BR112020012343A2 - processo de tratamento de biomassa lignocelulósica - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um processo de tratamento de uma biomassa lignocelulósica que compreende uma taxa de matéria seca de no máximo 80% em peso, o dito processo compreendendo o uso de pelo menos um reator (9, 14) de tratamento da dita biomassa, no qual é alimentado com biomassa o ou pelo menos um dos ditos reatores por um meio de alimentação (6, 11) que cria um aumento de pressão entre a entrada de biomassa e a saída de biomassa do dito meio de alimentação, no qual o dito meio de alimentação é lavado por circulação de um fluido de lavagem entre uma entrada de lavagem (7, 12) e uma saída de lavagem (8, 13). De acordo com o processo, uma parte pelo menos do fluido de lavagem (8, 13) que sai da saída de fluido do ou do pelo menos um dos meios de alimentação (6, 11) é reintroduzida na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PRO- CESSO DE TRATAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA".

[0001] Campo da Invenção

[0002] A presente invenção refere-se a um processo de tratamento de biomassa lignocelulósica para produzir sucos açucarados ditos de segunda geração (2G). Esses sucos açucarados podem ser utilizados para produzir outros produtos por via bioquímica (ex.: álcoois como o etanol, o butanol ou outras moléculas, por exemplo solventes tais como a acetona, etc...). Esse processo compreende geralmente três etapas que são a preparação de licor, a impregnação da biomassa e o pré- tratamento da biomassa impregnada, por exemplo por cozimento even- tualmente acoplado à explosão a vapor.

[0003] Técnica anterior

[0004] A biomassa lignocelulósica representa um dos recursos re- nováveis mais abundantes na terra. Os substratos considerados são bastante variados, eles concernem ao mesmo tempo substratos ligno- sos como diferentes madeiras (folhosas e resinosas), coprodutos pro- venientes da agricultura (palhas de trigo, sabugos de milho, etc...) ou outras indústrias agroalimentares, papeleiras, etc...

[0005] O processo de transformação bioquímica da lignocelulósica em sucos açucarados 2G compreende notadamente uma etapa de pré- tratamento e uma etapa de hidrólise enzimática por um coquetel enzi- mático. Esses processos compreendem também na maior parte das ve- zes uma etapa de impregnação antes do pré-tratamento. Os sucos açu- carados provenientes da hidrólise são em seguida tratados, por exem- plo por fermentação, e o processo compreende também etapas de se- paração e/ou uma etapa de purificação do produto final.

[0006] A biomassa lignocelulósica é composta por três principais polímeros: a celulose (35 a 50%), que é um polissacarídeo essencial- mente constituído por hexoses; a hemicelulose (20 a 30%), que é um polissacarídeo essencialmente constituído por pentoses; e a lignina (15 a 25%), que é um polímero de estrutura complexa e de alto peso mole- cular, composto de álcoois aromáticos ligados por ligações éter. Essas diferentes moléculas são responsáveis pelas propriedades intrínsecas da parede vegetal e se organizam em um emaranhado complexo.

[0007] Dentre os três polímeros de base que integram a biomassa lignocelulósica, a celulose e a hemicelulose são aqueles que permitem a produção de sucos açucarados 2G.

[0008] Na maior parte das vezes, a hemicelulose é majoritariamente decomposta em açúcar durante o pré-tratamento e a celulose é conver- tida em glicose pela hidrólise enzimática. No entanto, o acesso à celu- lose bruta permanece dificilmente acessível às enzimas, daí a necessi- dade de um pré-tratamento. Esse pré-tratamento permite modificar as propriedades físico-químicas da lignocelulósica a fim de melhorar a acessibilidade da celulose às enzimas e sua reatividade à hidrolise en- zimática.

[0009] Numerosas tecnologias que interessam à invenção para re- alizar esse pré-tratamento existem, que serão abaixo agrupadas sob o termo genérico de “cozimento”: cozimentos ácidos, cozimentos alcali- nos, explosão a vapor, processos ditos “organosolv pulping” de acordo com o termo inglês conhecido (ou tratamento com solvente orgânico em português). Esse último processo se refere a um pré-tratamento em pre- sença de um ou vários solventes orgânicos e geralmente de água. O solvente pode ser um álcool (etanol), um ácido de tipo ácido acético, ácido fórmico, ou ainda a acetona. Os processos “organosolv pulping” levam a uma solubilização pelo menos parcial da lignina, uma solubili- zação parcial das hemiceluloses. Tem-se então dois fluxos na saída: o substrato pré-tratado com celulose, hemicelulose e lignina residuais e a fase solvente que contém a linha solubilizada e uma parte das hemice-

luloses. Há geralmente uma etapa de regeneração do solvente que per- mite extrair um fluxo de lignina. Certos tratamentos “organosolv pulping” (notadamente com etanol) são acoplados com a adição de um ácido forte (do tipo H2SO4). É possível considerar também que se tenha uma colocação em contato da biomassa com o solvente via um reator de impregnação antes da fase se cozimento ou que se tenha uma coloca- ção em contato da biomassa com o catalisador ácido antes de efetuar um cozimento “organosolv pulping”.

[0010] Diferentes configurações são relatadas por exemplo no do- cumento “Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review”, M. Balat, Energy Conversion and Ma- nagement 52 (2011) 858-875, ou ainda no documento “Bioethanol pro- duction from agricultural wastes: an overview”, N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.

[0011] Um dos pré-tratamentos mais eficaz é a explosão a vapor em condição ácida, que permite uma hidrólise quase total da hemicelulose e uma grande melhoria da acessibilidade e da reatividade da celulose às enzimas. Esse pré-tratamento pode ser precedido por outro(s) trata- mento(s).

[0012] Todos esses pré-tratamentos se aplicam em biomassas que estão inicialmente sob a forma solida, o objetivo do pré-tratamento é desestruturar as mesmas.

[0013] Um dos pré-tratamento mais eficaz é a explosão a vapor que permite uma hidrólise quase total da hemicelulose e uma grande melho- ria da acessibilidade a da reatividade da celulose às enzimas. Esse pré- tratamento pode ser precedido por outro(s) tratamento(s).

[0014] As patentes US-8057639 e US-8512512 propõem um pro- cesso que compreende uma primeira etapa de hidrólise da hemicelulose em açúcares C5 em condições suaves que os preservam assim de sua degradação. Essa etapa é realizada em um primeiro reator sob uma pressão de 1.5 bar ou mais por injeção de vapor, a uma temperatura de 110ºC ou mais, e eventualmente em presença de ácido fraco. Depois dessa etapa, uma lavagem é realizada para extrair e recuperar os sucos de açucares C5 antes de enviar a biomassa restante, enriquecida em celulose e lignina, para uma segunda etapa (segundo reator) onde ocorre a explosão a vapor. Esse segundo reator opera a uma pressão mais elevada do que o primeiro reator com uma injeção de vapor em pressão elevada que provoca uma expansão brutal da biomassa (explo- são a vapor).

[0015] O pedido de patente WO-2013/141776 descreve, no domínio papeleiro, um processo de impregnação dentro de um reator (impreg- nador) vertical que contém licor básico de impregnação, que define as- sim uma primeira zona na qual a impregnação é efetuada. A matéria lignocelulósica é recebida na parte de baixo do impregnador, ela é trans- ferida para o alto do impregnador por meio de dois parafusos de trans- ferência. Por ocasião de sua transferência para a segunda zona do im- pregnador situada acima do nível do líquido, a biomassa escorre e o líquido cai de novo na primeira zona. Nessa configuração, o nível de líquido é controlado pelo aporte de líquido básico.

[0016] Uma vez que o tratamento exige uma etapa de pressão (im- pregnação, pré-tratamento do tipo cozimento ou outro), é necessário re- correr a meios de introdução de biomassa sólida compatíveis com essas etapas de pressão. Esse é por exemplo o caso dos parafusos de com- pressão, dos quais um modo de realização é descrito no pedido de pa- tente CA 2 77322.

[0017] A invenção tem então como objetivo melhorar o tratamento de biomassa lignocelulósica. Ela tem notadamente como objetivo me- lhorar a introdução da biomassa dentro de um reator que opera uma ou várias etapas do tratamento da biomassa.

[0018] Ela tem mais especialmente como objetivo melhorar as eta- pas de impregnação e de explosão a vapor da biomassa tais como des- critas nos documentos anteriores precitados. A invenção tem também como objetivo tornar o processo de tratamento, e notadamente essas duas etapas, mais notáveis, em termos de consumo de energia e/ou de fluido de tratamento.

[0019] Em todo o presente texto, o acrônimo “MS” designa a taxa de matéria seca que é medida de acordo com a norma ASTM E1756 – 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Bi- omass”.

[0020] Sumário da invenção

[0021] A invenção tem primeiramente como objeto um processo de tratamento de uma biomassa lignocelulósica ou de um substrato ligno- celulósico que compreende uma taxa de matéria seca MS de no máximo 90% em peso, o dito processo compreendendo o uso de pelo menos um reator de tratamento da dita biomassa, no qual é alimentado com bio- massa o ou pelo menos um dos ditos reatores por um meio de alimen- tação que cria um aumento de pressão entre a entrada de biomassa e a saída de biomassa do dito meio de alimentação, e no qual o dito meio de alimentação é lavado por circulação de um fluido de lavagem entre uma entrada de lavagem e uma saída de lavagem.

[0022] De acordo com a invenção, uma parte pelo menos do fluido de lavagem que sai da saída de fluido do ou do pelo menos um dos meios de alimentação é reintroduzida na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação.

[0023] De acordo com a invenção, é compreendido por “biomassa lignocelulósica que compreende uma taxa de matéria seca de X%”: ou uma biomassa que compreende naturalmente uma taxa de X% de ma- téria seca 9uma biomassa dita nativa), ou uma biomassa que apresenta essa taxa depois de uma ou várias operações prévias ao processo de acordo com a invenção.

[0024] De fato foi revelado bastante vantajoso “reciclar” assim a to- talidade ou parte da água de lavagem do meio de alimentação, que pode por exemplo ser um parafuso de alimentação: pelo menos, quando a biomassa não contém catalisador, é realizada uma economia em con- sumo de fluido (água) de lavagem. É possível também realizar uma eco- nomia em energia, quando essa água de lavagem deve ser aquecida antes de introdução no circuito de lavagem, pois é reinjetado então no circuito de lavagem um fluido “usado” que já tem uma temperatura acima do ambiente. E quando se trata da lavagem de um meio de ali- mentação com biomassa adicionada de um catalisador (por exemplo depois de uma operação de impregnação por um licor catalítico que uti- liza um catalisador ácido, básico ou oxidante), foi revelado que a água de lavagem na saída do meio de alimentação podia conter um certo teor em catalisador (quando a biomassa é submetida a uma extração líquida atravessando para isso o meio de alimentação), mas que essa presença de água de lavagem “usada” que contém por outro lado um catalisador na entrada do circuito de lavagem não apresentava nenhum problema.

[0025] Deve ser notado que a execução da invenção é simples: a instalação tem só que prever um ou vários condutos suplementares que asseguram a conexão fluídica direta entre a saída de lavagem e a en- trada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou entre a saída de lavagem de um meio de alimentação com a entrada de um outro meio.

[0026] É possível também, de acordo com a invenção, conservar a possibilidade de purgar a parte eventual de água de lavagem na saída que não é reciclada.

[0027] A biomassa lignocelulósica tratada de acordo com a inven- ção tem a taxa de matéria seca MS compreendida entre 5% e 80% em peso. De preferência, ela contém no máximo 75%, notadamente no má- ximo 70% ou 65% em peso, e notadamente menos de 50% em peso de matéria seca.

[0028] A biomassa tratada de acordo com a invenção apresenta portanto de preferência uma certa taxa de umidade antes de introdução no meio de alimentação. Essa água pode estar naturalmente presente, como é o caso por exemplo para uma biomassa sob a forma de plaque- tas de madeira. Ela pode também naturalmente estar em quantidade pequena ou muito pequena, como é o caso da palha de trigo ou de mi- lho. Se a taxa de umidade é muito pequena, a biomassa pode ser pre- viamente umidificada para atingir a taxa de matéria seca de no máximo 90 ou 80% desejável para a execução da invenção.

[0029] O meio de alimentação de acordo com a invenção coloca sob compressão a biomassa, seu objetivo sendo geralmente introduzir a bi- omassa em uma zona (um reator) de pressão mais alta. Essa compres- são, desse aumento de pressão dentro do meio de alimentação pode provocar uma extração, uma expulsão de uma parte pelo menos do lí- quido contido na biomassa, que vem eventualmente se mistura ao fluido de lavagem na saída de fluido do meio de alimentação. Uma extração opcional de uma parte pelo menos do líquido contida na biomassa por ocasião de sua passagem no ou em um dos meios de alimentação pode portanto ser realizada, que é uma consequência da escolha do meio de alimentação com biomassa.

[0030] Assim, a taxa de matéria seca da biomassa é alta, mais nos valores elevados da gama mencionada mais acima (por exemplo da or- dem de 70 ou 75% a 90%), não se terá ou se terá pouca extração de fluido dessa biomassa fora do meio de alimentação via a saída de fluido de lavagem, e a invenção permite sobretudo reciclar o fluido de lavagem injetado no meio de alimentação.

[0031] E se a taxa de matéria seca é menor, mais nos valores me- nores da gama mencionada mais acima (por exemplo abaixo de 70%, 65% ou mesmo abaixo de 50%), então se terá uma certa extração de fluido da biomassa, e a invenção permite então diminuir ainda mais o aporte em fluido de lavagem, e mesmo suprimir o mesmo, a lavagem podendo nesse caso ser feita na totalidade ou em parte com o fluido extraído da biomassa.

[0032] De preferência, a taxa de matéria seca MS do substrato lig- nocelulósico na saída do meio de alimentação é nesse caso superior ou igual a 20% em peso, e preferencialmente superior ou igual a 40% em peso.

[0033] De preferência, o aumento de pressão criado no ou pelo me- nos um dos meios de alimentação é de pelo menos 0,05MPa, e é nota- damente compreendido entre 0,05 e 4 MPa, por exemplo entre 0,1 e 2,5 MPa.

[0034] Esse ou esses meios de alimentação estão por exemplo sob a forma de parafusos de alimentação, notadamente pelo menos em parte cônicos, que compreendem uma carenagem munida de uma grade que permite a circulação do fluido de lavagem. A forma cônica da parte terminal geralmente, desse tipo de parafuso vai portanto compri- mir a biomassa, criando uma diferença de pressão. Esse tipo de meio de alimentação apresenta uma vantagem grande: o parafuso permite formar um tampão hermético de biomassa que assegura a estanquei- dade e impede notadamente as subidas de líquido a partir do reator no qual ela desemboca.

[0035] Um exemplo desse tipo de parafuso é descrito no documento CA 2 77322 precitado.

[0036] A invenção pode portanto ser aplicada a qualquer tratamento da biomassa dentro de um reator que utiliza um meio de alimentação com pressão da biomassa, e notadamente qualquer tratamento a uma pressão superior à pressão atmosférica ou superior à pressão na qual a biomassa se encontra antes de introdução no dito reator.

[0037] De acordo com um modo de realização, o processo da in- venção compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico. Essa etapa pode ser seguida (diretamente ou prevendo para isso uma ou várias etapas intermediárias) por uma etapa de cozimento, essa etapa de co- zimento sendo executada pelo ou por um dos reatores munidos do meio de alimentação.

[0038] De acordo com um modo de realização, o processo da in- venção compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico por travessia da biomassa dentro de um líquido de licor ou por aspersão pelo licor da biomassa sobre um transportador de tipo esteira ou por passagem da biomassa dentro de um reator agitado.

[0039] De acordo com um outro modo de realização, o processo da invenção compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico, por introdu- ção dentro de um reator pelo dito ou pelo menos um dos ditos meios de alimentação.

[0040] De acordo com um modo de realização, o processo da in- venção compreende uma etapa de tratamento da biomassa por cozi- mento, notadamente dentro do ou em um dos reatores munidos de um meio de alimentação.

[0041] Um exemplo de realização do processo da invenção é o se- guinte: trata-se de tratar uma biomassa lignocelulósica, o dito processo compreendendo as etapas seguintes:

[0042] a. Preparação de um licor de impregnação que contém um catalisador químico destinado à impregnação da biomassa, escolhido entre um catalisador ácido, um catalisador básico e um catalisador oxi- dante, e de preferência um catalisador ácido, em uma zona de prepara- ção.

[0043] b. Introdução da biomassa triturada por uma entrada de um reator de impregnação com o auxílio de um primeiro meio de alimenta- ção, o dito primeiro meio de alimentação sendo lavado por circulação de um primeiro fluido de lavagem entre uma entrada e uma saída do dito meio.

[0044] c. Introdução do licor dentro do reator de impregnação por uma primeira entrada de licor do reator.

[0045] d. Transferência da biomassa impregnada e escorrida a par- tir de uma saída do reator de impregnação para uma entrada de um reator de pré-tratamento por cozimento, a introdução no dito reator de pré-tratamento sendo feita por um segundo meio de alimentação, o dito segundo meio de alimentação sendo lavado por circulação de um se- gundo fluido de lavagem entre uma entrada e uma saída do dito meio de alimentação.

[0046] e. Pré-tratamento da dita biomassa dentro do dito reator por cozimento.

[0047] E o processo também compreende a etapa (ou as etapas) seguinte(s):

[0048] f. Reintrodução de pelo menos uma parte do primeiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito primeiro ou do dito segundo meio de alimentação na entrada de lavagem do pri- meiro meio de alimentação e/ou do segundo meio de alimentação.

[0049] De preferência, a impregnação e o pré-tratamento por cozi- mento a vapor são feitos de modo contínuo. Mas a invenção também se aplica a um processo no qual essas duas etapas são descontinuas, por “batelada”. De preferência, o cozimento é seguido por uma explosão a vapor, mas essa etapa de explosão permanece opcional.

[0050] De preferência, a impregnação nesse modo de realização pode ser feita dentro de um reator do qual a entrada com biomassa está situada em uma primeira zona de impregnação do dito reator de impreg- nação que compreende duas zonas superpostas, a dita primeira zona de impregnação e uma segunda zona dito de escorrimento que está acima da zona de impregnação e que é equipada com uma saída da biomassa impregnada e escorrida. De preferência ainda nessa configu- ração de reator, a introdução do licor dentro do dito reator é feita por uma primeira entrada de licor do reator que está situada na dita primeira zona de impregnação do reator.

[0051] A invenção propõe, portanto, nesse exemplo reciclar, reutili- zar a totalidade ou parte dos fluidos de lavagem dos dois parafusos de alimentação. O que é especialmente vantajoso, é que foi revelado que era possível efetivamente reciclar um e/ou ao outro dos fluidos de lava- gem, ou os dois, sem que a qualidade da impregnação ou aquela do cozimento seja afetada por isso de nenhuma maneira.

[0052] E essa reciclagem pode ser feita de diferentes modos, de modo bastante flexível, e isso para cada um dos fluidos de lavagem.

[0053] Assim, o fluido de lavagem do meio de alimentação do reator de impregnação é geralmente à base de água, e na saída do meio de alimentação, é majoritariamente recuperada água dita “usada”. Reciclar essa água reintroduzindo para isso a mesma na entrada de um ou de outro dos meios de alimentação dos parafusos permite uma diminuição significativa do consumo em água do processo. Quando, por outro lado, essa água é aquecida, é observado também um ganho em energia visto que a água de lavagem necessita nesse caso globalmente de um aque- cimento menor. Uma circulação de fluido de lavagem em circuito fe- chado é portanto bastante vantajosa.

[0054] No que diz respeito ao fluido de lavagem do meio de alimen- tação do reator de pré-tratamento por cozimento, a situação é um pouco diferente, visto que o fluido de lavagem geralmente água também, vai ter tendência a se carregar em catalisador lavando para isso o meio de alimentação que transporta a biomassa já impregnada pelo licor catalí- tico: nesse parafuso é operada uma expulsão de uma parte do líquido da biomassa impregnada que contém o catalisador, e esse líquido vem se misturar, na saída do parafuso, com a água de lavagem desse último. Na saída desse meio de alimentação, é falado então usualmente de “prensado”. Esse prensado pode também ser reciclado ou para retornar para a entrada de lavagem do meio de alimentação do reator de pré- tratamento, ou para ir para a entrada de lavagem do primeiro meio de alimentação. E, mesmo quando o licor de impregnação é bastante ácido, e que o prensado o é portanto também, em uma menor medida, isso não apresenta nenhum problema no que diz respeito às ferramen- tas, o meio de alimentação com biomassa do reator de impregnação sendo geralmente projetado para suportar sem deterioração o contato com o licor catalítico (para evitar eventuais subidas de licor no meio de alimentação com biomassa).

[0055] Nos dois casos, permanece possível que uma parte da água usada e/ou do prensado vá para a purga também. E esses dois casos são alternativos ou cumulativos.

[0056] De acordo com um modo de realização preferido, o processo da invenção compreende também a reintrodução de uma parte do pri- meiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do primeiro ou do segundo meio de alimentação na zona de preparação do licor de impregnação tendo em vista a preparação a.) do dito licor.

[0057] É possível regular e fazer variar se for necessário no decor- rer do processo, de acordo com as necessidades, a proporção do fluido de lavagem na saída que vai ser reintroduzida no meio de alimentação em relação à proporção que é utilizada para preparar o líquido catalítico ou ainda em relação à proporção que vai para a purga.

[0058] No caso em que é uma parte do prensado que é reintrodu- zida na zona de preparação do licor, a vantagem é dupla, visto que se diminui o consumo de água para a preparação do licor mas também o consumo de catalisador, visto que o prensado contém o mesmo. A etapa de preparação de licor é feita geralmente com meios de regulação vari- ados em relação a certos parâmetros físico-químicos, como a tempera- tura, a taxa de catalisador no licor (pela regulação do pH por exemplo quando se trata de catálise ácida ou básica), esse aporte de catalisador adicional pode portanto ser levado em consideração por esses meios de regulação para manter as características desejadas para o licor.

[0059] A lavagem dos primeiro e/ou segundo meios de alimentação pode ser feita de modo contínuo ou descontínuo, portanto com lavagem em permanência ou de acordo com intervalos de tempo dados por exemplo. A vazão de circulação de lavagem pode também variar, nota- damente em função da vazão de massa de biomassa introduzida em um e no outro dos reatores.

[0060] A reintrodução de uma parte do primeiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída do dito primeiro ou do dito segundo meio de alimentação na entrada de lavagem do primeiro meio de ali- mentação e/ou do segundo meio de alimentação pode também ser feita de modo contínuo ou descontínuo.

[0061] De acordo com um modo de realização, uma parte do pri- meiro fluido de lavagem na saída de lavagem do primeiro meio de ali- mentação é reintroduzida na entrada de lavagem do primeiro ou do se- gundo meio de alimentação, e uma outra parte do dito fluido de lavagem é reintroduzida na zona de preparação do licor tendo em vista sua pre- paração.

[0062] Simetricamente, de acordo com um segundo modo de reali- zação compatível com o precedente, uma parte do segundo fluido de lavagem na saída de lavagem do segundo meio de alimentação é rein- troduzida na entrada de lavagem do primeiro ou do segundo meio de alimentação e uma outra parte do dito fluido de lavagem é reintroduzida na zona de preparação do licor tendo em vista sua preparação.

[0063] De acordo com um modo de realização, a lavagem do meio de alimentação é efetuada na presença de biomassa adicionada de um catalisador, notadamente um catalisador ácido, básico ou oxidante, o fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito meio de alimentação contém um certo teor do dito catalisador quando a biomassa é subme- tida a uma extração líquida atravessando para isso o dito meio de ali- mentação, e o dito fluido de lavagem que contém esse catalisador é reintroduzido pelo menos em parte na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação, notadamente transportando biomassa desprovida de catalisador. O termo “catalisador” deve aqui ser considerado no sentido amplo como qualquer agente reativo suscetível de interagir com a biomassa, nota- damente tendo em vista uma modificação de uma de suas propriedades físico-químicas ou reológicas. Com a invenção, foi portanto descoberto que era possível reciclar uma água de lavagem, mesmo adicionada de um tal catalisador, para reintroduzir a mesma ou no mesmo meio de alimentação, ou em um outro, que, ele, só transporta biomassa: o fato de que a água de lavagem reintroduzida na seja água pura mas sim adicionada de catalisador se revelou sem impacto nefasto sobre o pro- cesso em seu conjunto, o que era inesperado.

[0064] A invenção tem também como objeto a instalação que exe- cuta o processo precedentemente descrito, notadamente uma instala- ção que compreende pelo menos um reator de tratamento de uma bio- massa lignocelulósica que apresenta uma taxa de matéria seca de no máximo 90% em peso com uma alimentação com biomassa do ou de pelo menos um dos ditos reatores por um meio de alimentação que cria um aumento de pressão entre a entrada de biomassa e a saída de bio- massa do dito meio de alimentação. A lavagem do dito meio de alimen-

tação é operada por circulação de um fluido de lavagem entre uma en- trada de lavagem e uma saída de lavagem, e um meio de reintrodução de uma parte pelo menos do fluido de lavagem que sai da saída de fluido do ou de pelo menos um dos meios de alimentação na entrada de lava- gem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação.

[0065] A invenção tem também como objeto um modo de realização de uma instalação de tratamento de uma biomassa lignocelulósica, que compreende:

[0066] – Uma zona de preparação de um licor de impregnação que contém um catalisador químico para a impregnação da biomassa, esco- lhido entre um catalisador ácido, básico ou oxidante, e de preferência um catalisador ácido, e que é munida de uma saída de licor,

[0067] – Um reator de impregnação, que compreende notadamente uma primeira zona de impregnação munida de uma entrada de bio- massa e de uma segunda zona superposta à primeira, dita zona de es- corrimento, o dito reator sendo munido de uma entrada e de uma saída de biomassa,

[0068] – Um primeiro meio de alimentação com biomassa triturada do reator de impregnação pela entrada de biomassa do reator de im- pregnação, notadamente situada na primeira zona de impregnação,

[0069] – Um meio de alimentação com licor de impregnação do re- ator que liga uma saída de licor da zona de preparação do licor a uma primeira entrada de licor no reator de impregnação, notadamente em sua primeira zona de impregnação,

[0070] – Um reator de pré-tratamento da biomassa impregnada por explosão a vapor do qual uma entrada de biomassa é ligada à saída de biomassa do reator de impregnação,

[0071] – Um segundo meio de alimentação com biomassa impreg-

nada do reator de pré-tratamento pela entrada de biomassa do dito re- ator de pré-tratamento,

[0072] – Uma circulação de fluido de lavagem entre uma entrada e uma saída o primeiro meio de alimentação com biomassa triturada do reator de impregnação,

[0073] – Uma circulação de fluido de lavagem entre uma entrada e uma saída do segundo meio de alimentação com biomassa impregnada do reator de pré-tratamento,

[0074] a instalação compreendendo também

[0075] – Um meio de reintrodução de pelo menos uma parte do pri- meiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito primeiro ou do dito segundo meio de alimentação na entrada de lavagem do primeiro meio de alimentação e/ou do seguindo meio de alimentação.

[0076] Vantajosamente, a instalação compreende também um meio de reintrodução de uma parte do primeiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do primeiro ou do segundo meio de alimentação na zona de preparação do licor de impregnação.

[0077] Vantajosamente, ela pode prever um meio de reintrodução de uma parte do primeiro fluido de lavagem na saída de lavagem do primeiro meio de alimentação na entrada de lavagem do primeiro ou do segundo meio de alimentação, e um meio de reintrodução de uma outra parte do dito fluido na zona de preparação do licor.

[0078] A instalação de acordo com a invenção pode também prever um meio de reintrodução de uma parte do segundo fluido de lavagem na saída de lavagem do segundo meio de alimentação na entrada de lavagem do primeiro ou do segundo meio de alimentação, e um meio de reintrodução de uma outra parte do dito fluido na zona de preparação do licor.

[0079] Esses meios de reintrodução são vantajosamente condutos ou conjuntos de condutos que permitem a conexão hidráulica desejada, cuja realização é conhecida em si.

[0080] A invenção tem também como objeto o uso do processo ou da instalação descritos precedentemente para o tratamento de qualquer biomassa lignocelulósica, do tipo madeira, palha, resíduos agrícolas, e de todas as culturas energéticas dedicadas, que podem ser plantas anu- ais ou plurianuais como o miscanto, tendo em vista produzir açúcares, biocarburantes ou moléculas biobaseadas.

[0081] Descrição Detalhada

[0082] A invenção será detalhada abaixo com o auxílio de exemplos não limitativos do processo de acordo com a invenção, ilustrados pelas figuras seguintes:

[0083] – Figura 1: uma representação sinóptica, de tipo diagrama de bloco, do princípio geral do processo de tratamento de biomassa de acordo com a invenção,

[0084] – Figura 2: uma representação sinóptica, de tipo diagrama de bloco, de um primeiro modo de realização de processo de tratamento de biomassa de acordo com a invenção,

[0085] – Figura 3: uma representação sinóptica, de tipo diagrama de bloco, de um segundo modo de realização de processo de trata- mento de biomassa de acordo com a invenção,

[0086] – Figura 4: uma representação sinóptica, de tipo diagrama de bloco, de um terceiro modo de realização de processo de tratamento de biomassa de acordo com a invenção.

[0087] A figura 1 é portanto a representação do princípio da inven- ção, a figura 2 se concentra em duas etapas de tratamento da biomassa: impregnação catalítica e depois cozimento. As figuras 3 e 4 descrevem o processo de tratamento completo da biomassa até sua hidrólise enzi- mática, depois da impregnação e do cozimento.

[0088] A invenção se interessa mais especialmente às duas primei- ras etapas, a saber a impregnação da biomassa triturada e o tratamento por cozimento da biomassa uma vez que ela está impregnada.

[0089] Descrição das figuras a partir das referências seguintes

[0090] As mesmas referências correspondendo aos mesmos com- ponentes / fluidos / produtos no conjunto das figuras:

[0091] 1: Entrada de água na cuba de preparação do licor

[0092] 2: Entrada de ácido na cuba de preparação do licor

[0093] 3: Ferramenta (cuba) de preparação do licor

[0094] 4: Licor ácido na direção da ferramenta (reator) de impreg- nação

[0095] 5: Biomassa triturada

[0096] 6: Parafuso ou plug-screw feeder da ferramenta de impreg- nação

[0097] 7: Água de lavagem da plug-screw feeder da ferramenta de impregnação

[0098] 8: Saída líquida de lavagem da plug-screw feeder da ferra- menta de impregnação

[0099] 9, 9’: Ferramenta (reator) de impregnação

[00100] 9a: Zona de impregnação da cuba de impregnação 9

[00101] 9b: Zona de escorrimento da cuba de impregnação 9

[00102] 10: Biomassa impregnada e escorrida

[00103] 11: Parafuso ou plug-screw-feeder da ferramenta de pré-tra- tamento

[00104] 12: Água de lavagem da plug-screw feeder da ferramenta de pré-tratamento

[00105] 13: Prensado da plug-screw feeder da ferramenta de pré-tra- tamento

[00106] 13.a: Prensado na direção da purga

[00107] 13.b: Reciclagem do prensado para a lavagem da plug-screw feeder da ferramenta de pré-tratamento

[00108] 13.c: Reciclagem do prensado dentro da cuba de preparação de licor ácido 3

[00109] 13.d: Reciclagem do prensado para a lavagem da plug-screw feeder da ferramenta de impregnação

[00110] 14: Ferramenta de cozimento (reator de explosão) de pré- tratamento

[00111] 15: Injeção de vapor para o pré-tratamento

[00112] 16: Biomassa pré-tratada e vapor

[00113] 17: Ferramenta (ciclone) de separação vapor e biomassa pré-tratada

[00114] 18: Vapor na direção da condensação

[00115] 19: Biomassa pré-tratada

[00116] 20: Hidrólise enzimática

[00117] 21: Mosto de hidrolise enzimática que contém açúcares

[00118] 22: Fermentação alcoólica (etanólica)

[00119] 23: Vinho de fermentação que contém etanol (álcool)

[00120] 24: Destilação

[00121] 25: Álcool concentrado

[00122] 26: Bagaços brutos

[00123] A figura 1 representa de modo bastante esquemático o prin- cípio da invenção em sua realização mais simples (processo do qual os detalhes e diferentes etapas serão em seguida descritos com o auxílio das figuras 2 a 4): a biomassa 5, 10 (impregnada ou não com um licor catalítico) é introduzida em um reator 99, 14 para um tratamento, por um meio de alimentação sob pressão 6, 11 que é um parafuso, chamado também em inglês de “Plug Screw Feeder”, do qual a porção terminal é cônica, que apresenta uma carenagem com uma grade de escorri- mento, uma entrada de água de lavagem 7, 12 e uma saída de água de lavagem 8,13. Um tampão hermético de biomassa é criado na porção a jusante do parafuso, que cria uma compressão sobre a biomassa que se traduz por uma diferença de pressão entre a entrada da biomassa e a saída da biomassa do parafuso de pelo menos 0,05 MPa, por exemplo de cerca de 0,5 MPa. A compressão que é aplicada sobre a biomassa pode levar à expulsão de uma parte do líquido contido na biomassa, notadamente quando a MS da biomassa é inferior a 80% antes de sua entrada no meio de alimentação sob pressão 6, 11. O líquido assim ex- traído se mistura com a água de lavagem e é transvasado com a água de lavagem usada 8, 13.

[00124] De acordo com a invenção, pelo menos uma parte da água de lavagem na saída do parafuso 8, 13 é reinjetada na entrada de água de lavagem 7, 12 do parafuso. É notado que permanece possível que uma parte de água de lavagem na saída seja simplesmente purgada, e que uma parte de água de lavagem na entrada provenha de uma ad- missão de água como na arte anterior, para completar a quantidade de água reciclada na entrada do parafuso, pontualmente ou sistematica- mente.

[00125] Nessa representação, a reciclagem da água de lavagem se aplica ao mesmo parafuso, mas, como será detalhado com as outras figuras, a invenção também se refere à reciclagem total ou parcial da água de lavagem na saída de um parafuso na direção da entrada de um outro parafuso de alimentação, quando o processo prevê vários parafu- sos de alimentação para vários reatores.

[00126] A taxa de matéria seca da biomassa na entrada do parafuso de alimentação é aqui de 50%. É possível que uma parte do líquido da biomassa seja extraída por ocasião de seu transporte no parafuso, essa água extraída vido se misturar com a água de lavagem usada na saída de lavagem do parafuso. Quanto menor for a taxa de matéria seca da biomassa, mais haverá extração de fluido da biomassa no parafuso de alimentação, esse fluido vindo completar e mesmo eventualmente subs- tituir em totalidade o fluido de lavagem na entrada do parafuso.

[00127] A figura 2 representa uma etapa de impregnação da bio- massa por um licor ácido, e depois uma etapa de cozimento que faz parte de um tratamento de biomassa.

[00128] O processo se desenrola do modo seguinte: A água e o ácido são introduzidos respectivamente pelos condutos 1 e 2 dentro da cuba de preparação do licor ácido 3. O licor ácido do conduto 4 é em seguida injetado dentro de um dispositivo de impregnação 9’ para ser misturado com a biomassa triturada. O dispositivo de impregnação é aqui um transportador, do tipo esteira de transporte acionada em translação por rotação de rolos que sustentam a esteira, esteira sobre a qual é disposta a biomassa de acordo com uma espessura dada. A biomassa é subme- tida por ocasião de seu transporte à aspersão de licor ácido retirado da cuba 3, por bicos dispostos acima da esteira. O excesso de licor pode ser recuperado sob a esteira em uma zona de coleta, para ser eventu- almente reciclado na totalidade ou em parte.

[00129] A biomassa impregnada 10, eventualmente previamente es- corrida, é introduzida na unidade de tratamento 14 por meio de um outro parafuso de alimentação de tipo “Plug Screw Feeder” 11 que comprime a biomassa para formar um tampão de biomassa. Esse tampão hermé- tico de biomassa assegura a estanqueidade e impede os vazamentos de vapor, quando a reação de cozimento dentro desse reator 14 da bi- omassa prossegue por uma explosão a vapor. Por ocasião dessa com- pressão do parafuso 11, uma separação sólido/líquido ocorre, e o licor ácido usado é evacuado através da grade da carenagem do parafuso. Esse parafuso é lavado com água do conduto 12 que se mistura assim com licor ácido usado, a mistura de água de lavagem e de licor ácido usado (chamada de prensado) é evacuada no conduto 13. O prensado pode por outro lado conter sólido proveniente da lavagem do parafuso

11.

[00130] Opcionalmente, uma etapa de separação sólido/líquido é re- alizada nesse fluxo 13, por exemplo com um dispositivo que utiliza uma grade de forma curva.

[00131] O fluxo 13 pode em seguida ser dirigido para:

[00132] – uma purga pelo conduto 13a

[00133] – a reciclagem pelo conduto 13b para substituir a totalidade ou parte da água de lavagem 12 do parafuso 11

[00134] – a reciclagem dentro da cuba de preparação de licor ácido 3 pelo conduto 13c.

[00135] Diferentes possibilidades se oferecem então:

[00136] – de acordo com um modo de realização, todo o fluxo 13 é enviado para o conduto 13b para substituir a totalidade ou parte da água de lavagem 12,

[00137] – de acordo com um outro modo de realização, uma parte somente do fluxo 13 é enviada para o conduto 13b para substituir a to- talidade ou parte da água de lavagem 12, e o resto é enviado via o con- duto 13c para contribuir para a fabricação de licor (por exemplo em uma proporção volúmica entre os dois que varia entre 20/80 e 80/20).

[00138] A biomassa é tratada dentro da ferramenta de tratamento 14 por cozimento e explosão a vapor do modo descrito nas figuras seguin- tes.

[00139] A figura 3 apresenta uma variante em relação à figura 2 no modo de realizar a impregnação da biomassa, e ela representa também as etapas ulteriores ao cozimento/explosão a vapor da biomassa.

[00140] Somente serão descritas aqui as diferenças de com o pro- cesso de acordo com a figura 2, os dois processos sendo por outro lado identicamente realizados.

[00141] A água e o ácido são introduzidos respectivamente pelos condutos 1 e 2 dentro da cuba de preparação do licor ácido 3. O licor ácido do conduto 4 é em seguida injetado em um dispositivo de impreg- nação 9 para ser misturado com a biomassa triturada. Trata-se aqui de um reator, aqui disposto substancialmente na vertical.

[00142] A biomassa previamente triturada é introduzida no processo pelo conduto 5 dentro de um parafuso de alimentação 6, similar ao pa- rafuso 11 já descrito na figura precedente, com também um circuito de lavagem com água. Esse parafuso permite formar um tampão hermético de biomassa que assegura a estanqueidade e impede os vazamentos de licor ácido. Esse parafuso é lavado com água que entra pelo conduto 7 e sai pelo conduto 8. Na saída do parafuso, a expansão do tampão é feita na zona baixa do reator de impregnação 9. A biomassa é impreg- nada de licor ácido na zona de impregnação 9a antes de ser escorrida na zona de escorrimento 9b. Ela é transportada para o reator 9 por um ou dois parafusos de transporte.

[00143] O fluxo 13 pode em seguida ser dirigido, como precedente- mente para:

[00144] – uma purga pelo conduto 13a

[00145] – a reciclagem pelo conduto 13b para substituir a totalidade ou parte da água de lavagem 12 do parafuso 11

[00146] – a reciclagem dentro da cuba de preparação de licor ácido 3 pelo conduto 13c;

[00147] – mas uma outra possibilidade também se oferece, pois aqui o fluxo 13 pode também ser reciclado pelo conduto 13d para substituir a totalidade ou parte da água de lavagem 7 do parafuso 6.

[00148] Prosseguir-se-á com a descrição mais detalhada do reator 14 comum às figuras 2 a 4 e às etapas que seguem o tratamento dentro desse reator 14:

[00149] O vapor necessário para o aquecimento do reator 14 é intro- duzido pelo conduto 15. Na saída de reator, a mistura biomassa/vapor é expandida e levada pela linha 16 para a ferramenta de separação 17.

A ferramenta de separação 17 pode ser de tipo ciclone, ela permite se- parar o vapor 18 da biomassa pré-tratada 19.

[00150] A biomassa pré-tratada é em seguida transformada na ferra- menta de transformação 20 em um mosto 21 que contém açúcares uti- lizando para isso um coquetel enzimático. Os açúcares são convertidos em álcool (ex.: etanol, acetona, butanol) por fermentação na etapa 22 de fermentação. O vinho de fermentação 23 é enviado para uma etapa de separação e purificação 24. A etapa 24, realizada por exemplo por destilação, permite separar um fluxo 25 que contém o álcool concen- trado dos bagaços brutos (água usada, lignina residual) 26.

[00151] Aqui não se entrará no detalhe das condições de operação das etapas de explosão a vapor, de conversão em mosto e de fermen- tação, consideradas como conhecidas pelo profissional.

[00152] A figura 4 apresenta uma variante em relação à figura 3.

[00153] As referências suplementares em relação à figura 3 são:

[00154] 8: Saída líquido de lavagem usado do parafuso 6 da ferra- menta de impregnação

[00155] 8.a: Liquido de lavagem usado na direção da purga

[00156] 8.b: Líquido de lavagem reciclado para a lavagem do para- fuso da ferramenta de impregnação

[00157] 8.c: Líquido de lavagem reciclado na cuba de preparação do licor ácido 3

[00158] 8.d: Líquido de lavagem reciclado para a lavagem do para- fuso 11 da ferramenta de pré-tratamento 14.

[00159] Somente serão descritas aqui as diferenças de com o pro- cesso de acordo com a figura 3, os dois processos sendo por outro lado identicamente realizados:

[00160] Aqui, é reciclada também a água de lavagem 8 do parafuso de alimentação 6 de acordo com diferentes possibilidades alternativas ou cumulativas. O líquido de lavagem 8 do parafuso de transferência 6 pode ser ou:

[00161] – purgado do sistema pelo conduto 8a

[00162] – reciclado pelo conduto 8b para substituir a água de lava- gem 7 do parafuso de alimentação 6 do reator de impregnação 9

[00163] – reciclado pelo conduto 8c para a cuba de licor ácido 3

[00164] – reciclado pelo conduto 8d para substituir a água de lava- gem 12 do parafuso 11 de alimentação da ferramenta / reator de explo- são 14.

[00165] De acordo com um outro modo de realização da invenção, todo o fluxo 8 é enviado para o conduto 8b ou para o conduto 8d para substituir a totalidade ou parte da água de lavagem 12 ou 7. De acordo com um outro modo, uma parte é enviada para o conduto 8b ou 8d, e o resto é enviado pelo conduto 8c para contribuir para a preparação do licor de impregnação. A razão entre as duas partes, em volume, pode ser compreendida entre 80/20 e 20/80.

[00166] Em todos os casos em questão, tanto no que diz respeito portanto à reciclagem da água usada do parafuso 6 ou do prensado do parafuso 11, uma parte pode também ser retirada para ir à purga (con- dutos 13a, 8a).

[00167] Naturalmente, está também no âmbito da invenção combinar a reciclagem da água usada de lavagem do parafuso 6 com aquela do prensado do parafuso 11, ou só reciclar uma ou outra.

[00168]

[00169] Abaixo algumas precisões ou variantes de operação para as duas primeiras etapas de tratamento da biomassa descritas preceden- temente:

[00170] A etapa de impregnação é operada a uma temperatura que vai de 10 a 95ºC, e o tempo de permanência da biomassa na dita etapa de impregnação é compreendido entre 20 segundos e 12 horas. De ma- neira preferida, o tempo de permanência da biomassa é compreendido entre 30 segundos e 60 minutos.

[00171] A etapa de impregnação pode ser operada em batelada ou de modo contínuo. De maneira preferida, essa etapa é operada de modo contínuo. A etapa de impregnação é de maneira preferida realizada em pressão atmosférica. De preferência, a etapa de impregnação é efetu- ada em uma só etapa.

[00172] A etapa de impregnação realiza uma colocação em contato entre a biomassa e o licor ácido. Ela pode ser operada por exemplo por imersão ou por aspersão.

[00173] A etapa de impregnação é realizada dentro de equipamentos conhecidos pelo profissional, por exemplo dentro de um reator agitado, por travessia horizontal ou vertical da biomassa em um leito de licor, por aspersão sobre uma esteira que transporta a biomassa (como visto na figura 2) ou dentro de um parafuso de transporte.

[00174] O reator de impregnação ou impregnador é geralmente mu- nido de uma ou várias ferramentas que transfere(m) o substrato ligno- celulósico a partir de sua entrada na direção da abertura de saída. Es- sas ferramentas podem ser por exemplo parafusos ou esteiras. O im- pregnador é por outro lado equipado de um ou vários condutos para trazer o licor ácido assim como, se for necessário, de um ou vários con- dutos para transvasar licor ácido. Os ditos condutos de entrada e de saída do licor ácido são geralmente instalados de modo a funcionar em reciclagem cocorrente ou contracorrente.

[00175] A etapa de pré-tratamento (cozimento):

[00176] O substrato lignocelulósico é submetido a essa etapa de pré- tratamento, que visa notadamente modificar as propriedades físicas e físico-químicas da fração celulósica, tais como seu grau de polimeriza- ção e seu estado de cristalinidade.

[00177] O pré-tratamento inclui uma zona de cozimento. Esse cozi- mento é efetuado a uma temperatura compreendida entre 100ºC e

250ºC, e mais preferencialmente entre 130ºC e 230ºC, a uma pressão compreendida entre 0,1 e 4 MPa. O tempo de permanência na zona de cozimento é compreendido entre 10 segundos e 4 horas, e mais prefe- rencialmente entre 3 minutos e 1 hora.

[00178] O cozimento pode ocorrer em batelada ou de modo contínuo. Ele pode ser realizado dentro de qualquer equipamento conhecido pelo profissional, por exemplo um reator agitado, um reator tubular horizontal munido de um parafuso de transporte, um reator de batelada não agi- tado, etc. a energia térmica necessária para o cozimento pode ser tra- zida via uma troca térmica com um fluido portador de calor (indireto), por aquecimento elétrico, ou então por injeção direta de um fluido quente, por exemplo água pressurizada ou vapor.

[00179] A saída do sólido no fim de cozimento pode ser feita por des- compressão rápida, por descompressão lenta, depois de uma baixa de temperatura induzida por uma troca térmica direta ou indireta, etc.

[00180] Em um modo de realização (preferido), a zona de cozimento é aquecida com vapor por injeção direta e é seguida por uma descom- pressão brutal do meio, esse processo é conhecido sob o nome de ex- plosão a vapor (“SteamEx” ou Steam Explosion” de acordo com a termi- nologia anglo-saxônica). Esse é um processo no qual o substrato ligno- celulósico é levado rapidamente em alta temperatura por injeção de va- por sob pressão. A interrupção do tratamento é efetuada por descom- pressão brutal.

[00181] As condições de operação do processo de explosão a vapor são as seguintes:

[00182]  o vapor é injetado diretamente dentro do reator;

[00183]  a temperatura do reator é geralmente compreendida entre 150 e 250ºC, de preferência compreendida entre 160 e 220ºC;

[00184]  a pressão é compreendida entre 0,5 e 2,5 MPa, mais pre- ferencialmente compreendida entre 0,8 e 2,0 MPa;

[00185]  o tempo de permanência antes da fase de expansão varia de 10 segundos a 25 minutos, e de preferência entre 3 minutos e 15 minutos.

[00186] A explosão a vapor pode ser realizada em batelada ou de modo contínuo e a etapa de despressurização que permite desestrutura a biomassa pode se desenrolar em uma ou várias etapas.

[00187] Agora serão descritos exemplos de realização dessa ou des- sas reciclagens, que utilizam o processo de acordo com a figura 4:

[00188] Exemplo 1 comparativo

[00189] Esse é um exemplo com somente a reciclagem das águas de lavagens usadas como complemento de água da cuba de prepara- ção do licor. A biomassa a tratar é madeira que apresenta as caracte- rísticas seguintes:

[00190] Carga: Madeira de álamo, vazão 7,47 toneladas / hora, teor em Matéria Seca (MS): 50 %, composição média (base (MS): % (base MS) Celulose 42,6 % Hemicelulose 20,5% Lignina e outros (cinzas, extraíveis, etc...) 36,9%

[00191] O acrônimo “MS” designa a taxa de matéria seca que é me- dida de acordo com a norma ASTM E1756 – 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.

[00192] A madeira é utilizada sob a forma de plaquetas de dimensão característica de 50 mm. A temperatura das plaquetas na entrada de unidade é a temperatura ambiente. As plaquetas 5 são transportadas para o reator de impregnação 9 pelo parafuso cônico 6. Esse parafuso é lavado com água de lavagem 7, 8 a uma vazão de 1 tonelada/h. Por ocasião da compressão operada pelo parafuso 6, líquido é extraído das plaquetas de álamo à razão de 0,679 tonelada/h, a vazão total de água de lavagem usada do parafuso 6 do reator de impregnação 9 é assim de 1,697 tonelada/h.

[00193] No reator de impregnação 9 são introduzidas:

[00194] – as plaquetas de madeira comprimidas, via o parafuso cô- nico 6

[00195] – 2,9 toneladas / hora de um licor ácido 4 preparado com água 1 e ácido sulfúrico 2 em concentração mássica de 1,57% em peso, a uma temperatura de 90ºC.

[00196] As plaquetas impregnadas são retiradas do reator de impreg- nação 9 e transferidas para um reator de explosão a vapor 14. A entrada no reator de pré-tratamento é feita por transferência por um outro para- fuso cônico 11. Esse parafuso é lavado com água de lavagem a uma vazão de 0,6 tonelada/h. Por ocasião da compressão operada pelo pa- rafuso 11, líquido é extraído das plaquetas de álamo impregnadas à ra- zão de 2,95 toneladas/h, a vazão total de água de lavagem usada do parafuso 6 do reator de impregnação 9 é assim de 3,55 toneladas/h. Esse fluxo contém 0,5% em peso de H2SO4.

[00197] O pré-tratamento por explosão a vapor é efetuado a 200ºC em uma configuração contínua que emprega um curto tempo de perma- nência. O meio é bruscamente expandido a uma pressão de 1,3 atm.

[00198] A cuba 3 de preparação de licor ácido situada à montante da impregnação fornece uma vazão de 2,9 toneladas/h de licor ácido. Esse licor é preparado com água e ácido sulfúrico a 96%, as vazões respec- tivas são de 2,8526 toneladas/h de água e de 0,0474 tonelada/h de ácido concentrado a 96% em peso. O consumo total de água nessa configuração é de 4,5526 toneladas/h de o consumo total de ácido de 0,0474 tonelada/h de ácido sulfúrico concentrado a 96% em peso.

[00199] As águas de lavagem usadas dos parafusos 6 e 11 são en- viadas à purga pelos condutos 8a e 13a.

[00200] Exemplo 2 comparativo

[00201] Ele retoma o exemplo comparativo 1, com a diferença de que aqui, uma parte 13c do fluxo proveniente da lavagem do parafuso 11 do reator de explosão 14 é enviada para a cuba de preparação 3 de licor ácido: essa vazão é igual ao complemento de líquido necessário consi- derando o complemento de ácido que convém fazer para ter a acidez tomada como alvo. Assim, a vazão de líquido reciclado é de 2,8675 to- neladas/h e a vazão de ácido de complemento é de 0,0325 tonelada/h de ácido sulfúrico a 96% em peso. Nessa configuração, o consumo total de água é de 1,6 tonelada/h (para a lavagem do parafuso 11) e o con- sumo de ácido é de 0,0325 tonelada/h de ácido sulfúrico a 96% em peso. Um fluxo de 2,362 toneladas/h de águas usadas deve ser tratado.

[00202] Exemplo 3 de acordo com a invenção

[00203] Nesse exemplo, é apresentado um processo de impregna- ção de acordo com a invenção e de pré-tratamento de madeira que trata a mesma carga que os exemplos comparativos 1 e 2 precedentes. A madeira é utilizada sob a forma de plaquetas de dimensão característica de 50 mm. A temperatura das plaquetas na entrada de unidade é a tem- peratura ambiente.

[00204] As plaquetas são transportadas para o reator de impregna- ção 9 pelo parafuso cônico 6. Esse parafuso é lavado com água de la- vagem 7, 8, 13d a uma vazão de 1,0 tonelada/, esse líquido provém da mistura de água 7 e do líquido de lavagem 13d do parafuso 11 do reator de pré-tratamento 14. Por ocasião da compressão operada pelo para- fuso 6, líquido é extraído das plaquetas de álamo à razão de 0,679 to- nelada/h, a vazão total de água de lavagem usada do parafuso 6 do reator de impregnação 9 é assim de 1,697 tonelada/h.

[00205] No reator de impregnação 9 são introduzidas:

[00206] – as plaquetas de madeira comprimidas, via o parafuso 6 cô- nico

[00207] – 2,9 toneladas / hora de um licor ácido 4 preparado com água 1 e ácido sulfúrico 2 em concentração mássica de 1,57% em peso,

a uma temperatura de 90ºC.

[00208] As plaquetas impregnadas são retiradas do reator de impreg- nação 9 e transferidas para um reator de explosão a vapor 14. A entrada no reator de pré-tratamento 14 é feita por transferência por um segundo parafuso cônico 11. Esse parafuso 11 é lavado com água de lavagem 12, 13 a uma vazão de 0,6 tonelada/h. Por ocasião da compressão ope- rada pelo parafuso 11, líquido é extraído das plaquetas de álamo im- pregnadas à razão de 2,95 toneladas/h, a vazão total de água de lava- gem usada do parafuso 11 do reator 14 é assim de 3,55 toneladas/h. Esse fluxo contém 0,5% em peso de H2SO4. O pré-tratamento por ex- plosão a vapor é efetuado a 200ºC em uma configuração contínua que emprega um curto tempo de permanência. O meio é bruscamente ex- pandido a uma pressão de 1,3 atm.

[00209] A cuba 3 de preparação de licor ácido situada à montante da impregnação fornece uma vazão de 2,9 toneladas/h de licor ácido. De preferência ela é equipada com sensores de medição de pH e de vazão para a água, o ácido, o licor usado e o licor preparado.

[00210] Uma parte do fluxo proveniente da lavagem do parafuso 11 do reator de explosão 14 é enviada para a cuba 3 de preparação de licor ácido: essa vazão é igual ao complemento de líquido necessário consi- derando o complemento de ácido que convém fazer para ter a acidez tomada como alvo. Assim, como nos exemplos precedentes, a vazão de líquido reciclado é de 2,8675 toneladas/h e a vazão de ácido de com- plemento é de 0,0325 tonelada/h de ácido sulfúrico a 96% em peso. A parte 13d do fluxo de líquido de lavagem usado 13 do parafuso 11 do reator de pré-tratamento 14 que não é enviada para o complemento de líquido da cuba 3 de licor é enviada para lavar o parafuso 6 do reator de impregnação 9, a uma vazão de 0,683 tonelada/h, em complemento de 0,317 tonelada/h de água. O consumo de água total é portanto de 0,917 tonelada/h. Um fluxo de 1,679 tonelada/h de águas usadas deve ser tratado.

[00211] Assim, o processo de acordo com a invenção permite em re- lação à configuração do exemplo 2 comparativo:

[00212] – uma redução do consumo mássico de água de mais de 42%

[00213] – uma redução de 29% da massa de águas usadas a tratar

[00214] Exemplo 4 de acordo com a invenção

[00215] Nesse exemplo, é apresentado um processo de impregna- ção de acordo com a invenção e de pré-tratamento de madeira que trata a mesma carga que o exemplo comparativo 1.

[00216] A madeira é utilizada sob a forma de plaquetas de dimensão característica de 50 mm. A temperatura das plaquetas na entrada de unidade é a temperatura ambiente.

[00217] As plaquetas são transportadas para o reator de impregna- ção 9 pelo parafuso cônico 6. Esse parafuso é lavado com água de la- vagem 7 a uma vazão de 1 tonelada/h. Por ocasião da compressão ope- rada pelo parafuso, líquido é extraído das plaquetas de álamo à razão de 0,679 tonelada/h, a vazão total de água de lavagem usada do para- fuso 6 do reator de impregnação 9 é assim de 1,697 tonelada/h.

[00218] No reator de impregnação 9 são introduzidas:

[00219] – as plaquetas de madeira comprimidas, via o parafuso 2 cô- nico

[00220] – 2,9 toneladas / hora de um licor ácido 4 preparado com água 1 e ácido sulfúrico 2 em concentração mássica de 1,57% em peso, a uma temperatura de 90ºC.

[00221] As plaquetas impregnadas são retiradas do reator de impreg- nação 9 e transferidas para um reator de explosão a vapor 14. A entrada no reator de pré-tratamento 14 é feita por transferência por um segundo parafuso cônico 11. Por ocasião da compressão operada pelo parafuso, líquido 13 é extraído das plaquetas de álamo impregnadas à razão de

2,95 toneladas/h. Uma parte 13b desse fluxo, 1,5 tonelada/h, é utilizada para lavar o parafuso cônico 11, de acordo com a invenção. A vazão total de água de lavagem usada do parafuso 6 do reator de impregnação 9 é assim de 4,45 toneladas/h, das quais 1,5 tonelada/h é reciclada para a lavagem 13b. Esse fluxo contém 0,602% em peso de H2SO4. Esse fluxo é mais concentrado em ácido do que o fluxo extraído do exemplo 1, pois o licor ácido usado extraído por ocasião da compressão não foi diluído pela água de lavagem do parafuso. O pré-tratamento por explo- são a vapor é efetuado a 200ºC em uma configuração contínua que em- prega um curto tempo de permanência. O meio é bruscamente expan- dido a uma pressão de 1,3 atm.

[00222] A cuba 3 de preparação de licor ácido situada à montante da impregnação fornece uma vazão de 2,9 toneladas/h de licor ácido.

[00223] O fluxo 13 proveniente da lavagem do parafuso 11 do reator de pré-tratamento 14 que não é utilizado para a lavagem, 13b do para- fuso é enviado 13c para a cuba 3 de preparação de licor ácido a uma vazão de 2,87 toneladas/h, o resto 13a (0,08 tonelada/h) é purgado. A vazão de ácido de complemento é de 0,294 tonelada/h de ácido sulfú- rico a 96% em peso.

[00224] No processo de acordo com esse exemplo, o consumo total de água é de 1,0 tonelada/h (para a lavagem do parafuso 6 de impreg- nação) e o consumo de ácido é de 0,0294 tonelada/h de ácido sulfúrico a 96% em peso. Um fluxo de 1,759 tonelada/h de águas usadas deve ser tratado.

[00225] Assim, o processo de acordo com esse exemplo de acordo com a invenção permite e, relação à configuração do exemplo 2 com- parativo:

[00226] – uma redução do consumo mássico de água de 37%

[00227] – uma redução de 9,4% do consumo mássico de ácido sul- fúrico concentrado

[00228] – uma redução de 25% da massa de águas usadas a tratar.

[00229] Em conclusão, esses exemplos demonstram que a invenção permite ganhos energéticos / de matérias primas bastante significativos, com uma grande flexibilidade de execução. Por outro lado, a modifica- ção induzida na instalação permanece modesta e fácil de realizar, com a adição de condutos munidos se for o caso de meios de variação de vazão, de medição de pH ou de temperaturas, esses condutos adicio- nais permanecendo em sua concepção absolutamente ao alcance do profissional. A invenção permanece benéfica mesmo se as diferentes operações de tratamento da biomassa (por exemplo a operação de im- pregnação e de cozimento e/ou de explosão a vapor) não são feitas de modo contínuo, nesse caso se privilegiará a reciclagem das águas de lavagem ao nível do mesmo parafuso de alimentação (circuito 8b para a lavagem do parafuso 6, circuito 13b para a lavagem do parafuso 11).

Claims (16)

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de tratamento de uma biomassa lignocelulósica que compreende uma taxa de matéria seca de no máximo 90% em peso, o dito processo compreendendo o uso de pelo menos um reator de tratamento da dita biomassa (9, 14), no qual é alimentado com bio- massa o ou pelo menos um dos ditos reatores por um meio de alimen- tação (6, 11) que cria um aumento de pressão entre a entrada de bio- massa e a saída de biomassa do dito meio de alimentação, no qual o dito meio de alimentação é lavado por circulação de um fluido de lava- gem entre uma entrada de lavagem (7, 12) e uma saída de lavagem (8, 13), caracterizado pelo fato de que uma parte pelo menos do fluido de lavagem que sai da saída de fluido do ou do pelo menos um dos meios de alimentação (6, 11) é reintroduzida na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação.

2. Processo de acordo com a reivindicação precedente, ca- racterizado pelo fato de que líquido da biomassa é extraído por ocasião de sua passagem no ou em um dos meios de alimentação (6, 11).

3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o aumento de pressão cri- ado no ou pelo menos um dos meios de alimentação (6, 11) é de pelo menos 0,05MPa, notadamente compreendido entre 0,05 e 4 MPa.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico, que é executada por introdução da biomassa no / em um dos reatores (9, 1) munidos do meio de alimentação (6, 11).

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico por travessia da biomassa dentro de um líquido de licor ou por aspersão pelo licor da biomassa sobre um transportador de tipo esteira (9’) ou por passagem da biomassa dentro de um reator agi- tado.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma etapa de impregnação da biomassa por um licor de impregnação que contém um catalisador químico, por introdução dentro de um reator (9) pelo dito ou pelo menos um dos ditos meios de alimentação (6).

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma etapa de tratamento da biomassa por cozimento, notadamente dentro do ou em um dos reatores (14) munidos de um meio de alimentação (11).

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o dito processo compre- ende as etapas seguintes: a. Preparação de um licor de impregnação (4) que contém um catalisador químico (2) destinado à impregnação da biomassa (5), escolhido entre um catalisador ácido, um catalisador básico e um cata- lisador oxidante, e de preferência um catalisador ácido, em uma zona de preparação (3). b. Introdução da biomassa triturada (5) por uma entrada de um reator de impregnação (9) com o auxílio de um primeiro meio de alimentação (6), o dito primeiro meio de alimentação sendo lavado por circulação de um primeiro fluido de lavagem (7, 8) entre uma entrada e uma saída do dito meio (6). c. Introdução do licor dentro do reator de impregnação (9) por uma primeira entrada de licor (4) do reator. d. Transferência da biomassa impregnada e escorrida (10) a partir de uma saída do reator de impregnação para uma entrada de um reator (14) de pré-tratamento por cozimento, a introdução no dito reator de pré-tratamento sendo feita por um segundo meio de alimentação (11), o dito segundo meio de alimentação sendo lavado por circulação de um segundo fluido de lavagem (12, 13) entre uma entrada e uma saída do dito meio de alimentação. e. Pré-tratamento da dita biomassa (10) dentro do dito reator por explosão a vapor (14). f. Reintrodução de pelo menos uma parte do primeiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito primeiro ou do dito segundo meio de alimentação (6, 11) na entrada de lavagem do primeiro meio de alimentação (6) e/ou do segundo meio de alimen- tação (11).

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que ele compreende também: g. Reintrodução de uma parte do primeiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do primeiro ou do segundo meio de alimentação (6, 11) na zona de preparação (3) do licor de im- pregnação tendo em vista a preparação a.) do dito licor.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções precedentes, caracterizado pelo fato de o e/ou pelo menos um dos meios de alimentação é um parafuso de alimentação (6, 11), notada- mente pelo menos em parte cônico, que compreende uma carenagem munida de uma grade que permite a circulação do fluido de lavagem e eventualmente a extração de fluido da biomassa.

11. Processo de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracte- rizado pelo fato de que uma parte do primeiro fluido de lavagem (8) na saída de lavagem do primeiro meio de alimentação (6) é reintroduzida na entrada de lavagem (8b, 8d) do primeiro ou do segundo meio de ali- mentação, e pelo fato de que uma outra parte do dito fluido de lavagem é reintroduzida (8c) na zona de preparação (3) do licor tendo em vista sua preparação.

12. Processo de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracte- rizado pelo fato de que uma parte do segundo fluido de lavagem (13) na saída de lavagem do segundo meio de alimentação (11) é reintroduzida (13b, 13d) na entrada de lavagem do primeiro ou do segundo meio de alimentação (6, 11) e pelo fato de que uma outra parte (13c) do dito fluido de lavagem é reintroduzida na zona de preparação (3) do licor tendo em vista sua preparação.

13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindica- ções precedentes, caracterizado pelo fato de que a lavagem do meio de alimentação (11) é efetuada na presença de biomassa adicionada de um catalisador, notadamente um catalisador ácido, básico ou oxidante, pelo fato de que o fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito meio de alimentação (6, 11) contém um certo teor do dito catalisador quando a biomassa é submetida a uma extração líquida atravessando para isso o dito meio de alimentação, e pelo fato de que o dito fluido de lavagem que contém esse catalisador é reintroduzido pelo menos em parte na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação, notadamente transportando bio- massa desprovida de catalisador.

14. Instalação que executa o processo de acordo com qual- quer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que ela compreende pelo menos um reator de tratamento de uma bio- massa lignocelulósica que apresenta uma taxa de matéria seca de no máximo 90% em peso com uma alimentação com biomassa do ou de pelo menos um dos ditos reatores por um meio de alimentação que cria um aumento de pressão entre a entrada de biomassa e a saída de bio- massa do dito meio de alimentação, com lavagem do dito meio de ali- mentação por circulação de um fluido de lavagem entre uma entrada de lavagem e uma saída de lavagem, e um meio de reintrodução de uma parte pelo menos do fluido de lavagem (8, 13) que sai da saída de fluido do ou de pelo menos um dos meios de alimentação (6, 11) na entrada de lavagem do mesmo meio de alimentação ou de um outro dos ditos meios de alimentação.

15. Instalação de tratamento de uma biomassa lignoceluló- sica, que compreende: – Uma zona de preparação (3) de um licor de impregnação (4) que contém um catalisador químico para a impregnação da bio- massa (5), escolhido entre um catalisador ácido, básico ou oxidante, e de preferência um catalisador ácido, e que é munida de uma saída de licor, – Um reator de impregnação (9), o dito reator sendo munido de uma entrada e de uma saída de biomassa, – Um primeiro meio de alimentação com biomassa triturada (6) do reator de impregnação (9) pela entrada de biomassa do reator de impregnação, – Um meio de alimentação com licor de impregnação (4a) do reator (5) que liga uma saída de licor da zona de preparação (3) do licor (4) a uma primeira entrada de licor no reator de impregnação, – Um reator de pré-tratamento (14) da biomassa impregnada (10) por cozimento do qual uma entrada de biomassa é ligada à saída de biomassa do reator de impregnação (9), – Um segundo meio de alimentação (11) com biomassa im- pregnada (10) do reator de pré-tratamento pela entrada de biomassa do dito reator de pré-tratamento (14), – Uma circulação de fluido de lavagem (7, 8) entre uma en- trada e uma saída o primeiro meio de alimentação (6) com biomassa triturada (5) do reator de impregnação (9), – Uma circulação de fluido de lavagem (12, 13) entre uma entrada e uma saída do segundo meio de alimentação (11) com bio- massa impregnada (10) do reator de pré-tratamento (14),

caracterizada pelo fato de que a instalação compreende tam- bém – Um meio de reintrodução de pelo menos uma parte do pri- meiro e/ou do segundo fluido de lavagem que sai da saída de fluido do dito primeiro ou do dito segundo meio de alimentação (6, 11) na entrada de lavagem do primeiro meio de alimentação e/ou do seguindo meio de alimentação.

16. Uso do processo ou da instalação como definido em qual- quer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que é para o tratamento de biomassas lignocelulósicas (5), do tipo ma- deira, palha, resíduos agrícolas, e de todas as culturas energéticas de- dicadas, notadamente plantas anuais ou plurianuais tais como o mis- canto, tendo em vista produzir açúcares, biocarburantes ou moléculas biobaseadas.