BR112020010895A2

BR112020010895A2 - método para produzir solução sacarificada através de técnica enzimática usando biomassa celulósica como matéria-prima

Info

Publication number: BR112020010895A2
Application number: BR112020010895-2A
Authority: BR
Inventors: Takashi Nishino; Noriaki Izumi; Hironori Tajiri; Shoji Tsujita; Asuka ODA; Manabu Masamoto; Yusuke Waratani
Original assignee: Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-11-17
Also published as: CN111406109A; EP3725889A1; AU2018384198A1; WO2019117080A1; US20200332328A1; JP2019103416A

Abstract

A presente invenção refere-se ao fornecimento de um método de produção de uma solução sacarificada, em que a biomassa celulósica é solubilizada por hidrólise enzimática da celulose contida na biomassa celulósica, o método sendo adaptado para rapidamente solubilizar a biomassa, e dar uma pasta fluida, enquanto mantém uma alta concentração de sólidos em um frasco de reação. A biomassa pulverizada e uma solução aquosa, contendo a enzima hidrolisando celulose, são misturadas em um frasco de reação não incluindo nenhuma placa defletora disposta no seu interior, e a biomassa celulósica é solubilizada sob agitação. Mais tarde, os conteúdos do frasco de reação são transferidos para outro frasco de reação, incluindo uma placa defletora disposta no seu interior, e a hidrólise enzimática da celulose é deixada prosseguir. A concentração de sólidos no primeiro frasco de reação é preferivelmente 15 a 30% em massa. A eficiência da agitação durante a hidrólise enzimática da celulose é intensificada, e desse modo a quantidade de produção de açúcar pode ser aumentada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO PARA PRODUZIR SOLUÇÃO SACARIFICADA ATRAVÉS

DE TÉCNICA ENZIMÁTICA USANDO BIOMASSA CELULÓSICA COMO MATÉRIA-PRIMA”. Campo Técnico

[001] A presente invenção refere-se a um método usado para produzir uma substância bioquímica, tal como etanol (bioetanol) ou ácido poliláctico de açúcares, através de uma técnica de fermentação, tal como fermentação alcoólica ou fermentação de ácido lático, e particularmente a um método para produzir uma solução sacarificada por biomassa celulósica hidrolisante com uma enzima hidrolítica. Técnica Anterior

[002] No contexto de aplicações de energia de biomassa, existe uma tentativa para produzir uma solução sacarificada por celulose, ou hemicelulose hidrolisante, que é um constituinte principal de plantas, e obtém etanol submetendo os açúcares da solução sacarificada para fermentação alcoólica. O objetivo planejado desta tentativa é o uso do etanol obtido como combustível, tal como, tipicamente, o uso como parte de uma mistura de combustível automotivo, ou como uma alternativa para gasolina.

[003] Hoje em dia, uma técnica é também industrialmente usada que consiste em: produzir ácido L-láctico submetendo à fermentação por ácido lático, uma solução sacarificada resultante da hidrólise de celulose ou hemicelulose; e polimerizando o ácido L-láctico para produzir ácido poliláctico, que é um tipo de polímero bio-baseado. O ácido poliláctico está atraindo a atenção como um plástico biodegradável.

[004] Os principais constituintes de plantas incluem celulose (um polímero de glicose, que é um monossacarídeo C6 contendo seis átomos de carbono), hemicelulose (um polímero de um monossacarídeo C5, contendo cinco átomos de carbono e um monossacarídeo C6), lignina e amido. Etanol é produzido usando como uma matéria-prima um açúcar, tal como um monossacarídeo C5, um monossacarídeo C6, ou um oligossacarídeo, que é uma combinação de monossacarídeos C5 e C6, e expondo a matéria-prima à atividade de fermentação de um microrganismo tal como um fungo de levedura.

[005] O três métodos a seguir estão sendo considerados para uso industrial, em hidrólise de biomassa celulósica tal como celulose ou hemicelulose em açúcares: 1) um método em que a biomassa celulósica é hidrolisada, através da energia oxidante de um ácido forte tal como ácido sulfúrico; 2) um método em que a biomassa celulósica é hidrolisada com uma enzima; 3) um método utilizando a energia oxidante de água supercrítica ou água subcrítica. Entre esses métodos, o método de hidrólise enzimática 2), embora requerendo um tempo de hidrólise mais longo do que os outros métodos de hidrólise, tem as vantagens de envolver um custo mais baixo do equipamento de produção e um custo mais baixo de operação, possibilitando o processo prosseguir em temperatura e pressão normais, e tendo uma possibilidade menor de hidrólise de açúcar excessiva.

[006] A Literatura de Patente 1 declara que, quando a biomassa lignocelulósica é submetida à remoção de lignina, ou tratamento de dilatação (inchaço), é transportada para uma câmara de reação para reação de sacarificação enzimática, por meio de tal recipiente de transporte, a biomassa lignocelulósica pode ser contaminada com bactéria, durante a transferência para o recipiente de transporte, e que açúcares produzidos pela reação de sacarificação enzimática da biomassa lignocelulósica contaminada, serão consumidos pela bactéria.

[007] Para solucionar este problema, a Literatura de Patente 1 revela um método para processamento da biomassa lignocelulósica, através do pré-tratamento da biomassa lignocelulósica em uma câmara de reação, e depois transferindo a biomassa para outra câmara de reação, para a sacarificação enzimática render uma solução de açúcar. O método inclui: uma etapa de pré-tratamento de pré-tratar a biomassa lignocelulósica em uma primeira câmara de reação, para dissociar a lignina da biomassa lignocelulósica, ou intensificar a biomassa lignocelulósica, desta maneira rendendo um primeiro produto processado; uma primeira etapa de tratamento de sacarificação, submetendo o primeiro produto processado produzido na etapa de pré-tratamento, à uma reação de sacarificação enzimática parcial, em uma segunda câmara de reação, para render um produto processado fluido; uma etapa de transferência de transferir o segundo produto processado, produzido na primeira etapa do tratamento de sacarificação, para uma terceira câmara de reação, sem contatar o segundo produto processado com o ar do lado de fora; e uma segunda etapa do tratamento de sacarificação de submeter o segundo produto processado transferido na etapa de transferir para uma reação de sacarificação enzimática, na terceira câmara de reação para render uma solução de açúcar.

[008] A Literatura de Patente 2 revela um processo de hidrólise de biomassa lignocelulósica, que não necessita cisalhamento e pode hidrolisar celulose em um tempo muito curto. O processo inclui as etapas de: A) contatar uma matéria-prima alimentícia lignocelulósica, a matéria-prima alimentícia compreende biomassa tendo um conteúdo seco e água, com pelo menos uma porção de um solvente, o solvente compreende espécies hidrolisadas solúveis na água, em que pelo menos algumas das espécies hidrolisadas solúveis na água, são as mesmas que as espécies hidrolisadas solúveis na água, que podem ser obtidas de hidrólise da biomassa na matéria-prima alimentícia; e B)

mantendo o contato entre a matéria-prima alimentícia, do fluxo de matéria-prima alimentícia, e o solvente, a uma temperatura na faixa de 20 a 200° C, por um tempo na faixa de 5 minutos a 72 horas, a fim de criar um produto hidrolisado da biomassa na matéria-prima alimentícia.

[009] A Literatura de Patente 3 revela um método para produzir açúcares, incluindo glicose como o principal constituinte, através de uma reação de sacarificação enzimática, o método sendo adaptado para aumentar a produção dos açúcares, mesmo se a quantidade de enzima usada é pequena. Especificamente, o método é um método para produzir açúcares, incluindo glicose como o principal constituinte, através da hidrolisação de celulose e/o hemicelulose, com uma enzima hidrolisando celulose, o método incluindo: misturar celulose e/ou hemicelulose com uma solução de enzima aquosa, contendo uma enzima hidrolisando celulose, para preparar uma mistura de celulose e/ou hemicelulose, e a solução de enzima aquosa; e agitando a mistura em uma câmara de reação, para realizar a reação de sacarificação enzimática, em que a celulose e/ou hemicelulose é sacarificada com a enzima hidrolisando celulose, em que uma energia de agitação Y (W/m3) aplicada para a mistura, e uma percentagem X (% em w/v) da celulose e/ou hemicelulose, adicionada à solução de enzima aquosa, satisfaz a relação a seguir: Y  −0.0125X2 + 1.195X +

23.25.

[010] Quando a celulose contida na biomassa celulósica é hidrolisada com uma enzima hidrolítica, tal como celulase, é ideal preparar uma solução aquosa contendo celulose em uma concentração tão alta quanto possível, e submeter a solução aquosa à hidrólise para produzir uma solução sacarificada altamente concentrada. Entretanto, quando a concentração de sólidos (concentração de biomassa) no frasco de reação é alta, no início da hidrólise de celulose, a agitação dos conteúdos do frasco de reação é difícil, devido à alta viscosidade dos conteúdos. O uso de um dispositivo de agitação, capaz de aplicar energia de agitação alta, possibilita aumento no custo do equipamento e no custo da operação. A Literatura de Patente 4 revela uma técnica para solucionar tal problema, e a técnica é um método de produção de solução sacarificada, em que a biomassa celulósica é solubilizada através de hidrólise enzimática da celulose contida na biomassa celulósica, o método sendo adaptado para rapidamente realizar a solubilização da biomassa celulósica e dar uma pasta fluida, enquanto mantem uma alta concentração dos sólidos em um frasco de reação, no início da hidrólise enzimática. Neste método de produção, no início da mistura de biomassa celulósica pulverizada, e uma solução aquosa contendo celulose hidrolisando enzima em um frasco de reação, a solução aquosa é primeiro derramada no frasco de reação, e subsequentemente a biomassa celulósica pulverizada é introduzida passo a passo, enquanto os conteúdos do frasco de reação são agitados. Lista de Citação Literatura de Patente

[011] PTL 1: WO 2011/142290

[012] PTL 2: Fase Nacional Japonesa PCT Aberto à Inspeção Pública Publicação No. 2012-521778

[013] PTL 3: Pedido de Patente Japonesa Aberto à Inspeção Pública Publicação No. 2012-139144

[014] PTL 4: Pedido de Patente Japonesa Aberto à Inspeção Pública Publicação No. 2017-139973 Sumário da Invenção Problema Técnico

[015] Como estabelecido acima, quando a celulose contida na biomassa celulósica é hidrolisada com uma enzima hidrolítica, tal como celulase, é ideal preparar uma solução aquosa contendo celulose tão alta quanto possível, e submeter a solução aquosa à hidrólise a fim de produzir uma solução sacarificada altamente concentrada, mas neste caso a agitação dos conteúdos do frasco de reação é difícil, devido à alta viscosidade dos conteúdos. A agitação insuficiente dos conteúdos do frasco de reação, leva a um aumento no tempo requerido para hidrolisar parte da celulose contida na biomassa celulósica, e solubilizar a biomassa celulósica.

[016] As Literaturas de Patentes 1 a 3 são silenciosas sobre como abordar a solubilização de biomassa celulósica, no início da hidrólise enzimática de celulose. A Literatura de Patente 4 deixa de mencionar o tipo de frasco de reação. Um objetivo da presente invenção é fornecer um método de produção de solução sacarificada, em que a biomassa celulósica é solubilizada pela hidrólise enzimática da celulose contida na biomassa celulósica, o método sendo adaptado para melhorar a eficiência da hidrólise enzimática da biomassa celulósica, enquanto mantém uma alta concentração de sólidos em um frasco de reação, e desta maneira aumenta a quantidade de produção de açúcar. Solução para o Problema

[017] Para solucionar os problemas como mencionado acima, os presentes inventores conduziram estudos intensivos. Nestes estudos, os inventores tentaram um método em que um frasco de reação, não incluindo nenhuma placa defletora disposta no seu interior, é usado quando pulverizando a biomassa celulósica, e uma solução aquosa, contendo uma enzima hidrolisando celulose, são misturados para solubilização da biomassa celulósica e em que, depois da viscosidade dos conteúdos do frasco de reação ser reduzida com o progresso da solubilização, os conteúdos são transferidos para outro frasco de reação, incluindo uma placa defletora disposta no seu interior. Como um resultado, os inventores descobriram que, depois da solubilização que reduz a viscosidade dos conteúdos do frasco de reação, a agitação dos conteúdos do frasco de reação pode ser promovida através da presença da placa defletora no frasco de reação, para melhorar a eficiência de hidrólise da celulose, sem ter que usar um dispositivo de agitação especializado. Desse modo, os inventores completaram a presente invenção.

[018] Em particular, a presente invenção refere-se à um método de produção da solução sacarificada, para obter uma solução sacarificada por hidrólise enzimática de biomassa celulósica, o método incluindo as etapas de:

[019] A) hidrolisar a hemicelulose contida na biomassa celulósica por tratamento de água quente, ou com uma enzima hidrolisando hemicelulose;

[020] B) misturar um resíduo sólido, do qual a hemicelulose foi removida, com uma solução aquosa contendo uma enzima hidrolisando celulose, em um primeiro frasco de reação, ajustando a mistura resultante à concentração de sólidos de 15 a 30% em massa, e depois agitando a mistura com um primeiro dispositivo de agitação, disposto em um interior do primeiro frasco de reação, para solubilizar o resíduo sólido do qual a hemicelulose foi removida;

[021] C) transferir os conteúdos do primeiro frasco de reação para um segundo frasco de reação, depois da etapa B, e agitando os conteúdos do segundo frasco de reação, com um segundo dispositivo de agitação, disposto em um interior do segundo frasco de reação, a fim de possibilitar a reação de hidrólise prosseguir; e

[022] D) retirar uma pasta fluida obtida como um resultado da reação de hidrólise, a partir do segundo frasco de reação, em que

[023] o primeiro frasco de reação não inclui placa defletora disposta no interior do mesmo, e

[024] o segundo frasco de reação inclui uma placa defletora disposta no interior do mesmo.

[025] Preferivelmente, a etapa B é continuada por um tempo de 5 minutos a 24 horas, enquanto os conteúdos do primeiro frasco de reação são mantidos a uma temperatura de 20 a 90 C. Preferivelmente, a etapa C é continuada por um tempo de 5 minutos a 120 horas, enquanto os conteúdos do segundo frasco de reação são mantidos a uma temperatura de 20 a 90 C.

[026] Preferivelmente, o primeiro dispositivo de agitação inclui uma pluralidade de impulsores dispostos, pelo menos, no interior do primeiro frasco de reação, e o segundo dispositivo de agitação inclui um único impulsor, disposto pelo menos no interior do segundo frasco de reação.

[027] Preferivelmente, cada um do primeiro dispositivo de agitação e do segundo dispositivo de agitação, inclui um impulsor selecionado do grupo consistindo em um impulsor de fita helicoidal, um impulsor de fita helicoidal dupla, um impulsor Maxblend, um impulsor de pá inclinada, e um impulsor de âncora, e o impulsor do primeiro dispositivo de agitação é rodado a uma velocidade de ponta de impulsor de 0,5 a 5,0 m/s.

[028] O método de produção de solução sacarificada da presente invenção, pode ainda incluir uma etapa A1 de remover lignina contida na biomassa celulósica antes da etapa B. Efeitos Vantajosos da Invenção

[029] Com o método de produção de solução sacarificada da presente invenção, o processo de hidrólise da celulose contida na biomassa pulverizada, pode ser eficientemente realizado. Breve Descrição dos Desenhos

[030] A FIGURA 1 mostra um fluxo básico de um processo de produção de uma solução sacarificada, de biomassa celulósica, por uma técnica enzimática.

[031] As FIGURAS 2A e 2B são diagramas de configuração esquemática, mostrando exemplos de um primeiro frasco de reação.

[032] As Figuras 3A e 3B são diagramas de configuração esquemática, mostrando exemplos de um segundo frasco de reação.

[033] A FIGURA 4 é um gráfico plotado, para uma relação entre o tempo de agitação e a concentração de açúcar, de uma solução sacarificada em um exemplo experimental. Descrição das Modalidades

[034] Uma modalidade da presente invenção será descrita com referência aos desenhos. A FIGURA 1 mostra um fluxo básico de um processo de produção de uma solução sacarificada, de biomassa celulósica por uma técnica enzimática.

[035] Etapa de pré-tratamento

[036] Primeiro, a biomassa celulósica (daqui em diante referida como “biomassa”), tal como bagaço de cana de açúcar, é grosseiramente pulverizada com um triturador ou moedor. A biomassa celulósica é preferivelmente pulverizada em peças, com um diâmetro médio de 10 a 100 mm. A biomassa pulverizada grosseiramente pode ser submetida ao tratamento de fragmentação, usando uma solução aquosa de um hidróxido de metal tal como hidróxido de sódio. Se o tratamento de fragmentação é realizado, parte da lignina contida no bagaço é removida, e a reatividade de celulose e hemicelulose com enzimas, é aumentada. Neste caso, a biomassa submetida ao tratamento de fragmentação é neutralizada com um ácido.

[037] Em vez do tratamento de fragmentação usando uma solução aquosa de um hidróxido de metal, o tratamento de explosão a vapor usando um dispositivo de tratamento de explosão, pode ser realizado a 200 a 240 C e 1,5 a 4 MPa por 1 a 15 minutos (preferivelmente a 225 a 230 C e 2,5 a 3 MPa por 1 a 5 minutos), a fim de realizar a sacarificação de um componente de hemicelulose na biomassa, e remoção parcial de lignina da biomassa. A biomassa tratada pelo dispositivo de tratamento de explosão (daqui em diante referido como “produto de explosão tratado”), contém uma solução sacarificada C5 derivada de hemicelulose, lignina dissolvida, e um resíduo sólido. Quando a solução sacarificada C5 deve ser submetida à fermentação de açúcar hemicelulósico, separadamente da solução sacarificada C6, o produto de explosão tratado é submetido à separação de líquido – sólido, com meios tal como um filtro de pressão, e separado em uma solução tratada por explosão e o resíduo sólido. O resíduo sólido pode ser lavado com água, quando necessário para coletar açúcares contidos no resíduo sólido. Quando a fermentação de açúcar C5 e a fermentação de açúcar C6 são realizadas simultaneamente, a separação de sólido líquido pode ou não pode ser conduzida.

[038] Quando o tratamento por explosão é realizado, o resíduo sólido obtido através do tratamento por explosão, pode ser lavado com água para remover açúcares, e lignina dissolvida, e pode depois ser submerso em uma solução de etanol aquoso, tendo uma concentração de etanol de 30% ou mais, preferivelmente 50% ou mais, em temperatura normal por um tempo de 0,5 a 48 horas, preferivelmente 1 a 24 horas, para dissolver e remover lignina cobrindo celulose. Depois da imersão de etanol, o resíduo sólido é submetido ao tratamento de remoção de etanol com meios mecânicos, ou por aquecimento, ou aquecimento sob pressão reduzida. Quando a solução de etanol aquosa é usada tendo uma alta concentração, o resíduo sólido pode ser lavado com água, antes do tratamento de remoção de etanol.

[039] Hidrólise de hemicelulose (sacarificação)

[040] A hemicelulose contida na biomassa celulósica, pode ser hidrolisada com uma enzima hidrolisando hemicelulose tal como hemicelulase, ou pode ser alternativamente hidrolisada usando água quente de pressão alta (tratamento por água quente). Hidrólise usando água quente de pressão alta em 140 a 180 C, pode hidrolisar hemicelulose em açúcares (principalmente monossacarídeos C5). Quando a biomassa tem um conteúdo de hemicelulose alto, o tratamento em temperatura alta provoca a hidrólise excessiva dos monossacarídeos C5 em ácidos orgânicos etc. Desse modo, o tratamento de hidrólise é preferivelmente realizado sob condições relativamente suaves.

[041] É considerado preferível, quando a hemicelulose é hidrolisada usando água quente de pressão alta, para adicionar um ácido tal como ácido fosfórico ou ácido clorídrico como um catalisador. Quando a hemicelulose é hidrolisada com uma enzima hidrolisando hemicelulose, uma enzima comercialmente disponível pode ser usada, ou um microrganismo que produz hemicelulase pode ser usado.

[042] Separação sólido-líquido 1

[043] A hidrólise de hemicelulose é seguida pela separação sólido-líquido 1, para separar um resíduo sólido 1 e uma solução sacarificada 1 (solução sacarificada C5) um do outro.

[044] Fermentação de açúcar C5

[045] Uma levedura é adicionada à solução sacarificada 1, na qual a fermentação de açúcar hemicelulósico prossegue, a fim de dar um álcool (líquido de fermentação 1).

[046] Hidrólise de celulose (sacarificação)

[047] Ao resíduo sólido 1 são adicionadas água e uma enzima hidrolisando celulose, tal como celulase, e desse modo a celulose contida no resíduo sólido 1 é hidrolisada. Quando a celulose é hidrolisada com uma enzima hidrolisando celulose, uma enzima comercialmente disponível pode ser usada, ou um microrganismo que produz celulase pode ser usado.

[048] Separação de sólido-líquido 2

[049] A hidrólise de celulose é seguida pela separação sólido- líquido 2, a fim de separar um resíduo sólido 2 e uma solução sacarificada 2 (solução sacarificada C6) um do outro. O resíduo sólido é lavado com água, quando necessário para coletar açúcares C6, e depois descartado.

[050] Fermentação de açúcar C6

[051] Uma levedura é adicionada à solução sacarificada 2, na qual a fermentação de açúcar celulósico prossegue, para dar um álcool (líquido de fermentação 2).

[052] Embora na FIGURA 1 a fermentação de açúcar C5 e a fermentação de açúcar C6, sejam realizadas independentemente uma da outra, a solução sacarificada 1 e a solução sacarificada 2 podem ser misturadas, e a fermentação de açúcar C5 e fermentação de açúcar C6, podem ser deixadas para prosseguir simultaneamente na mistura das soluções sacarificadas. Destilação e desidratação

[053] Os líquidos de fermentação alcoólica (líquido de fermentação 1 e líquido de fermentação 2), resultantes de fermentação alcoólica das soluções sacarificadas C5 e C6, são distribuídos para um dispositivo de destilação, em que os líquidos de fermentação são destilados para dar etanol. O etanol resultante é desidratado com um agente de desidratação de etanol conhecido, ou dispositivo de desidratação de etanol, e o etanol desidratado é expedido como um produto final (bioetanol).

[054] Na FIGURA 1, a separação sólido-líquido 1 ou separação sólido-líquido 2 pode ser pulada, e a fermentação de açúcar hemicelulósica e fermentação de açúcar celulósica, podem ser realizadas com o resíduo sólido permanecendo na solução sacarificada.

Etapa A

[055] Daqui em diante, as etapas do método de produção da solução sacarificada da presente invenção serão descritas. Primeiro, a biomassa celulósica é grosseiramente pulverizada, e depois a hemicelulose contida na biomassa celulósica pulverizada é hidrolisada por tratamento de água quente, ou com uma enzima hidrolisando hemicelulose. A etapa A é seguida por uma separação de sólido- líquido, usando um dispositivo de separação de sólido-líquido para separar uma solução sacarificada C5 e um resíduo sólido, um do outro. Etapa B

[056] Em seguida, o resíduo sólido, do qual a hemicelulose foi removida, é misturado com uma solução aquosa contendo a enzima hidrolisando celulose, em um primeiro frasco de reação. O primeiro frasco de reação não inclui placa defletora disposta no seu interior. A superfície de fundo do primeiro frasco de reação pode ser plana, cônica, ou côncava, e o material, dimensões, e outras propriedades do frasco podem ser selecionadas como apropriado, dependendo da quantidade de biomassa celulósica a ser processada.

[057] No interior do primeiro frasco de reação, uma pluralidade de impulsores de um dispositivo de agitação, são dispostos pelo menos em uma região em que os impulsores podem contatar os conteúdos do frasco. A proporção do diâmetro de rotação dos impulsores para o diâmetro interno do primeiro frasco de reação, é preferivelmente grande. Cada impulsor do dispositivo de agitação é preferivelmente um impulsor de fita helicoidal, um impulsor de fita helicoidal dupla, um impulsor Maxblend, um impulsor de pá inclinada, ou um impulsor de âncora. A pluralidade de impulsores do dispositivo de agitação pode ser do mesmo tipo ou de tipos diferentes. Os impulsores são preferivelmente rodados a uma velocidade da ponta do impulsor de 0,5 a 5,0 m/s.

[058] As FIGURAS 2A e 2B são diagramas de configuração esquemáticos, mostrando exemplos do primeiro frasco de reação, apropriados para realizar a etapa B. Um primeiro frasco de reação 1 mostrado na FIGURA 2A, inclui impulsores 3 e 4 e tem uma superfície de fundo côncava 5. A superfície de fundo 5 pode ser plana. Um eixo rotativo 6 é rodado por um motor M, montado na superfície de topo do frasco de reação 1.

[059] Um primeiro frasco de reação 11, mostrado na FIGURA 2B, inclui os impulsores 13a, 13b, e 14. Os impulsores 13a e 13b são do mesmo tipo. O primeiro frasco de reação 11 tem uma superfície de fundo cônica 15. Um eixo rotativo 16 é rodado por um motor M, montado na superfície de topo do frasco de reação 11.

[060] Dentro do primeiro frasco de reação são introduzidos uma solução aquosa contendo a celulose hidrolisando enzima, e um resíduo sólido do qual a hemicelulose foi removida. Uma quantidade necessária de água pode ser primeiro introduzida no frasco, e depois a enzima hidrolisando celulose pode ser adicionada e misturada com a água, a fim de preparar a solução aquosa da enzima hidrolisando celulose. A concentração de sólidos no frasco de reação é ajustada, de maneira que a concentração final é 15 a 30% em massa. Mais tarde, os conteúdos do frasco são agitados pelos impulsores do dispositivo de agitação por 5 minutos a 24 horas. Através desse processo, o resíduo sólido (biomassa celulósica) do qual a hemicelulose foi removida, é solubilizado.

[061] A etapa B é preferivelmente continuada até os conteúdos do primeiro frasco de reação atingirem uma fluidez alta o suficiente, para possibilitar a distribuição por uma bomba centrífuga (tipicamente, até a viscosidade dos conteúdos diminui para 300 cp ou menos). Depois desta etapa, os conteúdos do primeiro frasco de reação são transferidos por uma bomba, ou pneumaticamente, para um segundo frasco de reação, conectado ao primeiro frasco de reação através de um tubo, o segundo frasco de reação incluindo uma placa defletora disposta no seu interior. O segundo frasco de reação pode ter a mesma estrutura que o primeiro frasco de reação, exceto que o segundo frasco de reação inclui uma placa defletora e, pelo menos, um impulsor que é disposto no seu interior.

[062] A etapa B é preferivelmente precedida por uma etapa A1 de submeter o resíduo sólido, do qual a hemicelulose foi removida, para o tratamento de fragmentação, ou tratamento a vapor por explosão, descritos acima, e desta maneira removendo lignina do resíduo sólido. A etapa A1 pode ser realizada antes da etapa A, ou entre a etapa A e a etapa B. Etapa C

[063] Os conteúdos do segundo frasco de reação (uma mistura do resíduo sólido do qual a hemicelulose foi removida, e a solução aquosa contendo a enzima hidrolisando celulose) são agitados pelo dispositivo de agitação, a fim de possibilitar uma reação de hidrólise prosseguir, até a maior parte de celulose contida ser convertida para glicose (em outras palavras, até a reação de hidrólise de celulose dos conteúdos do frasco de reação estar completa). Na etapa C, a agitação é realizada por um tempo de 5 minutos a 120 horas, enquanto os conteúdos do frasco de reação são ajustados para uma temperatura de 20 a 90 C. Na etapa C, a celulose contida no resíduo sólido é hidrolisada, e os conteúdos do frasco de reação são formados em uma pasta fluida.

[064] As FIGURAS 3A e 3B são diagramas de configuração esquemática, mostrando exemplos do segundo frasco de reação. Um segundo frasco de reação 21, mostrado na FIGURA 3a tem uma parede interna, na qual as placas defletoras 27a e 27b são montadas.

As placas defletoras podem ser dispostas em quaisquer outros locais, que ficam dentro do segundo frasco de reação 21, e nos quais as placas defletoras podem contatar os conteúdos do frasco durante a agitação. Embora seja preferível montar uma pluralidade de placas defletoras, somente uma única placa defletora pode ser montada, se a placa defletora pode intensificar a eficiência de agitação dos conteúdos. As dimensões das placas defletoras podem ser quaisquer dimensões comumente empregadas para uso em frascos de reação. Tais dimensões são especificadas, por exemplo, em “Kagaku Kogaku Binran (Manual de Engenharia Química)” editado pela Sociedade de Engenheiros Químicos, Japão (The Society of Chemical Engineers).

[065] A placa defletora disposta no segundo frasco de reação, pode ter uma forma similar àquela das placas defletoras comumente usadas em frascos de reação. Por exemplo, a largura da placa defletora é cerca de 1/12 a 1/10 do diâmetro interno do frasco de reação, e a espessura da placa defletora é 6 mm ou mais, em vista da resistência mecânica. Quaisquer outras limitações não são impostas sobre as dimensões, material, e outras propriedades da placa defletora.

[066] Um segundo frasco de reação 31 mostrado na FIGURA 3B, inclui uma placa defletora 38, suspensa de uma superfície de topo 37. A placa defletora 38 não está em contato com a parede interna do segundo frasco de reação 31. Enquanto na FIGURA 3B a placa defletora 38 é disposta somente no lado esquerdo da figura, outra placa defletora pode ser disposta no lado direito da figura, de tal maneira que as duas placas defletoras são localizadas simetricamente. Três ou mais placas defletoras podem ser dispostas.

[067] Na etapa C, os conteúdos do frasco têm uma viscosidade de 300 cp ou menos, que é menor do que aquela na etapa B. Se uma placa defletora é disposta no primeiro frasco de reação para a etapa B,

os sólidos vão ser prontamente depositados na placa defletora, e o fluxo dos conteúdos do frasco, desse modo, vão ser impedidos pela placa defletora, de maneira que a eficiência da agitação dos conteúdos do frasco será reduzida. Em contraste, para o segundo frasco de reação da etapa C, a disposição da placa defletora no interior do frasco fornece a seguinte vantagem: quando os conteúdos do frasco são agitados, para provocar um fluxo turbulento com um baixo número de Reynolds, não só um fluxo girando na direção horizontal, mas um fluxo de convecção na direção vertical, são gerados nos conteúdos do frasco, e a eficiência da agitação nos conteúdos do frasco pode ser intensificada. Consequentemente, a redução na taxa de reação de hidrólise enzimática de celulose pode ser impedida. Etapa D

[068] Depois da etapa C, a pasta fluida é retirada do segundo frasco de reação. A pasta fluida retirada é submetida à separação de sólido-líquido, como necessário para separar a pasta fluida dentro de um resíduo sólido e uma solução sacarificada C6. A solução sacarificada C6, só ou misturada com a solução sacarificada C5, é submetida à fermentação de etanol, ou fermentação por ácido lático, como uma matéria-prima para bioetanol ou ácido bio-láctico. Exemplo experimental

[069] 167 g de biomassa de cana de açúcar pulverizada, tendo um teor de água de 10%, e 333 g de água foram colocadas em um frasco de pressão, e a mistura foi ajustada para um pH de 3 com ácido fosfórico. O ajuste do pH foi seguido pelo tratamento por água quente em 1.1 MPaG e 180 C por 10 minutos, e o resíduo tratado por águia quente foi desidratado, usando papel de filtragem e um aspirador, e desse modo ajustado para um teor de água de 30%. Para o desidratado, o resíduo tratado por água quente com um peso úmido de 25 g, foram adicionadas 20 g de uma solução de tampão de ácido cítrico de 0,05 M, 1 g, de uma solução de celulase aquosa comercialmente disponível (unidade de papel de filtro final: 15 FPU/mg-biomassa), e 4 g de água, e a mistura com um peso total de 50 g foi colocada em um frasco de parafuso com um volume total de 100 mL.

[070] Mais tarde, o frasco de parafuso foi colocado em um termostado agitador ajustado para 50 C, e a reação foi deixada para prosseguir por 72 horas. Os teores do frasco de parafuso correspondem aos conteúdos do segundo frasco de reação na etapa C. Dois testes foram conduzidos para comparação, variando a taxa de agitação; em um teste, a taxa de agitação foi estabelecida para 150 rpm, de maneira que os sólido, quando visualmente observados, foram dispersados uniformemente (este teste corresponde ao caso em que uma placa defletora é disposta), enquanto em outro teste a taxa de agitação foi estabelecida para 75 rpm, de maneira que os sólidos foram colocados no fundo frasco (este teste corresponde ao caso em que nenhuma placa defletora é disposta).

[071] A FIGURA 4 é um gráfico plotado para a relação entre o tempo de agitação e a concentração e o açúcar da solução sacarificada (os conteúdos do frasco de parafuso). É observado que a concentração de açúcar, em um tempo de agitação de 72 horas, foi cerca de 40% maior para 150 rpm do que para 75 rpm.

[072] Desse modo, foi demonstrado que, quando na etapa C, uma placa defletora é disposta no frasco de reação para intensificar a eficiência da agitação dos conteúdos do frasco de reação, a quantidade de produção de açúcar pode ser notadamente aumentada, sem o uso de um dispositivo dispendioso e sem um aumento no custo de funcionamento. Aplicabilidade Industrial

[073] O método de produção da solução sacarificada da presente invenção, é benéfico como um método de produção de solução sacarificada, para uso no campo de substâncias bioquímicas, tais como bioetanol e ácido bio-láctico.

Lista de Sinais de Referência 1, 11: primeiro frasco de reação 2: conteúdos do primeiro frasco de reação 3: impulsor (impulsor superior) 4: impulsor (impulsor inferior) 5: superfície de fundo côncava 6: eixo rotativo do primeiro dispositivo de agitação 13a: impulsor (impulsor superior) do primeiro dispositivo de agitação 13b: impulsor (impulsor central) do primeiro dispositivo de agitação 14: impulsor (impulsor inferior) do primeiro dispositivo de agitação 15: superfície de fundo cônica 21, 31: segundo frasco de reação 22: conteúdos do segundo frasco de reação 26: eixo rotativo do segundo dispositivo de agitação 27a, 27b, 38: placa defletora 33a: impulsor (impulsor superior) do segundo dispositivo de agitação 33b: impulsor (impulsor central) do segundo dispositivo de agitação 34: impulsor (impulsor inferior) do segundo dispositivo de agitação 37: superfície de topo do segundo frasco de reação M: motor

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método da produção de solução sacarificada para obter uma solução sacarificada por hidrólise enzimática de biomassa celulósica, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: A) hidrolisar a hemicelulose contida na biomassa celulósica pelo tratamento por água quente, ou com uma enzima hidrolisando hemicelulose; B) misturar um resíduo sólido, do qual a hemicelulose foi removida, com uma solução aquosa contendo uma enzima hidrolisando celulose em um primeiro frasco de reação, ajustando a mistura resultante para uma concentração de sólidos de 15 a 30% em massa, e depois agitando a mistura com um primeiro dispositivo de agitação, disposto em um interior do primeiro frasco de reação, para solubilizar o resíduo sólido, do qual a hemicelulose foi removida; C) transferir os conteúdos do primeiro frasco de reação para um segundo frasco de reação, depois da etapa B, e agitar os conteúdos do segundo frasco de reação, com um segundo dispositivo de agitação, disposto em um interior do segundo frasco de reação, para possibilitar a reação de hidrólise prosseguir; e D) retirar uma pasta fluida obtida como um resultado da reação de hidrólise, do segundo frasco de reação, em que o primeiro frasco de reação não inclui placa defletora disposta no interior do mesmo, e o segundo frasco de reação inclui uma placa defletora disposta no interior do mesmo.

2. Método de produção de solução sacarificada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro dispositivo de agitação inclui uma pluralidade de impulsores, dispostos pelo menos no interior do primeiro frasco de reação, e o segundo dispositivo de agitação inclui um único impulsor, disposto pelo menos no interior do segundo frasco de reação.

3. Método de produção da solução sacarificada, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada um do primeiro dispositivo de agitação e do segundo dispositivo de agitação inclui um impulsor selecionado do grupo consistindo em um impulsor de fita helicoidal, um impulsor de fita helicoidal dupla, um impulsor Maxblend, um impulsor de pá inclinada e um impulsor de âncora, e o impulsor do primeiro dispositivo de agitação é girado a uma velocidade de ponta de impulsor de 0,5 a 5,0 m/s.

4. Método de produção da solução sacarificada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma etapa A1, de remoção de lignina contida na biomassa celulósica antes da etapa B.

Petição 870200066976, de 29/05/2020, pág. 32/63 Levedura 1

Solução Líquido de Biomassa Hidrólise de Separação 1 de sacarificada 1 Fermentação fermentação 1 celulósica hemicelulose sólido-líquido de açúcar C5 (Matéria prima) Levedura 2 Resíduo sólido 1 Líquido de Destilação Solução fermenta- 1/4

Hidrólise de Separação 2 de sacarificada 2 Fermentação ção 2 celulose sólido-líquido de açúcar C6 Etanol Resíduo sólido 2 Descartar Desidratação Etanol desidratado (Bioetanol)

Concentração de açúcar [g/kg] 4/4

Tempo de agitação (hora)