-5-nonanona, 3,8-dimetil-4,5-nonanodiol,
3.8- dimetil-4,5-nonanodiona, 3,8-dimetil-4-hidroxi-5-nonanona,
3.8- dimetil-5-hidroxi-4-nonanona, n-decano, 1-deceno, 1-decanol, decanoato,
2.9- dimetildecano, 2,9-dimetil-3-deceno, 2,9-dimetil-4-deceno,
2.9- dimetil-5-decanol, 2,9-dimetil-5-decanona, 2,9-dimetil-5,6-decanodiol,
2.9- dimetil-6-hidroxi-5-decanona, 2,9-dimetil-5,6-decanodionen-undecano,
1-undeceno, 1-undecanol, undecanal, undecanoato, n-dodecano, 1-dodeceno,
1-dodecanol, dodecanal, dodecanoato, n-dodecano, 1-decadeceno, n-tridecano,
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12/99
1-trideceno, 1-tridecanol, tridecanal, tridecanoato, n-tetradecano, 1-tetradeceno,
1-tetradecanol, tetradecanal, tetradecanoato, n-pentadecano, 1-pentadeceno,
1-pentadecanol, pentadecanal, pentadecanoato, n-hexadecano, 1-hexadeceno,
1-hexadecanol, hexadecanal, hexadecanoato, n-heptadecano, 1-heptadeceno,
1-heptadecanol, heptadecanal, heptadecanoato, n-octadecano, 1-octadeceno,
1-octadecanol, octadecanal, octadecanoato, n-nonadecano, 1-nonadeceno,
1- nonadecanol, nonadecanal, nonadecanoato, eicosano, 1-eicoseno, 1-eicosanol, eicosanal, eicosanoato, 3-hidroxipropanal, 1,3-propanodiol, 4-hidroxibutanal,
1,4-butanodiol, 3-hidroxi-2-butanona, 2,3-butandiol, 1,5-pentanodiol, homocitrato, homoisocitorato, b-hidroxi adipato, glutarato, glutarsemialdeido, glutaraldeido,
2- hidroxi-1-ciclopentanona, 1,2-ciclopentanodiol, ciclopentanona, ciclopentanol, (S)-2-acetolactato, (R)-2,3-Dihidroxi-isovalerato, 2-oxoisovalerato, isobutiril-CoA, isobutirato, isobutiraldeido, 5-amino pentaldeido, 1,10-diaminodecano,
1.10- diamino-5-deceno, 1,10-diamino-5-hidroxidecano, 1,10-diamino-5-decanona,
1.10- diamino-5,6-decanodiol, 1,10-diamino-6-hidroxi-5-decanona, fenilacetoaldeido, 1,4-difenilbutano, 1,4-difenil-1-buteno, 1,4-difenil-2-buteno,
1,4-difenil-2,3-butanodiol,
-(4-hideoxifenil)-4-fenilbutano,
1-(4-hideoxifenil)-4-fenil-2-buteno,
-(4-hideoxifenil)-4-fenil-2-butanona,
1.4- difenil-2-butanol, 1,4-difenil-2-butanona,
1.4- difenil-3-hidroxi-2-butanona,
-(4-hideoxifen il)-4-fen il-1 -buteno,
1-(4-hideoxifenil)-4-fenil-2-butanol,
1-(4-hideoxifenil)-4-fenil-2,3-butanodiol,
1-(4-hideoxifenil)-4-fenil-3-hidroxi-2-butanona,
-(i ndol-3)-4-fe ni I-1 -buteno,
-(indol-3)-4-fenil-2-butanol,
1-(indol-3)-4-fenil-2,3-butanodiol,
4-hidroxifenilacetoaldeido,
1.4- di (4-h idroxifen il)-1 -buteno,
1.4- di(4-hidroxifenil)-2-butanol,
1.4- di(4-hidroxifenil)-2,3-butanodiol,
1-(4-hidroxifenil)-4-(indol-3-)butano,
1-di(4-hidroxifenil)-4-(indol-3)-2-buteno,
1-(4-hidroxifenil)-4-(indol-3)-2-butanona,
-(indol-3)-4-fenilbutano,
-(indol-3)-4-fenil-2-buteno,
-(indol-3)-4-fenil-2-butanona,
1-(indol-3)-4-fenil-3-hidroxi-2-butanona,
1,4-di(4-hidroxifenil)butano,
1,4-di(4-hidroxifenil)-2-buteno,
1,4-di(4-hidroxifenil)-2-butanona,
1,4-di(4-hidroxifenil)-3-hidroxi-2-butanona,
-(4-hidroxifeni l)-4-(i ndol-3)-1 -buteno,
-(4-hidroxifenil)-4-(indol-3)-2-butanol,
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-(4-hidroxifenil)-4-(indol-3)-2,3-butanodiol, 1-(4-hidroxifenil-4-(indol-3)-3-hidroxi-2-butanona, indol-3-acetoaldeído,
1.4- di(indol-3-)butano, 1,4-di (i ndol-3)-1 -buteno, 1,4-di(indol-3)-2-buteno,
1.4- di(indol-3)-2-butanol, 1,4-di(indol-3)-2-butanona, 1,4-di(indol-3)-2,3-butanodiol,
1.4- di(indol-3)-3-hidroxi-2-butanona, succinato semialdeído, ácido hexano-1,8-dicarboxílico, ácido 3-hexeno-1,8-dicarboxílico, ácido 3-hidroxi-hexano-1,8-dicarboxílico, ácido 3-hexanona-1,8-dicarboxílico, ácido
3.4- hexanodiol-1,8-dicarboxílico, ácido 4-hidroxi-3-hexanona-1,8-dicarboxilico, glicerol, fucoidano, iodo, clorofila, carotenoide, cálcio, magnésio, ferro, sódio, potássio, fosfato, ácido láctico, ácido acético, ácido fórmico, isoprenoides, e poliisoprenos, incluindo borracha. Além disso, esses produtos podem incluir ácido succínico, ácido pirúvico, enzimas como celulases, polissacarases, lipases, proteases, ligninases e hemicelulases e podem estar presentes como um composto puro, uma mistura ou uma forma impura ou diluída.
[0033] Os produtos finais de fermentação também podem incluir polióis ou álcoois de açúcar; por exemplo, metanol, glicol, glicerol, eritritol, treitol, arabitol, xilitol, ribitol, manitol, sorbitol, dulcitol, fucitol, iditol, inositol, volemitol, isomalte, maltitol, lactitol e/ou poliglicitol.
[0034] O termo modificador de pH, conforme usado neste documento, tem seu significado comum, como conhecido por aqueles versados na técnica e pode incluir qualquer material que tenderá a aumentar, diminuir ou estabilizar o pH do caldo ou meio. Um modificador de pH pode ser um ácido, uma base, um tampão, ou um material que reage com outros materiais presentes para servir para aumentar, diminuir, ou estabilizar o pH. Em uma modalidade, mais do que um modificador de pH pode ser usado, tal como mais de um ácido, mais de uma base, um ou mais ácidos com uma ou mais bases, um ou mais ácidos com um ou mais tampões, uma ou mais bases com um ou mais tampões ou um ou mais ácidos com uma ou mais bases com um ou mais tampões. Em uma modalidade, um tampão pode ser produzido no caldo ou meio ou separadamente e usado como um ingrediente que pelo menos parcialmente reage em ácido ou base com uma base ou um ácido, respectivamente. Quando mais de um modificador de pH é utilizado, eles podem ser adicionados ao mesmo tempo ou em momentos diferentes. Em
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14/99 uma modalidade, um ou mais ácidos e uma ou mais bases são combinadas, resultando em um tampão. Em uma modalidade, componentes de meio, como uma fonte de carbono, ou uma fonte de nitrogênio, servem como um modificador de pH; componentes de meio adequados incluem aqueles com pH alto ou baixo ou aqueles com capacidade de tamponamento. Componentes de meio exemplificativos incluem polissacarídeos vegetais hidrolisados por ácido ou base com ácido ou base residual, material vegetal tratado com explosão de fibra de amônia (AFEX) com amônia residual, ácido láctico, concentrado de água de maceração de milho ou água de maceração de milho.
[0035] O termo polissacarídeo vegetal, conforme usado neste documento, tem seu significado comum conforme conhecido por aqueles versados na técnica e pode compreender um ou mais polímeros de açúcares e derivados de açúcar, bem como derivados de polímeros de açúcar e/ou outros materiais poliméricos que ocorrem em matéria vegetal. Polissacarídeos vegetais exemplificativos incluem celulose, amido, pectina e hemicelulose. Outros são quitina, polissacarídeos sulfonados como ácido algínico, agarose, carragenina, porfirana, furcelarana e funorana. Geralmente, o polissacarídeo pode ter duas ou mais unidades de açúcar ou derivados de unidades de açúcar. As unidades de açúcar e/ou derivados de unidades de açúcar podem se repetir em um padrão regular ou de outra forma. As unidades de açúcar podem ser unidades de hexose ou unidades de pentose ou combinações destas. Os derivados de unidades de açúcar podem ser álcoois de açúcar, ácidos de açúcar, aminoácidos açúcares etc. Os polissacarídeos podem ser lineares, ramificados, reticulados ou uma mistura destes. Um tipo ou classe de polissacarídeo pode ser reticulado a outro tipo ou classe de polissacarídeo. A concentração de sacarídeos em uma biomassa contendo polissacarídeos vegetais, tal como celulose, hemicelulose, amido ou pectina, pode ser obtida em termos de equivalentes de monossacarídeos. Uma concentração equivalente a monossacarídeo é a concentração de sacarídeos presumindo-se hidrólise completa de polissacarídeos em monossacarídeos.
[0036] O termo sacarificação, conforme usado neste documento, tem seu significado comum, conforme conhecido por aqueles versados na técnica e pode incluir a conversão de polissacarídeos vegetais para reduzir o peso molecular
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15/99 de espécies que podem ser utilizadas pelo organismo à disposição. Para alguns organismos, isso incluiría conversão em monossacarídeos, dissacarídeos, trissacarídeos e oligossacarídeos de até cerca de sete unidades de monômero, bem como cadeias de tamanhos semelhantes de derivados açúcar e combinações de açúcares e derivados de açúcar.
[0037] O termo biomassa, conforme usado neste documento, tem seu sentido comum, conforme conhecido por aqueles versados na técnica, e pode incluir um ou mais materiais biológicos que podem ser convertidos em um biocombustível, produto químico ou outro produto. Biomassa, como usado aqui, é sinônimo do termo matéria-prima e inclui o xarope de milho, melaço, silagem, resíduos agrícolas (hastes do milho, grama, palha, cascas de cereais, fibras, bagaço de cana, etc.), resíduos de animais (estrume de gado, aves e porcos), solúveis seco de destiladores (DDS), grãos secos de destiladores (DDG), solúveis de destiladores condensados (CDS), grãos úmidos de destiladores (DWG), grãos secos de destiladores com solúveis (DDGS), materiais lenhosos (madeira ou casca, serragem, corte de madeira e sucata de moinho), resíduos urbanos (resíduos de papel, papéis higiênicos reciclados, recortes de quintal, etc.) e culturas energéticas (choupos, salgueiros, swichgrass, Miscanthus sp., alfafa, andropogon gerardii, algas, incluindo macroalga, etc.). Uma fonte exemplificativade biomassa é a matéria vegetal. A matéria vegetal pode ser, por exemplo, vegetais lenhosos, incluindo madeiras macias e madeiras duras, vegetais não lenhosos, material celulósico, material lignocelulósico, material hemicelulósico, carboidratos, pectina, amido, inulina, frutanos, glucanos, milho, cana-de-açúcar, gramíneas tais como arroz, milho, cevada, trigo, switchgrass, sorgo, sorgo de alta biomassa, bambu ou semelhantes, algas e material derivado destes. Os vegetais podem estar em seu estado natural ou geneticamente modificado, por exemplo, para aumentar a parte celulósica ou hemicelulósica da parede celular, ou para produzir adicionais enzimas endógenas ou exógenas para aumentar a separação dos componentes da parede celular. A matéria vegetal também pode incluir cultura de células vegetais ou cultura de tecidos celulares. A matéria vegetal pode ser descrita adicionalmente por referência às espécies químicas presentes, tais como proteínas, polissacarídeos e óleos. Polissacarídeos incluem polímeros de vários monossacarídeos e derivados
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16/99 de monossacarídeos, incluindo glicose, frutose, lactose, ácido galacturônico, ramnose, etc. A matéria vegetal também inclui derivados de resíduos agrícolas ou correntes laterais como bagaço, água de maceração de milho, concentrado de água de maceração de milho, grãos de destiladores, cascas, poços, resíduos da fermentação, restos de palha, madeira serrada, esgoto, lixo e comida. As cascas podem ser cítricas, que incluem, mas não limitadas a, casca de tangerina, casca de toranja, casca de laranja, casca de tangerina, casca de limão e casca de lima. Esses materiais podem vir de fazendas, florestas, fontes industriais, domicílios, etc. Outro exemplo sem limitação de biomassa é matéria animal, incluindo, por exemplo, leite, carne, gordura, resíduos de processamento de animais e resíduos de animais. Matéria-prima é frequentemente usada para se referir à biomassa sendo usada para um processo, tal como os descritos neste documento.
[0038] A biomassa pode ser derivada de culturas agrícolas, resíduos de culturas, árvores, lascas de madeira, serragem, papel, papelão, gramíneas, algas, resíduos municipais e outras fontes, conforme descrito acima. Em uma modalidade, a biomassa contém material celulósico, hemicelulósico e/ou lignocelulósico. Em uma modalidade, a biomassa é lenhosa (por exemplo, de álamo, eucalipto, salgueiro, pinheiro). Em outra modalidade, a biomassa é material vegetal não lenhoso, tal como gramíneas, dicotiledôneas e monocotiledôneas. Outras biomassas incluem biomassa de algas, biomassa não vascular vegetal e materiais processados derivados de vegetais; por exemplo, cascos, grãos de destiladores, resíduos municipais de esgoto e similares.
[0039] Em uma modalidade, uma composição de biomassa compreendendo celulose, hemicelulose e/ou lignocelulose compreende alfafa, algas, bagaço, bambu, palha de milho, espigas de milho, fibra de milho, grãos de milho, purê de milho, água de maceração de milho, concentrado de água de maceração de milho, grãos de destiladores, solúveis secos de destiladores, grãos secos de destiladores, grãos solúveis de destiladores condensado, grãos úmidos de destiladores, grãos secos de destiladores com solúveis, eucalipto, resíduos alimentares, cascas de frutas, resíduos de jardim, grama, cascos de grãos, vegetais de cultura modificados, resíduos municipais, cascas de aveia, papel, polpa de celulose, Andropogon gerardii, álamo, cascas de arroz, cascas de sementes,
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17/99 silagem, sorgo, palha, cana-de-açúcar, Panicum virgatum, trigo, palha de trigo, farelo de trigo, farelo de trigo desidratado, salgueiros, madeira, células vegetais, culturas de tecidos vegetais, culturas de tecidos ou uma combinação destes.
[0040] O termo peso seco da biomassa significa o peso da biomassa com toda ou essencialmente toda a água removida. O peso seco é normalmente medido de acordo com o American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard E1 756-01 (Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass) ou Technical Association of the Pulp and Paper Industry, Inc. (TAPPI) Standard T-412 om-02 (Moisture in Pulp, Paper and Paperboard).
[0041] O termo produtividade, conforme usado neste documento, tem seu significado comum, conforme é conhecido por aqueles versados na técnica, e pode incluir a massa de um material de interesse produzido em um determinado momento em um determinado volume. As unidades podem ser, por exemplo, gramas por litro-hora, ou alguma outra combinação de massa, volume e tempo. Em fermentação, a produtividade pode ser usada para caracterizar quão rápido um produto pode ser feito dentro de um volume determinado de fermentação. O volume pode ser referenciado ao volume total do recipiente de fermentação, o volume de trabalho do recipiente de fermentação ou o volume real de caldo a ser fermentado. O contexto da frase indicará o significado pretendido para aqueles versados na técnica. Produtividade é diferente de título, em que produtividade inclui um período de tempo, e o título é análogo à concentração. Título e Produtividade geralmente podem ser medidos em qualquer momento durante a fermentação, tal como no início, fim, ou em algum momento intermediário, com o título referindo-se à quantidade de um determinado material presente ou produzido no ponto no tempo de interesse e a produtividade referindo-se à quantidade de um determinado material produzido, por litro, em uma determinada quantidade de tempo. A quantidade de tempo usado na determinação da produtividade pode ser desde o início da fermentação, ou de algum outro tempo, e ir até o fim da fermentação, tal como quando nenhum material adicional é produzido, ou quando a colheita ocorre, ou uma outra hora, conforme indicado pelo contexto do uso do termo. Produtividade total pode ser referir à produtividade determinada utilizando-se o título final e o tempo total de fermentação.
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18/99 [0042] O termo biocatalisador, conforme usado neste documento, tem o seu significado comum, conforme conhecido por aqueles versados na técnica, e pode incluir uma ou mais enzimas e/ou microrganismos, incluindo soluções, suspensões e as misturas de enzimas e microrganismos. Em alguns contextos, essa palavra irá se referir ao eventual uso de enzimas ou microrganismos para servir a uma função específica, em outros contextos a palavra irá se referir ao uso combinado dos dois, e em outros contextos a palavra irá se referir a apenas um dos dois. O contexto da frase indicará o significado pretendido para aqueles versados na técnica. Por exemplo, um biocatalisador pode ser um microrganismo de fermentação. O termo biocatalisador inclui microrganismos de fermentação, tais como leveduras, bactérias ou algas.
[0043] Os termos eficiência de conversão ou rendimento, conforme usados neste documento, têm seu significado comum conforme conhecido por aqueles versados na técnica e podem incluir a massa do produto feito a partir de uma massa de substrato. O termo pode ser expresso como uma percentagem do rendimento do produto a partir de uma massa inicial de substrato. Para a produção de etanol a partir da glicose, a reação líquida é geralmente aceita como:
C6Hi2O6 2 C2H5OH + 2 CO2 e a eficiência de conversão máxima teórica ou rendimento é de 51% (em peso). Frequentemente, a eficiência de conversão será referenciada ao máximo teórico, por exemplo, 80% do máximo teórico. No caso de conversão de glicose em etanol, essa declaração indicaria uma eficiência de conversão de 41% (em peso). O contexto da frase indicará 0 substrato e 0 produto pretendido àqueles versados na técnica.
[0044] Pré-tratamento ou pré-tratado é usado neste documento para se referir a qualquer processo mecânico, químico, processo térmico, bioquímico ou combinação desses processos, quer em uma etapa combinada ou quando executados sequencialmente, que alcance a interrupção ou a expansão da biomassa a fim de tornar a biomassa mais suscetível ao ataque de enzimas e/ou micróbios. Em uma modalidade, 0 pré-tratamento inclui a remoção ou interrupção da lignina, de modo que isso torne os polímeros de celulose e hemicelulose na
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19/99 biomassa vegetal mais disponíveis para enzimas celulolíticas e/ou micróbios, por exemplo, por tratamento com ácido ou base. Em uma modalidade, o pré-tratamento inclui a interrupção ou expansão de material celulósico e/ou hemicelulósico. Processos de pré-tratamento químico incluem, mas não estão limitados a, branqueamento, oxidação, redução, tratamento com ácido, tratamento com base, tratamento de sulfito, tratamento de sulfito ácido, tratamento de sulfito básico, tratamento de amônia e hidrólise. Processos térmicos de pré-tratamento incluem, mas não estão limitados a, esterilização, expansão de fibra de amônia ou explosão (AFEX), explosão de vapor, manutenção a temperaturas elevadas, pressurizadas ou não pressurizadas, na presença ou ausência de água, e congelamento. Processos bioquímicos incluem, mas não se limitam a tratamento com enzimas, incluindo enzimas produzidas por vegetais geneticamente modificados e tratamento com microrganismos. Várias enzimas que podem ser utilizadas incluem celulase, amilase, β-glicosidase, xilanase, gluconase e outras polissacarases; lisozima; lacase e outras enzimas de modificação de lignina; lipoxigenase, peroxidase e outras enzimas oxidativas; proteases; e lipases. Um ou mais dos processos mecânicos, químicos, térmicos, termoquímicos e bioquímicos podem ser combinados ou usados separadamente. Tais processos combinados também podem incluir aqueles usados na produção de produtos de celulose, papel, celulose microcristalina e celulósicos e podem incluir polpação, polpação Kraft, processamento de sulfito acídico. A matéria-prima pode ser uma corrente lateral ou corrente de resíduo de uma instalação que utiliza um ou mais desses processos em um material de biomassa, tais como material celulósico, hemicelulósico ou lignocelulósico. Exemplos incluem vegetais de papel, vegetais celulósicos, vegetais de destilação, vegetais de processamento de algodão e vegetais de celulose microcristalina. A matéria-prima também pode incluir materiais que contêm celulose ou celulósicos que contenham resíduos. A matéria-prima também pode ser materiais de biomassa, tais como madeira, gramíneas, milho, amido ou sacarídeo, produzida ou colhida como uma matéria-prima destinada para a produção de etanol ou de outros produtos, tais como biocatalisadores.
[0045] Pré-tratamento da composição de biomassa pode ser realizado de modo que quaisquer sólidos sejam reduzidos em tamanho. Reduzir o
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20/99 tamanho dos sólidos na composição de biomassa pode ser vantajoso, porque partículas menores têm maiores razões de área de superfície para volume. Aumentar a razão de área de superfície para volume pode ser vantajoso porque pode, por exemplo, aumentar a taxa de umectação de partícula (por exemplo, com água ou com um agente químico tal como um ácido ou uma base), aumentar a acessibilidade de enzimas aos polissacarídeos na biomassa, habilitar o uso de uma dose menor de enzimas durante a hidrólise da biomassa, habilitar o uso de menos ou menores quantidades de produtos químicos (por exemplo, ácidos ou bases) durante uma etapa de pré-tratamento e/ou hidrólise, habilitar o uso de ácidos ou bases ou líquidos iônicos mais fracos em uma etapa de pré-tratamento ou hidrólise, habilitar o uso de concentrações mais altas de sólidos em qualquer etapa adicional do processamento (por exemplo, durante uma etapa de hidrólise) e/ou aumentar o rendimento de sacarídeos obtido a partir da hidrólise da biomassa.
[0046] As composições de biomassa podem ser reduzidas em tamanho a uma mistura de partículas com um tamanho uniforme ou substancialmente uniforme. Essas misturas podem ser referidas como misturas homogêneas. As misturas homogêneas de partículas podem ter muitas vantagens sobre as misturas de partículas com tamanhos heterogêneos com relação a processos de pré-tratamento adicionais e/ou durante a hidrólise para produzir correntes de sacarídeo. Por exemplo, misturas heterogêneas de partículas podem passar por aquecimento desigual durante as etapas de processamento térmico e termoquímico. O aquecimento desigual pode levar ao cozimento de partículas acima do ponto (por exemplo, carbonização/queima) e/ou cozimento de partículas abaixo do ponto. A carbonização ou queima de partículas pode reduzir o rendimento de sacarídeo obtido a partir da hidrólise das partículas; isso pode se dar devido à degradação ou desnaturação de polímeros de sacarídeo tais como amido, hemicelulose e/ou celulose. O cozimento de partículas abaixo do ponto pode levar a polímeros de sacarídeo não hidrolizados (por exemplo, amido, hemicelulose, celulose) durante a hidrólise química ou enzimática, que também pode reduzir o rendimento de sacarídeo. Em contraste, o aquecimento uniforme, umectação, tratamento químico (por exemplo, tratamento com ácido ou base), e/ou hidrólise enzimática podem ser alcançados com misturas de partículas com tamanhos
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21/99 uniformes (por exemplo, misturas homogêneas).
[0047] Compostos de açúcar, correntes de açúcar, compostos de sacarídeo ou correntes de sacarídeo são usados neste documento para indicar principalmente açúcares monossacarídicos dissolvidos, cristalizados, evaporados ou parcialmente dissolvidos, incluindo, mas não limitados a, hexoses e pentoses; álcoois de açúcar; ácidos de açúcar; aminas de açúcar; compostos contendo dois ou mais destes ligados direta ou indiretamente através de ligações covalentes ou iônicas; e misturas destes. Incluídos nesta descrição estão os dissacarídeos; trissacarídeos; oligossacarídeos; polissacarídeos; e cadeias de açúcar, ramificadas e/ou lineares, de qualquer comprimento. Uma corrente de açúcar pode consistir primária ou substancialmente em açúcares C6, açúcares C5 ou misturas de açúcares C6 e C5 em razões variáveis dos ditos açúcares. Os açúcares C6 têm uma estrutura molecular principal de seis carbonos e os açúcares C5 têm uma estrutura molecular principal de cinco carbonos. Os termos açúcar e sacarídeo são usados de forma intercambiável neste documento.
[0048] Uma composição líquida ou aquosa pode conter sólidos e uma composição sólida pode conter líquidos. Uma composição líquida se refere a uma composição na qual o material é principalmente líquido, e uma composição sólida é aquela na qual o material é principalmente sólido.
[0049] O termo kPa se refere a kilopascal, uma unidade de pressão. A pressão atmosférica padrão, a pressão exercida por uma massa de 10 g em repouso em uma área de 1 cm2, é definida como 101,325 kPa. O termo psi ou PSI se refere à libra-força por polegada quadrada. É a pressão resultante de uma força de uma libra-força aplicada a uma área de uma polegada quadrada.
[0050] Descrição [0051] A descrição e exemplos a seguir ilustram algumas modalidades exemplificativas da divulgação em detalhes. Aqueles versados na técnica reconhecerão que existem inúmeras variações e modificações desta divulgação que são abrangidas pelo seu escopo. Consequentemente, a descrição de uma determinada modalidade exemplificativa não deve ser considerada como limitante do escopo da presente divulgação.
[0052] São divulgados neste documento métodos para tratamento
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22/99 rápido e eficiente da biomassa usando condições de alta concentração de biomassa. Ao contrário dos métodos atuais, que retêm materiais de biomassa em uma câmara por um longo período de tempo, foi constatado que o pré-processamento desses materiais pode evitar longos tempos de retenção sob tratamento térmico e químico, evitando assim a degradação de açúcares C5, proteínas e ligninas em produtos indesejáveis, tais como hidroximetilfurfural (HMF) e furfurais, permitindo a separação de materiais de carboidratos, açúcares, monoméricos e poliméricos, de outros componentes da biomassa. Os inibidores geralmente formados durante o pré-tratamento incluem ácido acético (formado durante a liberação de açúcares C5) e também ácido fórmico, furfural e HMF. A formação dos três últimos compostos é amplamente dependente da temperatura, pressão e tempo de permanência da biomassa durante o pré-tratamento.
[0053] Além disso, foi constatado que a solubilização da celulose cristalina não é impedida pelo curto tempo de exposição. Os métodos fornecidos neste documento também permitem que a biomassa seja aquecida e pressurizada uniformemente para melhorar o acesso dos reagentes de tratamento à biomassa. Durante esse processo, as massas concentradas (plugues) podem ser produzidas, que podem cortar a biomassa em partículas menores e podem aumentar adicionalmente o acesso dos reagentes para hidrolisar e liberar os polímeros C5, ao mesmo tempo que liberam e solubilizam os polímeros C6. Em uma modalidade, a biomassa é movida através de uma zona de reação em que vapor e pressão são aplicados, seguidos pela adição de ácido e, finalmente, a liberação do material à pressão atmosférica por uma rápida abertura e fechamento de uma válvula de extremidade. Todo o processo pode ocorrer em segundos, resultando em uma biomassa hidrolisada termomecânica e/ou quimicamente com níveis mais baixos ou reduzidos de inibidores, em comparação com os métodos de pré-tratamento conhecidos na técnica.
[0054] Em uma modalidade, existe o estabelecimento de uma zona de alta pressão em uma extrusora reativa a montante de uma zona de reação pressurizada. Os elementos de transporte dentro da extrusora podem efetivamente mover a biomassa em direção a um arranjo especializado de elementos de parafuso que é configurado para permitir uma queda de velocidade relativa e
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23/99 acúmulo de material, criando assim uma zona de pressão muito alta imediatamente antes do início da zona de reação. O arranjo especializado dos elementos de parafuso que resultam na zona de alta pressão pode depender da matéria-prima. Em algumas modalidades, a zona de alta pressão é impermeável ao vapor, o que pode ter vários benefícios.
[0055] Formação de Zona de Alta Pressão - As pressões obtidas dentro dessa zona podem permitir a injeção direta de vapor e auxiliar no fluxo direcional, facilitar a turbulência e a mistura íntima de um sistema de 1-3 fases e impedir o refluxo do vapor (fluindo a montante) para a alimentação da extrusora, mantendo assim pressão e temperatura elevadas na zona de reação. Um ácido diluído (ou possivelmente base, ou possivelmente um líquido iônico ou outro reagente químico) também pode ser adicionado na zona de reação para acelerar o processo de conversão. Além disso, a zona de alta pressão formada pode manter o material reativo na zona de reação, permitindo que um metal mais barato e mais durável seja usado para a fabricação dos forros de barril e elementos de parafuso na zona de transporte. Exemplos de tais materiais incluem cerâmica, vidro, alumínio, hastelloy, titânio, aço temperado para ferramentas, metais resistentes à abrasão fabricados através do processo HIP (Hot Isostatic Pressing) e similares.
[0056] A injeção direta de vapor pode permitir um aquecimento rápido e uniforme da biomassa, muito auxiliado pela área de superfície alta criada pelo pequeno tamanho de partícula uniforme. A combinação de alta temperatura, mistura íntima, tamanho pequeno de partícula, área de superfície alta e distribuição uniforme de soluções reativas (ácido diluído, líquido iônico etc.) pode facilitar a rápida transferência térmica e de massa e um rápido processo de pré-tratamento que produz baixos inibidores.
[0057] Vincular a formação da zona de alta pressão com a válvula de saída descrita abaixo fecha o ciclo da formação real de uma zona reativa de alta pressão dentro da extrusora. Altas pressões na zona de reação foram atingidas, de 1 psi a 800 psi, e até mais de 1000 psi, sem refluxo do vapor através da zona de alta pressão.
[0058] Um plugue impermeável ao vapor, como descrito neste documento, pode se referir a um plugue altamente concentrado formado pela
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24/99 compactação da biomassa, através do qual o vapor, a uma pressão de pelo menos cerca de 500 psi, pelo menos cerca de 600 psi, pelo menos cerca de 700 psi, pelo menos cerca de 800 psi, pelo menos cerca de 900 psi ou pelo menos cerca de 500 psi, não é capaz de permear. Em algumas modalidades, o plugue impermeável ao vapor pode ser mantido continuamente por pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas, pelo menos cerca de 13 horas, pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 15 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 17 horas ou pelo menos cerca de 18 horas. Em algumas modalidades, o plugue impermeável ao vapor, formado de acordo com os métodos e sistemas descritos neste documento, pode ser mantido continuamente enquanto a taxa de alimentação de biomassa estiver no intervalo de cerca de 60 a cerca de 350 kg secos/hr.
[0059] Em uma modalidade, a trituração mecânica de biomassa em uma zona de alta pressão cria um material que é muito passível de pré-tratamento adicional, tal como exposição a reagentes químicos, pressão e/ou calor. O tamanho pequeno de partícula homogênea pode permitir um pré-tratamento rápido da biomassa sob condições menos severas, rendendo uma alta conversão de açúcar com baixa produção de inibidores. A redução de partículas também pode acelerar a hidrólise enzimática subsequente e outros processamentos adicionais.
[0060] Em outra modalidade, o tamanho das partículas pode ser controlado pela combinação dos elementos de parafuso e a velocidade com que o motor e os elementos de parafuso trabalham juntos. Assim, um tamanho ideal pode ser produzido dependendo do tipo de biomassa que se move através da extrusora e do tipo de pré-tratamento necessário na zona de reação de alta pressão.
[0061] Em alguns casos, os métodos de pré-tratamento fornecidos neste documento permitem a liberação e despolimerização de açúcares em um período de tempo rápido. Os açúcares podem ser liberados e despolimerizados dentro de um período de tempo muito curto. O período de tempo pode ser menor do que 1 minuto. O período de tempo pode ser menor do que 20 segundos. Geralmente, o tempo na zona de reação pode variar de um segundo a menos de 20
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25/99 segundos, preferencialmente menos de 10 segundos, mas, no final das contas, menos de 1 minuto. Isso fornece biomassa em movimento contínuo através do tubo de barril, resultando em uma biomassa pré-tratada rapidamente contendo poucos, nenhum ou substancialmente nenhum inibidor.
[0062] São descritos neste documento dispositivos e métodos de pré-tratamento melhorados, de baixo custo e energeticamente eficientes, para o processamento rápido de lignocelulose, celulose, hemicelulose e materiais de biomassa semelhantes antes da hidrólise enzimática, que inclui um tratamento termomecânico com ou sem produtos químicos e uma extrusão de reação controlada por uma zona de alta pressão e uma válvula de extremidade variável acionada por pressão. Os métodos divulgados neste documento podem incluir o uso de um dispositivo que compreende uma câmara cilíndrica dividida em zonas tubulares, em que a biomassa pode ser movida continuamente ou em lotes através da câmara cilíndrica; reduzida em tamanho; e tratada com pressão, calor, produtos químicos ou uma combinação destes nas diferentes zonas tubulares antes de ser submetida a uma rápida diferença de temperatura e pressão (por exemplo, descompressão explosiva). A biomassa pode ser movida por um mecanismo do tipo parafuso, tal como um parafuso simples, duplo ou até triplo, como encontrado em uma extrusora. Alternativamente, a biomassa pode ser movida por um mecanismo tal como um bloco ou outra pressão mecânica, pressão hidrostática diferencial gerenciada por ar, óleo, pistão, vácuo ou gravidade. Esses mecanismos também podem ter uma função de empurrar ou acionar para frente, ou separar, a biomassa em câmaras ou zonas para tratamento específico ou adição de materiais.
[0063] Em algumas modalidades, uma extrusora para uso nos sistemas fornecidos neste documento inclui um barril alongado que apresenta uma entrada de material e uma saída de material adjacente às extremidades opostas dele, respectivamente, com um ou mais parafusos rotativos axialmente alongados dentro do barril, que servem para avançar o material da extremidade de entrada para a extremidade de saída dali. Os um ou mais parafusos são girados por um eixo de acionamento acoplado a um motor. O parafuso pode ser projetado para suavizar o fluxo de material ao mesmo tempo em que reduz seu tamanho, e vários elementos de parafuso podem estar dispostos para aumentar ou diminuir o fluxo,
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26/99 dimensionar, misturar ou formar plugues da biomassa no interior do barril. O(s) parafuso(s) acoplado(s) a uma válvula de extremidade sob pressão na saída pode(m) controlar a velocidade, a pressão e, parcialmente, a temperatura aplicada à biomassa enquanto ela se move através e fora do barril.
[0064] Os sistemas e métodos divulgados neste documento podem ser usados para pré-tratamento em escala industrial de biomassa a uma alta taxa de transferência. Por exemplo, estima-se que a biomassa possa se mover e ser processada, de acordo com a Tabela 1 a seguir, pela operação contínua de uma extrusora de parafuso duplo, de acordo com alguns dos métodos divulgados neste documento.
[0065] Tabela 1
Diâmetro do Parafuso Transferência de Matéria Seca
Toneladas Secas/Dia
30mm 3,3
52mm 17,0
92 mm 94,4
124mm 231,1
[0066] Em uma visão geral, o aparelho e seu uso em uma extrusora são descritos a seguir. O reator de parafuso cilíndrico pode compreender um barril cilíndrico de metal (que pode ser revestido com materiais especiais, como cerâmica, vidro, alumínio, hastelloy, titânio, aço temperado para ferramentas, metais resistentes à abrasão fabricados através do processo HIP (Hot Isostatic Pressing) e similares) com um tamanho que pode variar de, por exemplo, 30 mm a 220 mm de diâmetro ou mais, equipado com um ou mais parafusos, orientados horizontal ou verticalmente. O barril pode ser dividido em seções separadas e pode ser equipado com portas de uso múltiplo ao longo das superfícies superior, lateral e/ou inferior. Essas portas de uso múltiplo podem ser portas vedáveis. As portas de uso múltiplo podem permitir a injeção de água, vapor, ácido ou outros produtos químicos. As portas de uso múltiplo podem permitir a inserção de termopares e/ou medidores para medição de temperatura e pressão dentro do barril. Portas adicionais podem ser adicionadas conforme necessário. O barril do reator pode ser
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27/99 equipado com elementos de aquecimento elétrico ou uma camisa de vapor para aquecimento uniforme do barril. O aquecimento pode ser alternativa ou adicionalmente fornecido pela injeção de vapor. Alternativamente, ou ademais a um dispositivo ou método de aquecimento, uma camisa de resfriamento ou um sistema de aquecimento/resfriamento podem ser fornecidos ou embutidos no sistema para extinguir reações e controlar as temperaturas da reação. Em outra modalidade, os dispositivos/métodos de resfriamento e uma ou mais injeções de fluidos (tal como água) na zona de reação podem ser usados para extinguir as reações e controlar a liberação relativa de monossacarídeos. O resfriamento também pode ser realizado variando a pressão.
[0067] O barril do reator pode ser fixado a um tubo que é descarregado em um tanque de vaporização ou outro recipiente. O tanque de vaporização pode ser construído usando aço inoxidável. O barril pode ser isolado do tanque de vaporização por um tubo com uma extremidade de sede com um arranjo de válvula de descarga acionada por pressão capaz de ajustar continuamente a posição, dependendo da contrapressão na válvula e da pressão dentro do sistema. O arranjo de válvula de descarga pode compreender uma sede de vedação de metal ou cerâmica no meio para permitir uma descarga explosiva de biomassa. Outros materiais também podem ser usados. O arranjo de válvula acionada por pressão pode compreender um bocal cônico conectado a um eixo (ver nas FIGs. 1 e 2). O diâmetro da válvula de extremidade pode variar de acordo com o tamanho da máquina e normalmente varia de 30 mm a 220 mm ou maior. O bocal cônico pode ser conectado a um eixo que está fixado a um atuador em um gerador de contrapressão. O atuador pode fornecer a pressão pneumática que é regulada pelo gerador de contrapressão, que monitora a pressão. A pressão pode ser alta, de modo que não ocorra refluxo e haja um fluxo restrito de material para fora do tubo. A contrapressão no bocal cônico e na sede pode ser ajustável. Por exemplo, as operações podem ser realizadas usando 50 psi a 600 psi (pressão do medidor), ou mais, de contrapressão no eixo conectado ao bocal cônico da válvula de cisalhamento de extremidade. O cone da válvula de cisalhamento de extremidade pode se deslocar entre uma posição totalmente fechada e uma posição totalmente aberta, e qualquer posição intermediária. Na prática normal, no entanto, sempre
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28/99 existe um pequeno espaço anular para a saída do material, como um recurso de segurança. Um tubo na saída da válvula de cisalhamento de extremidade pode direcionar os sólidos tratados para o fundo do tanque de vaporização, onde os sólidos e o vapor podem ser separados e facilmente removidos.
[0068] A FIG. 1 mostra uma modalidade de um tipo de projeto de um reator, conforme fornecido neste documento. O reator pode ser um reator de escala comercial. O mesmo compreende um barril cilíndrico horizontal 31 ajustado com parafusos duplos (não mostrados) e uma válvula de descarga 17 fixada em um flange de extremidade especial 14 na segunda extremidade do barril. O barril pode ser isolado e pode ter paredes impermeáveis. Um motor 24 para mover os parafusos através de um eixo de acionamento pode ser fixado perto da primeira extremidade. O motor pode ser, por exemplo, uma combinação de motor e caixa de velocidades acionada eletricamente, com ou sem polias e correias em V ou qualquer outro mecanismo para girar os parafusos. O motor também pode ser, por exemplo, e sem ser limitado, um motor de torque síncrono. Uma tremonha 20 pode ser fixada à entrada da extremidade vedada do barril 31. A biomassa pode ser adicionada através da abertura da tremonha 20. A biomassa pode ser qualquer biomassa, conforme fornecido neste documento. Pode haver um alimentador para geração de fluxo sem compactação ou com compactação (não mostrado), como um alimentador “crammer” para controlar a adição de biomassa da tremonha 20 ao barril 31. O alimentador com compactação e/ou sem compactação pode ser qualquer carregador com compactação e/ou sem compactação conhecido na técnica. Por exemplo, um alimentador sem compactação de indução de fluxo pode ser um alimentador sem compactação ou vários tipos de indutores de fluxo de silo pulmão seguidos por transportadores de medição de fluxo, tais como vários tipos de correntes de arrasto, elevadores de baldes ou hélices rotativas. Em sua forma mais simples, um alimentador sem compactação pode se referir ao carregamento manual de biomassa em uma primeira extremidade aberta do barril cilíndrico. Alimentadores com compactação podem incluir compactação mecânica. A compactação mecânica pode ser alcançada fornecendo-se um dispositivo de compactação mecânica, tal como um êmbolo alternativo ou alimentador de parafuso. O barril 31 pode ter uma primeira porta vedável 29 para adicionar água a
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29/99 fim de se hidratar a biomassa no tubo conforme ela se afasta da extremidade de tremonha. Os parafusos podem ser projetados com seções para formar um plugue de alto cisalhamento e alta pressão P1, que pode ocorrer após a adição opcional de água, mas antes da adição de vapor através das portas 32 e 33. O plugue P1 é configurado para ter um alto cisalhamento e uma alta pressão para se tornar impermeável ao vapor. O movimento através do plugue de alto cisalhamento P1 pode quebrar a biomassa em partículas de tamanhos menores (por exemplo, de cerca de 10 a 200 microns). Além disso, como o plugue P1 é impermeável ao vapor e a pressão dentro do plugue é alta (por exemplo, cerca de 1000 psi ou maior), não há refluxo e a pressão na zona de reação R1 é mantida em toda a zona de reação R1. Isso contrasta com os plugues descritos na Patente US Ns 8.328.947, que são permeáveis ao vapor e não podem manter esse diferencial de pressão. Além disso, conforme fornecido neste documento, não há necessidade de se usar um plugue ou uma área compactada para desidratar a matéria-prima antes de seu movimento para a zona de reação, conforme exigido nas Patentes US Nss 8.328.947, 5.232.649 ou PCT Publ. Ns WO2016/128224 Al. Em algumas modalidades, a natureza de alta pressão do plugue P1 pode ser atribuída ao pequeno tamanho de partícula do material que se move através do P1 e/ou à combinação de elementos de parafuso que causam o fluxo reverso e/ou amassamento.
[0069] Outros plugues, tais como P2 e P3, podem ser formados conforme necessário na zona de reação R1, usando diferentes configurações dos parafusos, conforme mostrado na FIG. 14. Os plugues que são formados na zona de reação R1 podem separar a biomassa em seções ou zonas que podem ser tratadas diferentemente umas das outras. A natureza do plugue de alta pressão P1 é diferente da de P2 e P3. P1 pode ser uma área compactada da pressão mais alta. Os plugues subsequentes, por exemplo, P2 e P3, formados na zona de reação podem ter pressão mais baixa e podem ser configurados para auxiliar na mistura íntima de um sistema trifásico. O plugue subsequente, por exemplo, P2 e P3, pode ser permeável ao vapor, assim a pressão pode permanecer substancialmente a mesma entre as seções a montante e a jusante da zona de reação que são divididas pelos plugues destas.
[0070] O movimento dos parafusos através da câmara impermeável
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30/99 do barril 30 empurra a mistura de biomassa e água da zona de alimentação para a zona de reação 91. O tempo de permanência na zona de reação pode ser controlado variando a taxa de alimentação de biomassa e/ou a velocidade do motor que move os eixos de acionamento. As portas 32, 33 adicionam vapor pressurizado (por exemplo, de cerca de 300 psi a 600 psi) ao barril após a formação do plugue de alta pressão P1, aumentando a pressão do barril a uma temperatura e pressão desejadas (por exemplo, 600 psi e uma temperatura de 253°C). A adição de ácido aquoso (ou outro produto químico, por exemplo, uma base) através da porta 34 solubiliza e hidrolisa os polímeros C6 e/ou polímeros C5 em monossacarídeos ou monossacarídeos e alguns polímeros restantes, dependendo das condições termomecânicas mantidas nessa zona de reação R1. À medida que a biomassa se move através da câmara de barril cilíndrico 30, mais água pode ser adicionada através de outra porta (não mostrada).
[0071] Se necessário, um segundo plugue P2 pode ser formado antes da adição de produto químico aquoso, por exemplo, ácido, e pode separar o material em uma segunda zona 92, conforme mostrado na FIG. 14. Nessa segunda zona, os polímeros C6 podem ser solubilizados e/ou os polímeros C5 podem ser hidrolisados em monossacarídeos. Após a adição química aquosa através de 34, um terceiro plugue P3, se necessário, pode ser formado enquanto a biomassa se move através da câmara de barril cilíndrico 30. A solução química também pode ser adicionada após a formação do terceiro plugue. Uma solubilização adicional de açúcares pode ocorrer nessa terceira zona 93 e, se necessário, mais água pode ser adicionada através de outra porta (não mostrada) na terceira zona 93.
[0072] A válvula de extremidade 17 compreende uma parte da zona de reação R1. A válvula de extremidade pode estar sob pressão constante. Um regulador de contrapressão (por exemplo, ver FIGs. 11 e 12) pode ser adicionado ao cilindro de barril 31, de modo que o regulador de contrapressão monitore a pressão na extremidade da zona R1. O monitoramento pode ser contínuo. O regulador de contrapressão atua para manter uma pressão ajustada, abrindo e fechando a válvula de extremidade (por exemplo, de forma contínua) 17 através de um eixo 60 conectado a um atuador (por exemplo, ver FIGs. 12 e 13). O atuador pode ser qualquer atuador conforme fornecido neste documento. Por exemplo, o
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31/99 atuador pode ser um atuador pneumático. A atividade da válvula pode ocorrer rapidamente para abrir a válvula de extremidade 17 e liberar material pressurizado em um tubo 62 que leva ao tanque de vaporização aberto 70, soprando assim a biomassa tratada e diminuindo rapidamente a temperatura e a pressão de várias centenas de psi para a pressão atmosférica. Conforme a pressão cai, o regulador de contrapressão faz com que o atuador feche a válvula de extremidade 17 através do movimento do eixo 60. O diferencial de pressão pode ser variado dependendo da quantidade necessária para solubilizar adicionalmente os açúcares C5 e/ou C6. Ao operar em condições ideais, a válvula de extremidade 17 nunca pode ser completamente fechada e nunca completamente aberta, enquanto o eixo 60 se move para frente e para trás sob o controle do atuador.
[0073] Em alguns casos, qualquer dispositivo conforme fornecido neste documento compreende um atuador. O atuador pode ser controlado por um regulador. O atuador em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ser qualquer tipo de atuador ou motor controlável mecânico, eletromecânico, linear, piezoelétrico, ultrassônico, hidráulico, eletro-hidráulico, pneumático, de fuso segmentado, bobina móvel ou ferro móvel conhecido na técnica. Em alguns casos, o atuador em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, compreende um atuador pneumático. O atuador pneumático pode ser um atuador de pistão. Em algumas modalidades, o atuador em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, compreende um atuador hidráulico. Exemplos de atuadores mecânicos podem incluir atuadores do tipo parafuso (por exemplo, fuso, macaco de parafuso, parafuso de esferas ou parafuso de rolo), roda e eixo geométrico (por exemplo, talha, guincho, cremalheira e pinhão, acionamento por corrente, acionamento por correia, corrente rígida ou correia rígida), atuadores de pistão, atuadores de diafragma ou atuadores de carne. Um regulador para controlar um atuador em qualquer dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ser um regulador de pressão. O regulador de pressão pode ser um regulador de contrapressão. O regulador de pressão (por exemplo, regulador de contrapressão) pode ser um regulador de estágio único ou regulador de estágio duplo. O regulador de pressão pode compreender um elemento de restrição, um elemento de carregamento e um elemento de medição. O elemento de restrição pode ser uma válvula de orifício
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32/99 variável, tal como uma válvula tipo globo, borboleta ou de gatilho. Para um controle preciso, uma válvula tal como um globo linear pode funcionar bem. Outros tipos de válvulas podem ser um globo de abertura rápida, uma bola, uma borboleta ou uma válvula tipo globo de porcentagem igual.
[0074] O elemento de carregamento pode ser um peso, uma mola ou um atuador (por exemplo, atuador de pistão ou diafragma) em combinação com uma mola. Em alguns casos, o regulador de pressão em qualquer dispositivo fornecido neste documento é um regulador de pressão pneumático. O regulador de pressão pneumático trabalha com uma válvula de gatilho modificada. Por exemplo, um regulador de pressão E/P, série ED05 (Bosch Rexroth AG) pode ser usado. Em alguns casos, o regulador de pressão em qualquer dispositivo fornecido neste documento é um regulador de pressão hidráulico. O regulador de pressão também pode estar em comunicação com e/ou compreender um medidor de fluxo para medir taxas de fluxo dentro de um dispositivo, conforme fornecido neste documento. O medidor de fluxo pode ser um medidor de fluxo, rotâmetro ou controlador de fluxo de massa conhecido na técnica.
[0075] As câmaras (zonas) cilíndricas, quer compreendam uma ou duas ou mais câmaras, tais como 91,92 e 93, dentro do cilindro de barril 31 e tubo de descarga 62 através da válvula até a pressão atmosférica, compreendem a zona de reação R1, onde ocorre o pré-tratamento da biomassa. O pré-tratamento da biomassa inserida no cilindro de barril 31 ocorre dentro da câmara do barril 30, desde que o material esteja a temperaturas e pressões elevadas, de modo que a zona de reação RI termine quando o material é vaporizado para a atmosfera. A pressão termoquímica e mecânica nessa zona, bem como o tempo de permanência, pode variar de acordo com o tipo de biomassa sendo pré-tratada. Aqueles versados na técnica reconhecerão que o material de biomassa com uma alta concentração de polímeros de carboidratos facilmente solubilizados e hidrolisados pode exigir menos tempo e/ou menos pressão e temperatura.
[0076] O tempo de permanência na zona de reação pode ser muito curto em comparação com outros sistemas de pré-tratamento conhecidos na técnica. O tempo de permanência em uma zona de reação (por exemplo, FIG. 1, R1) de um dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ser menor que
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0,1,0,2,0,3,0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12, 13, 14, 15,
16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55 ou 60 segundos. O tempo de permanência em uma zona de reação (por exemplo, FIG. 1, R1) de um dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ser cerca de 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,
17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55 ou 60 segundos. O tempo de permanência em uma zona de reação (por exemplo, FIG. 1, R1) de um dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ser de entre cerca de 1 segundo a cerca de 2 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 3 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 4 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 5 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 6 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 7 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 8 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 9 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 10 segundos, cerca de 1 segundo a cerca de 15 segundos, cerca de 1 a cerca de 20 segundos, cerca de 2 segundos a cerca de 4 segundos, cerca de 2 segundos, cerca de 6 segundos, cerca de 2 segundos a cerca de 8 segundos, cerca de 2 segundos, cerca de 10 segundos, cerca de 2 segundos a cerca de 15 segundos, cerca de 2 segundos a cerca de 20 segundos, cerca de 5 segundos a cerca de 10 segundos, cerca de 5 segundos a cerca de 10 segundos, cerca de 5 segundos a cerca de 15 segundos, cerca de 5 segundos a cerca de 20 segundos, cerca de 10 segundos a cerca de 12 segundos, cerca de 10 segundos a cerca de 14 segundos, cerca de 10 segundos a cerca de 16 segundos, cerca de 10 segundos a cerca de 18 segundos, cerca de 10 segundos a cerca de 20 segundos, cerca de 15 segundos a cerca de 20 segundos, cerca de 20 segundos a cerca de 30 segundos, cerca de 30 segundos a cerca de 45 segundos ou cerca de 45 segundos a cerca de 60 segundos. A pressão pode variar de 0 a 1000 psi, preferencialmente de 300-700 psi ou cerca de 325-450 psi. O intervalo de temperatura é amplo, de 100 a 260°C ou mais, preferencialmente de 160-230°C. A temperatura usada geralmente depende da cristalinidade da fibra de celulose na biomassa; por exemplo, a madeira macia possui uma percentagem maior de celulose cristalina e requer uma temperatura de 210-240°C. O ácido ou outro produto químico pode ou não ser adicionado para auxiliar na reação e pode variar de 0% em peso de produto químico puro por
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34/99 tonelada seca de biomassa a 8% em peso de produto químico puro por tonelada seca de biomassa, preferencialmente de 1% em peso a 5% em peso.
[0077] Em outra modalidade, a temperatura e a pressão podem ser variadas para controlar a saída de monossacarídeos versus polissacarídeos ou açúcares C5 versus C6. Como esse sistema fornece pré-tratamento uniforme e consistente da biomassa, os parâmetros de tratamento podem variar para produzir razões particulares de açúcares C5:C6 com formação mínima de inibidor e altos rendimentos. A Tabela 6 é um exemplo de um rendimento C5:C6 mais alto (mais do que a razão 3:1 de açúcares C5 para C6) com níveis reduzidos de inibidor.
[0078] Em outra modalidade, a biomassa, conforme fornecido neste documento, pode ser pré-tratada em uma temperatura e/ou pressão elevada em um dispositivo, conforme fornecido neste documento. Em uma modalidade, a biomassa é pré-tratada a um intervalo de temperatura de 20°C a 400°C. Em outra modalidade, a biomassa é pré-tratada a uma temperatura de cerca de 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C, 45°C, 50°C, 55°, 60°, 65°C, 80°, 90°C, 100°C, 120°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 500°C ou mais. Em outra modalidade, a biomassa é pré-tratada a uma temperatura de cerca de 220-238°C. Em outra modalidade, as temperaturas elevadas são fornecidas pelo uso de vapor, água quente ou gases quentes. Em uma modalidade, o vapor pode ser injetado em um recipiente contendo biomassa ou câmara de barril. Em outra modalidade, o vapor, água quente ou gás quente pode ser injetado em uma camisa de recipiente de modo que ela aqueça mas não entre em contato direto com a biomassa. Em uma modalidade adicional, o calor pode ser aplicado externamente usando aquecedores elétricos de barril. De acordo com certas modalidades da presente divulgação, a temperatura elevada é mantida apenas por adição de vapor. Em uma modalidade adicional, uma camisa de resfriamento ou uma camisa dupla de aquecimento e resfriamento, usando água ou glicol, pode ser usada para reduzir a temperatura ou extinguir reações na zona de reação. Os sistemas de aquecimento e resfriamento podem ser incorporados ao sistema de extrusão ou podem compreender um sistema externo. Em outra modalidade, pode ser fornecida uma porta para a adição de água ou outro produto químico, para reduzir a temperatura na zona de reação e/ou controlar a liberação de tipos específicos de monossacarídeos ou
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35/99 polissacarídeos.
[0079] Em outra modalidade, a biomassa, conforme fornecido neste documento, pode ser pré-tratada em uma temperatura e/ou pressão elevada em um dispositivo, conforme fornecido neste documento. Em uma modalidade, a biomassa é pré-tratada a um intervalo de pressão de 0 a 1000 PSI. Em algumas modalidades, o aquecimento da biomassa pré-tratada em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, é realizado a uma pressão maior que a atmosférica. A pressão pode ser de cerca de 25 PSI a cerca de 800 PSI. A pressão pode ser de cerca de 300 PSI e 500 PSI. A pressão pode ser de cerca de 400 PSI. Por exemplo, a pressão pode ser cerca de 25-800, 25-700, 25-600, 25-500, 25-250 PSI, 25-225 PSI, 25-200 PSI, 25-175 PSI, 25-150 PSI, 25-125 PSI, 25-100 PSI, 25-75 PSI, 25-50 PSI, 50-225 PSI, 50-200 PSI, 50-175 PSI, 50-150 PSI, 50-125 PSI, 50-100 PSI, 50-75 PSI, 75-200 PSI, 75-175 PSI, 75-150 PSI, 75-125 PSI, 75-100 PSI, 100-175 PSI, 100-150 PSI, 100-125 PSI, 125-150 PSI, 25 PSI, 30 PSI, 35 PSI, 40 PSI, 45 PSI, 50 PSI, 55 PSI, 60 PSI, 65 PSI, 70 PSI, 75 PSI, 80 PSI, 85 PSI, 90 PSI, 95 PSI, 100 PSI, 105 PSI, 110 PSI, 115 PSI, 120 PSI, 125 PSI, 130 PSI, 135 PSI, 140 PSI, 145 PSI, 150 PSI, 155 PSI, 160 PSI, 165 PSI, 170 PSI, 175 PSI, 180 PSI,
185 PSI, 190 PSI, 195 PSI, 200 PSI, 205 PSI, 210 PSI, 215 PSI, 220 PSI, 225PSI,
230 PSI, 235 PSI, 240 PSI, 245 PSI, 250 PSI, 300 PSI, 350 PSI, 400 PSI, 450PSI,
500 PSI, 550 PSI, 600 PS, 650 PSI, 700 PSI, 750 PSI, 800 PSI, 850 PSI, 900PSI,
950 PSI, ou 1000 PSI. Em uma modalidade, a pressão é de cerca de 25 PSI a cerca de 250 PSI. Em outra modalidade, a pressão é de cerca de 75 PSI a cerca de 200 PSI. Em outra modalidade, a pressão é de cerca de 100 PSI a cerca de 400 PSI. Em outra modalidade, a pressão é de cerca de 325 a cerca de 450 PSI.
[0080] Em uma modalidade, um ou mais ácidos podem ser combinados, resultando em um plugue que pode ser usado para realizar o pré-tratamento da biomassa, conforme fornecido neste documento, em um dispositivo, conforme fornecido neste documento. Em alguns casos, o pH pode ser reduzido a pH neutro ou pH ácido, por exemplo, um pH de 7,0,6,5, 6,0, 5,5, 5,0,4,5, 4,0 ou menos. Por exemplo, o meio aquoso não neutro usado para pré-tratar a biomassa, conforme fornecido neste documento, em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, pode ter um pH que seja menor que 7, 6,5, 6, 5,5, 5,
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4,5, 4, 3,5, 3, 2,5, 2, 1,5 ou 1. Por exemplo, o meio aquoso não neutro pode ter um pH que é cerca de 6,5, 6,4, 6,3, 6,2, 6,1,6, 5,9, 5,8, 5,7, 5,6, 5,5, 5,4, 5,3, 5,2, 5,1,5,
4.9, 4,8, 4,7, 4,6, 4,5, 4,4, 4,3, 4,2, 4,1,4, 3,9, 3,8, 3,7, 3,6, 3,5, 3,4, 3,3, 3,2, 3,1,3,
2.9, 2,8, 2,7, 2,6, 2,5, 2,4, 2,3, 2,2, 2,1,2, 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1,1, 1, 0,9, 0,8, 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1 ou menos. Em algumas modalidades, o pH é reduzido e/ou mantido dentro de um intervalo de cerca de pH 4,5 a cerca de pH 7,1, ou cerca de pH 4,5 a cerca de pH 6,9 ou cerca de pH 5,0 a cerca de pH 6,3, ou cerca de pH 5,5 a cerca de pH 6,3, ou cerca de pH 6,0 a cerca de pH 6,5, ou cerca de pH 5,5 a cerca de pH 6,9 ou cerca de pH 6,2 a cerca de 6,7.
[0081] Em algumas modalidades, o pré-tratamento de uma biomassa, conforme fornecido neste documento, em um dispositivo, conforme fornecido neste documento, compreende a hidratação da composição da biomassa em meio aquoso não neutro com um pH que é maior que 7. Por exemplo, o meio aquoso não neutro pode ter um pH que é maior que 7, 7,5, 8, 8,5, 9, 9,5, 10, 10,5, 11, 11,5, 12,
12,5,13,13,5 ou mais. Por exemplo, o meio aquoso não neutro pode ter um pH que é cerca de 7,5, 7,6, 7,7, 7,8, 7,9, 8, 8,1,8,2, 8,3, 8,4, 8,5, 8,6, 8,7, 8,8, 8,9, 9, 9,1, 9,2, 9,3, 9,4, 9,5, 9,6, 9,7, 9,8, 9,9, 10, 10,1, 10,2, 10,3, 10,4, 10,5, 10,6, 10,7, 10,8,
10.9, 11, 11,1, 11,2, 11,3, 11,4, 11,5, 11,6, 11,7, 11,8, 11,9, 12, 12,1, 12,2, 12,3, 12,4, 12,5, 12,6, 12,7, 12,8, 12,9, 13, 13,1, 13,2, 13,3, 13,4, 13,5, 13,6, 13,7, 13,8, 13,9 ou mais. O meio aquoso não neutro com um pH maior que 7 pode compreender uma ou mais bases, tais como hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio, amônia, hidróxido de amônia, peróxido de hidrogênio ou uma combinação destes. As uma ou mais bases podem ser em qualquer concentração adequada, tal como qualquer uma das concentrações divulgadas neste documento.
[0082] Em algumas modalidades, o pré-tratamento de uma composição de biomassa compreende a hidratação da composição de biomassa em meio aquoso não neutro que compreende de cerca de 0,1% a cerca de 50% p/p ou v/p em peso de biomassa seca, de um ou mais ácidos ou uma ou mais bases. Por exemplo, o meio aquoso não neutro pode compreender cerca de 25-50%, 10-50%, 10-25%, 5-50%, 5-25%, 5-10%, 4-50%, 4-25%, 4-10%, 4-5%, 3-50%, 3-25%, 3-10%, 3-5%, 3-4%, 2-50%, 2-25%, 2-10%, 2-5%, 2-4%, 2-3%, 1-50%, 1-25%, 1-10%, 1-5%, 1-4%, 1-3%, 1-2%, 0,5-50%, 0,5-25%, 0,5-10%, 0,5-5%,
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0,5-4%, 0,5-3%, 0,5-2%, 0,5-1%, 0,5-%, 0,1-50%, 0,1-25%, 0,1-10%, 0,1-5%, 0,1 -4%, 0,1-3%, 0,1 -2%, 0,1-1 %, 0,1 -0,5%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 24%, 23%, 22%, 21%, 20%, 19%, 18%, 17%, 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10%, 9,5%, 9%, 8,5%, 8%, 7,5%, 7%, 6,5%, 6%, 5,5%, 5%, 4,9%, 4,8%, 4,7%, 4,6%, 4,5%, 4,4%, 4,3%, 4,2%, 4,1%, 4%, 3,9%, 3,8%, 3,7%, 3,6%, 3,5%, 3,4%, 3,3%, 3,2%, 3,1%, 3%, 2,9%, 2,8%, 2,7%, 2,6%, 2,5%, 2,4%, 2,3%, 2,2%, 2,1%, 2%, 1,9%, 1,8%, 1,7%, 1,6%, 1,5%, 1,4%1,3%, 1,2%, 1,1%, 1%, 0,9%, 0,8%, 0,7%, 0,6%, 0,5%, 0,4%, 0,3%, 0,2% ou 0,1% dos um ou mais ácidos ou uma ou mais bases. Os um ou mais ácidos podem ser ácido sulfúrico, ácido peroxiacético, ácido láctico, ácido fórmico, ácido acético, ácido cítrico, ácido fosfórico, ácido clorídrico, ácido sulfuroso, ácido cloroacético, ácido dicloroacético, ácido tricloroacético, ácido trifluoroacético, ácido oxálico, ácido benzoico ou uma combinação destes. As uma ou mais bases podem ser hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio, amônia, hidróxido de amônia, peróxido de hidrogênio ou uma combinação destes. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende os um ou mais ácidos ou uma ou mais bases de cerca de 1 % a cerca de 5% v/p em peso de biomassa seca. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende ácido sulfúrico de cerca de 1% a cerca de 5% v/p em peso de biomassa seca. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende ácido sulfúrico de cerca de 1,8% v/p em peso de biomassa seca. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende ácido sulfúrico de cerca de 1% v/p em peso de biomassa seca. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende um ácido sulfúrico de cerca de 1 -2% v/p em peso de biomassa seca. Em algumas modalidades, o meio aquoso não neutro compreende ácido sulfúrico de cerca de 1,5% v/p em peso de biomassa seca.
[0083] No tanque de vaporização 70, a biomassa pode se mover através de um tubo direcionado para baixo. A biomassa pré-tratada pode ser acessível a partir do tanque de vaporização 70. Em alguns casos, um dispositivo para pré-tratamento de biomassa, conforme fornecido neste documento, pode ser projetado para mover a biomassa para uma etapa de separação ou para um tanque de hidrólise enzimática. Os vapores podem ser descarregados através do topo aberto do tanque de vaporização 70 ou, em alternativa, o tanque de vaporização 70
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38/99 pode ser fechado e os vapores descarregados através de um tubo para outra área ou câmara. Alternativamente, o tubo pode ser conectado através de uma tubulação a um condensador.
[0084] O aparelho (por exemplo, cilindro de barril) pode ser construído usando aço carbono, aço inoxidável ou qualquer outro material que seja impermeável a ácidos e álcalis e que possa suportar as pressões geradas. Também é possível ter um revestimento quimicamente inerte no interior da câmara (por exemplo, câmara interna do cilindro de barril) que não reage com ácido ou álcalis ou qualquer produto químico usado nos métodos fornecidos neste documento. O barril cilíndrico pode ser horizontal ou vertical, com modificações para carregar biomassa ou fornecer a pressão de descarga adequada. Aquele versado na técnica pode configurar prontamente o aparelho com um barril vertical para operação adequada.
[0085] Em alguns casos, um dispositivo para pré-tratamento de biomassa, conforme fornecido neste documento, compreende uma extrusora de parafuso duplo. Um exemplo de uma extrusora de parafuso duplo corrotativa usada para os métodos fornecidos neste documento é mostrado na FIG. 2. A extrusora de parafuso duplo na FIG. 2 compreende o barril 31, uma câmara cilíndrica horizontal 30, que inclui dois mecanismos alimentadores do tipo parafuso 51 e 52. O barril compreende uma primeira extremidade aberta 11 para adicionar biomassa. A biomassa pode ser qualquer biomassa, conforme fornecido neste documento. O aparelho de extrusão geral 10 inclui uma tremonha de alimentação primária 20 para conter a biomassa sendo adicionada. Dentro da tremonha 20 está um trado de administração 13 para distribuir uniformemente o material na primeira extremidade aberta 11. Existe uma porta 15 na qual a água pode ser adicionada conforme a biomassa entra na câmara da extrusora 30. A câmara cilíndrica 30 tem outra porta 29 para água, portas vedáveis 32, 33, para adição de vapor pressurizado e portas vedáveis 34, 35, para adição de reagente químico (por exemplo, ácido). Uma terceira porta 36 pode ser adicionada se vapor ou água adicional, ou até mesmo um agente de ajuste de pH, for necessário a jusante das portas 34 e 35. Como na FIG. 1, a câmara de barril 30 é dividida em 1 -3 zonas (não mostradas), produzidas por configurações de parafusos, semelhante a 91 na FIG. 1, ou 91,92 e 93 na FIG. 14.
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O vapor pressurizado é injetado para elevar a temperatura e a pressão da biomassa e produtos químicos para a reação química, se necessário. O isolamento 12 pode ser fornecido no exterior ou como parte do barril 31 que pode abranger a câmara do barril 30 e manter a temperatura desejada dentro da câmara. Os medidores de temperatura 83, 87 e os medidores de pressão 81, 85 são usados para monitorar a temperatura e a pressão dentro da câmara, respectivamente.
[0086] À medida que a biomassa é carregada através da tremonha 20 para a câmara 30, a pressão termomecânica aumenta através da adição de vapor e da configuração do plugue de alta pressão P1 (devido ao formato e movimento de várias seções dos mecanismos de parafuso). O mecanismo de parafuso duplo 51, 52, move a biomassa através do tubo para a abertura 22 entre a placa de extremidade 14 da câmara do barril 30 e a válvula de descarga 89.
[0087] Como na FIG. 1, o dispositivo da FIG. 2 produz um plugue de alta pressão P1 durante o processo de movimentação de biomassa através do tubo de uma extremidade à outra (ver FIG. 1). Embora não seja mostrado na FIG. 2, P1 é formado após a adição opcional de água através da porta 29 antes da adição de vapor através das portas 32 e 33. As portas 32, 33, adicionam vapor pressurizado de cerca de 300 psi a 1000 psi ao barril após a formação do primeiro plugue, aumentando a pressão do barril a uma temperatura e pressão desejadas; por exemplo, 600 psi e uma temperatura de 253°C. Também como a FIG. 1, na FIG. 2 a zona dentro da câmara do barril 30 entre P1 e a área de descarga é a zona 91. A zona 91 entre o plugue de alta pressão e a área de descarga através do flange de extremidade especial 14 constitui coletivamente a zona de reação R1 (conforme mostrado na FIG. 1). A zona de reação R1 pode incluir quaisquer outros plugues e zonas permeáveis que podem ser formados conforme mostrado na FIG. 14. Em alguns casos, produtos químicos usados para auxiliar no pré-tratamento da biomassa (por exemplo, ácido ou álcalis ou outro produto químico) são adicionados entre o plugue de alta pressão P1 e a área de descarga na zona de reação R1.
[0088] Em alguns casos, o pré-tratamento da biomassa usando um dispositivo conforme representado na FIG. 2 envolve vedar as portas no dispositivo da FIG. 2 após o movimento da biomassa através de cada seção e adição de solução aquosa que compreende ácido e vapor e subsequentemente manter a
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40/99 temperatura desejada. Conforme mostrado na FIG. 2, a válvula de descarga 17 pode ser parcialmente apoiada em uma vedação de metal ou cerâmica 89, de modo que a válvula de descarga esteja praticamente fechada. Em operação (FIG. 2 e FIG. 12), conforme a pressão na câmara do barril 30 aumenta até um certo ponto, a válvula de descarga 17 é aberta (para longe da câmara do barril). O eixo da válvula 60 se estende através de um tubo até um atuador 72 dentro ou fixado a um gerador de contrapressão (unidade de controle) 73. A mistura de biomassa, açúcares e produto químico aquoso é empurrada através da abertura da válvula de descarga 22 pelo movimento dos parafusos duplos 50, 51, na câmara 30 a partir da primeira extremidade em direção à segunda extremidade (saída) e a partir do acúmulo de pressão. A biomassa passa através da abertura da válvula de descarga 22 e através de um tubo 62, onde é coletada em um tanque de vaporização 70 através de uma abertura 71 no topo do tanque de vaporização, que permite o acesso à biomassa pré-tratada e a saída de vapores. Também pode haver uma abertura separada para permitir a descarga de vapores (não mostrada).
[0089] A pressão é criada e mantida na zona de reação. Devido à configuração dos elementos do parafuso e uma combinação de blocos de reversão e amassamento, o material pode ser compactado à medida que se aproxima do conjunto especial de elementos de parafuso de formação de plugue, e a pressão elevada para facilitar uma operação bem-sucedida pode ser alcançada à medida que o material é compactado e transportado através da zona de formação de plugue. Conforme descrito acima, o plugue P1 que é formado não é apenas compactado, mas também pode ser impermeável ao líquido e ao vapor. O restante dos plugues P2 e P3 podem ser zonas de alto cisalhamento para auxiliar na mistura conforme descrito acima. O movimento para frente dos parafusos pode garantir que a pressão seja criada e a pressão correta seja mantida em toda a zona de reação R1. O plugue P1 formado a partir do material compactado pode ser impermeável ao vapor, de modo que nenhuma pressão possa ser liberada de volta a uma alta pressão, por exemplo, entre 500 a 1000 psi ou mais. Essa configuração pode contribuir significativamente para a rápida duração do pré-tratamento e/ou o estabelecimento da diferença entre a pressão na abertura da válvula de descarga 22 e a pressão interna, de modo que a explosão de vapor possa ser mais eficaz.
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41/99 [0090] A explosão a vapor é a descompressão explosiva da biomassa que pode resultar em uma ruptura da estrutura rígida das fibras de biomassa. A liberação repentina de pressão pode desfibrilar os feixes de celulose, resultando em uma melhor acessibilidade da celulose para hidrólise enzimática e fermentação. Dependendo do tempo e da temperatura de permanência, essa rápida descompressão à pressão atmosférica pode resultar em pequenas fissuras em uma estrutura de biomassa, até a desfibrilação total das fibras vegetais.
[0091] Sob esse sistema, a biomassa lignocelulósica pode ser aquecida a altas temperaturas e pressões, sem variação de temperatura e pressão devido a vazamentos através dos materiais compactados na extrusora, que podem ser seguidos por interrupção mecânica do material pré-tratado por descarga violenta em um tanque coletor (explosão). Isso pode resultar em material tratado uniformemente, devido à rotação dos parafusos e à exposição uniforme da biomassa à temperatura, pressão e vários reagentes em cada seção de tratamento da extrusora.
[0092] O vapor de alta pressão pode modificar radicalmente a estrutura da parede celular vegetal, rendendo um material marrom escuro do qual as hemiceluloses parcialmente hidrolisadas podem ser facilmente recuperadas por lavagem com água, deixando uma fração insolúvel em água composta de celulose, hemiceluloses residuais e lignina que podem ser hidrolisadas adicionalmente por hidrólise enzimática ou outros tratamentos.
[0093] O pré-tratamento com ácido diluído, embora aumente significativamente a acessibilidade à celulose, pode produzir condições ácidas que podem resultar na destruição e perda de xilose. No entanto, ao trazer o tamanho das partículas, temperatura e pressão a parâmetros corretos antes da adição de ácido, o tratamento com ácido pode ser realizado de maneira rápida e uniforme (por exemplo, alguns segundos), limitando assim a perda de xilose e reduzindo a formação de inibidores.
[0094] Uma seção transversal da extremidade de descarga da extrusora de parafuso duplo mostrada na FIG. 2 é representada na FIG. 3. Conforme mostrado na FIG. 3, o barril 31 aloja os parafusos duplos 51,52, que são girados pelos eixos 26, 28. Em uma modalidade, um inserto cilíndrico sólido
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42/99 substituível 38 de metal especial resistente à corrosão e ao desgaste ou outro composto pode envolver os parafusos. A extensão das bordas da lâmina dos parafusos duplos 51, 52, e os limites dos poços perfurados através do inserto de barril 38 são representados por linhas pontilhadas. Há cerca de 1 mm entre as pontas dos elementos do parafuso e o inserto de barril 38. Em alguns casos, as linhas pontilhadas podem ser as aberturas reais do barril (em vez do barril 31) e podem ser compreendidas por insertos especialmente metálicos, adicionados para resistência ao desgaste, e furadas para coincidir com o diâmetro dos parafusos. Em uma modalidade, um aparelho de aquecimento ou aquecimento/resfriamento (não mostrado) é ajustado em torno de um barril cilíndrico inteiro. Em outra modalidade, o sistema de aquecimento/resfriamento (não mostrado) é embutido no sistema. A FIG. 4 mostra uma seção transversal do flange de face especial de extremidade de descarga 14 que é fixado à extremidade da extrusora. O flange 14 é conectado à extrusora e os parafusos duplos transportam o material para a frente em direção à válvula de descarga. A FIG. 5 representa a transição da abertura de parafuso duplo no flange de extremidade de descarga da extrusora 14 à saída única da abertura da válvula 22 quando se olha da extremidade da abertura da válvula da extremidade estreita que se conecta à válvula 17. A abertura se expande para abranger a abertura de parafuso duplo do flange 14. A FIG. 6 representa adicionalmente o alojamento da extremidade da válvula de descarga 19 com uma única abertura cilíndrica 22 que se conecta adjacente ao flange da extrusora 14. A biomassa pré-tratada é descarregada através da abertura 22 envolvida pela vedação de metal ou cerâmica 89 que é segura na posição para interagir com o mecanismo da válvula de descarga. A vedação de cerâmica ou metal também pode se estender para a abertura da válvula 22 e fornecer um revestimento ou inserto entre a abertura da válvula 22 e o alojamento da válvula 19.
[0095] A válvula na extremidade de descarga (válvula de extremidade) de uma extrusora, conforme fornecido neste documento, pode ser um de muitos projetos diferentes e pode ser uma válvula de orifício variável. A válvula de extremidade usada nesse processo pode ser um dos vários tipos que podem ser monitorados com precisão e a descarga pode ser controlada por um gerador de contrapressão. A válvula de extremidade pode ser unidirecional ou
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43/99 bidirecional. Em alguns casos, uma válvula de extremidade em uma extrusora, conforme fornecido neste documento, é unidirecional, enquanto o fluxo através da extrusora é unidirecional. Em alguns casos, uma válvula de extremidade em uma extrusora, conforme fornecido neste documento, é bidirecional, enquanto o fluxo através da extrusora é unidirecional. A FIG. 7 é uma vista horizontal da abertura da válvula 22 em seu alojamento 19, de onde vai se estreitando das aberturas de parafuso duplo da extrusora até a extremidade de descarga da válvula.
[0096] A FIG. 8 é uma vista horizontal do conjunto de alojamento de válvula 65 com o tubo de descarga 62, incluindo o alojamento 63 que segura a abertura da válvula e o alojamento 19, conforme mostrado na FIG. 7. A FIG. 9 representa o alojamento da FIG. 8, mostrando como o conjunto de válvula é integrado ao alojamento. A FIG. 10 é uma vista em corte horizontal com a válvula 17 e o eixo da válvula 60 apoiados no alojamento de abertura da válvula 19 dentro dos alojamentos 65 e 63.
[0097] As FIGs. 2 e 14 são modalidades que mostram o movimento da biomassa através de reatores usando plugues para a câmara de diferentes reações, de forma a manter temperatura e pressão, facilitar a mistura íntima e completa de todos os materiais introduzidos no sistema e reduzir o tamanho das partículas. Essas modalidades podem ser variadas para acomodar diferentes tipos e tamanhos de biomassa para o processamento ideal e recuperação de monossacarídeos ou até mesmo oligômeros. Por exemplo, o tamanho da segunda câmara pode ser reduzido se a biomassa contiver uma pequena percentagem de hemicelulose em comparação com a porção celulósica. O tempo de permanência em qualquer câmara pode variar e aqueles versados na técnica entenderão que os tipos de elementos de parafuso nas seções que produzem os plugues, e cortam e movem os materiais de processamento para frente, e suas colocações, podem ter um número infinito de permutações. As combinações usadas dependerão do tipo de biomassa e do tamanho das partículas desejadas para o pré-tratamento ideal. Assim, o tempo de permanência, a temperatura, o tempo e o tratamento químico podem ser ilimitados usando este método.
[0098] As seções de parafuso incorporadas nesse sistema podem incluir, por exemplo, elementos de transporte para mover materiais através da
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44/99 extrusora e elementos de bloco de amassamento para formar plugues. Um sistema adequado pode ser compreendido por um único elemento de parafuso flutuante com ranhuras de mistura no perfil do parafuso. O elemento pode ter uma mão esquerda (transporte invertido) ou mão direita (perfil de parafuso com transporte para frente). Esses elementos podem compreender menos ranhuras de mistura e profundidade de ranhura reduzida para reduzir o fluxo cruzado do produto entre os canais de perfil do parafuso, ajudando assim a manter uma pressão e movimento uniformes da biomassa e reduzir o refluxo. Os elementos do parafuso podem ser compreendidos por vários materiais, incluindo, por exemplo, Stellite, Hastelloy, Inconell, aço PM, aço cromado e aço nitretado e/ou podem ser fabricados com vários revestimentos de superfície para reduzir o desgaste e a abrasão. Exemplos de tais elementos podem ser encontrados em Extricom GmbH (www.extricom.de) ou Century Extrusion (www.centuryextrusion.com). Aqueles versados na técnica entenderão que os tipos de elementos e a sua disposição são ilimitados e podem ser organizados em muitos padrões diferentes para materiais específicos de biomassa.
[0099] O peso seco inicial da biomassa usado nos métodos desta invenção é de pelo menos cerca de 10% do peso total da mistura de biomassa e ácido aquoso. Mais tipicamente, o peso seco da biomassa é de pelo menos cerca de 20% e pode ser de pelo menos cerca de 30%, 45%, 50% ou mais. A biomassa de matéria-prima variará tipicamente entre 30% em peso e 90% em peso de sólidos, e a biomassa que sai do pré-tratamento variará tipicamente entre 21% em peso e 40% em peso de sólidos. A percentagem de peso seco da biomassa pode variar e a percentagem ideal pode ser diferente para diferentes tipos de biomassa. Por exemplo, a biomassa de pelo menos cerca de 40% é desejada ao usar serragem (a serragem será diluída com uma pequena quantidade de condensado a vapor) para fornecer biomassa pré-tratada que é sacarificada para produzir açúcares fermentáveis concentrados o suficiente para fermentação econômica em etanol. A mais adequada é a biomassa de serragem que é pelo menos cerca de 30%. O percentual de peso seco preferencial de um tipo particular de biomassa para uso nos presentes métodos para produzir um hidrolisado com alto teor de açúcares pode ser facilmente determinado por uma pessoa versada na técnica.
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45/99 [0100] A biomassa pode ser carregada em um aparelho alimentador, tal como a tremonha diagramada na FIG. 1, que, por sua vez, alimenta a biomassa ao reator. O carregamento pode ser facilitado pelo uso de um transportador de fluxo, tal como um transportador de parafuso, crammer, corrente de arrasto, elevador de baldes, correia transportadora ou similares. A alimentação da biomassa no reator pode ser mais uniforme pela adição de um parafuso cônico ou similar, que permite que a biomassa entre no reator a uma taxa e densidade uniformes que são úteis para impedir o entupimento do aparelho alimentador.
[0101] Usando esse método, uma solução aquosa compreendendo ácido ou base pode compreender qualquer concentração necessária para hidrolisar os polímeros de carboidratos. Assim, por exemplo, o ácido, em uma concentração indo desde 0,01% a mais de 7 ou 8%, ou concentrações de 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, ou qualquer valor intermediário, pode ser usado. Nos dispositivos de pré-tratamento, conforme fornecido neste documento, as portas, excluindo uma ou mais, através das quais o vapor está sendo adicionado, podem ser vedadas. As válvulas para uso nos dispositivos, conforme fornecido neste documento, podem ser qualquer tipo de válvula conhecida na técnica com um orifício variável que pode ser aberto ou fechado. As válvulas podem ser válvulas esféricas, válvulas de gatilho, válvulas de retenção ou válvulas rotativas de guilhotina ou combinações destas.
[0102] O vapor pode ser adicionado através de um ou mais orifícios no barril cilíndrico no início da zona de reação, após a formação do primeiro plugue, em uma quantidade necessária para elevar a temperatura da mistura de biomassa e ácido aquoso até o ponto desejado. Mais de uma porta pode ser usada, com portas espaçadas de modo que o contato do vapor seja distribuído sobre a biomassa, ou para aumentar a temperatura e a pressão mais rapidamente. O vapor pressurizado pode ser adicionado para aumentar a temperatura da mistura de biomassa e ácido aquoso para entre cerca de 80°C e cerca de 300°C, preferencialmente entre 160°C e 230°C. A temperatura da biomassa e do ácido aquoso pode ser de cerca de 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C, 45°C, 50°C, 55°C, 60°C, 65°C, 80°C, 90°C, 100°C C, 120°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C ou 400°C. A temperatura da biomassa e do ácido aquoso pode ser de cerca de 20°C a
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46/99 cerca de 400°C, cerca de 50°C a cerca de 350°C, cerca de 80°C a cerca de 300°C, cerca de 100°C a cerca de 250°C ou cerca de 160°C a cerca de 210°C. Vapor adicional pode ser adicionado através de uma porta entre a segunda e a terceira formação de plugue da câmara cilíndrica, se necessário, para manter a temperatura e a pressão desejadas. O aparelho pode incluir uma camisa de aquecimento, camisa de vapor, aquecedores de banda, aquecedores de barril ou camisa de isolamento de forma a contribuir para elevar e/ou manter a temperatura e a pressão. As camisas de aquecimento ou de vapor são particularmente adequadas para reatores de pequena escala, enquanto camisas de isolamento são adequadas para reatores de grande escala. O aquecimento pode ocorrer em diferentes estágios, incluindo o pré-aquecimento do barril antes do tratamento ou pré-tratamento. O tipo de biomassa sendo pré-tratado também pode afetar o tempo e a temperatura ideais para o tratamento no presente método, como pode ser prontamente avaliado por uma pessoa versada na técnica. Trazer a biomassa às temperaturas descritas nesses métodos, usando vapor pressurizado resulta em pressões dentro da câmara do reator que estão entre cerca de 300 psi e cerca de 1000 psi. Mais tipicamente, a pressão está entre cerca de 300 psi a 800 psi. O vapor pressurizado é adicionado através das portas a cerca de 300 a 600 psi. As pressões dentro da câmara do reator podem ser 25-250 PSI, 25-225 PSI, 25-200 PSI, 25-175 PSI, 25-150 PSI, 25-125 PSI, 25-100 PSI, 25-75 PSI, 25-50 PSI, 50-225 PSI, 50-200 PSI, 50-175 PSI, 50-150 PSI, 50-125 PSI, 50-100 PSI, 50-75 PSI, 75-200 PSI, 75-175 PSI, 75-150 PSI, 75-125 PSI, 75-100 PSI, 100-175 PSI, 100-150 PSI, 100-125 PSI, 125-150 PSI, 25 PSI, 30 PSI, 35 PSI, 40 PSI, 45 PSI, 50 PSI, 55 PSI, 60 PSI, 65 PSI, 70 PSI, 75 PSI, 80 PSI, 85 PSI, 90 PSI, 95 PSI, 100 PSI, 105 PSI, 110 PSI, 115 PSI, 120 PSI, 125 PSI, 130 PSI, 135 PSI, 140 PSI, 145
PSI, 150 PSI, 155 PSI, 160 PSI, 165 PSI, 170 PSI, 175 PSI, 180 PSI, 185 PSI,190
PSI, 195 PSI, 200 PSI, 205 PSI, 210 PSI, 215 PSI, 220 PSI, 225 PSI, 230 PSI,235
PSI, 240 PSI, 245 PSI, 250 PSI, 300 PSI, 350 PSI, 400 PSI, 450 PSI, 500 PSI,550
PSI, 600 PSI, 650 PSI, 700 PSI, 750 PSI, 800 PSI, 850 PSI, 900 PSI, 950 PSI ou 1000 PSI. No entanto, sob certas circunstâncias, uma pressão mais baixa pode ser desejável. Por exemplo, é necessária pouca ou nenhuma pressão para liberar polímeros C5 de uma biomassa rica em C5 e/ou sem lignina.
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47/99 [0103] Nas modalidades desta invenção (por exemplo, as FIGs. 1 e 2), após o pré-tratamento de uma biomassa, conforme fornecido neste documento, durante o tempo desejado, à pressão e temperatura adequadas, a biomassa e o produto químico aquoso ou outra mistura são movidos através de uma válvula de descarga 17 na extremidade do barril cilíndrico 30 para dentro de um tanque de vaporização 70. A válvula de descarga 17 pode ser fechada durante a reação de biomassa com ácido aquoso ou outro produto químico na temperatura desejada e depois aberta para a passagem da biomassa. Em um reator de câmara de parafuso duplo, como exemplificado na FIG. 2, a válvula de descarga 17 abre sob pressão da extrusora com a abertura da válvula entre a extremidade da extrusora e a câmara da válvula, depois que o vapor e a biomassa acumulam pressão na câmara de reação e descarregam a biomassa pré-tratada para aliviar a pressão até o ponto em que a pressão fornecida à válvula de extremidade através do eixo é maior. O uso da válvula externa é uma grande vantagem sobre a tentativa de manter pressão homogênea no barril ao usar a formação de plugue para manter várias zonas. As zonas podem ser mantidas mais facilmente quando uma liberação de material pressurizado é controlada por uma válvula pressurizada que responde separadamente.
[0104] Por exemplo, a FIG. 12 ilustra uma válvula aberta 17 em um dispositivo como representado na FIG. 2, que ocorre quando a pressão do vapor e da biomassa na câmara do barril 30 (na FIG. 2) no barril cilíndrico 31 é maior que a pressão fornecida à válvula de extremidade 17. À medida que a pressão na câmara é reduzida, a pressão do eixo na válvula de extremidade 17 empurra a válvula em direção ao fechamento contra a extremidade da extrusora, reduzindo assim a liberação de biomassa no tanque de vaporização 70 na FIG. 2 e permitindo que a pressão se acumule na extrusora novamente. Em contraste, a FIG. 11 ilustra a posição da válvula 17 quando está assentada na vedação de metal ou de cerâmica 89 e a pressão do eixo é maior que a pressão na extrusora. Em combinação, as FIGs. 11 e 12 representam um movimento constante da válvula de extremidade para frente e para trás quando a biomassa é tratada no barril cilíndrico 31. Em
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48/99 alguns casos, a válvula de extremidade 17 nunca está completamente fechada e nunca completamente aberta. Assim, a válvula de extremidade permanece substancialmente aberta durante toda a operação, enquanto uma pressão consistente é mantida na extrusora enquanto a biomassa é tratada e liberada.
[0105] A aplicação descrita neste documento pode ser contínua e, em alguns casos, a chave para a válvula de saída é o monitoramento constante da pressão do sistema. Pode haver um ciclo de realimentação que ajusta continuamente a abertura da válvula para manter uma pressão específica do sistema. Ver FIGs. 11 e 12. Isso pode permitir um processo de vaporização contínuo e a extrusora pode ser ajustada continuamente para manter a pressão desejada no processo contínuo. No geral, esse pode ser um mecanismo mais complexo que os sistemas tradicionais de pré-tratamento de descarga e oferece controle preciso e muito rígido de um processo contínuo.
[0106] Exemplos de válvulas de descarga de orifício variável que podem ser utilizadas incluem válvulas de descarga de cabeçote móvel, válvulas de guilhotina, válvulas de dispersão, válvulas borboleta, válvulas de porta V rotativas e similares. Em um reator de menor escala, um globo linear operado por pistão ou uma válvula de descarga do tipo cabeçote móvel podem ser particularmente úteis, em que um lado de face dura a montante da sede da válvula é um orifício de descarga de cerâmica e um lado a jusante mais suave da sede da válvula faz vedação contra um êmbolo de válvula de face dura, com a área de fluxo aumentando continuamente além da sede da válvula quando o êmbolo da válvula é retraído para que abra.
[0107] Mais adequadamente, a válvula de descarga do tipo cabeçote móvel incorporaria um tubo venturi de expansão gradual. Uma modalidade de uma válvula de cabeçote móvel de tubo venturi de expansão gradual que é adequada para um reator de pré-tratamento de biomassa é diagramada na FIG. 10. Esta válvula incorpora um bico cônico e um arranjo de válvula de extremidade de sede de metal ou de cerâmica. Para evitar o entupimento, os tubos venturi de expansão gradual, como exemplificado na FIG. 11 (posição fechada) e FIG. 12 (posição aberta) podem ser projetados para acelerar sólidos através de um espaço cada vez maior entre o cilindro estacionário 89 do tubo venturi e o cone interno móvel 17 do tubo venturi, que é montado na extremidade de um eixo de válvula 60. O cilindro de
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49/99 descarga no qual o cone se encaixa pode ser geralmente assentado no alojamento da válvula de descarga 19 na saída da câmara do reator. O tubo venturi dentro do cone 89 pode ser o bico na extremidade do eixo da válvula 60. O eixo da válvula 60 pode ser fixado a um atuador 72 para controle do movimento. O atuador 72 pode ser qualquer dispositivo conhecido na técnica que possa mover o eixo da válvula para frente e para trás em um movimento horizontal, como um motor elétrico, pneumático ou hidráulico, atuador de válvula pneumático ou pistão hidráulico ou qualquer outro tipo de atuador conhecido na técnica e/ou fornecido neste documento. O atuador, por sua vez, pode estar dentro ou conectado a um regulador de pressão eletrônico 73 que recebe um sinal de pressão da câmara de reação. Por exemplo, um regulador de pressão E/P, série ED05 (Bosch Rexroth AG) pode ser usado. Quando o eixo da válvula está na posição mais distante para a esquerda, a borda externa do cone interno assenta na borda interna do cilindro externo de metal ou de cerâmica para vedar a extremidade de descarga do reator. Durante o pré-tratamento, o eixo da válvula pode ser movido para a direita para fornecer o tamanho da abertura desejada para os tubos venturi de vaporização. Esse projeto pode fornecer uma zona de vaporização de algum comprimento, que se expande suavemente na direção do fluxo. Nesse projeto, os sólidos de biomassa podem ser acelerados no eixo do cone anular de abertura gradual até que a pressão na câmara possa ser liberada ao ponto em que um sinal eletrônico da câmara de reação resulte em pressão administrada à válvula de extremidade, que faz com que a válvula de extremidade mova-se em direção à câmara, fechando o espaço entre o tubo venturi de vaporização e a sede de metal ou de cerâmica.
[0108] A biomassa tratada pode ser vaporizada através da válvula de descarga, movendo-se para um tubo que leva ao tanque de vaporização. Os vapores podem então ser liberados e a biomassa pode ser resfriada em preparação para ajuste de pH, separação de sólidos e/ou hidrólise enzimática. Qualquer tanque de vaporização típico pode ser usado. O tanque de vaporização pode ser. A vaporização pode resultar em uma queda na pressão da pressão mantida dentro da zona de reação (por exemplo, a zona de reação representada nas FIGs. 1 e 2) a uma pressão próxima da atmosférica e pode tipicamente resfriar o material de biomassa para cerca de 100°C. A temperatura pode então ser reduzida para cerca
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50/99 de 50°C, o que pode ser desejado para sacarificação enzimática. A biomassa pode ser removida do tanque de vaporização e sacarificada descontinuamente. Geralmente, neste ponto, os polímeros C5 foram hidrolisados em oligômeros ou monossacarídeos, dependendo da quantidade de ácido ou álcalis utilizados e da temperatura e pressão mantidas durante o tratamento nas zonas de reação da câmara do barril (ver FIGs. 1 e 2), bem como a hidrólise de uma determinada fração ou porcentagem de regiões amorfas e polímeros C6, deixando reticulados cristalinos C6 fragmentados abertos para sacarificação (por exemplo, sacarificação enzimática).
[0109] Em alguns casos, o pH de uma matéria-prima pré-tratada pelos métodos fornecidos neste documento é ajustado em um dispositivo, como fornecido neste documento, antes de tratamento posterior (por exemplo, sacarificação enzimática). Alteração do pH de uma matéria-prima pré-tratada pode ser realizada por lavagem da matéria-prima (por exemplo, com água) uma ou mais vezes para remover uma substância ácida ou alcalina, ou outras substâncias utilizadas ou produzidas durante o pré-tratamento. A lavagem pode compreender expor a matéria-prima pré-tratada a um volume igual de água 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,14, 15,16, 17, 18, 19,20,21,22,23,24, 25 ou mais vezes. Em outra modalidade, um modificador de pH pode ser adicionado. Por exemplo, um ácido, um tampão ou um material que reage com outros materiais presentes pode ser adicionado para modular o pH da matéria-prima. Em uma modalidade, mais do que um modificador de pH pode ser usado, como uma ou mais bases, uma ou mais bases com um ou mais tampões, um ou mais ácidos com um ou mais tampões, ou um ou mais tampões. Quando mais de um modificador de pH é utilizado, eles podem ser adicionados ao mesmo tempo ou em momentos diferentes. Outros métodos exemplares não limitantes para neutralizar as matérias primas tratadas com substâncias alcalinas foram descritos, por exemplo, nas Patentes US Nss 4,048,341; 4,182,780; e 5,693,296.
[0110] Em alguns casos, um sistema pode ser projetado para hidrolisar e remover os polímeros C5 em uma primeira câmara ou zona de reação antes de submetê-los a um tratamento de ácido forte e/ou altas temperaturas ou pressões em uma segunda zona de câmara de reação. Os métodos de tratamento com ácido
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51/99 diluído e água quente podem ser utilizados para solubilizar toda ou uma parte da hemicelulose. Os métodos que empregam reagentes alcalinos podem ser utilizados para remover toda, a maioria ou uma parte da lignina durante a etapa de pré-tratamento. Os demais polímeros C6 e resíduos de lignina podem ser tratados em altas concentrações de ácido e altas temperaturas e pressões sem a formação de subprodutos de C5, como furfurais e ácido acético. Isto resultaria em uma mistura de polímeros C6 essencialmente sem açúcares C5 e inibidores da hidrólise de polímeros C5. Uma corrente C6 pura deste tipo é desejável para produzir produtos finais específicos, tais como bioplásticos, e para complementar a fermentação do amido a etanol e outros biocombustíveis.
[0111] Em alguns casos, uma biomassa ou matéria-prima, como fornecido neste documento, está sujeita a pré-tratamento utilizando um dispositivo, conforme fornecido neste documento, de modo que os açúcares (sacarídeos) produzidos a partir do pré-tratamento sejam separados e recuperados para um produto final, conforme fornecido neste documento. Os açúcares separados e recuperados podem ser utilizados sem uma etapa de hidrólise. Os açúcares separados e recuperados podem ser monossacarídeos ou oligômeros de sacarídeos ou uma combinação destes. Os açúcares (por exemplo, monossacarídeos e/ou oligômeros) podem ser sacarídeos C5 e/ou C6 ou uma combinação destes. Em alguns casos, a biomassa submetida a pré-tratamento para a produção de oligômeros de sacarídeos é fibra de milho. Os oligômeros de sacarídeos produzidos a partir da fibra de milho podem ser oligômeros C5. Em uma modalidade, o pré-tratamento de biomassa ou matéria-prima, conforme fornecido neste documento, produz uma concentração de matéria-prima pré-tratada de oligômeros solúveis na matéria-prima pré-tratada que é de 1%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% ou 99%. Exemplos de oligômeros solúveis incluem, mas não estão limitados a, celobiose e xilobiose. Em uma modalidade, os parâmetros do pré-tratamento produzem uma concentração de oligômeros solúveis na matéria-prima pré-tratada de 30% a 90%. Em uma modalidade, os parâmetros do pré-tratamento são tais que a concentração de oligômeros solúveis na matéria-prima pré-tratada é de 45% a 80%.
[0112] Em uma modalidade, a biomassa recuperada do pré-tratamento é
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52/99 lavada e a fração solúvel C5 e/ou C6 é recuperada da água de lavagem. A fração de lignina de celulose ligada pode ser sujeita a processamento adicional, em que a lignina pode ser solubilizada com base e removida. O que resta após a neutralização pode ser uma celulose microcristalina muito fina que pode ser facilmente convertida em nanocelulose e outros produtos que contêm celulose.
[0113] Hidrólise enzimática [0114] Em uma modalidade, o tratamento de enzima é usado para hidrolisar vários sacarídeos maiores (alto peso molecular) presentes na biomassa em sacarídeos menores (baixo peso molecular), tais como em preparação para a fermentação por biocatalisadores, tais como leveduras para produzir etanol, hidrogênio ou outros produtos químicos, tais como ácidos orgânicos, incluindo ácido succínico, ácido fórmico, ácido acético e ácido lático. Estas enzimas e/ou o hidrolisado podem ser utilizados em fermentações para produzir vários produtos, incluindo combustíveis e outros produtos químicos.
[0115] Em um exemplo, o processo de conversão de materiais de biomassa em etanol inclui pré-tratar o material de biomassa (por exemplo, matéria-prima), hidrólise da biomassa pré-tratada para converter polissacarídeos em oligossacarídeos, hidrólise adicional de oligossacarídeos em monossacarídeos, e converter os monossacarídeos em biocombustíveis e produtos químicos. Enzimas como celulases, polissacarases, lipases, proteases, ligninases (também conhecidas como LMEs ou lignases), e hemicelulases, ajudam a produzir os monossacarídeos e podem ser usadas na biossíntese de produtos finais de fermentação. Materiais de biomassa que podem ser utilizados incluem matéria vegetal lenhosa, matéria vegetal não lenhosa, material celulósico, material lignocelulósico, material hemicelulósico, carboidratos, pectina, amido, inulina, frutanos, glucanos, milho, algas, cana de açúcar, outras gramíneas, painço, bagaço, palha de trigo, palha de cevada, palha de arroz, espigas de milho, bambu, cascas de cítricos, sorgo, sorgo de alta biomassa, cascas de sementes e materiais derivados destes. O produto final pode então ser separado e/ou purificado, como indicado pelas propriedades do produto final desejado. Em alguns casos, compostos relacionados com açúcares tais como álcoois de açúcar ou ácidos de açúcar podem ser utilizados também.
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53/99 [0116] Produtos químicos usados nos métodos da presente invenção estão prontamente disponíveis e podem ser comprados de um fornecedor comercial, tais como a Sigma-Aldrich. Além disso, coquetéis enzimáticos comerciais (por exemplo, Accellerase™ 1000, CelluSeb-TL, CelluSeb-TS, Cellic™, CTec, STARGEN™, Maxalig™, Spezyme.R™, DistilIase.R™, G-Zyme.R™, Fermenzyme.R™, Fermgen™, GC 212 ou Optimash™) ou qualquer outro coquetel enzimático comercial pode ser adquirido de fornecedores como Specially Enzymes & Biochemicals Co., Genencor ou Novozymes. Alternativamente, coquetéis de enzima podem ser preparados cultivando um ou mais organismos, como, por exemplo, um fungo (por exemplo, um Trichoderma, um Saccharomyces, um Pichia, um fungo lignolítico etc.), uma bactéria (por exemplo, um Clostridium, ou uma bactéria coliforme, uma bactéria Zymomonas, Sacharophagus degradans etc.), em um meio adequado, e coletando as enzimas produzidas a partir deles. Em algumas modalidades, a coleta pode incluir uma ou mais etapas de purificação de enzimas.
[0117] Em uma modalidade, o tratamento da biomassa, após o pré-tratamento da biomassa, utilizando métodos e dispositivos fornecidos neste documento, compreende hidrólise enzimática. Em uma modalidade, uma biomassa após o pré-tratamento, como fornecido nesse documento, é tratada com uma enzima ou uma mistura de enzimas, por exemplo, endonucleases, exonucleases, celobiohidrolases, celulase, beta-glucosidases, glicosídeo hidrolases, glicosiltransferases, liases, esterases e proteínas contendo módulos de ligação de carboidrato. Em uma modalidade, a enzima ou mistura de enzimas é uma ou mais enzimas individuais com atividades distintas. Em outra modalidade, a enzima ou mistura de enzimas podem ser domínios de enzima com uma determinada atividade catalítica. Por exemplo, uma enzima com múltiplas atividades pode ter vários domínios de enzima, incluindo, por exemplo, glicosídeo hidrolases, glicosiltransferases, liases e/ou domínios catalíticos de esterases.
[0118] Em uma modalidade, enzimas que degradam polissacarídeos são utilizadas para a hidrólise de biomassa e podem incluir enzimas que degradam a celulose, a saber, celulases. Exemplos de algumas celulases incluem endocelulases e exocelulases que hidrolisam ligações glicosídicas beta-1,4.
[0119] Em uma modalidade, enzimas que degradam polissacarídeos são
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54/99 utilizadas para a hidrólise de biomassa e podem incluir enzimas que tem a habilidade de degradar hemicelulose, a saber, hemicelulases. Hemicelulose pode ser um componente importante da biomassa vegetal e pode conter uma mistura de pentoses e hexoses, por exemplo, D-xilopiranose, L-arabinofuranose, D-manopiranose, D-glucopiranose, D-galactopiranose, ácido D-glucopiranosilurônico e outros açúcares. Em uma modalidade, enzimas que degradam polissacarídeos são utilizadas para a hidrólise de biomassa e podem incluir enzimas que têm a habilidade de degradar pectina, a saber, pectinases. Na parede celular vegetal, a rede de celulose reticulada pode ser incorporada em uma matriz de pectinas que pode ser reticulada covalentemente a xiloglucanos e certas proteínas estruturais. Pectina pode compreender homogalacturonana (HG) ou ramnogalacturonana (RH).
[0120] Em uma modalidade, hidrólise da biomassa inclui enzimas que podem hidrolisar o amido. Enzimas que hidrolisam o amido incluem alfa-amilase, glucoamilase, beta-amilase, exo-alfa-1,4-glucanase e pululanase.
[0121] Em uma modalidade, hidrólise da biomassa compreende hidrolases que podem incluir enzimas que hidrolisam a quitina, a saber, quitinase. Em outra modalidade, hidrolases podem incluir enzimas que hidrolisam líquen, ou seja, liquenase.
[0122] Em uma modalidade, mais do que uma destas etapas pode ocorrer a qualquer momento. Por exemplo, a hidrólise da matéria-prima pré-tratada e hidrólise dos oligossacarídeos podem ocorrer simultaneamente, e um ou mais destes podem ocorrer simultaneamente à conversão de monossacarídeos para um combustível ou produtos químicos.
[0123] Em outra modalidade, uma enzima pode converter diretamente o polissacarídeo em monossacarídeos. Em alguns casos, uma enzima pode hidrolisar o polissacarídeo em oligossacarídeos e a enzima ou outra enzima pode hidrolisar os oligossacarídeos em monossacarídeos.
[0124] Em outra modalidade, as enzimas podem ser adicionadas para a fermentação, ou elas podem ser produzidas por microrganismos presentes na fermentação. Em uma modalidade, o microrganismo presente na fermentação produz algumas enzimas. Em outra modalidade, enzimas são produzidas
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55/99 separadamente e adicionadas para a fermentação.
[0125] Para a conversão total de biomassa pré-tratada em produto final ocorrer em altas taxas, é geralmente necessário que cada uma das enzimas necessárias para cada etapa de conversão estejam presentes com atividade suficientemente alta. Se uma destas enzimas não está presente ou está presente em quantidades insuficientes, a taxa de produção de um produto final pode ser reduzida. A taxa de produção também pode ser reduzida se os microrganismos responsáveis pela conversão de monossacarídeos em produto absorvem apenas lentamente monossacarídeos e/ou apenas tenham capacidade limitada de translocação dos monossacarídeos e intermediários produzidos durante a conversão em produto final. Adições de frações obtidas a partir de pré-tratamento e/ou pré-tratamento e hidrólise podem aumentar as taxas de crescimento iniciais ou totais. Em outra modalidade, oligômeros são absorvidos lentamente por um biocatalisador, necessitando de uma conversão quase completa de polissacarídeos e oligômeros em açúcares monoméricos.
[0126] Em outra modalidade, as enzimas do método são produzidas por um biocatalisador, incluindo uma variedade de enzimas hidrolíticas adequadas para os materiais de biomassa utilizados nos métodos de fermentação. Em uma modalidade, um biocatalisador é cultivado em condições adequadas para induzir e/ou promover a produção de enzimas necessárias para a sacarificação do polissacarídeo presente. A produção destas enzimas pode ocorrer em um recipiente separado, como um recipiente de fermentação de sementes ou outro recipiente de fermentação, ou no recipiente de fermentação de produção onde ocorre a produção de etanol. Quando as enzimas são produzidas em um recipiente separado, elas podem, por exemplo, ser transferidas para o recipiente de produção de fermentação juntamente com as células, ou como uma solução líquida, relativamente livre de células, que contém o meio intercelular com as enzimas. Quando as enzimas são produzidas em um recipiente separado, elas podem também ser secas e/ou purificadas antes de se serem adicionadas à hidrólise ou o recipiente de fermentação de produção. As condições adequadas para a produção das enzimas são frequentemente gerenciadas pelo crescimento de células em um meio que inclui a biomassa a qual espera-se que as células hidrolisem em etapas
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56/99 subsequentes de fermentação. Componentes adicionais médios, tais como suplementos de sal, fatores de crescimento e cofatores, incluindo, mas não limitados a, fitato, aminoácidos e peptídeos, também podem ajudar na produção das enzimas utilizadas por microrganismos na produção dos produtos desejados.
[0127] Fermentação [0128] A presente divulgação também fornece uma mistura fermentativa compreendendo: uma matéria-prima celulósica pré-tratada com uma substância ácida ou alcalina a uma temperatura de cerca de 160°C a cerca de 210°C; posteriormente hidrolisada com uma mistura de enzimas e um microrganismo capaz de fermentar um açúcar de cinco carbonos e/ou um açúcar de seis carbonos. Em uma modalidade, o açúcar de cinco carbonos é xilose, arabinose ou uma combinação destes. Em uma modalidade, o açúcar de seis carbonos é glicose, galactose, manose ou uma combinação destes. Em uma modalidade, a substância alcalina é NaOH. Em algumas modalidades, NaOH é adicionado a uma concentração de cerca de 0,5% a cerca de 2% em peso da matéria-prima. Em uma modalidade, o ácido é igual ou inferior a 2% de HCI ou H2SO4. Em uma modalidade, 0 microrganismo é de uma cepa de Rhodococcus, uma cepa de Clostridium, uma cepa de Trichoderma, uma cepa de Saccharomyces, uma cepa de Zymomonas ou outro microrganismo adequado para a fermentação de biomassa. Em outra modalidade, 0 processo de fermentação compreende fermentação da biomassa utilizando um microrganismo que é Clostridium phytofermentans, Clostridium algidixylanolyticum, Clostridium xylanolyticum, Clostridium cellulovorans, Clostridium cellulolyticum, Clostridium thermocellum, Clostridium josui, Clostridium papyrosolvens, Clostridium cellobioparum, Clostridium hungatei, Clostridium cellulosi, Clostridium stercorarium, Clostridium termitidis, Clostridium thermocopriae, Clostridium celerecrescens, Clostridium polysaccharolyticum, Clostridium populeti, Clostridium lentocellum, Clostridium chartatabidum, Clostridium aldrichii, Clostridium herbivorans, Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides cellulosolvens, Caldicellulosiruptor saccharolyticum, Rhodococcus opacus, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Fibrobacter succinogenes, Eubacterium cellulosolvens, Butyrivibrio fibrisolvens, Anaerocellum thermophilum, Halocella cellulolytica, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum,
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Sacharophagus degradans, ou Thermoanaerobacterium saccharolyticum. Em ainda outra modalidade, o microrganismo é geneticamente modificado para potencializar a atividade de uma ou mais enzimas hidrolíticas, como uma Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificada.
[0129] Em uma modalidade, um microrganismo de tipo selvagem ou geneticamente melhorado pode ser usado para a produção química por fermentação. Métodos para produzir uma cepa geneticamente melhorada podem incluir modificação genética, fusão de protoplasto, mutagênese e processos adaptativos, tais como evolução dirigida. Por exemplo, leveduras podem ser geneticamente modificadas para fermentar açúcares C5. Outras leveduras úteis são espécies de Candida, Cryptococcus, Debaryomyces, Deddera, Hanseniaspora, Kluyveromyces, Pichia, Schizosaccharomyces, e Zygosaccharomyces. Cepas de Rhodococus, tais como variantes de Rhodococcus opacus são uma fonte de triacilgliceróis e outros lipídios de armazenamento. (Ver, por exemplo, Waltermarm, et al., Microbiology 146: 1143-1149 (2000)). Outros organismos úteis para fermentação incluem, mas não estão limitados a, leveduras, especialmente cepas de Saccaromyces e bactérias tais como Clostridium phytofermentans, Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermocellum, Clostridium beijerinickii, Clostridium acetobutylicum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, Thermoanaerobacterium saccharolyticum, Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus, Clostridium acetobutylicum, Moorella ssp., Carboxydocella ssp., Zymomonas mobilis, E. coli recombinante, Klebsiella oxytoca, Rhodococcus opacus e Clostridium beijerickii.
[0130] Uma vantagem de leveduras é sua capacidade de crescer em condições que incluem a concentração elevada de etanol, alta concentração de açúcar, concentração baixa de açúcar, e/ou operar sob condições anaeróbicas. Estas características, em várias combinações, podem ser usadas para conseguir a operação com ciclos de fermentação longos ou curtos e podem ser usadas em combinação com fermentações descontínuas, fermentações semidescontínuas, fermentações de autossemeadura/coleta parcial e reciclagem das células da fermentação final como inóculo.
[0131] Em uma modalidade, a fermentação semidescontínua é realizada
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58/99 sobre a biomassa pré-tratada e posteriormente tratada para produzir um produto final de fermentação, tais como álcool, etanol, ácido orgânico, ácido succínico, TAG ou hidrogênio. Em uma modalidade, o processo de fermentação é composto por hidrólise e fermentação simultâneas (SSF) da biomassa usando um ou mais microrganismos, tais como uma cepa de Rhodococcus, uma cepa de Clostridium, uma cepa de Trichoderma, uma cepa de Saccharomyces, uma cepa de Zymomonas ou outro microrganismo adequado para a fermentação de biomassa. Em outra modalidade, o processo de fermentação compreende hidrólise e fermentação simultâneas da biomassa usando um microrganismo que é Clostridium algidixylanolyticum, Clostridium xylanolyticum, Clostridium cellulovorans, Clostridium cellulolyticum, Clostridium thermocellum, Clostridium josui, Clostridium papyrosolvens, Clostridium cellobioparum, Clostridium hungatei, Clostridium cellulosi, Clostridium stercorarium, Clostridium termitidis, Clostridium thermocopriae, Clostridium celerecrescens, Clostridium polysaccharolyticum, Clostridium populeti, Clostridium lentocellum, Clostridium chartatabidum, Clostridium aldrichii, Clostridium herbivorans, Clostridium phytofermentans, Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides cellulosolvens, Caldicellulosiruptor saccharolyticum, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Fibrobacter succinogenes, Eubacterium cellulosolvens, Butyrivibrio fibrisolvens, Anaerocellum thermophilum, Halocella cellulolytica, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Sacharophagus degradans ou Thermoanaerobacterium saccharolyticum.
[0132] Em uma modalidade, o processo de fermentação pode incluir hidrólise e fermentação separadas (SHF) de uma biomassa com uma ou mais enzimas, tais como xilanases, endo-1,4-beta-xilanases, xilosidases, beta-D-xilosidases, celulases, hemicelulases, carbohidrases, glucanases, endoglucanases, endo-1,4-beta-glucanases, exoglucanases, glicosidases, beta-D-glicosidases, amilases, celobiohidrolases, exocelobiohidrolases, fitases, proteases, peroxidase, pectato liases, galacturonases ou lacases. Em uma modalidade, uma ou mais enzimas usadas para tratar uma biomassa são termoestáveis. Em outra modalidade uma biomassa é tratada com uma ou mais enzimas, tais como aquelas fornecidas neste documento, antes da fermentação.
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Em outra modalidade uma biomassa é tratada com uma ou mais enzimas, tais como aquelas fornecidas neste documento, durante a fermentação. Em outra modalidade uma biomassa é tratada com uma ou mais enzimas, tais como aquelas fornecidas neste documento, antes e durante a fermentação. Em outra modalidade, uma enzima usada para a hidrólise de uma biomassa é a mesma que aquelas adicionadas durante a fermentação. Em outra modalidade uma enzima usada para a hidrólise da biomassa é diferente daquelas adicionadas durante a fermentação.
[0133] Em algumas modalidades, a fermentação pode ser realizada em um aparelho, como um biorreator, um recipiente de fermentação, um reator de tanque agitado ou um reator de leito fluidizado. Em uma modalidade a biomassa tratada pode ser suplementada com produtos químicos adequados para facilitar o crescimento robusto de um ou mais organismos da fermentação. Em uma modalidade um suplemento útil inclui mas não está limitado a, uma fonte de nitrogênio e/ou aminoácidos como extrato de levedura, cisteína, ou sais de amônia (por exemplo nitratos, sulfatos, fosfatos etc.); uma fonte de carboidratos simples tais como licor de maceração de milho e xarope de malte; uma fonte de vitaminas tais como extrato de levedura; agentes tamponantes, tais como sais (incluindo mas não limitados a sais de citrato, sais de fosfato, ou sais de carbonato); ou nutrientes minerais tais como sais de magnésio, cálcio ou ferro. Em algumas modalidades, modificadores de redox são adicionados à mistura de fermentação, incluindo mas não limitados a cisteína ou mercaptoetanol.
[0134] Em uma modalidade, o título e/ou produtividade da produção de produto final de fermentação por um microrganismo é melhorado pelo cultivo do microrganismo em um meio que compreende um ou mais compostos compreendendo açúcares de hexose e/ou pentose. Em uma modalidade, um processo compreende a conversão da matéria-prima (como uma biomassa) em um biocombustível, tais como um ou mais álcoois. Em uma modalidade, métodos da invenção compreendem por um substrato, que compreende sacarídeos de ambas hexose (por exemplo glucose, celobiose) e pentose (por exemplou xilose, arabinose), em contato com um microrganismo que pode hidrolisar sacarídeos C5 e C6 para produzir etanol. Em outra modalidade, métodos da invenção compreendem por um substrato, que compreende sacarídeos de ambas hexose
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60/99 (por exemplo glucose, celobiose) e pentose (por exemplo xilose, arabinose), em contato com R. opacus, para produzir TAG.
[0135] Em algumas modalidades da presente invenção, fermentação descontínua com um microrganismo de uma mistura de sacarídeos de hexose e pentose usando os métodos da presente invenção fornece taxas de absorção de cerca de 0,1 -8 g/L/h ou mais de hexose e cerca de 0,1 -8 g/L/h ou mais de pentose (xilose, arabinose etc.). Em algumas modalidades da presente invenção, a fermentação descontínua com um microrganismo de uma mistura de sacarídeos de hexose e pentose usando os métodos da presente invenção fornece taxas de absorção de 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 g/L/h ou mais de hexose e cerca de 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1,2, 3, 4, 5 ou 6 g/L/h ou mais de pentose.
[0136] Em uma modalidade, um método para a produção de etanol ou outro álcool produz cerca de 10 g/l a 120 de ganho em 40 horas ou menos. Em outra modalidade, um método para produção de etanol produz cerca de 10 g/L, 11 g/L, 12 g/L, 13 g/L, 14 g/L, 15 g/L, 16 g/L, 17 g/L, 18 g/L, 19 g/L, 20 g/L, 21 g/L, 22 g/L, 23 g/L, 24 g/L, 25 g/L, 26 g/L, 27 g/L, 28 g/L, 29 g/L, 30 g/L, 31 g/L, 32 g/L, 33 g/L, 34 g/L, 35 g/L, 36 g/L, 37 g/L, 38 g/L, 39 g/L, 40 g/L, 41 g/L, 42 g/L, 43 g/L, 44 g/L, 45 g/L, 46 g/L, 47 g/L, 48 g/L, 49 g/L, 50 g/L, 51 g/L, 52 g/L, 53 g/L, 54 g/L, 55 g/L, 56 g/L, 57 g/L, 58 g/L, 59 g/L, 60 g/L, 61 g/L, 62 g/L, 63 g/L, 64 g/L, 65 g/L, 66 g/L, 67 g/L, 68 g/L, 69 g/L, 70 g/L, 71 g/L, 72 g/L, 73 g/L, 74 g/L, 75 g/L, 76 g/L, 77 g/L, 78 g/L, 79 g/L, 80 g/L, 81 g/L, 82 g/L, 83 g/L, 84 g/L, 85 g/L, 86 g/L, 87 g/L, 88 g/L, 89 g/L, 90 g/L, 91 g/L, 92 g/L, 93 g/L, 94 g/L, 95 g/L, 96 g/L, 97 g/L, 98 g/L, 99 g/L, 100 g/L, 110 g/L, 120 g/L ou mais álcool em 40 horas pela fermentação da biomassa. Em outra modalidade, o álcool é produzido por um método que compreende fermentação simultânea de sacarídeos de hexose e pentose. Em outra modalidade, o álcool é produzido por um microrganismo compreendendo fermentação simultânea de sacarídeos de hexose e pentose.
[0137] Em outra modalidade, o nível de um componente médio é mantido a um nível desejado por meio da adição do componente adicional médio conforme o componente é consumido ou absorvido pelo organismo. Exemplos de componentes médios incluem, mas não estão limitados a, substrato de carbono,
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61/99 substrato de nitrogênio, vitaminas, minerais, fatores de crescimento, cofatores e biocatalisadores. O componente médio pode ser adicionado continuamente ou em intervalos regulares ou irregulares. Em uma modalidade, o componente médio adicional é adicionado antes da depleção completa do componente médio no meio. Em uma modalidade, a depleção completa pode ser usada efetivamente, por exemplo, para iniciar diferentes vias metabólicas, para simplificar as operações a jusante, ou por outras razões também. Em uma modalidade, o nível de componente médio é permitido variar por cerca de 10% em torno de um ponto médio, em uma modalidade, é permitido variar por cerca de 30% em torno de um ponto médio, e em uma modalidade, é permitido variar em 60% ou mais em torno de um ponto médio. Em uma modalidade, o nível de componente médio é mantido, permitindo que o componente médio seja depletado a um nível adequado, seguido pelo aumento do nível de componente médio para outro nível adequado. Em uma modalidade, é adicionado um componente médio, tal como vitamina, em dois pontos de tempo diferentes durante o processo de fermentação. Por exemplo, metade de uma quantidade total de vitamina é adicionada no início da fermentação e a outra metade é adicionada no meio do caminho da fermentação.
[0138] Em outra modalidade, o nível de nitrogênio é mantido a um nível desejado pela adição de material contendo nitrogênio adicional conforme nitrogênio é consumido ou absorvido pelo organismo. O material contendo nitrogênio pode ser adicionado continuamente ou em intervalos regulares ou irregulares. Níveis de nitrogênio úteis incluem níveis de cerca de 5 a cerca de 10 g/L. Em uma modalidade níveis de cerca de 1 a cerca de 12 g/L podem também ser utilmente empregados. Em outra modalidade, níveis, tais como cerca 0,5, 0,1 g/L ou níveis ainda mais baixos e mais elevados, como cerca de 20, 30 g/L ou ainda mais elevados são utilizados. Em outra modalidade, um nível de nitrogênio útil é de cerca de 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 ou 30 g/L. O nitrogênio pode ser fornecido como um simples material contendo nitrogênio, tais como compostos de amônia (por exemplo sulfato de amônia, hidróxido de amônia, amônia, nitrato de amônia, ou qualquer outro composto ou mistura contendo uma fração de amônia), compostos de nitrato ou nitrito (por exemplo potássio, sódio,
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62/99 amônia, cálcio, ou outros compostos ou misturas contendo uma fração de nitrato ou nitrito), ou como um material contendo nitrogênio mais complexo, tais como aminoácidos, proteínas, proteína hidrolisada, levedura hidrolisada, extrato de levedura, levedura de cerveja seca, hidrolisados de levedura, resíduos de destilação, proteína de soja, proteína de soja hidrolisada, produtos da fermentação, processado ou pó de maceração de milho ou matéria vegetal ou animal rica em proteína não processada, incluindo aquelas derivadas de feijão, sementes, soja, leguminosas, frutos secos, leite, porco, gado, mamífero, peixe, bem como outras partes de vegetais e outros tipos de animais. Materiais contendo nitrogênio úteis em várias modalidades também incluem materiais que contêm um material contendo nitrogênio, incluindo, mas não limitado às misturas de um material contendo nitrogênio simples ou mais complexo misturado com uma fonte de carbono, um outro material que contenha nitrogênio, ou outros nutrientes ou não nutrientes e matéria vegetal tratada com AFEX.
[0139] Em outra modalidade, o nível de carbono é mantido em um nível desejado pela adição de compostos de açúcar ou material contendo compostos de açúcar (Material Contendo Açúcar) à medida que o açúcar é consumido ou absorvido pelo organismo. O material contendo açúcar pode ser adicionado continuamente ou em intervalos regulares ou irregulares. Em uma modalidade, material adicional contendo açúcar é adicionado antes da depleção total dos compostos de açúcar disponíveis no meio. Em uma modalidade, a depleção completa pode ser usada efetivamente, por exemplo, para iniciar diferentes vias metabólicas, para simplificar as operações a jusante, ou por outras razões também. Em uma modalidade, o nível de carbono (medido pelos gramas de açúcar presentes no material contendo açúcar por litro de caldo) é permitido variar por cerca de 10% em torno de um ponto médio, em uma modalidade, é permitido variar por cerca de 30% em torno de um ponto médio, e em uma modalidade, é permitido variar em 60% ou mais em torno de um ponto médio. Em uma modalidade, o nível de carbono é mantido, permitindo que o carbono seja depletado a um nível adequado, seguido pelo aumento do nível de carbono para outro nível adequado. Em algumas modalidades, o nível de carbono pode ser mantido a um nível de cerca de 5 a cerca 120 g/L. No entanto, níveis de cerca de 30 a cerca de 100 g/L podem
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63/99 também ser utilmente empregados bem como os níveis de cerca de 60 a cerca de 80 g/L. Em uma modalidade, o nível de carbono é mantido superior a 25 g/L para uma porção do cultivo. Em outra modalidade, o nível de carbono é mantido em 5 g/L, 6 g/L, 7 g/L, 8 g/L, 9 g/L, 10 g/L, 11 g/L, 12 g/L, 13 g/L, 14 g/L, 15 g/L, 16 g/L, 17 g/L, 18 g/L, 19 g/L, 20 g/L, 21 g/L, 22 g/L, 23 g/L, 24 g/L, 25 g/L, 26 g/L, 27 g/L, 28 g/L, 29 g/L, 30 g/L, 31 g/L, 32 g/L, 33 g/L, 34 g/L, 35 g/L, 36 g/L, 37 g/L, 38 g/L, 39 g/L, 40 g/L, 41 g/L, 42 g/L, 43 g/L, 44 g/L, 45 g/L, 46 g/L, 47 g/L, 48 g/L, 49 g/L, 50 g/L, 51 g/L, 52 g/L, 53 g/L, 54 g/L, 55 g/L, 56 g/L, 57 g/L, 58 g/L, 59 g/L, 60 g/L, 61 g/L, 62 g/L, 63 g/L, 64 g/L, 65 g/L, 66 g/L, 67 g/L, 68 g/L, 69 g/L, 70 g/L, 71 g/L, 72 g/L, 73 g/L, 74 g/L, 75 g/L, 76 g/L, 77 g/L, 78 g/L, 79 g/L, 80 g/L, 81 g/L, 82 g/L, 83 g/L, 84 g/L, 85 g/L, 86 g/L, 87 g/L, 88 g/L, 89 g/L, 90 g/L, 91 g/L, 92 g/L, 93 g/L, 94 g/L, 95 g/L, 96 g/L, 97 g/L, 98 g/L, 99 g/L, 100 g/L, 101 g/L, 102 g/L, 103 g/L, 104 g/L, 105 g/L, 106 g/L, 107 g/L, 108 g/L, 109 g/L, 110 g/L, 111 g/L, 112 g/L, 113 g/L,
114 g/L, 115 g/L, 116 g/L, 117 g/L, 118 g/L, 119 g/L, 120 g/L, 121 g/L, 122 g/L, 123 g/L, 124 g/L, 125 g/L, 126 g/L, 127 g/L, 128 g/L, 129 g/L, 130 g/L, 131 g/L, 132 g/L,
133 g/L, 134 g/L, 135 g/L, 136 g/L, 137 g/L, 138 g/L, 139 g/L, 140 g/L, 141 g/L, 142 g/L, 143 g/L, 144 g/L, 145 g/L, 146 g/L, 147 g/L, 148 g/L, 149 g/L ou 150 g/L.
[0140] O substrato de carbono, como o substrato de nitrogênio, é necessário para a produção de células e produção de enzima, mas ao contrário do substrato de nitrogênio, serve como matéria-prima para a produção de produtos finais. Frequentemente, mais substrato de carbono pode levar a maior produção de produtos finais. Em outra modalidade, pode ser vantajoso operar com nível de nitrogênio e carbono relacionados um ao outro durante pelo menos uma parte do tempo de fermentação. Em uma modalidade, a razão de carbono para nitrogênio é mantida dentro de um intervalo de cerca de 30:1 a cerca de 10:1. Em outra modalidade, a razão de carbono/nitrogênio é mantida de cerca de 20:1 a cerca de 10:1 ou mais, preferencialmente de cerca de 15:1 a cerca de 10:1. Em outra modalidade, a razão de carbono/nitrogênio é cerca de 30:1,29:1,28:1,27:1,26:1, 25:1,24:1,23:1,22:1,21:1,20:1, 19:1, 18:1, 17:1, 16:1,15:1,14:1,13:1, 12:1, 11:1, 10:1,9:1,8:1,7:1,6:1,5:1,4:1,3:1,2:1 ou 1:1.
[0141] Manter a proporção da razão de carbono e nitrogênio dentro de intervalos específicos pode resultar em benefícios para a operação, tal como a taxa
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64/99 de metabolismo do substrato de carbono, que depende da quantidade de substrato de carbono e a quantidade e a atividade das enzimas presentes, ser balanceada com a taxa de produção de produto final. Equilibrar a razão carbono para nitrogênio pode, por exemplo, facilitar a produção sustentada destas enzimas, tal como para substituir aquelas que perderam a atividade.
[0142] Em outra modalidade, a quantidade e/ou sincronismo de carbono, nitrogênio ou outra adição de componente médio pode estar relacionada com as medições efetuadas durante a fermentação. Por exemplo, pode ser medida a quantidade de monossacarídeos presentes, a quantidade de polissacarídeo insolúvel presente, a atividade de polissacarídeos, a quantidade de produto presente, a quantidade de material celular (por exemplo, volume de células compactadas, peso de células secas etc.) e/ou a quantidade de nitrogênio (por exemplo, nitrato, nitrito, amônia, ureia, proteínas, aminoácidos etc.) presente. A concentração da espécie específica, a quantidade total das espécies presentes no fermentador, o número de horas que a fermentação está em execução, e o volume do fermentador podem ser considerados. Em várias modalidades, estas medições podem ser comparadas entre si e/ou podem ser comparadas a medições anteriores do mesmo parâmetro anteriormente retirado da mesma fermentação ou outra fermentação. Ajustes para a quantidade de um componente médio podem ser realizados, tais como alterar a taxa de fluxo de uma corrente que contém esse componente ou alterando a frequência das adições para esse componente. Por exemplo, a quantidade de sacarídeo pode ser aumentada quando a produção de células aumenta mais rápido que a produção do produto final. Em outra modalidade, a quantidade de nitrogênio pode ser aumentada quando o nível de atividade enzimática diminui.
[0143] Em outra modalidade, uma operação semidescontínua pode ser empregada, em que componentes médios e/ou células frescas são adicionadas durante a fermentação, sem remoção de uma parte do caldo para a coleta antes do final da fermentação. Em uma modalidade, um processo semidescontínuo baseia-se em alimentar uma cultura de microrganismos com um meio nutritivo limitante de crescimento. Em uma modalidade, um meio de alimentação é altamente concentrado para evitar a diluição do biorreator. Em outra modalidade, a
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65/99 adição controlada de nutriente afeta diretamente a taxa de crescimento da cultura e evita o excesso de metabolismo, tal como a formação de metabólitos secundários. Em uma modalidade o nutriente limitante de crescimento é uma fonte de nitrogênio ou uma fonte de sacarídeo.
[0144] Em várias modalidades, componentes médios particulares podem ter efeitos benéficos sobre o desempenho da fermentação, tais como o aumento do título de produtos desejados, ou aumentar a taxa em que são produzidos os produtos desejados. Compostos específicos podem ser fornecidos como um ingrediente específico, puro, como um aminoácido específico, ou pode ser fornecido como um componente de um ingrediente mais complexo, como o uso de um produto microbiano vegetal ou animal como um ingrediente médio para fornecer um determinado aminoácido, promotor, cofator ou outro composto benéfico. Em alguns casos, o composto específico fornecido no ingrediente médio pode ser combinado com outros compostos pelo organismo, resultando em um composto benéfico de fermentação. Um exemplo desta situação seria quando um ingrediente médio fornece um aminoácido específico que o organismo utiliza para produzir uma enzima benéfica para a fermentação. Outros exemplos podem incluir componentes médios que são usados para gerar crescimento ou promotores de produto etc. Em tais casos, pode ser possível obter um resultado benéfico de fermentação, suplementando a enzima, promotor, fator de crescimento etc. ou adicionando o precursor. Em algumas situações, o mecanismo específico pelo qual o componente médio beneficia a fermentação não é conhecido, apenas se sabe que um resultado benéfico é alcançado.
[0145] Em uma modalidade, uma fermentação para produzir um combustível é realizada pelo cultivo de uma cepa de biocatalisador de R. opacus em um meio tendo um suplemento de componente de lignina e a concentração de uma ou mais fontes de carbono. A produção resultante do produto final, tal como TAG, pode ser acima de 1 vez, 2 vezes, 3 vezes, 4 vezes, 5 vezes, 6 vezes, 7 vezes, 8 vezes, 9 vezes e em alguns casos até 10 vezes superior em produtividade volumétrica do que um processo usando apenas a adição de uma fonte de sacarídeo relativamente pura e pode atingir uma eficiência de conversão de carbono que se aproxima do máximo teórico. O máximo teórico pode variar de
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66/99 acordo com o substrato e o produto. Por exemplo, a eficiência máxima geralmente aceita para conversão de glicose em etanol é de 0,51 g de etanol/g de glicose. Em uma modalidade um biocatalisador pode produzir cerca de 40-100% de um rendimento máximo teórico de etanol. Em outra modalidade, um biocatalisador pode produzir até cerca de 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% e até 100% do rendimento máximo teórico de etanol. Em uma modalidade, um biocatalisador pode produzir até cerca de 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 18%, 19%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24%, 25%, 26%,
27%, 28%, 29%, 30%, 31%, 32%, 33%, 34%, 35%, 36%, 37%, 38%, 39%, 40%,
41%, 42%, 43%, 44%, 45%, 46%, 47%, 48%, 49%, 50%, 51%, 52%, 53%, 54%,
55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%,
69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%,
83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%,
97%, 98%, 99%, 99,99%, ou 100% do rendimento teórico máximo de um combustível. Pode ser possível obter um resultado benéfico de fermentação suplementando o meio com um pré-tratamento ou componente de hidrólise. Em algumas situações, o mecanismo específico pelo qual o componente médio beneficia a fermentação não é conhecido, apenas se sabe que um resultado benéfico é alcançado.
[0146] Várias modalidades oferecem benefícios relativos para melhorar o título e/ou produtividade da produção, por um biocatalisador, do produto final de fermentação, pelo cultivo do organismo em um meio que compreende um ou mais compostos compreendendo frações de ácidos graxos e/ou cultivo do organismo em condições controladas de pH.
[0147] Em uma modalidade, o pH do meio é controlado para menos de cerca de pH 7,2 por pelo menos uma porção da fermentação. Em uma modalidade, o pH é controlado dentro de um intervalo de cerca de pH 3,0 a cerca de pH 7,1 ou cerca de pH 4,5 a cerca de pH 7,1 ou cerca de pH 5,0 a cerca de pH 6,3, ou cerca de pH 5,5 a cerca de pH 6,3, ou cerca de pH 6,0 a cerca pH 6,5, ou cerca de pH 5,5 a cerca de pH 6,9 ou cerca de pH 6,2 a cerca de 6,7. O pH pode ser controlado pela adição de um modificador de pH. Em uma modalidade, um modificador de pH é um ácido, uma base, um tampão, ou um material que reage com outros materiais
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67/99 presentes para servir para aumentar ou diminuir o pH. Em uma modalidade, mais do que um modificador de pH pode ser usado, tal como mais de um ácido, mais de uma base, um ou mais ácidos com uma ou mais bases, um ou mais ácidos com um ou mais tampões, uma ou mais bases com um ou mais tampões ou um ou mais ácidos com uma ou mais bases com um ou mais tampões. Quando mais de um modificador de pH é utilizado, eles podem ser adicionados ao mesmo tempo ou em momentos diferentes. Em uma modalidade, um ou mais ácidos e uma ou mais bases podem ser combinadas, resultando em um tampão. Em uma modalidade, componentes de meio, como uma fonte de carbono ou uma fonte de nitrogênio também podem servir como um modificador de pH; componentes de meio adequados incluem aqueles com pH alto ou baixo ou aqueles com capacidade de tampão. Componentes de meio exemplares incluem polissacarídeos vegetais hidrolisados por ácido ou base que têm ácido ou base residual, material vegetal tratado com AFEX com amônia residual, ácido lático, sólidos ou licor de maceração de milho.
[0148] Em uma modalidade, um pH constante pode ser utilizado durante toda a fermentação. Em uma modalidade, o sincronismo e/ou a quantidade da redução do pH pode estar relacionado com as condições de crescimento das células, tais como em relação à contagem de células, o produto final produzido, o produto final presente, ou a taxa de produção do produto final. Em uma modalidade, a redução do pH pode ser feita em relação às propriedades físicas ou químicas da fermentação, tais como a viscosidade, a composição média, a produção de gás, a composição do gás etc.
[0149] Recuperação de Produtos Finais Fermentativos [0150] Em outro aspecto, os métodos são fornecidos para a recuperação dos produtos finais fermentativos, tais como um álcool (por exemplo, etanol, propanol, metanol, butanol etc.), outro biocombustível ou produto químico. Em uma modalidade, o caldo vai ser coletado em algum momento durante a fermentação e produto ou produtos fermentativos finais serão recuperados. O caldo com o produto final a ser recuperado irá incluir tanto o produto final quanto impurezas. As impurezas incluem materiais como água, corpos celulares, restos celulares, substrato de carbono em excesso, substrato de nitrogênio em excesso, outros
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68/99 nutrientes restantes, outros metabólitos e outros componentes médios ou componentes médios digeridos. Durante o curso de processamento do caldo, o caldo pode ser aquecido e/ou reagido com vários reagentes, resultando em impurezas adicionais no caldo.
[0151] Em uma modalidade, as etapas de processamento para recuperar o produto final frequentemente incluem várias etapas de separação, incluindo, por exemplo, a destilação de um material de álcool de alta concentração de um material menos puro contendo álcool. Em uma modalidade, o material de etanol de alta concentração pode ser ainda mais concentrado para atingir álcool de concentração muito elevada, como a 98% ou 99% ou 99,5% (em peso) ou até mais elevada. Outras etapas de separação, tais como filtração, centrifugação, extração, adsorção etc. também podem ser uma parte de alguns processos de recuperação de álcool como um produto ou biocombustível, ou outros biocombustíveis ou produtos químicos.
[0152] Em uma modalidade, um processo pode ser feito em escala para produzir biocombustíveis comercialmente úteis. Em outra modalidade o biocatalisador é usado para produzir um álcool, por exemplo, etanol, butanol, propanol, metanol ou um combustível como hidrogênio de hidrocarbonetos, TAG e compostos hidroxi. Em outra modalidade, o biocatalisador é usado para produzir um composto de carbonil como um aldeído ou uma cetona (por exemplo, acetona, formaldeído, 1-propanal etc.), um ácido orgânico, um derivado de um ácido orgânico como um éster (por exemplo, cera éster, glicerídica etc.), 1,2-propanodiol, 1,3-propanodiol, ácido lático, ácido fórmico, ácido acético, ácido succínico, ácido pirúvico ou uma enzima como uma celulase, polissacarase, lipases, proteases, ligninase e hemicelulase.
[0153] Biossíntese de TAG é amplamente distribuída na natureza e a ocorrência de TAG como compostos de reserva é difundida entre vegetais, animais, leveduras e fungos. Em contraste, no entanto, TAGs não têm sido considerados compostos de armazenamento comuns em bactérias. Biossíntese e acúmulo de TAGs foram descritas apenas para algumas bactérias pertencentes ao grupo dos actinomicetos, tais como gêneros de Streptomyces, Nocardia, Rhodococcus, Mycobacterium, Dietzia e Gordonia e, em menor medida, também em algumas
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69/99 outras bactérias, tais como Acinetobacter baylyi e Alcanivorax borkumensis. Desde meados de 1990, produção de TAG em cepas degradantes de hidrocarboneto desses gêneros tem sido relatada com frequência. TAGs são armazenados em corpos esféricos de lipídios como inclusões intracelulares, com as quantidades dependendo da respectiva espécie, condições culturais e fase de crescimento. Comumente, o fator importante para a produção de TAGs é a quantidade de nitrogênio que é fornecida para o meio de cultura. O excesso de carbono, que está disponível para a cultura após o esgotamento de nitrogênio continua a ser assimilado pelas células e, em virtude de bactérias de oleaginosas que possuem as enzimas necessárias, é convertido diretamente em lipídios. As composições e estruturas de moléculas de TAG bacterianas variam consideravelmente dependendo da bactéria e das condições culturais, especialmente as fontes de carbono. Ver, Brigham CJ, et al. (2011) J Microbial Biochem Technol S3:002.
[0154] Em uma modalidade, compostos bioquímicos úteis podem ser produzidos a partir de biomassa vegetal não alimentar, com uma técnica de extração de vapor ou água quente que é realizada pelo contato de uma carga de material de biomassa vegetal não alimentar pré-tratada como palha de milho ou sorgo com água e/ou ácido (com ou sem compostos potencializadores de processo adicionais ou materiais), em um recipiente pressurizado a uma temperatura elevada até cerca de 160-220°C e em pH abaixo de cerca de 7,0, para produzir uma mistura aquosa (solução do extrato) de açúcares úteis incluindo sacarídeos de cadeia longa (açúcares), ácido acético e lignina, deixando a parte estrutural (celulose e lignina) do material lignocelulósico em grande parte intacta. Em combinação, estes compostos químicos inibitórios potenciais, principalmente os produtos de degradação do açúcar, são baixos, e os nutrientes derivados de vegetais que são componentes à base de lignocelulósicos de ocorrência natural também são recuperados, que são benéficos para um organismo de fermentação de C5 e C6. Para este objetivo, o extrato aquoso é concentrado (por centrifugação, filtração, extração com solvente, floculação, evaporação), produzindo uma corrente concentrada de açúcar, além de outros açúcares derivados de hemicelulose (rico em C5) e celulose (rico em C6), que são canalizados para uma corrente fermentável.
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70/99 [0155] Em outra modalidade, após hidrólise enzimática/ácida, compostos químicos adicionais que são liberados são recuperados com a corrente de açúcar, resultando em uma solução de açúcar de cadeia curta contendo xilose, manose, arabinose, ramnose, galactose e glicose (açúcares de 5 e 6 carbonos). A corrente de açúcar, agora significativamente rica em substâncias C5 e C6, pode ser convertida pela fermentação microbiana ou catálise química em produtos como triacilglicerol ou TAG e refinada posteriormente para produzir uma corrente rica em JP8 ou combustíveis de avião. Se correção de porcentagem de açúcar C5 não foi realizada, pode ser realizada antes da fermentação para satisfazer a combinação desejada de açúcares C5 e C6 para o organismo de fermentação e o produto final correspondente.
[0156] MODALIDADES ESPECÍFICAS [0157] Uma variedade de métodos e sistemas é divulgada neste documento. Modalidades exemplares específicas desses métodos e sistemas são divulgadas abaixo.
[0158] Modalidade 1. Um método em escala industrial para o pré-tratamento de biomassa, o método compreendendo: (a) alimentar a biomassa em um sistema de extrusão que compreende: (i) um barril que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (ii) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através do sistema de extrusão a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos compreendem elementos de seção configurados para formar: (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa, e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um plugue impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação; e (b) tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação durante menos de cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração de líquido/sólidos compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose e/ou lignina.
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71/99 [0159] Modalidade 2. O método da modalidade 1, em que o sistema de extrusão é configurado para pré-tratamento contínuo da biomassa, mantendo o plugue impermeável ao vapor por pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas, pelo menos cerca de 13 horas, pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 15 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 17 horas, ou pelo menos cerca de 18 horas.
[0160] Modalidade 3. O método da modalidade 1 ou 2, em que a extrusão é configurada para pré-tratamento contínuo da biomassa, mantendo o plugue impermeável ao vapor por pelo menos cerca de 15 horas.
[0161] Modalidade 4. O método de qualquer uma das modalidades 1 -3, em que o sistema de extrusão é configurado para pré-tratar a biomassa a uma taxa de alimentação de cerca de 60 a cerca de 350 kg seco/hr.
[0162] Modalidade 5. O método de qualquer uma das modalidades 1 -4, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,0:1, pelo menos cerca de 3,1:1, pelo menos cerca de 3,2:1, pelo menos cerca de 3,3:1, pelo menos cerca de 3,4:1, pelo menos cerca de 3,5:1, pelo menos cerca de 3,6:1, pelo menos cerca de 3,7:1, pelo menos cerca de 3,8:1, pelo menos cerca de 3,9:1, pelo menos cerca de 3,91:1, pelo menos cerca de 3,92:1, pelo menos cerca de 3,93:1, pelo menos cerca de 3,94:1, pelo menos cerca de 3,95:1, pelo menos cerca de 3,96:1 ou pelo menos cerca de 4:1.
[0163] Modalidade 6. O método de qualquer uma das modalidades 1 -5, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de, pelo menos, cerca de 3,5:1.
[0164] Modalidade 7. O método de qualquer uma das modalidades 1 -6, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,9:1.
[0165] Modalidade 8. O método de qualquer uma das modalidades 1 -7, em que o plugue impermeável ao vapor é impermeável ao vapor a uma pressão de pelo menos 1000 psi.
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72/99 [0166] Modalidade 9. O método de qualquer uma das modalidades 1 -8, em que a seção de pré-condicionamento reduz o tamanho de partícula da biomassa em pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 40% ou pelo menos cerca de 50%.
[0167] Modalidade 10. O método de qualquer uma das modalidades 1 -9, em que a biomassa homogeneizada tem um tamanho médio de partícula de cerca de:
5-500 pm, 10-200 pm, 10-100 pm ou 15-50 pm.
[0168] Modalidade 11.0 método de qualquer uma das modalidades 1-10, em que a biomassa homogeneizada tem um tamanho de partícula de cerca de 10-100 pm.
[0169] Modalidade 12. O método de qualquer uma das modalidades 1-11, em que o um ou mais parafusos rotativos compreendem ainda um ou mais elementos de seção que são configurados para formar um ou mais tampões permeáveis ao vapor.
[0170] Modalidade 13. O método de qualquer uma das modalidades 1-12, em que o sistema de extrusão compreende um, dois ou três parafusos rotativos.
[0171] Modalidade 14. O método da modalidade 13, em que o sistema de extrusão compreende dois parafusos rotativos.
[0172] Modalidade 15. O método de qualquer uma das modalidades 1-14, em que a biomassa é alimentada no sistema de extrusão a uma taxa que é pelo menos cerca de 1 tonelada métrica seca por dia (MT/dia), 2 MT seca/dia, 3 MT seca/dia, 4 MT seca/dia, 5 MT seca/dia, 7,5 MT seca/dia, 10 MT seca/dia, 15 MT seca/dia, 20 MT seca/dia, 25 MT seca/dia, 50 MT seca/dia, 75 MT seca/dia, 100 MT seca/dia, 150 MT seca/dia ou 200 MT seca/dia.
[0173] Modalidade 16. O método de qualquer uma das modalidades 1-15, em que o sistema de extrusão compreende ainda uma tremonha conectada a uma porta de entrada na primeira extremidade do barril para alimentar a biomassa na zona de alimentação.
[0174] Modalidade 17. O método da modalidade 16, em que a tremonha compreende ainda um alimentador configurado para mover a biomassa da tremonha através da porta de entrada.
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73/99 [0175] Modalidade 18. O método da modalidade 17, em que o alimentador é um trado de administração configurado para distribuir a biomassa uniformemente na zona de alimentação.
[0176] Modalidade 19. O método de qualquer uma das modalidades 1-18, compreendendo ainda a adição de um líquido à biomassa antes da zona de reação.
[0177] Modalidade 20. O método da modalidade 19, em que o líquido é água.
[0178] Modalidade 21. O método da modalidade 19 ou 20, em que o líquido é adicionado através de uma porta vedável localizada na tremonha.
[0179] Modalidade 22. O método de qualquer uma das modalidades 19-21, em que o líquido é adicionado na zona de alimentação através de uma ou mais portas vedáveis no barril.
[0180] Modalidade 23. O método de qualquer uma das modalidades 19-22, em que o líquido é adicionado para aumentar o teor de umidade da biomassa até cerca de: 10-90%, 15-85%, 20-80%, 30-70% ou cerca de 40-60% p/v.
[0181] Modalidade 24. O método de qualquer uma das modalidades 1-23, em que a biomassa é tratada por menos de 60, 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52,51,50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 17, 16, 15,14,12,10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundos na zona de reação.
[0182] Modalidade 25. O método de qualquer uma das modalidades 1 -24, em que a biomassa é tratada por cerca de 60, 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51,50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 17, 16, 15,14,12,10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundos na zona de reação.
[0183] Modalidade 26. O método de qualquer uma das modalidades 1 -25, em que a biomassa é tratada por cerca de 30 a 60 segundos na zona de reação.
[0184] Modalidade 27. O método de qualquer uma das modalidades 1 -26, em que a biomassa é tratada por cerca de 50 segundos na zona de reação.
[0185] Modalidade 28. O método de qualquer uma das modalidades 1 -27, em que a biomassa é tratada por menos de 19,18,17,16,15,14,13,12,10,9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 ou 1 segundos na zona de reação.
[0186] Modalidade 29. O método de qualquer uma das modalidades 1 -28, em que a biomassa é tratada por cerca de: 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 10, 9,
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8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 ou 1 segundos na zona de reação.
[0187] Modalidade 30. O método de qualquer uma das modalidades 1 -29, em que a biomassa é tratada por cerca de 5 a 15 segundos na zona de reação.
[0188] Modalidade 31. O método de qualquer uma das modalidades 1-30, em que a biomassa é tratada por cerca de 10 segundos na zona de reação.
[0189] Modalidade 32. O método de qualquer uma das modalidades 1-31, em que a temperatura elevada é de cerca de: 50-500°C, 75-400°C, 100-350°C, 150-300°C ou 200-250°C.
[0190] Modalidade 33. O método de qualquer uma das modalidades 1 -32, em que a temperatura elevada é de cerca de 150-300°C.
[0191] Modalidade 34. O método de qualquer uma das modalidades 1-33, em que a temperatura elevada é de cerca de 220-238°C.
[0192] Modalidade 35. O método de qualquer uma das modalidades 1 -34, em que a pressão elevada é de cerca de: 50-1000 PSI, 100-750 PSI, 200-600 PSI, 300-500 PSI ou 350-450 PSI.
[0193] Modalidade 36. O método de qualquer uma das modalidades 1 -35, em que a pressão elevada é de cerca de 300-500 PSI.
[0194] Modalidade 37. O método de qualquer uma das modalidades 1 -36, em que a pressão elevada é de cerca de 325-450 PSI.
[0195] Modalidade 38. O método de qualquer uma das modalidades 1-37, compreendendo ainda a injeção de vapor na biomassa para aumentar a temperatura e a pressão.
[0196] Modalidade 39. O método da modalidade 38, em que o vapor é injetado na zona de reação.
[0197] Modalidade 40. O método da modalidade 38 ou 39, em que o vapor é injetado através de uma ou mais portas vedáveis no barril.
[0198] Modalidade 41. O método de qualquer uma das modalidades 1-40, em que o sistema de extrusão compreende ainda uma camisa aquecida.
[0199] Modalidade 42. O método de qualquer uma das modalidades 1-41, compreendendo ainda a adição de um agente químico à biomassa na zona de reação.
[0200] Modalidade 43. O método da modalidade 42, em que o agente
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75/99 químico compreende um ácido, uma base, um líquido iônico ou uma combinação destes.
[0201] Modalidade 44. O método da modalidade 43, em que o agente químico compreende o ácido que é ácido sulfúrico, ácido peroxiacético, ácido lático, ácido fórmico, ácido acético, ácido cítrico, ácido fosfórico, ácido clorídrico, ácido sulfuroso, ácido cloroacético, ácido dicloroacético, ácido tricloroacético, ácido trifluoroacético, ácido oxálico, ácido benzoico ou uma combinação destes.
[0202] Modalidade 45. O método da modalidade 43, em que o agente químico compreende o ácido que é ácido sulfúrico.
[0203] Modalidade 46. O método da modalidade 43, em que o agente químico compreende a base que é hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio, amônia, hidróxido de amônia, peróxido de hidrogênio ou uma combinação destes.
[0204] Modalidade 47. O método de qualquer uma das modalidades 42-46, em que o agente químico é adicionado a um nível de cerca de: 0,1 -20% p/v, 1 -15% p/v, 1,5-10% p/v, 1 -10% p/v, 1 -5% p/v ou 2-4% p/v.
[0205] Modalidade 48. O método de qualquer uma das modalidades 42-47, em que o agente químico é adicionado a um nível de cerca de 1-2% p/v.
[0206] Modalidade 49. O método de qualquer uma das modalidades 42-48, em que o agente químico é adicionado a um nível de cerca de 1,5% p/v.
[0207] Modalidade 50. O método de qualquer uma das modalidades 1 -49, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 em pelo menos 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98% ou 99% de rendimento em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0208] Modalidade 51. O método de qualquer uma das modalidades 1-50, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 com pelo menos 60% de rendimento em comparação ao máximo teórico com base na biomassa.
[0209] Modalidade 52. O método de qualquer uma das modalidades 1-51, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 com pelo menos 75% de rendimento em comparação ao máximo teórico com base na biomassa.
[0210] Modalidade 53. O método de qualquer uma das modalidades 1-52, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 com pelo menos 85% de
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76/99 rendimento em comparação ao máximo teórico com base na biomassa.
[0211] Modalidade 54. O método de qualquer uma das modalidades 1 -53, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C6 com menos que 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10% ou 5% de rendimento.
[0212] Modalidade 55. O método de qualquer uma das modalidades 1 -54, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C6 com menos de 30% de rendimento em comparação ao máximo teórico com base na biomassa.
[0213] Modalidade 56. O método de qualquer uma das modalidades 1 -55, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C6 com menos de 25% de rendimento em comparação ao máximo teórico com base na biomassa.
[0214] Modalidade 57. O método de qualquer uma das modalidades 1-56, em que as partículas sólidas têm um intervalo de tamanho de cerca de: 1 -500 pm, 1-250 pm, 1-200 pm ou 1-150 pm.
[0215] Modalidade 58. O método de qualquer uma das modalidades 1 -57, em que as partículas sólidas têm um intervalo de tamanho de cerca de 1 -150 pm.
[0216] Modalidade 59. O método de qualquer uma das modalidades 1 -58, em que as partículas sólidas têm um tamanho médio de cerca de: 1-50 pm, 5-40 pm, 10-30 pm ou 15-25 pm.
[0217] Modalidade 60. O método de qualquer uma das modalidades 1 -59, em que as partículas sólidas têm um tamanho médio de cerca de 15-25 pm.
[0218] Modalidade 61. O método de qualquer uma das modalidades 1-60, em que o método produz baixos níveis de um ou mais compostos inibidores.
[0219] Modalidade 62. O método da modalidade 61, em que os um ou mais compostos inibidores compreendem ácido fórmico, ácido acético, hidroximetilfurfural, furfural ou uma combinação destes.
[0220] Modalidade 63. O sistema de qualquer uma das modalidades 1 -62, em que a fração líquida compreende menos de 2%, 1,5%, 1%, 0,8%, 0,7%, 0,6%, 0,5%, 0,4% ou 0,3% (p/p) de ácido fórmico em peso seco.
[0221] Modalidade 64. O sistema de qualquer uma das modalidades 1 -63, em que a fração líquida compreende menos que 0,5% p/p de ácido fórmico em peso seco.
[0222] Modalidade 65. O sistema de qualquer uma das modalidades 1-64,
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77/99 em que a fração líquida compreende menos de 0,3% p/p de ácido fórmico em peso seco.
[0223] Modalidade 66. O método de qualquer uma das modalidades 1 -65, em que menos de 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2,5, 1, ou 0,5 kg de ácido fórmico é produzido por MT de biomassa seca.
[0224] Modalidade 67. O método de qualquer uma das modalidades 1 -66, em que menos de 10 kg de ácido fórmico são produzidos por MT de biomassa seca.
[0225] Modalidade 68. O método de qualquer uma das modalidades 1 -67, em que menos de 2,5 kg de ácido fórmico é produzido por MT de biomassa seca.
[0226] Modalidade 69. O método de qualquer uma das modalidades 1 -68, em que menos de 0,5 kg de ácido fórmico são produzidos por MT de biomassa seca.
[0227] Modalidade 70. O método de qualquer uma das modalidades 1 -69, em que a fração líquida compreende menos de 10%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4,5%, 4%, 3,5%, 3,4%, 3,3% ou 3,2% p/p de ácido acético em peso seco.
[0228] Modalidade 71. O método de qualquer uma das modalidades 1-70, em que a fração líquida compreende menos de 5% p/p de ácido acético em peso seco.
[0229] Modalidade 72. O método de qualquer uma das modalidades 1-71, em que a fração líquida compreende menos de 3,5% p/p de ácido acético em peso seco.
[0230] Modalidade 73. O método de qualquer uma das modalidades 1 -72, em que menos de 100, 80, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15,10, 5, 2,5,1,0,5, ou 0,1 kg de ácido acético é produzido por MT de biomassa seca.
[0231] Modalidade 74. O método de qualquer uma das modalidades 1 -73, em que menos de 20 kg de ácido acético são produzidos por MT de biomassa seca.
[0232] Modalidade 75. O método de qualquer uma das modalidades 1 -74, em que menos de 5 kg de ácido acético são produzidos por MT de biomassa seca.
[0233] Modalidade 76. O método de qualquer uma das modalidades 1 -75, em que menos de 0,5 kg de ácido acético são produzidos por MT de biomassa seca.
[0234] Modalidade 77. O método de qualquer uma das modalidades 1 -76,
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78/99 em que a fração líquida compreende menos de 1 %, 0,8%, 0,7%, 0,6%, 0,5%, 0,4%, 0,3% ou 0,2% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
[0235] Modalidade 78. O método de qualquer uma das modalidades 1-77, em que a fração líquida compreende menos de 0,5% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
[0236] Modalidade 79. O método de qualquer uma das modalidades 1 -78, em que a fração líquida compreende menos de 0,2% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
[0237] Modalidade 80. O método de qualquer uma das modalidades 1 -79, em que menos de 20, 15, 10, 7,5, 5, 1,0,5, 0,1, ou 0,05 kg de hidroximetilfurfural são produzidos por MT de biomassa seca.
[0238] Modalidade 81. O método de qualquer uma das modalidades 1-80, em que menos de 2,5 kg de hidroximetilfurfural são produzidos por MT de biomassa seca.
[0239] Modalidade 82. O método de qualquer uma das modalidades 1-81, em que menos de 0,5 kg de hidroximetilfurfural é produzido por MT de biomassa seca.
[0240] Modalidade 83. O método de qualquer uma das modalidades 1 -82, em que menos de 0,05 kg de hidroximetilfurfural é produzido por MT de biomassa seca.
[0241] Modalidade 84. O método de qualquer uma das modalidades 1 -83, em que a fração líquida compreende menos de 0,5%, 0,2%, 0,1%, 0,05%, 0,01%, 0,001% ou 0,0001% p/p de furfural em peso seco.
[0242] Modalidade 85. O método de qualquer uma das modalidades 1 -84, em que a fração líquida compreende menos de 0,1% p/p de furfural em peso seco.
[0243] Modalidade 86. O método de qualquer uma das modalidades 1 -85, em que a fração líquida compreende menos de 0,01 % p/p de furfural em peso seco.
[0244] Modalidade 87. O método de qualquer uma das modalidades 1 -86, em que menos de 20, 15, 10, 7,5, 5,2,1,0,5, 0,1,0,05, ou 0,01 kg de furfural são produzidos por MT de biomassa seca.
[0245] Modalidade 88. O método de qualquer uma das modalidades 1 -87, em que menos de 0,5 kg de furfural é produzido por MT de biomassa seca.
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79/99 [0246] Modalidade 89. O método de qualquer uma das modalidades 1-88, em que menos de 0,05 kg de furfural é produzido por MT de biomassa seca.
[0247] Modalidade 90. O método de qualquer uma das modalidades 1 -89, em que o sistema de extrusão compreende ainda uma válvula de descarga acionada por pressão.
[0248] Modalidade 91. O método da modalidade 90, em que a válvula de descarga acionada por pressão é configurada para abrir e fechar em resposta à pressão dentro do sistema de extrusão.
[0249] Modalidade 92. O método da modalidade 90 ou 91, em que a válvula de descarga acionada por pressão é conectada a uma placa de flange de extremidade em uma segunda extremidade do barril.
[0250] Modalidade 93. O sistema de qualquer uma das modalidades 90-92, em que a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de orifício variável, uma válvula de cabeçote móvel, uma válvula esférica, uma válvula de retenção ou uma válvula rotativa de guilhotina.
[0251] Modalidade 94. O método de qualquer uma das modalidades 90-93, em que a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de cabeçote móvel.
[0252] Modalidade 95. O método de qualquer uma das modalidades 90-94, em que a válvula de descarga acionada por pressão está conectada a um atuador.
[0253] Modalidade 96. O método da modalidade 95, em que o atuador usa força pneumática, força hidráulica, força eletromecânica ou uma combinação destes.
[0254] Modalidade 97. O método da modalidade 95 ou 96, em que o atuador está operacionalmente acoplado a uma unidade de controle de contrapressão.
[0255] Modalidade 98. O método da modalidade 97, em que a unidade de controle de contrapressão está operacionalmente acoplada a um ou mais medidores de pressão.
[0256] Modalidade 99. O método da modalidade 98, em que pelo menos um dos um ou mais medidores de pressão monitora a pressão dentro da zona de reação.
[0257] Modalidade 100. O método de qualquer uma das modalidades 1-99,
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80/99 em que o sistema de extrusão compreende ainda um tanque de vaporização.
[0258] Modalidade 101.0 método da modalidade 100, em que o tanque de vaporização coleta a composição de biomassa pré-tratada quando sai da válvula de descarga acionada por pressão.
[0259] Modalidade 102. O método de qualquer uma das modalidades 1-101, em que a biomassa compreende algas, milho, grama, palha, cascas de grãos, madeira, cascas, serragens, papel, choupos, salgueiros, painço, alfafa, capim azul, palmeiras-do-açúcar, palmeira nipa, mandioca, milo, sorgo, batata doce, melaços, tubérculos, raízes, caules, sagu, mandioca, tapioca, ervilhas, feijão, batatas, beterraba, frutas, caroços, sorgo, cana-de-açúcar, arroz, trigo, cereais integrais, centeio, cevada, bambu, sementes, aveia ou uma combinação destes, ou um derivado ou subproduto destes.
[0260] Modalidade 103. O método da modalidade 102, em que o derivado ou subproduto deste compreende palha de milho, espigas de milho, purê de milho, fibra de milho, silagem, bagaço, grãos de destiladores, solúveis secos de destiladores, grãos secos de destiladores, solúveis condensados de destiladores, grãos úmidos de destiladores, grãos secos de destiladores com solúveis, fibra, cascas de frutas, palha de arroz, casca de arroz, palha de trigo, palha de cevada, cascas de sementes, casca de aveia, resíduos alimentares, resíduos de esgoto municipal ou uma combinação destes.
[0261] Modalidade 104. O método de qualquer uma das modalidades 1 -103, em que a biomassa compreende uma biomassa lenhosa.
[0262] Modalidade 105. O método da modalidade 104, em que a biomassa lenhosa compreende madeira dura, madeira macia ou uma combinação destas.
[0263] Modalidade 106. O método de qualquer uma das modalidades 1 -105, em que a biomassa compreende uma madeira dura.
[0264] Modalidade 107. O método de qualquer uma das modalidades 1-106, que compreende ainda hidrolisar as partículas sólidas compreendendo celulose com uma ou mais enzimas para produzir monossacarídeos.
[0265] Modalidade 108. A composição de biomassa pré-tratada produzida pelo método de qualquer uma das modalidades 1 -107.
[0266] Modalidade 109. Um sistema para pré-tratamento em escala
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81/99 industrial de biomassa, o sistema compreendendo: (a) um barril que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (b) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através da câmara interna do barril a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos compreendem elementos de seção configurados para formar: (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa; e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um plugue impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação; em que o sistema é configurado para tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação por pelo menos cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração líquida compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose, lignina ou uma combinação destes.
[0267] Modalidade 110. O sistema da modalidade 109, em que o sistema está configurado para pré-tratamento contínuo da biomassa, mantendo o plugue impermeável ao vapor por pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas, pelo menos cerca de 13 horas, pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 15 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 17 horas, ou pelo menos cerca de 18 horas.
[0268] Modalidade 111.0 sistema da modalidade 109 ou 110, em que o sistema é configurado para pré-tratamento contínuo da biomassa, mantendo o plugue impermeável ao vapor por pelo menos cerca de 15 horas.
[0269] Modalidade 112. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-111, em que o sistema é configurado para pré-tratar a biomassa a uma taxa de alimentação de cerca de 60 a cerca de 350 kg seco/hr.
[0270] Modalidade 113. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-112, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,0:1, pelo menos
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82/99 cerca de 3,1:1, pelo menos cerca de 3,2:1, pelo menos cerca de 3,3:1, pelo menos cerca de 3,4:1, pelo menos cerca de 3,5:1, pelo menos cerca de 3,6:1, pelo menos cerca de 3,7:1, pelo menos cerca de 3,8:1, pelo menos cerca de 3,9:1, pelo menos cerca de 3,91:1, pelo menos cerca de 3,92:1, pelo menos cerca de 3,93:1, pelo menos cerca de 3,94:1, pelo menos cerca de 3,95:1, pelo menos cerca de 3,96:1 ou pelo menos cerca de 4:1.
[0271] Modalidade 114. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-113, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,5:1.
[0272] Modalidade 115. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-114, em que a fração líquida compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,9:1.
[0273] Modalidade 116. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-115, em que o plugue impermeável ao vapor é impermeável ao vapor a uma pressão de pelo menos 1000 psi.
[0274] Modalidade 117. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-116, em que a seção de pré-condicionamento reduz o tamanho de partícula da biomassa em pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 40% ou pelo menos cerca de 50%.
[0275] Modalidade 118. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-117, em que a biomassa homogeneizada tem um tamanho médio de partícula de cerca de: 5-500 pm, 10-200 pm, 10-100 pm ou 15-50 pm.
[0276] Modalidade 119. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-118, em que a biomassa homogeneizada tem um tamanho de partícula de cerca de 10-100 pm.
[0277] Modalidade 120. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-119, em que o um ou mais parafusos rotativos compreendem ainda um ou mais elementos de seção que são configurados para formar um ou mais tampões permeáveis ao vapor.
[0278] Modalidade 121. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-120, em que o sistema compreende um, dois ou três parafusos rotativos.
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83/99 [0279] Modalidade 122. O sistema da modalidade 121, em que o sistema compreende dois parafusos rotativos.
[0280] Modalidade 123. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-122, em que o sistema é capaz de processar a biomassa a uma taxa de pelo menos cerca de 1 tonelada métrica seca por dia (MT/dia), 2 MT seca/dia, 3 MT seca/dia, 4 MT seca/dia, 5 MT seca/dia, 7,5 MT seca/dia, 10 MT seca/dia, 15 MT seca/dia, 20 MT seca/dia, 25 MT seca/dia, 50 MT seca/dia, 75 MT seca/dia, 100 MT seca/dia, 150 MT seca/dia ou 200 MT seca/dia.
[0281] Modalidade 124. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-123, compreendendo ainda uma tremonha conectada a uma porta de entrada na primeira extremidade do barril para alimentar a biomassa na zona de alimentação.
[0282] Modalidade 125. O sistema da modalidade 124, em que a tremonha compreende ainda um alimentador configurado para mover a biomassa da tremonha através da porta de entrada.
[0283] Modalidade 126. O sistema da modalidade 125, em que o alimentador é um trado de administração configurado para distribuir a biomassa uniformemente na zona de alimentação.
[0284] Modalidade 127. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-126, em que o barril compreende ainda uma ou mais portas vedáveis configuradas para adicionar um líquido à biomassa na zona de alimentação.
[0285] Modalidade 128. O sistema da modalidade 127, em que o líquido é água.
[0286] Modalidade 129. O sistema da modalidade 127 ou 128, em que o líquido é adicionado através de uma porta escalável localizada na tremonha.
[0287] Modalidade 130. O sistema de qualquer uma das modalidades 127-129, em que o líquido é adicionado na zona de alimentação através de uma ou mais portas vedáveis no barril.
[0288] Modalidade 131. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-130, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar a biomassa através da zona de reação em menos de: 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51,50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 17, 16, 15,
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14, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundos na zona de reação.
[0289] Modalidade 132. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-131, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar a biomassa através da zona de reação em menos de: 60, 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51,50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18,17,16,
15, 14, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundos.
[0290] Modalidade 133. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-132, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em cerca de 30 a 60 segundos.
[0291] Modalidade 134. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-133, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em cerca de 50 segundos.
[0292] Modalidade 135. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-134, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em menos de cerca de 19,18,17,16,15,14,13,12,10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 ou 1 segundos.
[0293] Modalidade 136. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-135, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em cerca de: 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 ou 1 segundos.
[0294] Modalidade 137. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-136, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em cerca de 5 a 15 segundos.
[0295] Modalidade 138. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-137, em que os parafusos rotativos são capazes de transportar biomassa através da zona de reação em cerca de 10 segundos.
[0296] Modalidade 139. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-138, em que o sistema está configurado para manter uma temperatura elevada na zona de reação.
[0297] Modalidade 140. O sistema da modalidade 139, em que a temperatura elevada é fornecida por vapor, uma camisa aquecida ou uma combinação destes.
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85/99 [0298] Modalidade 141. O sistema da modalidade 139 ou 140, em que a temperatura elevada é fornecida pelo vapor.
[0299] Modalidade 142. O método de qualquer uma das modalidades 139-141, em que a temperatura elevada é de cerca de: 50-500°C, 75-400°C, 100-350°C, 150-300°C ou 200-250°C.
[0300] Modalidade 143. O sistema de qualquer uma das modalidades 139-140, em que a temperatura elevada é de cerca de 150-300°C.
[0301] Modalidade 144. O sistema de qualquer uma das modalidades 139-143, em que a temperatura elevada é de cerca de 220-238°C.
[0302] Modalidade 145. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-144, em que o sistema está configurado para manter uma pressão elevada na zona de reação.
[0303] Modalidade 146. O sistema da modalidade 145, em que a pressão elevada é mantida por adição de vapor, líquido, biomassa ou uma combinação destes.
[0304] Modalidade 147. O sistema da modalidade 145 ou 146, em que a pressão elevada é de cerca de: 50-1000 PSI, 100-750 PSI, 200-600 PSI, 300-500 PSI ou 350-450 PSI.
[0305] Modalidade 148. O sistema de qualquer uma das modalidades 145-147, em que a pressão elevada é de cerca de 300-500 PSI.
[0306] Modalidade 149. O sistema de qualquer uma das modalidades 145-148, em que a pressão elevada é de cerca de 325-450 PSI.
[0307] Modalidade 150. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-149, em que o barril compreende ainda uma ou mais portas vedáveis no barril configuradas para adicionar vapor à zona de reação.
[0308] Modalidade 151. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-150, em que o barril compreende ainda uma camisa aquecida.
[0309] Modalidade 152. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-151, em que o barril compreende ainda uma ou mais portas vedáveis configuradas para adicionar um agente químico à zona de reação.
[0310] Modalidade 153. O sistema da modalidade 152, em que o agente químico compreende um ácido, uma base, um líquido iônico ou uma combinação
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[0311] Modalidade 154. O sistema da modalidade 153, em que o agente químico compreende o ácido que é ácido sulfúrico, ácido peroxiacético, ácido lático, ácido fórmico, ácido acético, ácido cítrico, ácido fosfórico, ácido clorídrico, ácido sulfuroso, ácido cloroacético, ácido dicloroacético, ácido tricloroacético, ácido trifluoroacético, ácido oxálico, ácido benzoico ou uma combinação destes.
[0312] Modalidade 155. O sistema da modalidade 153, em que o agente químico compreende o ácido, que é ácido sulfúrico.
[0313] Modalidade 156. O sistema da modalidade 153, em que o agente químico compreende a base, que é hidróxido de sódio, hidróxido de cálcio, hidróxido de potássio, amônia, hidróxido de amônia, peróxido de hidrogênio ou uma combinação destes.
[0314] Modalidade 157. O sistema de qualquer uma das modalidades 152-156, em que o sistema está configurado para adicionar o agente químico em um nível de cerca de: 0,1 -20% p/v, 1 -15% p/v, 1,5-10% p/v, 1 -10% p/v, 1 -5% p/v ou 2-4% p/v.
[0315] Modalidade 158. O sistema de qualquer uma das modalidades 152-157, em que o sistema está configurado para adicionar o agente químico em um nível de cerca de 1 -2% p/v.
[0316] Modalidade 159. O sistema de qualquer uma das modalidades 152-158, em que o sistema está configurado para adicionar o agente químico em um nível de cerca de 1,5% p/v.
[0317] Modalidade 160. O sistema de qualquer uma das modalidades 152-159, em que o barril compreende ainda uma válvula de descarga acionada por pressão.
[0318] Modalidades 161.0 método da modalidade 160, em que a válvula de descarga acionada por pressão é configurada para abrir e fechar em resposta à pressão dentro do sistema de extrusão.
[0319] Modalidade 162. O método da modalidade 160 ou 161, em que a válvula de descarga acionada por pressão é conectada a uma placa de flange de extremidade em uma segunda extremidade do barril.
[0320] Modalidade 163. O sistema de qualquer uma das modalidades
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160-162, em que a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de orifício variável, uma válvula de cabeçote móvel, uma válvula esférica, uma válvula de contrapressão ou uma válvula rotativa de guilhotina.
[0321] Modalidade 164. O sistema de qualquer uma das modalidades 160-163, em que a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de cabeçote móvel.
[0322] Modalidade 165. O sistema de qualquer uma das modalidades 160-164, em que a válvula de descarga acionada por pressão está conectada a um atuador.
[0323] Modalidade 166. O sistema da modalidade 165, em que o atuador usa força pneumática, força hidráulica, força eletromecânica ou uma combinação destes.
[0324] Modalidade 167. O sistema da modalidade 165 ou 166, em que o atuador está operacionalmente acoplado a uma unidade de controle de contrapressão.
[0325] Modalidade 168. O sistema da modalidade 167, em que a unidade de controle de contrapressão está operacionalmente acoplada a um ou mais medidores de pressão.
[0326] Modalidade 169. O sistema da modalidade 168, em que pelo menos um dos um ou mais medidores de pressão monitora a pressão dentro da zona de reação.
[0327] Modalidade 170. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-169, em que o barril compreende ainda uma ou mais portas compreendendo um medidor de temperatura, um medidor de pressão ou uma combinação destes.
[0328] Modalidade 171. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-170, em que o barril compreende ainda um tanque de vaporização.
[0329] Modalidade 172. O sistema da modalidade 171, em que o tanque de vaporização coleta a composição de biomassa pré-tratada quando sai da válvula de descarga acionada por pressão.
[0330] Modalidade 173. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-172, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C5 com pelo menos 60%, 65%, 70%, 75%,
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80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98% ou 99% de rendimento em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0331] Modalidade 174. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-173, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C5 com pelo menos um rendimento de 60% em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0332] Modalidade 175. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-174, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C5 com pelo menos um rendimento de 75% em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0333] Modalidade 176. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-175, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C5 com pelo menos um rendimento de 85% em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0334] Modalidade 177. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-176, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C6 inferiores a 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10% ou 5% de rendimento.
[0335] Modalidade 178. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-177, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C6 a menos de 30% em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0336] Modalidade 179. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-178, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo monossacarídeos C6 a menos de 25% em comparação com o máximo teórico com base na biomassa.
[0337] Modalidade 180. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-179, em que o sistema está configurado para produzir as partículas sólidas em um intervalo de tamanho de cerca de: 1 -500 pm, 1-250 pm, 1-200 pm ou 1-150 pm.
[0338] Modalidade 181. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-180, em que o sistema está configurado para produzir as partículas sólidas em um intervalo de tamanho de cerca de 1 -150 pm.
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89/99 [0339] Modalidade 182. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-181, em que o sistema está configurado para produzir as partículas sólidas em um tamanho médio de cerca de: 1 -50 pm, 5-40 pm, 10-30 pm ou 15-25 pm.
[0340] Modalidade 183. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-182, em que o sistema está configurado para produzir as partículas sólidas em um tamanho médio de cerca de 15-25 pm.
[0341] Modalidade 184. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-183, em que o sistema produz baixos níveis de um ou mais compostos inibidores.
[0342] Modalidade 185. O sistema da modalidade 184, em que o um ou mais compostos inibidores compreendem ácido fórmico, ácido acético, hidroximetilfurfural, furfural ou uma combinação destes.
[0343] Modalidade 186. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-185, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 2%, 1,5%, 1%, 0,8%, 0,7%, 0,6%, 0,5%, 0,4% ou 0,3% p/p de ácido fórmico em peso seco.
[0344] Modalidade 187. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-186, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 0,5% p/p de ácido fórmico em peso seco.
[0345] Modalidade 188. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-187, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 0,3% p/p de ácido fórmico em peso seco.
[0346] Modalidade 189. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-188, em que o sistema está configurado para produzir menos de 30, 25,20,15, 10, 5, 2,5, 1 ou 0,5 kg de ácido fórmico por MT de biomassa seca.
[0347] Modalidade 190. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-186, em que o sistema está configurado para produzir menos de 10 kg de ácido fórmico por MT de biomassa seca.
[0348] Modalidade 191. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-190, em que o sistema está configurado para produzir menos de 2,5 kg de ácido fórmico por MT de biomassa seca.
[0349] Modalidade 192. O sistema de qualquer uma das modalidades
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109-191, o sistema está configurado para produzir menos de 0,5 kg de ácido fórmico por MT de biomassa seca.
[0350] Modalidade 193. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-192, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 10%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4,5%, 4%, 3,5%, 3,4%, 3,3% ou 3,2% p/p de ácido acético em peso seco.
[0351] Modalidade 194. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-193, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 5% p/p de ácido acético em peso seco.
[0352] Modalidade 195. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-194, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 3,5% p/p de ácido acético em peso seco.
[0353] Modalidade 196. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-192, em que o sistema está configurado para produzir menos de 100, 80, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2,5, 1, 0,5 ou 0,1 kg de ácido acético por MT de biomassa seca.
[0354] Modalidade 197. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-196, em que o sistema está configurado para produzir menos de 20 kg de ácido acético por MT de biomassa seca.
[0355] Modalidade 198. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-197, em que o sistema está configurado para produzir menos de 5 kg de ácido acético por MT de biomassa seca.
[0356] Modalidade 199. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-198, em que o sistema está configurado para produzir menos de 0,5 kg de ácido acético por MT de biomassa seca.
[0357] Modalidade 200. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-199, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 1%, 0,8%, 0,7%, 0,6%, 0,5%, 0,4%, 0,3% ou 0,2% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
[0358] Modalidade 201. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-200, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos que 0,5% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
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91/99 [0359] Modalidade 202. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-201, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos que 0,2% p/p de hidroximetilfurfural em peso seco.
[0360] Modalidade 203. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-202, em que o sistema está configurado para produzir menos de 20, 15, 10,
7,5, 5, 2,5, 1,0,5, 0,1 ou 0,05 kg de hidroximetilfurfural por MT de biomassa seca.
[0361] Modalidade 204. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-203, em que o sistema está configurado para produzir menos de 2,5 kg de hidroximetilfurfural por MT de biomassa seca.
[0362] Modalidade 205. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-204, em que o sistema está configurado para produzir menos de 0,5 kg de hidroximetilfurfural por MT de biomassa seca.
[0363] Modalidade 206. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-205, em que o sistema está configurado para produzir menos de 0,05 kg de hidroximetilfurfural por MT de biomassa seca.
[0364] Modalidade 207. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-206, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos de 0,5%, 0,2%, 0,1%, 0,05%, 0,01%, 0,001% ou 0,0001% p/p de furfural em peso seco.
[0365] Modalidade 208. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-207, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos que 0,1% p/p de furfural em peso seco.
[0366] Modalidade 209. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-208, em que o sistema está configurado para produzir a fração líquida compreendendo menos que 0,01% p/p de furfural em peso seco.
[0367] Modalidade 210. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-209, em que o sistema está configurado para produzir menos de 20, 15, 10,
7,5, 5, 2, 1, 0,5, 0,1, 0,05 ou 0,01 kg de furfural que é produzido por MT de biomassa seca.
[0368] Modalidade 211. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-210, em que o sistema está configurado para produzir menos de 0,5 kg de furfural que é produzido por MT de biomassa seca.
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92/99 [0369] Modalidade 212. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-211, em que o sistema está configurado para produzir menos de 0,05 kg de furfural que é produzido por MT de biomassa seca.
[0370] Modalidade 213. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-212, em que a biomassa compreende algas, milho, grama, palha, cascas de grãos, madeira, cascas, serragens, papel, choupos, salgueiros, painço, alfafa, capim azul, palmeiras-do-açúcar, palmeira nipa, mandioca, milo, sorgo, batata doce, melaços, tubérculos, raízes, caules, sagu, mandioca, tapioca, ervilhas, feijão, batatas, beterraba, frutas, caroços, sorgo, cana-de-açúcar, arroz, trigo, cereais integrais, centeio, cevada, bambu, sementes, aveia ou uma combinação destes, ou um derivado ou subproduto destes.
[0371] Modalidade 214. O sistema da modalidade 213, em que o derivado ou subproduto deste compreende palha de milho, espigas de milho, purê de milho, fibra de milho, silagem, bagaço, grãos de destiladores, solúveis secos de destiladores, grãos secos de destiladores, solúveis de destiladores condensados, grãos úmidos de destiladores, grãos secos de destiladores grãos com solúveis, fibra, cascas de frutas, palha de arroz, casca de arroz, palha de trigo, palha de cevada, cascas de sementes, casca de aveia, resíduos alimentares, resíduos de esgoto municipal ou uma combinação destes.
[0372] Modalidade 215. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-214, em que a biomassa compreende uma biomassa lenhosa.
[0373] Modalidade 216. O sistema da modalidade 215, em que a biomassa lenhosa compreende madeira dura, madeira macia ou uma combinação destas.
[0374] Modalidade 217. O sistema de qualquer uma das modalidades 109-216, em que a biomassa compreende uma madeira dura.
EXEMPLOS [0375] Os exemplos a seguir ilustram algumas modalidades e aspectos e não devem ser interpretados como limitantes do seu alcance.
[0376] Exemplo 1. Pré-tratamento de Biomassa Usando Uma Extrusora de Parafuso Duplo [0377] Uma extrusora de parafuso duplo, conforme diagramada na FIG. 2, foi usada para executar quatro execuções contínuas de 224, 695,1100 e 977 horas
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93/99 cada. A extrusora foi operada com aquecimento indireto através das paredes do reator até o final do experimento. Uma taxa de fluxo de até 136 kg/h foi alcançada através da extrusora com injeção direta de vapor para fornecer calor ao processo. Os materiais selecionados eram resistentes a ácido. A alimentação foi medida através de um alimentador de correia de peso e caiu em um alimentador de crammer que abastecia o barril da extrusora. Dois parafusos se entrelaçaram e forneceram rápida transferência de calor e massa quando o vapor e o ácido foram injetados através das portas de vapor e ácido conectadas ao barril cilíndrico da extrusora, como mostrado na FIG. 2. As portas de fornecimento de vapor e ácido foram vedadas por seções de fluxo reverso nos parafusos. Uma válvula de controle de pressão operada hidraulicamente estava assentada em uma vedação de cerâmica e a pressão foi controlada para manter a pressão o mais constante o possível na seção de reação da extrusora.
[0378] Os sólidos foram expostos a alta temperatura e pressão e baixo pH por um máximo de cerca de 10 segundos na zona de reação, como mostrado na extrusora representada na FIG. 2, antes de serem explodidos para dentro do tanque de vaporização. O tempo de permanência na zona de reação foi controlado pelo tempo de rotação dos parafusos. A câmara de impulso acima dos parafusos no alimentador da bomba agiu como um recipiente de vaporização, onde a água quente é vaporizada, resfriando o produto e removendo alguns dos inibidores de baixa ebulição, como o furfural. Sob essas condições, a extrusão não pareceu produzir furfural ou HMF suficiente para inibir o crescimento ou a fermentação da levedura, contanto que o cozimento em excesso fosse evitado com curtos períodos de reação. HMF e furfural, inibidores de reversão, foram formados em pequenas quantidades durante este pré-tratamento (por exemplo, um total de 0,3 a 0,5% em peso do produto pré-tratado seco).
[0379] Exemplo 2. Tamanho de Partícula Após o Pré-Tratamento com Uma Extrusora de Parafuso Duplo [0380] Esta execução foi realizada para avaliar a redução do tamanho de partícula que ocorre durante o pré-tratamento de biomassa em uma extrusora de parafuso duplo modificada. Serragem de cereja, com um tamanho médio de partícula de cerca de 3 mm x 3 mm x 1 mm e um teor médio de umidade de 31 % foi
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94/99 usada como matéria-prima de biomassa bruta. A biomassa de cereja foi alimentada em uma extrusora de parafuso duplo ZSK-30, fabricada pela Coperion, essencialmente como descrito no Exemplo 1. Os parâmetros de processamento utilizados para o experimento são apresentados na Tabela 2.
[0381] Tabela 2 - Parâmetros Experimentais de Distribuição de Tamanho de Partícula
Transferência de Massa Pressão Temp. Adição de Ácido Adição de Água Tempo de Permanência
Matéria-Prima g/min Seco psig °C g/mín g/min sequndos
Serragem de Cereja 398,4 400 231 7,6 1134 10
[0382] A serragem de cereja foi processada continuamente. O teor final de umidade da serragem de cereja processada foi de cerca de 76,8%. Uma vez atingido o estado estacionário, uma amostra do material pré-tratado foi coletada para análise do tamanho de partícula. A amostra foi analisada através da teoria de dispersão de Mie usando um Horiba LA-920, capaz de medir diâmetros de partículas de 0,02 pm a 2000 pm. Os resultados indicaram uma redução significativa no tamanho das partículas, ocorrendo ao longo do processo de pré-tratamento. O tamanho médio das partículas foi reduzido de 3 mm na matéria-prima para 20,75 pm no efluente pré-tratado. Um resumo da distribuição de tamanho de partícula é apresentado na FIG. 13.
[0383] Exemplo 3 [0384] Análise da pasta fluida de biomassa após pré-tratamento [0385] A Tabela 3 é um resumo de vários tipos de biomassa pré-tratada em um conjunto otimizado de condições, com a análise da composição resultante de açúcar e ácido orgânico da fração líquida saindo do pré-tratamento como pasta fluida de biomassa. Foi adicionada água ou vapor para ajustar o teor de sólidos desejado para o pré-tratamento.
[0386] Os grãos de destiladores úmidos com 68,10% de umidade foram alimentados em um crammer de extrusora de parafuso duplo. As condições na extrusora foram ajustadas a uma pressão da válvula de vapor de 39,0 kg/h, 232°C e a uma pressão da válvula final de 400 psi, com 4,0% de H2SO4. A biomassa saiu da extrusora como uma pasta fluida com total de 21,8% de sólidos. Para a análise
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95/99 pós-tratamento, o teor de umidade da pasta de biomassa foi determinado usando um analisador-balanceador de umidade. Uma amostra da pasta fluida homogênea foi centrifugada por 5 minutos a 6000 rpm e o sobrenadante foi usado para a preparação padrão da amostra por HPLC. Toda a análise de açúcar e ácido orgânico foi realizada em um sistema HPLC Shimadzu com um detector RID-10A e uma coluna BIORAD Aminex HPX-87H (300 x 7,8 mm). A fase móvel foi de 0,01 N de H2SO4 e a HPLC teve uma calibração de 8 pontos de 0,1 g/L a 50,0 g/L.
[0387] A serragem de cerejeira foi repeneirada com 34,4% de umidade. As condições no sistema de extrusora foram ajustadas a uma pressão da válvula de vapor de 27,2 kg/h, 232°C e a uma pressão da válvula final de 400 psi, com 2,0% de H2SO4. A biomassa saiu do sistema como uma mistura homogênea de sólidos totais de 25,9%. A pasta fluida de biomassa foi resfriada e depois analisada como descrito acima.
[0388] O Acer rubrum, medindo 22,50% de umidade, foi alimentado ao sistema de extrusão a uma pressão da válvula de vapor de 30,4 kg/h, 232°C e a uma pressão da válvula final de 400psi, com 2,0% de H2SO4. A biomassa saiu do sistema de extrusão como uma pasta fluida homogênea com 29,1% de sólidos totais. A pasta fluida de biomassa foi resfriada e depois analisada como descrito acima.
[0389] Choupo Amarelo a 37,58% de umidade foi alimentado ao sistema de extrusão a uma pressão da válvula de vapor de 30,4 kg/h, 232°C e a uma pressão da válvula final de 400psi, com 2,0% de H2SO4. A biomassa saiu do sistema de extrusão como uma pasta fluida homogênea de 26,8% de sólidos totais. A pasta fluida de biomassa foi resfriada e depois analisada como descrito acima.
[0390] As análises da fração líquida de pastas fluidas pré-tratadas produziram uma extração rica em hemicelulose da biomassa de lignocelulose e uma baixa concentração de ácidos e inibidores orgânicos.
[0391] Tabela 3. Condições de pré-tratamento e composição da fração líquida do material pré-tratado; kg/MT indica quilogramas por tonelada métrica seca de biomassa.
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ID Matéria-Pri ma Bruta Temp. (°C) Pressão da Válvula de Extremidade (PSI) Dosagem de Ácido (%) Válvula de Vapor (Ibs/hr) Sólidos (%) Glicose (kg/MT)
WDG150123- Sll Grãos de Destiladores Úmidos 232 400 4,0 95 21,8 70,4
HW150730R10B6 Cereja 23.2 400 2,0 67 25,9 70,3
HW150728R10B3 Acer Rubrum 232 400 2,0 67 29,1 101,2
HW1506I8- R9B1 Choupo Amarelo 232 400 2,0 67 26,8 131,1
ID Matéria-Pri ma Bruta Xilose (kg/MT) Arabinose (kg/MT) Ácido Fórmico (kg/MT) Ácido Acético (kg/MT) HMF (kg/MT) Furfural (kg/MT)
WDG150Í23- Sll Grãos de Destiladores Úmidos 127,4 77,9 27,6* 12,1 0,0 0,6
HW150730- R10B6 Cereja 212,1 14,2 10,4 29,4 0,6 1,8
HW150728- R10B3 Acer Rubrum 204,4 15,3 11,7 37,2 1,9 3,0
HW150618- R9B1 Choupo Amarelo 247,6 0,0 8,3 56,1 2,8 5,8
Indica a quantidade de glicerol (kg/MT) na fração líquida de Grãos de Destiladores Úmidos processados.
[0392] A Tabela 4 fornece um resumo da análise de composição de açúcar das várias matérias-primas descritas na Tabela 3 e na Tabela 5.
[0393] Análise Compositiva [0394] Grãos de destiladores úmidos: a composição de açúcar dos grãos de milho foi analisada usando uma amostra totalmente seca de matéria-prima. O NREL LAP para Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass (NREL/TP-510-42618: A. Sluiter, B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter, D. Templeton e D. Crocker) foi seguido para quantificar o total de açúcares teóricos disponíveis na matéria-prima, usando uma hidrólise de ácido sulfúrico a 72% por 1 hora a 35°C, seguida por uma hidrólise a ácido sulfúrico a 4% por 1 hora a 249°C em autoclave. A análise de açúcar foi realizada em um sistema HPLC Shimadzu
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97/99 com urn detector RID-10A e uma coluna BIORAD Aminex HPX-87H (300x7,8 mm). A fase móvel foi de 0,01 N de H2SO4 e a HPLC teve uma calibração de 8 pontos de 0,1 g/L a 50,0 g/L.
[0395] A cereja, 0 Acer rubrum e 0 choupo amarelo foram analisados quanto à composição do açúcar após 0 pré-tratamento. A análise composicional dos açúcares monoméricos teóricos foi determinada por hidrólise enzimática com uma dose excessiva de coquetel enzimático da celulase para hidrolisar todos os açúcares possíveis presentes nas frações de celulose e hemicelulose. A análise de açúcar foi realizada em um sistema HPLC Shimadzu com um detector RID-10A e uma coluna BIORAD Aminex HPX-87H (300x7,8 mm). A fase móvel foi de 0,01 N de H2SO4 e a HPLC teve uma calibração de 8 pontos de 0,1 g/L a 50,0 g/L.
[0396] Tabela 4. Análise composicional de matérias-primas brutas
Matéria-Pri ma Celulose Média (kg/MT) Hemicelulo se Média (kg/MT) Lignina Média (kg/MT) Glicose Média (kg/MT) Xilose Média (kg/MT) Arabinose Média (kg/MT) Açúcar Disponível Total (kg/MT)
Grãos de Destiladores Úmidos 154,1 228,1 209,2 169,6 171,9 79,0 420,5
Cereja 411,5 216,4 372,1 452,7 238,0 16,0 706,7
Acer rubrum 450,1 206,4 343,5 495,1 227,0 14,2 736,3
Choupo Amarelo 446,8 226,1 327,1 491,5 248,7 0,0 740,2;
[0397] A Tabela 5 resume as conversões de açúcar do pré-tratamento e subsequente hidrólise enzimática, conforme descrito abaixo. As eficiências de conversão foram calculadas como uma porcentagem da análise composicional de açúcares monoméricos, tomada como um rendimento máximo teórico de açúcar.
[0398] Hidrólise Enzimática [0399] O teor de umidade da pasta de biomassa pré-tratada foi determinado usando um analisador-balanceador de umidade. Foi adicionada água para produzir uma pasta fluida com 15% de sólidos totais e a pasta foi misturada até chegar à homogeneidade. O pH da pasta foi ajustado para 5,2 usando NaOH a 10M e, em seguida, alíquotas de 100 g de pasta foram transferidas para frascos individuais de
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250 mL de agitação. A enzima celulase disponível comercialmente foi adicionada a 8 kg de proteína por tonelada métrica de sólidos secos em cada frasco de agitação de 250 mL. A hidrólise foi realizada em um agitador de incubadora Kuhner (Climo-Shaker ISF4-X) a 50°C e 200 rpm durante 72 horas.
[0400] As amostras foram coletadas em vários momentos ao longo da hidrólise e, após 72 horas, as eficiências de conversão foram calculadas. As amostras de hidrolisado foram coletadas para análise e centrifugadas. O sobrenadante foi analisado, quanto a açúcares monoméricos, ácidos orgânicos e inibidores, por HPLC, como descrito acima.
[0401] Tabela 5. Recuperação de açúcar do pré-tratamento e hidrólise enzimática, calculada como porcentagem da análise composicional de açúcares monoméricos.
Matéria-Prim a Pré-tratamento de Conversão de Glicose (%) Hidrólise enzimática de Conversão de Glicose (%) Pré-tratamento de Conversão de Xilose (%) Hidrólise enzimática de Conversão de Xilose (%)
Grãos de Destiladores Úmidos 41,5 97,0 74,1 87,1
Cereja 15,5 90,1 89,1 98,8
Acer rubrum 20,5 90,6 90,1 99,6
Choupo Amarelo 30,6 85,8 96,3 97,0
Matéria-Prim a Pré-tratamento de Conversão de Arabinose (%) Hidrólise enzimática de t Conversão de Arabinose (%) Pré-tratamento de Conversão de Açúcar Total (%) Hidrólise enzimática de Conversão de Açúcar Total (%)
Grãos de Destiladores Úmidos 98,7 99,0 65,7 94,4
Cereja 88,8 98,1 42,0 93,2
Acer rubrum 100,0 100,0 43,6 92,9
Choupo Amarelo - - 51,2 91,4
[0402] Exemplo 4.
[0403] Além dos tratamentos descritos acima, vários outros tipos de matérias-primas foram processados através do aparelho definido neste documento. Por exemplo, o papel residual de uma instalação de gerenciamento de resíduos foi triturado em uma Fitzmill para passar por uma peneira de 2,36 mm e misturado a
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1,25% em peso de água antes de ser processado. Outras matérias-primas incluíam fibra de milho a 25% de sólidos, bagaço (16 execuções), madeiras macias (33 execuções), palha de arroz (12 execuções), palha de trigo (8 execuções), palhas mistas, palha de cevada (8 execuções) e cascas de aveia (10 execuções).
[0404] Exemplo 5.
[0405] As experiências foram conduzidas em uma extrusora exemplar de acordo com algumas modalidades do método e sistema aqui fornecidos. Uma seção de pré-condicionamento foi incluída na extrusora para homogeneizar a biomassa antes da formação de um plugue impermeável ao vapor na zona de alta pressão. A configuração de parafuso da extrusora é modificada para incluir elementos de pré-condicionamento para que a seção de pré-condicionamento seja formada antes da zona de alta pressão. Como resultado do pré-condicionamento, o tamanho de partícula da biomassa foi reduzido e a água foi distribuída uniformemente na biomassa. A biomassa pré-condicionada foi sujeita a pré-tratamento adicional, como descrito acima, na extrusora. As condições de pré-tratamento na zona de reação nestas experiências foram definidas da seguinte forma: pressão: 325-450 psi, temperatura: 220-238°C, ácido sulfúrico: 1-2% v/p em peso de biomassa seca.
[0406] Inesperadamente, após a adição da seção de pré-condicionamento, o tempo de execução foi em grande parte prolongado, sem escape de vapor através do plugue impermeável ao vapor (falha). Em um exemplo, o sistema funcionou continuamente por mais de 10 horas sem falha. Em outro exemplo, o sistema funcionou continuamente por cerca de 18 horas sem falha. Em um conjunto de experimentos, o sistema funcionou acumulativamente por cerca de 600 horas sem falha. Por outro lado, um sistema exemplar similar, mas sem a seção de pré-condicionamento, foi executado por cerca de 0,5 hora antes da falha. Essa diferença sugere que o processo de pré-condicionamento facilitou a manutenção da impermeabilidade de vapor do plugue impermeável ao vapor, oferecendo mais operacionalidade para aumentar o processo e potencialmente melhores resultados de pré-tratamento.
[0407] Outra melhoria observada com a adição da seção de pré-condicionamento foi o intervalo mais amplo da taxa de transferência com a qual
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100/99 o sistema pode trabalhar em comparação com um sistema similar sem a seção de pré-condicionamento. Em um experimento, o sistema podería operar com um intervalo de cerca de 60 a 350 kg/h de taxa de fluxo de biomassa seca sem falha. Por outro lado, um sistema semelhante, mas sem a seção de pré-condicionamento, só podería funcionar com um intervalo menor de taxa de transferência, cerca de 90 a 200 kg seco/hr.
[0408] Exemplo 6.
[0409] A experiência foi conduzida em extrusora semelhante à testada no Exemplo 5 para examinar a produção de fluxo de açúcar de acordo com uma modalidade exemplar da presente divulgação. A matéria-prima era serragem composta por madeira de Acer ou madeira de Acer e cerejeira e foram obtidos 97 pontos de dados durante essas execuções de tratamento. Os produtos dessas execuções foram analisados em busca de açúcares monoméricos, ácidos orgânicos e inibidores, por HPLC, como descrito acima, e os resultados dessas análises mostraram uma condição de 400 psi e ácido a 2%, produzindo os resultados desejados para a maioria das matérias-primas.
[0410] Essas análises mostraram que, controlando a pressão e a temperatura do pré-tratamento nesse sistema, era possível obter um resultado consistente e direcionado do açúcar C5:C6 liberado. Em um exemplo, os parâmetros operacionais para o pré-tratamento foram determinados em 300 psi, 1,5% de ácido para atingir uma razão C5:C6 de 3,91.
[0411] A análise quantitativa por HPLC para uma corrente rica em C5 a 30% resultante do tratamento a 300-325 psi e níveis de ácido sulfúrico de 1,5 a 1,75% é mostrada abaixo na Tabela 6.
[0412] Tabela 6
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Análise Quantitativa de uma Corrente rica em C5 a 30%
ID# Nome Tempo de Retorno Área Altura Concentração : (g/L)
1 Glicose 9,152 486709 32886 65,447
2 Xilose 9,800 1544291 94814 216,411
3 Arabinose 10,594 108771 6050 14,925
4 Xilitol 11,175 9850 496 1,329
5 Ácido fórmico 13,827 2341 133 0,902
6 Ácido acético 15,009 34311 1666 9,820
7 Etanol 22,215 0 0 0,000
8 HMF 27,828 5258 153 0,594
9 Furfural 40,865 0 0 0,000
[0413] Embora as modalidades preferenciais da presente invenção tenham sido mostradas e descritas neste documento, será óbvio para aqueles versados na técnica que tais modalidades são providas a título de exemplo somente.

Claims (45)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método em escala industrial para pré-tratamento de biomassa, o método caracterizado pelo fato de que compreende:
    (a) alimentar a biomassa em um sistema de extrusão compreendendo:
    (i) um tambor que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (ii) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através do sistema de extrusão a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos compreendem elementos de seção configurados para formar:
    (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa, e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um tampão impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação; e (b) tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação durante menos de cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração de líquido/sólidos compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose e/ou lignina.
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de extrusão é configurado para pré-tratar a biomassa continuamente, mantendo o tampão impermeável ao vapor durante por, pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas, pelo menos cerca de 13 horas, pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 15 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 17 horas, ou pelo menos cerca de 18 horas.
  3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a extrusão é configurada para pré-tratar a biomassa continuamente, mantendo o
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 13/20
    2/7 tampão impermeável ao vapor por, pelo menos, cerca de 15 horas.
  4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de extrusão é configurado para pré-tratar a biomassa a uma taxa de alimentação de cerca de 60 a cerca de 350 kg seco/hr.
  5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração de líquido compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão p/p de pelo menos cerca de 3,0:1, pelo menos cerca de 3,1:1, pelo menos cerca de 3,2:1, pelo menos cerca de 3,3:1, pelo menos cerca de 3,4:1, pelo menos cerca de 3,5:1, pelo menos cerca de 3,6:1, pelo menos cerca de 3,7:1, pelo menos cerca de 3,8:1, pelo menos cerca de 3,9:1, pelo menos cerca de 3,91: 1, pelo menos cerca de 3,92:1, pelo menos cerca de 3,93:1, pelo menos cerca de 3,94:1, pelo menos cerca de 3,95:1, pelo menos cerca de 3,96:1, ou pelo menos cerca de 4:1.
  6. 6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fração de líquido compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão de p/p de, pelo menos, cerca de 3,5:1.
  7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tampão impermeável ao vapor é impermeável ao vapor a uma pressão de, pelo menos, 1000 psi.
  8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de pré-condicionamento reduz o tamanho de partícula da biomassa em pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 40%, ou pelo menos cerca de 50%.
  9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda adicionar um líquido à biomassa antes da zona de reação e, opcionalmente, o líquido é adicionado para aumentar o teor de umidade da biomassa em cerca de: 10-90%, 15-85%, 20-80%, 30-70% ou cerca de 40-60% p/v.
  10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa é tratada por menos de 60, 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51, 50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 17, 16, 15, 14, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundo na zona de reação.
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 14/20
    3/7
  11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura elevada é de cerca de 220-238°C.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão elevada é de cerca de 325-450 PSI.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda adicionar um agente químico à biomassa na zona de reação.
  14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o agente químico compreende o ácido que é o ácido sulfúrico.
  15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o agente químico é adicionado a um nível de cerca de 1-2% p/v.
  16. 16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração de líquido compreende monossacarídeos C5 com, pelo menos, 75% de rendimento em comparação ao máximo teórico baseado na biomassa.
  17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração líquida compreende monossacarídeos C6 com menos de 25% de rendimento em comparação ao máximo teórico baseado na biomassa.
  18. 18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que menos de 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2,5, 1, ou 0,5 kg de ácido fórmico é produzido por TM de biomassa seca.
  19. 19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que menos de 100, 80, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2,5, 1, 0,5, ou 0,1 kg de ácido acético é produzido por TM de biomassa seca.
  20. 20. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que menos de 20, 15, 10, 7,5, 5, 1, 0,5, 0,1, ou 0,05 kg de hídroximetilfurfural é produzido por TM de biomassa seca.
  21. 21. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que menos de 20, 15, 10, 7,5, 5, 2, 1, 0,5, 0,1, 0,05 ou 0,01 kg de furfural é produzido por TM de biomassa seca.
  22. 22. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa compreender algas, milho, grama, palha, cascas de grãos, madeira, cascas, serragens, papel, choupos, salgueiros, painço, alfafa, capim azul,
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 15/20
    4/7 palmeiras-do-açúcar, palmeira nipa, mandioca, milo, sorgo, batata doce, melaços, tubérculos, raízes, caules, sagu, mandioca, tapioca, ervilhas, feijão, batatas, beterraba, frutas, caroços, sorgo, cana-de-açúcar, arroz, trigo, cereais integrais, centeio, cevada, bambu, sementes, aveia ou uma combinação destes, ou um derivado ou subproduto destes.
  23. 23. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa compreende uma biomassa lenhosa.
  24. 24. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda hidrolisar as partículas sólidas compreendendo celulose com uma ou mais enzimas para produzir monossacarídeos.
  25. 25. Composição de biomassa pré-tratada caracterizada pelo fato de que é produzida pelo método da reivindicação 1.
  26. 26. Sistema para pré-tratamento em escala industrial de biomassa, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende:
    (a) um tambor que define uma câmara interna compreendendo uma zona de alimentação e uma zona de reação; e (b) um ou mais parafusos rotativos configurados para mover a biomassa através da câmara interna do tambor a partir da zona de alimentação através da zona de reação, em que um ou mais parafusos rotativos compreendem elementos de seção configurados para formar:
    (1) uma seção de pré-condicionamento na zona de alimentação que produz uma biomassa homogeneizada, reduzindo o tamanho das partículas da biomassa e distribuindo uniformemente a água dentro da biomassa, e (2) uma zona de alta pressão que compacta a biomassa homogeneizada para formar um tampão impermeável ao vapor, separando a zona de alimentação e a zona de reação;
    em que o sistema é configurado para tratar a biomassa a uma temperatura e pressão elevadas dentro da zona de reação por, pelo menos, cerca de um minuto para produzir uma composição de biomassa pré-tratada compreendendo uma fração de líquido compreendendo monossacarídeos e partículas sólidas compreendendo celulose, lignina ou uma combinação destes.
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 16/20
    5/7
  27. 27. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para pré-tratar a biomassa continuamente mantendo o tampão impermeável ao vapor por pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas, pelo menos cerca de 13 horas, pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 15 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 17 horas, ou pelo menos cerca de 18 horas.
  28. 28. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para pré-tratar a biomassa a uma taxa de alimentação de cerca de 60 a cerca de 350 kg seco/hr.
  29. 29. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a fração de líquido compreende monossacarídeos C5 e monossacarídeos C6 em uma razão de p/p de pelo menos cerca de 3,0:1, pelo menos cerca de 3,1:1, pelo menos cerca de 3,2:1, pelo menos cerca de 3,3:1, pelo menos cerca de 3,4:1, pelo menos cerca de 3,5:1, pelo menos cerca de 3,6:1, pelo menos cerca de 3,7:1, pelo menos cerca de 3,8:1, pelo menos cerca de 3,9:1, pelo menos cerca de 3,91:1, pelo menos cerca de 3,92:1, pelo menos cerca de 3,93:1, pelo menos cerca de 3,94:1, pelo menos cerca de 3,95:1, pelo menos cerca de 3,96:1, ou pelo menos cerca de 4:1.
  30. 30. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tampão impermeável ao vapor é impermeável ao vapor a uma pressão de, pelo menos, 1000 psi.
  31. 31. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a seção de pré-condicionamento reduz o tamanho de partícula da biomassa em pelo menos cerca de 2%, peto menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 40%, ou pelo menos cerca de 50%.
  32. 32. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende dois parafusos rotativos.
  33. 33. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema é capaz de processar a biomassa a uma taxa de, pelo menos, cerca
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 17/20
    6/7 de 1 tonelada métrica seca por dia (TM/dia), 2 TM seca/dia, 3 TM seca/dia, 4 TM seca/dia, 5 TM seca/dia, 7,5 TM seca/dia, 10 TM seca/dia, 15 TM seca/dia, 20 TM seca/dia, 25 TM seca/dia, 50 TM seca/dia, 75 TM seca/dia, 100 TM seca/dia, 150 TM seca/dia ou 200 TM seca/dia.
  34. 34. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tambor compreende ainda uma ou mais portas vedáveis configuradas para adicionar um líquido à biomassa na zona de alimentação.
  35. 35. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que os parafusos rotativos são capazes de transportar a biomassa através da zona de reação em menos de: 59, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51, 50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41,40, 38, 37, 35, 32, 30, 28, 25, 22, 20, 18, 17, 16, 15, 14, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 2 ou 1 segundo na zona de reação.
  36. 36. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para manter uma temperatura elevada na zona de reação e, opcionalmente, a temperatura elevada é proporcionada por vapor, uma camisa de aquecimento ou uma combinação destes e, opcionalmente, a temperatura elevada está em cerca de: 50~500°C, 75-400°C, 100~350°C, 150300°C, ou 200-250°C.
  37. 37. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para manter uma pressão elevada na zona de reação e, opcionalmente, a pressão elevada é mantida pela adição de vapor, líquido, biomassa ou uma combinação destes e, opcionalmente, a pressão elevada é de cerca de: 50-1000 PSI, 100-750 PSI, 200-600 PSI, 300-500 PSI ou 350-450 PSI.
  38. 38. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tambor compreende ainda uma ou mais portas vedáveis no tambor, configuradas para adicionar vapor, agente químico, uma combinação destes, na zona de reação.
  39. 39. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tambor compreende ainda uma válvula de descarga acionada por pressão.
  40. 40. Método, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a válvula de descarga acionada por pressão é configurada para abrir e fechar em resposta à pressão dentro do sistema de extrusão e, opcionalmente, a válvula
    Petição 870190079669, de 16/08/2019, pág. 18/20
    7/7 de descarga acionada por pressão é conectada a uma placa de flange de extremidade em uma segunda extremidade do tambor.
  41. 41. Sistema, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de orifício variável, uma válvula de cabeçote móvel, uma válvula esférica, uma válvula de contrapressão ou uma válvula rotativa de guilhotina e, preferencialmente, a válvula de descarga acionada por pressão compreende uma válvula de cabeçote móvel.
  42. 42. Sistema, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a válvula de descarga acionada por pressão é conectada a um atuador e, opcionalmente, o atuador usa força pneumática, força hidráulica, força eletromecânica ou uma combinação destas e, opcionalmente, o atuador é acoplado operacionalmente a uma unidade de controle de contrapressão.
  43. 43. Sistema, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle de contrapressão está acoplada operacionalmente a um ou mais medidores de pressão e, opcionalmente, pelo menos um dos um ou mais medidores de pressão monitoram a pressão dentro da zona de reação.
  44. 44. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tambor compreende ainda uma ou mais portas compreendendo um medidor de temperatura, um medidor de pressão ou uma combinação destes.
  45. 45. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o tambor compreende ainda um tanque de expansão e, opcionalmente, o tanque de expansão coleta a composição de biomassa pré-tratada à medida que ela sai pela válvula de descarga acionada por pressão.
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