BR112021012936A2

BR112021012936A2 - Método de tratamento de uma biomassa lignocelulósica

Info

Publication number: BR112021012936A2
Application number: BR112021012936-7A
Authority: BR
Inventors: Caroline Aymard; Severine Louesdon; Romain Rousset; Damien Hudebine
Original assignee: IFP Energies Nouvelles; Institut National De Recherche Pour L'agriculture, L'alimentation Et L'environnement
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-09-14
Also published as: US20240026388A1; WO2020152105A1; CN113614239A; FR3092118A1; CA3125497A1; AR117854A1; EP3914723A1

Abstract

método de tratamento de uma biomassa lignocelulósica. a presente invenção refere-se a um método de tratamento de biomassa lignocelulósica que compreende as seguintes etapas: a) condicionar a biomassa lignocelulósica; b) lavar as ditas partículas; c) separar a solução aquosa das partículas de biomassa lavadas; d) impregnar o dito substrato lignocelulósico com um licor ácido; e) realizar uma separação sólido/líquido do substrato lignocelulósico impregnado; f) pré-tratar o dito substrato originário da etapa e) por cozimento; g) efetuar uma hidrólise enzimática do substrato lignocelulósico pré-tratado; h) efetuar uma fermentação do hidrolisado originário da etapa; g) - e introduzir a solução aquosa residual da lavagem em uma etapa do dito método de tratamento da biomassa que é posterior à etapa f) de pré-tratamento, e/ou em uma etapa de produção de enzimas e/ou em uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE TRATAMENTO DE UMA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA". Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se aos métodos de produção de açúcares a partir de biomassas lignocelulósicas. A invenção refere-se mais particularmente a um método de tratamento da biomassa lignocelulósica para a produção de álcoois ou de solventes úteis para uso como biocombustíveis (por exemplo, o etanol) ou para a síntese de moléculas de origem biológica. O método de tratamento de acordo com a invenção pode ser parte de um pré-tratamento por explosão a vapor ou cozimento ácido da biomassa lignocelulósica. Técnica Precedente

[0002] A biomassa lignocelulósica é composta por três elementos principais: a celulose (35 a 50%), a hemicelulose (23 a 32%) que é um polissacarídeo essencialmente constituído por pentoses e hexoses, e a lignina (15 a 25%) que é uma macromolécula de estrutura complexa e de alto peso molecular, derivada da copolimerização de álcoois fenil- propenoicos. Essas diferentes moléculas são responsáveis por propriedades intrínsecas da parede vegetal e se organizam em um emaranhado complexo.

[0003] A celulose, elemento majoritário dessa biomassa, é, por isso, o polímero mais abundante na Terra e o que possui maior potencial para constituir materiais e biocombustíveis. No entanto, o potencial da celulose e seus derivados não pôde até o momento ser completamente explorado, em grande parte devido à dificuldade de extração da celulose. De fato, essa etapa é dificultada pela própria estrutura das plantas. As barreiras tecnológicas identificadas na extração e no processamento da celulose são principalmente sua acessibilidade, cristalinidade, grau de polimerização, e a presença de hemicelulose e lignina.

[0004] O princípio do método de conversão da biomassa lignocelulósica por métodos biotecnológicos vale-se de uma etapa de hidrólise enzimática da celulose contida nas matérias vegetais para produzir a glicose.

[0005] A glicose obtida pode ser então fermentada formando diferentes produtos, tais como álcoois (etanol, 1,3-propanodiol, 1- butanol, 1,4-butanodiol etc.) ou ácidos (ácido acético, ácido láctico, ácido 3-hidroxipropiônico, ácido fumárico, ácido succínico etc.).

[0006] A celulose e potencialmente as hemiceluloses são os alvos da hidrólise enzimática, mas não estão diretamente acessíveis às enzimas. É por essa razão que esses substratos devem ser submetidos a um pré-tratamento antes da etapa de hidrólise enzimática. O pré- tratamento visa modificar as propriedades físicas e físico-químicas da matéria lignocelulósica, para aumentar a acessibilidade da celulose aprisionada dentro da matriz de lignina e hemicelulose. Um dos pré- tratamentos mais eficazes é a explosão a vapor, que permite uma hidrólise quase total da hemicelulose e um aumento significativo da acessibilidade e da reatividade da celulose às enzimas. Esse pré- tratamento pode ser precedido de outro(s) tratamento(s), como a impregnação ácida. A biomassa impregnada com uma solução aquosa, com ou sem ácido, é tratada continuamente com vapor em um reator sob pressão e em temperatura para desestruturar principalmente a hemicelulose.

[0007] A biomassa pré-tratada é composta por sólidos (principalmente celulose e lignina) e açúcares solúveis em água. Em algumas configurações dos métodos, uma fração do sólido pré-tratado é enviada para uma etapa de extração dos açúcares solúveis para recuperar um suco adocicado. Por exemplo, o documento “Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover”, Aden et al. NREL/TP-510-32438 ensina a separação da biomassa pré-tratada em uma fração sólida e uma fração líquida. Esse suco rico em açúcares pode ser usado como fonte de carbono nas unidades de produção de enzimas e de propagação de leveduras. O substrato pré-tratado pobre em açúcares solúveis pode ser encaminhado para a etapa de hidrólise enzimática junto com o bagaço bruto que sai da unidade de pré-tratamento.

[0008] A hidrólise enzimática visa converter o substrato pré-tratado em açúcares monoméricos. O coquetel enzimático utilizado para essa etapa é uma mistura de enzimas celulolíticas e/ou hemicelulolíticas capazes de decompor a celulose em solução de açúcares, contendo principalmente glicose. As enzimas do coquetel enzimático abrangem três grandes grupos de enzimas de acordo com suas atividades: as endoglucanases, as exoglucanases e as celobiases. O microrganismo mais utilizado para a produção do coquetel enzimático é o fungo Trichoderma reesei. O método de produção do coquetel enzimático começa com uma fase de propagação, que tem como objetivo multiplicar o fungo filamentoso T. reesei. Quando a concentração de fungo é suficiente para produzir um coquetel enzimático bem concentrado, uma fase de produção do coquetel enzimático é induzida por uma troca do substrato doce. No início deste método de fermentação, obtém-se um mosto que contém uma mistura de enzimas e do fungo filamentoso T. reesei. Esse mosto pode ser utilizado diretamente na hidrólise enzimática, ou as enzimas podem ser separadas do fungo e depois potencialmente concentradas.

[0009] A fermentação dos açúcares originados pela hidrólise enzimática em diferentes produtos, tais como álcoois, solventes ou ácidos, requer o uso de biocatalisadores (bactérias ou leveduras). Embora o objetivo principal da etapa de fermentação seja a conversão de açúcares em bioprodutos, e as condições da etapa de fermentação sejam escolhidas para favorecer esse processo metabólico, a realização de uma etapa de fermentação envolve necessariamente reações paralelas destinadas ao desenvolvimento e à manutenção dos microrganismos da fermentação. Por exemplo, Pasteur demonstrou no século XIX que cerca de 5% dos açúcares são convertidos em coprodutos, ou utilizados para a manutenção e o crescimento celular, no caso da fermentação da glicose em etanol pela levedura Saccharomyces cerevisiae.

[0010] O suco adocicado originário da etapa de extração do bagaço pré-tratado pode ser utilizado parcialmente ou completamente para a produção de biocatalisadores. Esse substrato rico em açúcares é colocado em contato com um inóculo de leveduras ou bactérias em condições favoráveis à sua multiplicação. A produção do biocatalisador demanda uma provisão de compostos de carbono e nitrogênio, além de elementos minerais, vitaminas. A necessidades variam conforme o tipo de biocatalisador considerado. No fim do crescimento, o mosto obtido contendo as leveduras ou bactérias é usado diretamente sem separação na etapa de fermentação, ou, em alternativa, o mosto pode ser concentrado, por exemplo, por centrifugação.

[0011] Esses métodos de produção de álcool, principalmente para a produção de biocombustível (etanol) pelo processo de fermentação, engloba, portanto, de maneira conhecida, a sucessão das seguintes etapas: moagem da biomassa, eventualmente uma impregnação da biomassa, em seguida o pré-tratamento por explosão a vapor ou cozimento em condições ácidas, hidrólise enzimática para produzir açúcares ou moléculas de origem biológica e fermentação alcoólica para produzir álcoois biocombustíveis, como o etanol, ou outro tipo de fermentação para produzir moléculas de origem biológica, sendo que o etanol (ou os biocombustíveis ou moléculas de origem biológica) é separado depois, por exemplo, por destilação.

[0012] A patente US 8.545.633 descreve o referido método de produção de etanol com condições de operação clássicas para essas etapas, condições estas que são familiares ao indivíduo versado na técnica. Essa patente ensina mais particularmente os métodos de tratamento da biomassa moída antes da impregnação.

[0013] Um primeiro método de tratamento consiste em uma injeção de vapor d’água (chamado de “pre-steaming” de acordo com um termo anglo-saxão conhecido) nas partículas de biomassa moída para homogeneizar a biomassa e evitar a formação de bolsões mal impregnados. Esse tratamento é conduzido com um vapor a 110°C ou mais e a pelo menos 1,3 bars absolutos (5 psig) à razão de 10 a 20 kg/h por 5 a 30 minutos. Pode-se introduzir uma pequena quantidade de ácido diluído, por exemplo 0,5 a 15 g ácido/kg de biomassa.

[0014] Um outro método consiste em retirar da biomassa a fração de partículas finas rica em cinzas. Esse material fino é separado por uma separação física baseada na granulometria, e esses materiais finos são mais ricos em “cinzas” do que a biomassa inicial. Essas “cinzas” são minerais: sílica, compostos que contêm cálcio, magnésio, sódio, potássio, fósforo e/ou alumínio. Durante a impregnação ácida, as cinzas podem consumir o ácido para formar sais, o que obriga a aumentar a quantidade de ácido durante a impregnação. Elas representam 1 a 10% em peso da biomassa, uma parte delas é insolúvel em ácido (a sílica é a parte preponderante dos insolúveis).

[0015] Um método para medir as cinzas de produtos lignocelulósicos é descrito, por exemplo, na norma ASTM E1755 “Standard Test Method for Ash in Biomass”. Este mesmo documento descreve dois métodos para a remoção dessas cinzas, a saber, a lavagem com água, que é desaconselhada, e um tratamento por via seca, que é preconizado.

[0016] O método por via seca utiliza técnicas de separação por jato de ar ou ciclone, peneiração a seco, filtragem a seco, sedimentação em várias etapas, cada uma separando partículas cada vez mais finas, sendo que as cinzas estão entre as menores partículas. Assim, 95% das partículas de biomassa enviadas para impregnação têm um tamanho acima de 250 µm e pelo menos 60% delas têm um tamanho abaixo de 4 mm. O objetivo deste tipo de separação é obter para impregnação uma biomassa com um teor de cinzas inferior a 10% em peso, o que corresponde a uma redução de no máximo 75% do teor de cinzas inicial, e entre essas cinzas, pelo menos 40% são cinzas solúveis no ácido (usado para impregnação). O teor de água da biomassa é de no máximo 20% em peso, o que corresponde a um teor de matéria seca de pelo menos 80% em peso.

[0017] O método de lavagem com água, e inclusive o uso de água no método por via seca, é gravemente desaconselhado na patente US

8.545.633 por vários motivos. Efetivamente, a água pode dissolver os compostos solúveis da biomassa, tais como a celulose, a hemicelulose e o amido, reduzindo o rendimento de açúcares e de etanol. Além disso, como a quantidade de água absorvida pela biomassa é alta, isso implicaria, de um lado, em uma dispersão degradada do ácido na biomassa durante a impregnação e, de outro lado, na necessidade de utilizar concentrações bem mais fortes do ácido, resultando em maior risco de corrosão. Ademais, as quantidades de água e de ácido resultantes para reprocessamento são expressivas e induzem custos adicionais elevados. Sumário da Invenção

[0018] Completamente ao oposto do ensinamento da patente US

8.545.633, o método de tratamento da biomassa lignocelulósica de acordo com a invenção realiza uma lavagem com água antes da etapa de impregnação, com uma lavagem que é conduzida em condições determinadas, o que permite evitar os inconvenientes apresentados acima e reduzir o consumo de ácido utilizado para a etapa de impregnação, onde a água residual proveniente da lavagem é aproveitada vantajosamente.

[0019] O objeto da invenção é um método para o tratamento da biomassa lignocelulósica que compreende a seguinte sucessão de etapas:

[0020] a) condicionar a biomassa lignocelulósica usando pelo menos uma etapa de moagem, em especial para obter partículas de biomassa moída com um tamanho máximo de 300 mm;

[0021] b) lavar as ditas partículas com uma solução aquosa de pH compreendido entre 4 e 8,5, a uma temperatura compreendida entre 10 e 95°C, sob pressão atmosférica, e por um período compreendido entre 1 e 300 minutos;

[0022] c) separar a solução aquosa das partículas de biomassa lavadas para obter, de um lado, um substrato lignocelulósico com um teor de matéria seca compreendido entre 15 e 70% em peso e, de outro lado, uma solução aquosa residual da lavagem;

[0023] d) impregnar o dito substrato lignocelulósico com um licor ácido para obter um substrato lignocelulósico impregnado com um pH compreendido entre 0,1 e 3;

[0024] e) realizar uma separação sólido/líquido do substrato lignocelulósico impregnado, para obter, de um lado, um substrato lignocelulósico com um teor de matéria seca compreendido entre 15% em peso e 70% em peso e, de outro lado, um efluente líquido;

[0025] f) pré-tratar o dito substrato lignocelulósico impregnado originário da etapa e) por cozimento, em particular por um período compreendido entre 1 e 120 minutos, de modo a obter um substrato lignocelulósico pré-tratado,

[0026] g) efetuar uma hidrólise enzimática do substrato lignocelulósico pré-tratado usando enzimas produzidas por microrganismos do tipo fungos para obter um hidrolisado que contém açúcares;

[0027] h) efetuar uma fermentação usando microrganismos do tipo bactérias ou leveduras do hidrolisado originário da etapa g) para obter um mosto de fermentação que contém pelo menos uma molécula de origem biológica, tal como um solvente e/ou um álcool;

[0028] - opcionalmente, integrar ao dito método uma etapa de produção de enzimas e/ou uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h);

[0029] - e introduzir pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) em uma etapa do dito método de tratamento da biomassa que é posterior à etapa f) de pré-tratamento, e/ou em uma etapa de produção de enzimas e/ou em uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h) quando pelo menos uma dessas etapas de produção de enzimas e/ou de produção/propagação de microrganismos é integrada ao dito método de tratamento de biomassa.

[0030] No âmbito da invenção, o teor de matéria seca (MS) é medido nos termos da norma ASTM E1756 - 08(2015) “Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.

[0031] Entende-se por “pelo menos uma parte da solução de lavagem residual, ou a totalidade da dita solução: reciclar assim 100% dessa solução no método para as etapas mencionadas acima, ou apenas uma porção, com o restante sendo simplesmente purgado ou reciclado para uma etapa do método diferente das mencionadas acima.

[0032] Ainda de acordo com a invenção, reciclar a totalidade dessa solução para pelo menos duas etapas escolhidas de acordo com a invenção (após o pré-tratamento, e/ou produção de enzimas, e/ou produção de microrganismos).

[0033] A invenção propõe, portanto, acrescentar uma lavagem da biomassa com uma solução aquosa, em seguida uma separação sólido/líquido, antes de efetuar o pré-tratamento, e, ainda, aproveitar a água de lavagem resultante, com uma vantagem dupla. A biomassa lavada desta forma e depois separada é pobre em cinzas, o que permitirá diminuir significativamente o consumo de ácido do método durante a etapa de impregnação. Ao contrário, a água de lavagem residual, por sua vez, será rica em cinzas, e essa característica permite o seu aproveitamento nas etapas do método em que a presença de minerais em fase líquida é uma vantagem, conforme detalhado mais adiante.

[0034] E, de maneira surpreendente e contrariamente ao ensinamento da técnica precedente, essa lavagem, feita nas condições específicas preconizadas pela invenção, não causou um consumo adicional excessivo de água ou outros problemas de execução. Observa-se, em particular, que o pH da solução de lavagem deve ser ajustado para pelo menos 4 (portanto, para um pH mínimo bem diferente, bem superior, ao pH da impregnação ácida), e que pode ser moderadamente ácido, moderadamente básico ou neutro. Esse pH, moderado, da solução de lavagem parece especialmente adaptado, e justificou sobretudo a escolha adotada pela invenção de reutilizar a solução de lavagem residual após a etapa de pré-tratamento, nas etapas em que o pH não é tão ácido.

[0035] O fato de a lavagem ser efetuada à pressão atmosférica assegura a presença de uma solução aquosa em fase líquida, não de um vapor. O tempo de lavagem, de no máximo 300 minutos, permite alcançar o empobrecimento de cinzas desejado para a biomassa, sem impactar muito o tempo de produção global. A temperatura de lavagem está em uma faixa que permite seja utilizar ferramentas e uma solução aquosa em temperatura ambiente, seja aquecer moderadamente, por exemplo apenas a solução aquosa, conforme o tipo de biomassa em particular.

[0036] De preferência, de acordo com uma primeira modalidade de realização, introduz-se pelo menos uma parte, ou a totalidade, da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) na etapa de hidrólise enzimática g) ou na etapa de fermentação h).

[0037] Descobriu-se que é na etapa de fermentação que a introdução da água de lavagem residual é mais benéfica: essa introdução pode ser feita diretamente na etapa de fermentação h), ou pode ser feita a montante da etapa de fermentação, nas etapas de neutralização (se essa etapa for prevista) ou de hidrólise enzimática: os sais minerais restantes são desta forma transferidos para a etapa de fermentação onde podem exercer sua função. No entanto, os sais podem ser modificados, pelo menos em parte, quando são introduzidos desde a hidrólise enzimática ou desde a neutralização, devido à variação do pH do meio de reação. Os minerais são particularmente interessantes para as reações paralelas destinadas à manutenção e/ou ao crescimento do microrganismo usado na etapa de fermentação.

[0038] De acordo com uma modalidade de realização, o método de acordo com a invenção compreende ainda uma etapa de neutralização do substrato lignocelulósico pré-tratado na etapa f), antes ou durante a etapa g) de hidrólise enzimática, e é introduzida pelo menos uma parte, ou a totalidade, da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) na dita etapa de neutralização.

[0039] De preferência, a etapa de neutralização é operada de modo que o pH da mistura da reação de hidrólise enzimática fique compreendido, de preferência, entre 4 e 6. Percebe-se assim que a solução aquosa residual apresenta um pH compatível com o almejado por essa etapa de neutralização.

[0040] De acordo com uma modalidade de realização da invenção, o método compreende ainda uma etapa integrada de produção, por microrganismos do tipo fungos, das enzimas necessárias para a hidrólise enzimática da etapa g), e é introduzida pelo menos uma parte, ou a totalidade, da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) na dita etapa de produção de enzimas.

[0041] No presente texto, entende-se como etapa “integrada” ao método da invenção uma etapa de produção de um composto destinado a tratar a biomassa, como uma enzima ou uma levedura, antes de ser colocado em contato com a dita biomassa, na mesma instalação ou nas adjacências da instalação que realiza o tratamento da biomassa: trata- se assim de fabricar in situ compostos de origem biológica que serão utilizados no tratamento da biomassa (alternativamente, esses compostos de origem biológica podem ser fabricados em outro local, e levados para a instalação de tratamento de biomassa).

[0042] De acordo com uma modalidade de realização, o método de acordo com a invenção compreende ainda uma etapa integrada de propagação de microrganismos do tipo bactérias ou leveduras necessários para a fermentação da etapa h), e é introduzida pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) na dita etapa de propagação.

[0043] No caso da produção de enzimas assim como no caso da produção de bactérias ou de leveduras mencionadas acima, o uso da solução aquosa residual da lavagem é muito vantajoso, pois o seu pH moderado é compatível com o almejado nos meios reacionais envolvidos (em particular um pH moderadamente ácido). Além disso, percebe-se que essa solução enriquecida com minerais é favorável para a produção das enzimas ou microrganismos visados, e esses minerais constituem nutrientes para os microrganismos envolvidos.

[0044] De preferência, o tempo de duração da etapa de lavagem b) está compreendido entre 1 e 60 minutos, e de preferência entre 1 e 15 minutos. Notou-se que essa lavagem podia ser eficiente mesmo com uma breve duração, o que, sob o aspecto industrial, é um trunfo.

[0045] De preferência, a solução aquosa da etapa b) de lavagem das partículas tem um pH compreendido entre 5,5 e 7,5, em particular entre 6 e 7,5 ou entre 6,5 e 7,5. Em uma modalidade de realização preferencial, a solução aquosa de lavagem está próxima, portanto, de um pH neutro, o que permite utilizar simplesmente água sem adição de ácido ou de base, sem diminuir a eficiência da lavagem.

[0046] De preferência, a solução aquosa da etapa b) de lavagem das partículas está a uma temperatura compreendida entre 25 e 95°C, em particular entre 30 e 60°C. Conforme as condições térmicas na instalação, a lavagem pode ser efetuada em temperatura ambiente ou com aquecimento moderado, que é fornecido especialmente aquecendo-se a solução antes do contato com a biomassa (ou reciclando a água oriunda de uma outra etapa do método, sendo que a água se encontra de fato nessa faixa de temperatura sem reforço térmico suplementar).

[0047] Vantajosamente, a quantidade de solução aquosa trazida para etapa b) de lavagem está compreendida entre 0,5 e 60 g/g biomassa. De preferência, está compreendida entre 1 e 30 g/g biomassa, e especialmente entre 1,5 e 20 g/g biomassa.

[0048] De acordo com a invenção, é possível ainda reintroduzir uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) na etapa de lavagem b).

[0049] De acordo com uma variante preferencial da invenção, as etapas g) de hidrólise enzimática e h) de fermentação são concomitantes, tratando-se então de SSCF para o acrônimo anglo- saxão de “Simultaneous saccharification and co-fermentation” em inglês.

[0050] Opcionalmente, pode-se introduzir na etapa b) de lavagem uma parte do efluente líquido originário da etapa e). Visto que esse efluente é ácido, o seu aprovisionamento deve ser moderado para permanecer dentro da faixa de pH apropriada para a solução de lavagem.

[0051] De acordo com uma modalidade de realização da invenção, na etapa f) realiza-se um pré-tratamento por explosão a vapor para obter um vapor e o substrato lignocelulósico pré-tratado, condensa-se o vapor proveniente da etapa f) de modo a produzir um condensado ácido. De preferência, o pré-tratamento por explosão a vapor dura no máximo 30 minutos, em particular no máximo 15 minutos.

[0052] Pode-se introduzir na etapa b) de lavagem pelo menos uma parte do condensado ácido isoladamente ou em mistura com a água. O aprovisionamento de condensado deve ser ajustado para que a solução de lavagem permaneça dentro da faixa de pH preconizada.

[0053] De preferência, as ditas partículas de biomassa, uma vez moídas na etapa a), têm um tamanho de pelo menos 1 mm.

[0054] De preferência, o substrato lignocelulósico originário da etapa c) é enviado diretamente para a etapa de impregnação d).

[0055] O substrato lignocelulósico originário da etapa c) apresenta, de preferência, um teor de matéria seca compreendido entre 25 e 70% em peso, de maneira mais preferencial entre 40 e 65% em peso.

[0056] De preferência, a etapa de impregnação d) é realizada em uma única etapa com um tempo de permanência de 10 segundos a 180 minutos.

[0057] De preferência, o substrato lignocelulósico originário da etapa e) tem um teor de matéria seca compreendido entre 40 e 65% em peso.

[0058] Em uma variante de realização já citada acima, o método também inclui as etapas integradas de produção de biocatalisadores: fungo, enzimas, bactérias ou leveduras. Essas etapas de produção podem ser realizadas, de preferência, com um crescimento do ou dos microrganismos a partir de um suco adocicado derivado do método de tratamento da biomassa. Esse suco adocicado pode ser extraído após a etapa de pré-tratamento f), ele contém então os açúcares monoméricos provenientes da solubilização das hemiceluloses que se desenvolve no curso do pré-tratamento f). Esse suco adocicado pode ser extraído após a etapa de hidrólise enzimática g), então, ele também contém o monômero glicose, que é o produto da hidrólise enzimática da celulose. De maneira preferencial, a extração do suco adocicado ocorre entre a etapa de pré-tratamento f) e a etapa de hidrólise enzimática g). A extração do suco adocicado pode ser feita lavando o substrato pré- tratado. Vantajosamente, pelo menos uma parte do fluxo que serve para a lavagem pode ser a água de lavagem residual proveniente da etapa c).

[0059] A invenção propõe, portanto, opcionalmente, integrar ao método uma etapa de produção de enzimas e/ou uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h), e uma etapa de extração de uma parte pelo menos dos sucos adocicados obtidos após a etapa de pré-tratamento f) ou após a etapa de hidrólise enzimática g), especialmente pela lavagem do substrato com uma solução aquosa. Nesse caso, de preferência, pode-se introduzir uma parte pelo menos da solução aquosa residual da lavagem proveniente da etapa c) para a extração por lavagem dos sucos adocicados.

[0060] O método de acordo com a invenção pode ser implementado para a produção de etanol ou de uma mistura acetona-butanol-etanol (ABE) ou uma mistura isopropanol-butanol-etanol (IBE) ou de qualquer outra molécula de origem biológica ou solvente, como a acetona. Lista de Figuras

[0061] A Figura 1 mostra um diagrama de blocos representando uma modalidade de realização do método de produção de solventes e/ou de álcoois a partir de biomassa lignocelulósica que integra uma etapa de lavagem b) da biomassa moída de acordo com a invenção.

[0062] A Figura 2 é um diagrama de blocos representando uma modalidade de realização do método de tratamento da biomassa lignocelulósica que integra uma reciclagem de diferentes efluentes ácidos.

[0063] A Figura 3 é um diagrama de blocos representando uma modalidade de realização do método de produção de álcoois e/ou solventes a partir de uma biomassa lignocelulósica que integra uma reciclagem da água utilizada para a lavagem da biomassa moída nas etapas a jusante de neutralização e/ou hidrólise enzimática e/ou fermentação de acordo com a invenção.

[0064] A Figura 4 é um diagrama de blocos representando uma outra modalidade de realização do método de produção de solventes e/ou de álcoois de acordo com a invenção que compreende unidades de produção in situ de enzimas e de leveduras; que integra uma reciclagem da água utilizada para a lavagem da biomassa moída para a produção de biocatalisadores e/ou para a extração de um suco adocicado utilizado, pelo menos em parte, para a produção de biocatalisadores.

[0065] A Figura 5 mostra as curvas de titulação ácido-base dos licores do exemplo 1.

[0066] A Figura 6 mostra a variação do pH em função do volume específico da solução de ácido sulfúrico H2SO4 adicionada aos licores residuais da impregnação do exemplo 2.

[0067] A Figura 7 mostra a variação da absorbância no curso do crescimento das leveduras nos meios de cultura com ou sem minerais do exemplo 5. Descrição das Modalidades

[0068] São detalhadas abaixo as diferentes etapas de tratamento da biomassa de acordo com uma modalidade de realização da invenção descrita precedentemente: Etapa a) de condicionamento da biomassa lignocelulósica

[0069] O método de tratamento inclui em sua primeira etapa, uma etapa de condicionamento da biomassa lignocelulósica com pelo menos uma moagem para obter partículas de biomassa com um tamanho máximo de 300 mm. É claro que diversas etapas de moagem sucessivas podem ser realizadas até alcançar o tamanho de partícula desejado. De maneira geral, a biomassa moída tem um tamanho de partícula (o maior tamanho) de no máximo 300 mm, mais frequentemente de pelo menos 1 mm, e normalmente está compreendido entre 2 e 200 mm. Qualquer método conhecido pelo indivíduo versado na técnica pode ser adotado para a realização dessa etapa. Em geral, a moagem das palhas é feita com grades de 5 a 100 mm. A madeira, de maneira geral, é despedaçada em placas em forma de paralelepípedo com um comprimento compreendido entre 20 e 160 mm, uma largura compreendida entre 10 e 100 mm e uma espessura compreendida entre 2 e 20 mm.

[0070] A biomassa lignocelulósica moída é transferida para a etapa (zona) de lavagem usando qualquer mecanismo conhecido pelo indivíduo versado na técnica, em particular uma rosca transportadora. Etapa b) de lavagem da biomassa lignocelulósica moída

[0071] É necessário realizar uma etapa de impregnação ácida da biomassa para aumentar a sua reatividade na etapa de pré-tratamento. Entretanto, no caso de algumas biomassas lignocelulósicas, como a palha e o Miscanthus, observou-se um consumo maior de ácido no curso da etapa de impregnação. De acordo com a técnica precedente, isto estaria associado ao caráter básico desse tipo de biomassa, que requer mais ácido para neutralizar os elementos básicos constitutivos da biomassa.

[0072] A requerente descobriu então que o efeito determinante sobre o consumo de ácido não seria um efeito da basicidade, e sim um efeito de tamponamento em razão da presença de ácido acético ou dos seus sais, que são gerados pela solubilização das cinzas presentes na biomassa lignocelulósica moída durante o seu contato com a solução aquosa ácida usada para a etapa de impregnação.

[0073] Como o pKa do ácido acético é alto (4,76 a 25°C) em relação ao pH da solução ácida de impregnação (pH<3 e frequentemente menor que 2), o ácido acético tem um efeito de tamponamento do pH, demandando a adição de grandes quantidades de ácido para levar o pH a um valor compatível com a etapa de pré-tratamento com ácido, que geralmente está compreendido entre 0,1 e 3.

[0074] De acordo com a invenção, é implementada uma etapa de lavagem (etapa b) das partículas de biomassa moída com uma solução aquosa de lavagem, a uma temperatura compreendida entre 10 e 90°C, de preferência sob pressão atmosférica.

[0075] O pH da solução aquosa de lavagem está compreendido entre 4 e 8,5, e mais preferencialmente entre 6 e 7,5. A solução aquosa de lavagem pode ser acidificada, vantajosamente pelo ácido de impregnação que é usado na etapa de impregnação d) detalhada abaixo. Alternativamente e de preferência, o possível ácido não é adicionado à água de lavagem mediante um reforço externo, ele provém de um fluxo do método que contém o referido ácido. No âmbito da invenção, não é necessário adicionar outros compostos (básico, complexante etc.) à solução aquosa de lavagem utilizada na etapa b). A solução aquosa de lavagem também pode ser simplesmente água (pH neutro). A solução aquosa pode ser um fluxo aquoso reciclado do método. Nota-se ainda que, de acordo com a invenção, a etapa b) de lavagem é realizada em ausência de água no estado vapor.

[0076] Todos os modos de lavagem em uma única etapa ou em diversas etapas em fluxo concorrente, em contrafluxo ou em fluxo cruzado são possíveis. A título de ilustração, a lavagem pode ser realizada por imersão, por exemplo transferindo a biomassa através de um banho maria, ou então sob água corrente, por exemplo fazendo correr água sobre a biomassa, que possivelmente é colocada em movimento.

[0077] De preferência, a quantidade de água envolvida nessa etapa é a mais baixa possível para obter o efeito desejado. A lavagem é efetuada usando entre 0,5 e 60 g de água/g de biomassa lignocelulósica, de preferência entre 1 e 30 g de água /g de biomassa e mais preferencialmente entre 1,5 e 20 g de água/g de biomassa. Por exemplo, pode-se determinar a quantidade de água de lavagem a ser utilizada por meio de um teste de laboratório que antecede a estação de tratamento da biomassa e que consiste em medir o pH da água de lavagem residual (ou filtrado) recuperada após a etapa de lavagem.

[0078] De maneira preferencial, a ou as ferramentas que realizam a lavagem não possuem equipamentos de aquecimento, e a temperatura da lavagem é regulada pela temperatura da solução aquosa de lavagem. A temperatura da solução aquosa de lavagem está compreendida entre 25°C e 95°C e, de preferência, entre 30°C e 60°C, portanto pode ser estar à temperatura ambiente, ou pode ter sido aquecida, para essa etapa de lavagem específica ou porque ocorre, pelo menos em parte, da reciclagem de efluentes líquidos produzidos no método e que já se encontram nessa faixa de temperatura.

[0079] O tempo da lavagem está compreendido entre 1 minuto e 300 minutos, e preferencialmente entre 1 minuto e 60 minutos, e ainda mais preferencialmente entre 1 minuto e 15 minutos. Etapa c) de separação da água de lavagem residual

[0080] O método engloba uma etapa de separação do líquido das partículas da biomassa lignocelulósica lavada para obter um substrato lignocelulósico cujo teor de matéria seca está compreendido entre 15 e 70% em peso (medido conforme a norma ASTM E1756), de preferência entre 25 e 70% e de maneira mais preferencial entre 40% e 65% em peso.

[0081] Qualquer método de separação líquido/sólido pode ser utilizado, desde que o teor de matéria seca no final dessa etapa seja respeitado. Por exemplo, a separação sólido/líquido é assegurada por uma ferramenta do tipo filtro-prensa ou realizada por drenagem, por exemplo, por gravidade.

[0082] De preferência, a etapa de separação da água de lavagem residual é realizada concomitantemente com a transferência da biomassa lignocelulósica lavada para a etapa de impregnação, por meio de uma rosca transportadora que possui uma zona de separação sólido/líquido pela prensagem da matéria sólida. Esse tipo de rosca transportadora, denominada “sealing screw feeder” ou “plug screw feeder” conforme a terminologia anglo-saxã, possui uma zona de compressão cônica que permite a formação de uma tampa hermética da biomassa lavada e uma zona perfurada que permite a evacuação da água de lavagem residual.

[0083] Quando na marcha normal a ferramenta escolhida para realizar essa separação não permite que uma amostra da biomassa seja extraída diretamente, o teor de matéria seca (MS) pode ser determinado por cálculo: considera-se então que a MS contida na amostra prensada é a diferença entre a MS da biomassa lavada na entrada e a MS presente no suco extraído na prensagem, o cálculo requer, portanto, uma medição das taxas de fluxo de massa da biomassa lavada na entrada e do suco extraído, e as medições da MS de amostras da biomassa lavada na entrada e do suco extraído na saída (por exemplo, nos termos da mesma norma ASTM E1756). O cálculo é efetuado da seguinte forma: ou a QBE a quantidade de massa da biomassa na entrada, % de MSBE o teor de matéria seca expresso em % da biomassa lavada na entrada, ou a QJS a quantidade de massa do suco extraído e % MSJS o teor de matéria seca expresso em % do suco extraído, o teor de MS do substrato prensado é obtido por diferença aplicando a fórmula: MS do substrato prensado = (QBE*%MSBE – QJS*%MSJS) / (QBE – QJS)

[0084] A etapa c) de separação permite assim fornecer uma água de lavagem residual em que uma parte pelo menos pode vantajosamente ser utilizada em uma etapa a jusante, especialmente a etapa a jusante de fermentação, conforme o método de tratamento da biomassa lignocelulósica de acordo com a invenção conforme descrito adiante em relação às Figuras 1 a 4 detalhadas adiante. Uma parte da água de lavagem residual pode ser reciclada na etapa b) de lavagem do método e a outra parte utilizada em uma etapa a jusante. A água de lavagem residual pode ser eventualmente misturada com um outro filtrado proveniente de uma outra etapa do método, antes de ser reciclada, por exemplo na etapa b) de lavagem.

[0085] A etapa de separação c) pode ser realizada em uma ou em várias etapas. A etapa de separação c) também pode ser realizada concomitantemente à etapa de lavagem b), em uma ferramenta que permite realizar a lavagem e a separação sólido/líquido em uma única etapa. Essa ferramenta pode ser, por exemplo, um tambor rotativo ou um filtro de banda.

[0086] O substrato lignocelulósico originário da etapa de separação da biomassa lavada é enviado para a etapa d) de impregnação de um licor ácido. De preferência, o substrato lignocelulósico é enviado diretamente para a etapa de impregnação, ou seja, não sofre qualquer outro tratamento antes da etapa de impregnação. Etapa d) de impregnação de um licor ácido

[0087] O método de tratamento de acordo com a invenção engloba uma etapa d) de impregnação do substrato lignocelulósico com um licor ácido para obter um substrato lignocelulósico lavado e impregnado cujo pH está compreendido entre 0,1 e 3. Essa etapa visa preparar o substrato lignocelulósico para a etapa de pré-tratamento.

[0088] A impregnação é realizada em um reator de impregnação em temperatura compreendida entre 10 e 90°C, e de preferência sob pressão atmosférica. De maneira preferencial, a impregnação é realizada a uma temperatura entre 50°C e 85°C. O tempo de permanência do substrato lignocelulósico no reator de impregnação é habitualmente de 10 segundos a 180 minutos, de preferência entre 30 segundos e 60 minutos, e ainda mais preferencialmente entre 30 segundos e 15 minutos. De preferência, a etapa de impregnação é efetuada em uma única etapa. De preferência, o substrato lignocelulósico lavado e impregnado tem um pH compreendido entre 0,9 e 2,5.

[0089] O reator de impregnação ou impregnador geralmente possui um ou mais parafusos que transfere(m) o substrato lignocelulósico desde sua entrada até a abertura de saída. O impregnador é, além disso, equipado com um ou mais tubos para conduzir o licor ácido assim como, se houver necessidade, um ou mais tubos para retirar o licor ácido. Os ditos tubos de entrada e de saída do licor ácido são em geral instalados para funcionarem em reciclagem em fluxo concorrente ou em contrafluxo.

[0090] O licor ácido é uma solução aquosa de um ácido forte, que é escolhido, por exemplo, entre o ácido sulfúrico, o ácido clorídrico, o ácido nítrico, por exemplo com um teor de ácido compreendido entre 0,5 e 4% em peso. De maneira preferencial, o ácido usado é o ácido sulfúrico. Etapa e) de separação sólido/líquido no substrato lignocelulósico impregnado com licor ácido

[0091] De acordo com a etapa e) do método de tratamento de acordo com a invenção, o substrato lignocelulósico impregnado com o licor ácido é submetido a uma etapa de separação sólido/líquido para obter um substrato lignocelulósico com um teor de matéria seca compreendido entre 15% e 70% em peso e um licor ácido residual. De preferência, o substrato lignocelulósico impregnado com o licor ácido é primeiro drenado para extrair pelo menos uma parte do licor ácido livre, antes de ser processado pela separação sólido/líquido.

[0092] A etapa de separação sólido/líquido pode fazer uso de qualquer técnica conhecida pelo indivíduo versado na técnica, por exemplo a decantação, a centrifugação ou a prensagem.

[0093] De preferência, uma prensagem do substrato lignocelulósico é realizada concomitantemente com a sua transferência para a etapa f) de pré-tratamento, quando este implementa o método de explosão a vapor descrito abaixo. Esse modo de condução da etapa e) é assegurado, por exemplo, por uma rosca denominada “plug screw feeder”, cujo funcionamento já foi descrito acima. A formação de uma tampa de substrato lignocelulósico prensado garante a estanqueidade à pressão do reator de explosão a vapor, impedindo assim as fugas de vapor. A rosca transportadora também possui um ou mais tubos para extração do licor residual (denominado prensado) separado durante a prensagem. O prensado pode ser reciclado para a etapa d) de impregnação e/ou para a etapa b) de lavagem.

[0094] A biomassa úmida obtida ao final da etapa e) de separação sólido/líquido, que pode ser designado pelo termo "substrato lignocelulósico lavado e acidificado", apresenta, de preferência, um teor de matéria seca compreendido entre 25% e 70% em peso e, mais preferencialmente, entre 40 e 65% em peso. Etapa f) de pré-tratamento do substrato lignocelulósico lavado e acidificado

[0095] O substrato lignocelulósico lavado e acidificado é submetido a uma etapa de pré-tratamento f).

[0096] A celulose (e possivelmente as hemiceluloses), que são os alvos da hidrólise enzimática, não estão diretamente accessíveis às enzimas. É a razão pela qual um pré-tratamento da biomassa é efetuado antes da etapa de hidrólise enzimática. O pré-tratamento visa particularmente modificar as propriedades físicas e físico-químicas da fração celulósica, tais como o grau de polimerização e o estado de cristalinidade dessa fração.

[0097] Diversos tipos de pré-tratamento são conhecidos pelo indivíduo versado na técnica, eles associam um tratamento químico e um tratamento térmico. Podem ser citados o cozimento ácido ou básico, o chamado método “Organosolv”, os tratamentos com líquidos iônicos e o método por explosão a vapor.

[0098] O método de pré-tratamento preferencial é a explosão a vapor ("SteamEx" ou "Steam Explosion" conforme a terminologia anglo- saxã) realizada em ambiente ácido. É um método no qual a temperatura do substrato lignocelulósico é aumentada rapidamente através da injeção de vapor sob pressão. O tratamento é interrompido por descompressão repentina.

[0099] As condições de operação do método de explosão a vapor são as elencadas a seguir:

[0100] - o vapor é injetado diretamente no reator;

[0101] - a temperatura do reator geralmente está compreendida entre 150 e 220°C, de preferência entre 170°C e 210°C,

[0102] - a pressão está compreendida entre 5 e 25 bars absolutos, mais preferencialmente entre 8 e 19 bars absolutos.

[0103] - o tempo de permanência antes da fase de expansão varia de 10 segundos a 15 minutos, e de preferência entre 3 minutos e 12 minutos.

[0104] A explosão a vapor pode ser realizada em batelada ou em modo contínuo, e a etapa de despressurização que permite desestruturar a biomassa pode ser desenvolvida em uma ou mais etapas. De maneira preferencial, a explosão a vapor é conduzida em modo contínuo.

[0105] No final da etapa de pré-tratamento por explosão a vapor, obtém-se um substrato lignocelulósico pré-tratado com alto teor de matéria seca, geralmente compreendida entre 20 e 70% em peso, e com mais frequência entre 35% e 65%, e uma fase de vapor que é em seguida condensada.

[0106] A implementação das etapas a) até f) de acordo com a presente invenção permite, portanto, produzir um substrato pré-tratado reativo e uma água de lavagem da biomassa residual. Além disso, foi demonstrado que o método de acordo com a presente invenção produz um substrato pré-tratado empobrecido em minerais em relação aos métodos da técnica precedente, em particular os métodos que implementam uma reciclagem do licor de impregnação extraído na etapa e) para a etapa d) de impregnação. Esses minerais são extraídos na água de lavagem residual proveniente da etapa c) do método de acordo com a presente invenção.

[0107] No âmbito da invenção, o substrato lignocelulósico pré- tratado obtido no final da etapa f) do método de tratamento de acordo com a invenção é utilizado com vantagens como carga no chamado método de segunda geração de produção de solventes e/ou de álcoois a partir da biomassa lignocelulósica que continua o tratamento da biomassa de acordo com as etapas sucessivas descritas precedentemente.

[0108] Após a explosão a vapor em condições ácidas, o substrato lignocelulósico pré-tratado tem, em geral, um pH inferior ao que é compatível com o ambiente para a hidrólise enzimática. Assim, o substrato lignocelulósico tratado de acordo com a etapa f) de pré- tratamento é submetido a uma etapa de neutralização para deixar o seu pH em um valor compreendido entre 4 e 6.

[0109] Para a etapa de neutralização, usa-se uma solução aquosa contendo um agente de neutralização, que pode ser escolhido entre todas as bases fracas ou fortes familiares ao indivíduo versado na técnica. O termo base designa qualquer espécie química que, quando adicionada à água, produz uma solução aquosa com pH acima de 7. De maneira preferencial, o agente de neutralização é escolhido entre o hidróxido de potássio, o hidróxido de sódio, a amônia, a cal. De maneira ainda mais preferencial, o agente de neutralização é escolhido entre o hidróxido de potássio e a amônia, isoladamente ou em combinação. De maneira preferencial, o agente de neutralização é utilizado em solução aquosa, com uma concentração de massa compreendida entre 2% e 75% e, de maneira ainda mais preferencial, entre 15% e 50%.

[0110] A neutralização ocorre em uma temperatura compreendida entre 15°C e 95°C, e de preferência entre 20°C e 70°C. Em geral, a temperatura da etapa de neutralização não é controlada precisamente e é regida apenas pelo calor desprendido pela reação ácido-base de neutralização.

[0111] A etapa de neutralização pode ser realizada em modo contínuo, descontínuo ou batelada alimentada, denominada “fed-batch” conforme a terminologia anglo-saxã.

[0112] Note-se que uma etapa de lavagem pode ser aplicada com vantagens antes ou após a etapa de neutralização, em todo ou em parte do substrato lignocelulósico pré-tratado.

[0113] Se uma lavagem for aplicada, uma corrente líquida é colocada em contato com o substrato lignocelulósico pré-tratado, e depois o líquido é separado do sólido. A etapa de lavagem pode ser realizada por percolação, por operações de mistura e separação líquido/sólido sucessivas, por lavagem em filtro de banda ou por qualquer outra técnica conhecida pelo indivíduo versado na técnica. O líquido de lavagem utilizado pode ser a água ou uma corrente do método. A razão de massa entre o líquido de lavagem adicionado e o líquido contido no substrato a ser lavado geralmente está compreendida entre 0,5 e 4. A etapa de lavagem gera um suco adocicado da lavagem que contém uma parte das hemiceluloses solubilizadas no curso do pré- tratamento. Esse suco de lavagem pode ser usado, por exemplo, como fonte de carbono para a produção de biocatalisadores (enzimas e/ou microrganismos). A etapa de lavagem geralmente ocorre a uma temperatura compreendida entre 10°C e 95°C, e preferencialmente entre 30°C e 70°C. Em uma modalidade de realização preferencial, o fluxo de lavagem é, pelo menos em parte, composto pela água de lavagem residual proveniente da etapa c) de separação sólido/líquido na biomassa lavada. Etapa g) de hidrólise enzimática

[0114] O substrato lignocelulósico pré-tratado, eventualmente neutralizado e lavado, é enviado para a etapa de hidrólise enzimática g) do método.

[0115] O substrato lignocelulósico pré-tratado que é enviado para a etapa de hidrólise enzimática apresenta um teor de matéria seca geralmente compreendido entre 15% e 70% em peso.

[0116] O objetivo da hidrólise enzimática é hidrolisar (despolimerizar), por meio de biocatalisadores, as hemiceluloses e a celulose em açúcares fermentáveis, de preferência será a glicose.

[0117] A etapa de hidrólise enzimática ocorre em condições suaves, a uma temperatura de 40°C e 55°C, de preferência entre 45°C e 50°C e pH de 4,0 a 5,5, e ainda mais preferencialmente entre 4,8 e 5,2. O teor de matéria seca do meio de hidrólise enzimática está compreendido entre 5 e 45% em peso, de preferência entre 10 e 30% em peso. Ela é realizada por meio de enzimas produzidas por um microrganismo.

[0118] Pode-se utilizar microrganismos naturais ou geneticamente modificados, tais como os fungos pertencentes aos gêneros Trichoderma, Aspergillus, Penicillium ou Schizophyllum, ou as bactérias anaeróbicas pertencentes, por exemplo, ao gênero Clostridium, que produzem um coquetel de enzimas contendo especialmente celulases e hemicelulases, adequadas para uma hidrólise extensiva da celulose e das hemiceluloses.

[0119] A hidrólise enzimática pode ser realizada em modo contínuo ou descontínuo, ou em batelada alimentada (“fed-batch”), em um ou mais reatores. O tempo de permanência está compreendido entre 12 horas e 200 horas e, de preferência, entre 24 horas e 160 horas e ainda mais preferencialmente entre 48 horas e 120 horas.

[0120] No final da etapa g), recupera-se do biorreator um hidrolisado contendo açúcares fermentáveis que em seguida é tratado na etapa h) de fermentação.

[0121] Deve-se notar que o hidrolisado obtido pode ser eventualmente submetido a uma ou mais etapas de tratamento antes da etapa de fermentação. Por exemplo, pode ser um retorno ao pH, uma purificação parcial a fim de limitar o teor do composto inibidor para o microrganismo fermentativo, uma separação pelo menos parcial dos resíduos sólidos contidos no hidrolisado. Etapa h) de fermentação do hidrolisado

[0122] De acordo com a etapa h) do método de produção de solventes e/ou álcoois, o hidrolisado potencialmente tratado é enviado para a etapa de fermentação h) que permite a conversão por meio de um ou mais microrganismos de gêneros diferentes dos açúcares fermentáveis no solvente e/ou álcoois de interesse. Os métodos de fermentação são familiares ao indivíduo versado na técnica e estão particularmente descritos no documento US 8.456.633.

[0123] O termo "solvente" designa compostos orgânicos diferentes dos álcoois, por exemplo compostos orgânicos com uma função cetona, como a acetona.

[0124] O termo "álcool" designa especialmente o etanol, o propanol, o isopropanol e o butanol.

[0125] Os microrganismos naturais ou geneticamente modificados podem ser escolhidos, por exemplo, entre Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces uvarum, Saccharomyces diastaticus, Kluyveromyces fragilis, Candida shehatae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilis ou les bactérias Zymomonas mobilis, Clostridium acetobutylicum, Escherichia coli.

[0126] No contexto da invenção, a etapa de fermentação permite, por exemplo, produzir etanol isoladamente ou em mistura com butanol, propanol, isopropanol e/ou acetona. Por exemplo, o microrganismo fermentativo pode ser capaz de produzir uma mistura chamada "ABE (acetona-butanol-etanol)" ou "IBE (isopropanol-butanol-etanol)".

[0127] De maneira preferencial, o microrganismo escolhido é uma levedura natural ou geneticamente modificada do gênero Saccharomyces capaz de produzir etanol.

[0128] No final da etapa h), recupera-se um mosto de fermentação diluído nos produtos de interesse.

[0129] De acordo com uma modalidade de realização do método, as etapas g) e h) são realizadas ao mesmo tempo, em pelo menos um mesmo biorreator, de modo que a hidrólise enzimática e a fermentação são conduzidas simultaneamente de acordo com um método designado pelo termo "Sacarificação e Fermentação Simultâneas (SFS)" ou "Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF)" conforme a terminologia anglo-saxã, ou ainda "Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation" (SSCF) quando o microrganismo implementado é capaz de assimilar conjuntamente açúcares C5 e açúcares C6 (por exemplo, glicose e xilose) . Quando a etapa de hidrólise é confundida com a etapa de fermentação, as condições de operação, em particular de temperatura, podem ser ajustadas para que se adaptem às tolerâncias do microrganismo fermentativo. Por exemplo, a temperatura pode ser abaixada entre 28°C e 45°C, e preferencialmente entre 30°C e 35°C, quando a fermentação é conduzida com uma levedura do gênero Saccharomyces. O pH é regulado, de preferência, entre 5 e 5,5 no intuito de favorecer o desempenho das leveduras.

[0130] No âmbito da invenção, a água de lavagem residual recuperada na etapa de lavagem b) após a separação da biomassa é usada vantajosamente, pelo menos em parte, na etapa de fermentação h).

[0131] Para isso, a água de lavagem residual proveniente da etapa c) pode ser introduzida diretamente na etapa h) de fermentação, ou introduzida na etapa g) de hidrólise enzimática ou mesmo na etapa de neutralização que antecede a hidrólise enzimática, quando esta é prevista. Assim, a água de lavagem residual é então transferida parcialmente com o fluxo resultante da hidrólise que é enviado para fermentação.

[0132] O uso de uma parte da água de lavagem residual na fermentação permite devolver nessa etapa uma parte dos minerais presentes na biomassa natural que foram retirados no curso da lavagem da etapa b). Esses minerais têm um impacto benéfico sobre o crescimento do microrganismo adotado na etapa de fermentação. Em particular, os referidos minerais têm um impacto benéfico sobre o crescimento da levedura Saccharomyces.

[0133] A unidade de produção que implementa o método de acordo com a invenção pode incluir, além das instalações já descritas, unidades de produção in situ de enzimas e/ou de leveduras. Para esse tipo de unidade, é possível enviar pelo menos uma parte da água de lavagem residual para essas unidades de produção de enzimas e/ou de leveduras para reaproveitar os minerais nela contidos. Antes dessa reciclagem, a água de lavagem residual pode ser desintoxicada para eliminar os compostos inibidores de microrganismos, e/ou ter seu pH reajustado.

[0134] As etapas de produção de biocatalisadores requerem o aprovisionamento de substratos que possam trazer os elementos constituintes dos microrganismos. Esses elementos são, em especial, o carbono, o oxigênio, o hidrogênio, e, em um segundo momento, o nitrogênio, o fósforo e o enxofre. Enfim, os minerais também estão presentes em baixas quantidades nos microrganismos. Assim, quando as células dos microrganismos se multiplicam, elas extraem todos os elementos que entram na sua constituição no seu ambiente. As etapas de produção de biocatalisadores são geralmente conduzidas em substratos contendo moléculas de carbono assimiláveis, como os açúcares, e em reatores agitados e aerados, sendo que o ar permite a provisão de oxigênio. Ademais, suplementos devem ser introduzidos para assegurar a provisão de outros elementos, tais como nitrogênio, fósforo, enxofre e minerais. Em especial, os minerais podem ser elementos caros de introduzir, mesmo quando as quantidades envolvidas são pequenas. Em uma configuração conhecida do indivíduo versado na técnica, os microrganismos necessários ao método de bioconversão são produzidos in situ a partir de suco adocicado resultante do método. Esses sucos adocicados são extraídos ou pela lavagem do substrato pré-tratado resultante da etapa f) de pré- tratamento, ou por uma separação sólido/líquido, potencialmente acoplada a uma lavagem, realizada após a etapa g) de hidrólise enzimática. Etapa i) de separação dos solventes e/ou álcoois do mosto de fermentação.

[0135] O método de acordo com a invenção pode finalmente incluir uma etapa i) de separação do ou dos produtos de interesse do mosto de fermentação, potencialmente precedida de uma etapa de separação sólido/líquido para eliminar pelo menos uma fração da matéria sólida contida no mosto de fermentação.

[0136] De preferência, a etapa de separação do ou dos produtos de interesse, por exemplo o etanol, envolve uma ou mais destilações, de acordo com uma tecnologia bem familiar ao indivíduo versado na técnica.

[0137] Outras características e vantagens da invenção surgirão após a leitura da descrição dos exemplos de realizações particulares da invenção, que são fornecidos em caráter meramente ilustrativo e fazendo referência às Figuras 1 a 7 precedentemente indicadas.

[0138] Na Figura 1, as partículas de biomassa lignocelulósica moídas ingressam pelo tubo 1 na zona de lavagem 2 para realizar a etapa de lavagem b). A lavagem de acordo com a invenção é efetuada com uma água de lavagem (água com pH entre 4 e 8,5) trazida pelo tubo 3. Um primeiro filtrado que corresponde a uma água de lavagem residual livre pode ser potencialmente separado, por exemplo, por drenagem e recuperado pelo tubo 4.

[0139] A biomassa lignocelulósica lavada é então submetida à etapa c) de separação sólido/líquido (zona de separação 5), que realiza, de preferência, uma prensagem da polpa úmida. De preferência, essa separação sólido/líquido é realizada concomitantemente com a transferência da biomassa lignocelulósica lavada para a zona de impregnação 6 a fim de realizar a etapa d) do método. A separação sólido/líquido produz uma água de lavagem residual que é extraída pelo tubo 7 e um substrato lignocelulósico lavado cujo teor de matéria seca está compreendido entre 15% e 70% em peso. Na modalidade de realização da Figura 1, as águas de lavagem residuais das linhas 4 e 7 são eventualmente misturadas para serem recicladas para a etapa de lavagem pela linha 25. De preferência, uma parte apenas da água de lavagem residual proveniente da separação c) é potencialmente reciclada para a etapa de lavagem b), e toda ou parte da água de lavagem residual é utilizada nas etapas a jusante do pré-tratamento descritas pelas Figuras a seguir.

[0140] O substrato lignocelulósico lavado é então enviado para a zona de impregnação 6 na qual é realizada a etapa d) de impregnação de um licor ácido, que é trazido pelo tubo 8. A impregnação é realizada em um reator de impregnação a uma temperatura compreendida entre 10 e 90°C e, de preferência, sob pressão atmosférica. O tempo de permanência do substrato lignocelulósico no reator de impregnação é habitualmente de 10 segundos a 180 minutos, de preferência entre 30 segundos e 60 minutos e ainda mais preferencialmente entre 30 segundos e 15 minutos. De preferência, a etapa de impregnação é efetuada em uma única etapa com um teor de matéria seca compreendido entre 1 e 30%.

[0141] O substrato lignocelulósico lavado e impregnado, retirado da zona de impregnação 6, é transferido para uma zona 10 de separação sólido/líquido a fim de separar um licor ácido residual pela linha 9 e um substrato lignocelulósico lavado e acidificado que é enviado para a etapa de pré-tratamento. A separação sólido/líquido realiza, de preferência, uma prensagem que é conduzida concomitantemente com o transporte do substrato lignocelulósico lavado e impregnado para a unidade de pré-tratamento 11, por exemplo, por meio de uma rosca do tipo “plug screw feeder”. O licor ácido residual (ou prensado proveniente da prensagem) é recuperado no tubo 9 e eventualmente é reciclado para a zona de impregnação 6. A impregnação do licor ácido permite a obtenção de um produto com um teor de matéria seca geralmente compreendido entre 15 e 70% em peso e cujo pH está compreendido entre 0,1 e 3.

[0142] A unidade de pré-tratamento 11 reapresentada na Figura 1 usa um método por explosão a vapor. Deste modo, o vapor é trazido pelo tubo 12, enquanto o vapor expandido é retirado pela linha 13 e geralmente é condensado a fim de proporcionar um condensado ácido.

[0143] De preferência, e como mostra a Figura 1, o substrato lignocelulósico pré-tratado é neutralizado na zona de neutralização 14 que é alimentada pelo tubo 15 com uma solução neutralizadora, como uma solução básica.

[0144] O substrato neutralizado é então submetido a uma hidrólise enzimática realizada na zona 16 na presença de um coquetel enzimático fornecido pela linha 16 bis adaptada para hidrolisar especialmente a celulose em açúcares fermentáveis (essencialmente glicose).

[0145] O produto da hidrólise enzimática, denominado hidrolisado, é processado em uma etapa de fermentação na zona de fermentação 17 a fim de converter, na presença dos microrganismos fermentativos fornecidos pela linha 17 bis, os açúcares em produtos de interesse, como um solvente e/ou um álcool. A etapa de fermentação conduzida na presença de microrganismos pode ser uma fermentação etílica que produz principalmente etanol, uma fermentação do tipo ABE ou IBE.

[0146] Note-se que as etapas de hidrólise enzimática e de fermentação podem ser conduzidas concomitantemente de acordo com um método designado pelo termo "Saccharification et Fermentation Simultanées (SFS)" conhecido pelo indivíduo versado na técnica.

[0147] O mosto de fermentação que é recuperado na saída do fermentador é tratado a fim de separar os produtos de interesse. Em geral, a recuperação dos produtos de fermentação é feita por destilação em uma coluna 18, como conhecido pelo indivíduo versado na técnica. Da coluna 18, é retirado um fluxo 19 que tem concentrado os produtos de interesse e uma vinhaça 20.

[0148] A Figura 2 representa um diagrama do método de tratamento da biomassa lignocelulósica no qual estão reapresentados os fluxos que podem ser reciclados para a etapa de lavagem b) e de separação c) da biomassa, além do fluxo externo da água de lavagem que é trazido pela linha 3.

[0149] Conforme indicado na Figura 2, uma parte 21 do licor ácido residual 9 resultante da separação sólido/líquido trazido para a zona 10 antes do pré-tratamento 11 pode ser reciclada, enquanto a outra parte 22 é purgada ou reenviada para a etapa de impregnação efetuada na zona 6.

[0150] A etapa de lavagem pode também usar uma parte 23 dos condensados ácidos 13 provenientes do pré-tratamento 11, enquanto a outra parte 24 dos condensados é purgada. Quando a referida reciclagem do condensado é considerada, é possível purificá-lo, sobretudo visando limitar os teores dos compostos furfural e ácido acético antes da sua reciclagem para a etapa de lavagem.

[0151] Conforme antes indicado, é possível reciclar pela linha 25 pelo menos uma parte da água de lavagem residual 7 resultante da etapa de separação da zona 5.

[0152] Os diferentes modos de reciclagem descritos podem ser obviamente combinados entre si. Ao planejar que os efluentes ácidos sejam reciclados para fazer parte da solução aquosa de lavagem da etapa b), o seu aprovisionamento é ajustado para que a solução aquosa permaneça no pH desejado (de pelo menos 4, e especialmente de pelo menos 6).

[0153] As Figuras 3 e 4, semelhantes à Figura 1, mostram um diagrama do método de produção de solventes e/ou álcoois a partir de biomassa lignocelulósica que compreende uma etapa de lavagem da biomassa b) na qual a água de lavagem residual não é reciclada apenas na etapa de lavagem, mas também é vantajosamente utilizada, no todo ou parte, nas etapas a jusante.

[0154] De fato, essa água de lavagem residual muito rica em minerais (cinzas) pode ser usada com vantagens como fonte de nutriente para os microrganismos e as leveduras.

[0155] O pH da água de lavagem está compreendido entre 4 e 8,5. Assim, de acordo com o pH, convém realizar uma neutralização, conforme o caso, se essa água for destinada à produção de enzimas ou de leveduras ou para complementar os meios de hidrólise enzimática ou de fermentação.

[0156] A Figura 3 mostra também os diferentes usos possíveis da água de lavagem residual retirada pelas linhas 4 e/ou 7. Toda ou uma parte da água de lavagem residual 7 (e/ou 4) pode ser encaminhada para uma etapa opcional de tratamento 30, por exemplo uma etapa de ajuste do pH e/ou de tratamento de desintoxicação. A água de lavagem residual ou o efluente da etapa de tratamento 30 pode ser enviado para a etapa de neutralização do substrato lignocelulósico pré-tratado 14 pela linha 31, para a etapa de hidrólise enzimática da zona 16 pela linha 32 e/ou para a etapa de fermentação 17 pela linha 33.

[0157] A Figura 4 ilustra as possibilidades de uso da água de lavagem residual proveniente da etapa c) de separação nas etapas de produção de enzimas e/ou de leveduras quando elas são integradas ao método de tratamento da biomassa. A Figura 4 mostra ainda uma potencial reciclagem da água de lavagem residual em uma etapa opcional de lavagem (parcial ou total) do substrato lignocelulósico pré- tratado, em que essa etapa de lavagem pode anteceder ou suceder a etapa de neutralização do substrato lignocelulósico pré-tratado.

[0158] Note-se que o método da Figura 4 combina os dois tipos de reciclagem (produção de enzimas e/ou leveduras e etapa opcional de lavagem). No entanto, no âmbito da invenção, apenas um dos dois tipos de reciclagem pode ser realizado.

[0159] Em referência à Figura 4, o substrato lignocelulósico pré- tratado é enviado para a etapa de lavagem (etapa adicional em relação à Figura 3) conduzida na zona 40, antes da etapa de neutralização da zona 14. A água de lavagem é trazida pela linha 41. Um suco contendo açúcares solúveis e outros componentes é recuperado pela linha 42.

[0160] Esse suco rico em açúcares pode ser utilizado para a produção de enzimas realizada na zona 44 e/ou de leveduras realizada na zona 45. As enzimas e as leveduras produzidas são adicionadas respectivamente pelos tubos 46 e 47 na etapa de hidrólise enzimática na zona 16 e na etapa de fermentação na zona 17.

[0161] A água de lavagem residual 7 (é também o caso, possivelmente, da água de lavagem 4) pode ser tratada em uma etapa opcional de tratamento 30 (desintoxicação e/ou neutralização) e ser dirigida, toda ou em parte, pelas linhas 43 e 48 para a etapa de lavagem 40 do substrato lignocelulósico pré-tratado, em complemento ou em substituição à água de lavagem do tubo 41. A água residual de lavagem residual 7 (e possivelmente também a água de lavagem 4) também pode ser enviada para a unidade produção de enzima 44 pela linha 49 e/ou para a unidade de produção de leveduras 45 pela linha 50. As águas de lavagem 4 e 7 podem ser misturadas antes ou após a eventual etapa de tratamento 30. A porção da água de lavagem residual 7 potencialmente não reciclada pode ser purgada pelo tubo 26.

[0162] A água de lavagem 7 (e 4) proveniente da lavagem e da separação b) + c) da invenção pode ser então reintroduzida em vários estágios do método após o pré-tratamento e/ou durante a fabricação de enzimas e/ou leveduras, e às vezes também pode ser parcialmente reciclada para a etapa de lavagem b). Essa escolha depende do tipo de instalação (produção integrada ou não de enzimas e leveduras), do tipo de biomassa etc. e, portanto, pode oscilar de um ciclo de produção para outro ou em um mesmo ciclo.

[0163] De acordo com uma modalidade de realização, as etapas de neutralização e de hidrólise enzimática são realizadas em uma mesma unidade.

[0164] Em resumo, a implementação da etapa de lavagem da biomassa lignocelulósica tem a vantagem de reduzir a quantidade de ácido necessária para impregnação. Essa redução permite, consequentemente, limitar as adições de compostos básicos para a etapa de neutralização do substrato lignocelulósico pré-tratado, o que reduz paralelamente a quantidade de sais formados. Ora, esses sais (em particular sulfatos) limitam consideravelmente a reciclagem dos fluxos, sobretudo na presença de microrganismos.

[0165] O desenvolvimento de uma água de lavagem de pH tamponado, e que posteriormente é reciclada, permite economias com despesas operacionais, e evita os choques de pH prejudiciais ao funcionamento dos microrganismos e das enzimas e para a sobrevivência das leveduras. A reutilização da água de lavagem residual é bastante maleável de ser implementada, de acordo com as diversas configurações de instalação, e agrega ganhos reais em etapas bem específicas do método a jusante do pré-tratamento. Exemplos Exemplo 1: Dosagem da acidez residual nos licores preparados de acordo com a técnica precedente e de acordo com a invenção. Preparação do licor fresco:

[0166] 600,2 g de solução ácida foram preparados misturando 4,6 g de solução de H2SO4 concentrada para 72% em peso de H2SO4 com água. O licor ácido obtido desta forma é denominado "Licor L1". Obtenção de um licor de impregnação residual (comparativo):

[0167] 247,3 g do licor acima foram aquecidos a 60°C e em seguida colocados em contato por um período de cerca de 180 minutos com 30 g de palha moída, cujo teor de matéria seca (MS) é de 92,4%. Essa impregnação foi realizada para um teor de matéria seca (MS) de 10% em peso com um fornecimento de H2SO4 de 4,9 g de H2SO4/100 g de MS. No final do contato, nota-se uma perda de peso no curso da impregnação de 20,6 g. A biomassa impregnada com ácido é então prensada, gerando 90 g de uma torta úmida e 156,5 g de um licor residual da impregnação denominado “Licor L2”. Licores residuais da impregnação (de acordo com a invenção):

[0168] A mesma palha moída (30 g) é colocada em contato com água a 60°C por 3 minutos simulando uma lavagem da biomassa. O teor de matéria seca (MS) é de 10% em peso nesta mistura. O meio é em seguida separado por prensagem, recuperando assim uma palha lavada e uma água de lavagem residual (filtrado). Perdas experimentais são observadas: menos de 0,02% de perdas durante o seu contato com a água e cerca de 5% de perdas de massa durante a separação, ligadas ao delineamento experimental (2,2% com base na MS).

[0169] O Quadro 1 abaixo resume os dados experimentais de preparação da palha lavada com água: Teor de matéria seca da palha bruta (% em peso) 92,4 Massa de palha bruta lavada (g) 30,0 Massa de água à 60°C (g) 250,5 Teor de matéria seca da mistura antes da lavagem (% em peso) 9,9 pH da água a T°C labo 7,40 a 23°C pH da água a 60°C 7,63 a 58°C Tempo de lavagem 3 min Massa total antes da lavagem (g) 280,5 Massa total antes da prensagem (g) 280,2 Massa de sólido após prensagem (g) 74,8 Teor de matéria seca do sólido prensado 34,3 (% em peso) Massa de água após prensagem (g) 191,2 Teor de matéria seca da água após prensagem (% em peso) 0,77 pH da água após prensagem (-) 6,96 a 34°C

[0170] 50,1 g da palha lavada conforme descrito precedentemente, com um teor de MS de 34,3%, são colocados em contato por 180 minutos com 121,7 g de um licor ácido contendo 0,70% em peso de H2SO4. Essa impregnação foi então conduzida a 10% em peso de matéria seca (MS), e com um fornecimento de H2SO4 de 4,96 g de H2SO4/100 g de MS. No final do contato, nota-se uma perda de peso no curso da impregnação de 24,8 g. A biomassa lavada e impregnada com ácido é então prensada, resultando em 57,9 g de uma torta úmida e 73,1 g de um licor de impregnação ácido residual, que é denominado "Licor L3".

[0171] A dosagem de acidez desses 3 licores foi realizada avaliando-se a variação do pH em função do volume de solução básica derramada. A solução básica utilizada é uma solução de NaOH 0,1 N. A Figura 5 mostra as curvas de titulação obtidas para cada licor com, no eixo das abscissas, a quantidade de solução de NaOH em ml a 0,1N por ml de amostra, e nas ordenadas o pH.

[0172] Observa-se que a etapa de impregnação gera uma perda de acidez do licor L1. Na impregnação após a lavagem de acordo com a invenção, observa-se que o licor residual L3 recuperado tem uma acidez mais alta que o licor usado L2 para uma quantidade específica similar do catalisador ácido introduzido. Assim, o “consumo” de acidez pela biomassa é reduzido, graças à implementação da lavagem antes da impregnação de acordo com a presente invenção. Exemplo 2: Reajuste do pH para reciclagem dos licores preparados de acordo com a técnica precedente e de acordo com a invenção

[0173] A palha moída do exemplo 1 é colocada em contato com água a 60°C por 60 minutos. O teor de MS é de 10% em peso nesta mistura. O meio em seguida é separado por uma separação sólido/líquido que permite recuperar uma palha lavada e uma água de lavagem (filtrado). As perdas experimentais foram próximas de 12% de perdas de massa na imersão (certamente devido à evaporação) e cerca de 3% de perdas de massa durante a separação, ligadas à delineamento experimental. O saldo de MS da preparação, por sua vez, é de 96,6%.

[0174] O Quadro 2 abaixo resume os dados experimentais de preparação da palha lavada com água: Teor de matéria seca da palha bruta (% em peso) 92,4 Massa de palha bruta lavada (g) 30,0 Massa de água a 60°C (g) 251,0 Teor de MS da mistura antes da lavagem (% em peso) 9,9 pH da água a T°C labo 7,38 a 23°C pH da água a 60°C 7,35 a 57°C Tempo de lavagem 60 min Massa de sólido após prensagem (g) 85,2 Teor de ms do sólido prensado (% em peso) 29,4 Massa de água após prensagem (g) 156,6 Teor de ms da água após prensagem % em peso) 1,1 pH da água após prensagem (-) 7,16 a 20°C

[0175] 50,1 g da palha lavada conforme descrito precedentemente, cujo teor de MS é de 29,4%, são colocados em contato por 180 minutos com 97,1 g de um licor ácido contendo 0,75% em peso de H2SO4. Esta impregnação foi então realizada para 10% em peso de MS e com uma quantidade de H2SO4 de 4,93 g de H2SO4/100 g de MS. Esta mistura em seguida foi prensada, permitindo obter 67,2 g de uma torta úmida e 48,6 g de um licor ácida residual da impregnação "Licor L4".

[0176] O pH dos licores residuais L2 e L4 foi reajustado para um valor alvo de 1,2 adicionando uma solução de H2SO4 0,05 M. A variação do pH em função do volume adicionado é apresentada na Figura 6 com, nas abscissas o número de ml da solução de H2SO4 0,05M por ml de amostra.

[0177] O licor residual preparado de acordo com a invenção (Licor L4) requer uma quantidade de ácido menor do que o licor residual obtido após a impregnação da biomassa não lavada (Licor L2) para diminuir seu pH, especialmente visando a sua reciclagem.

[0178] Assim, para ajustar o pH dos licores residuais para um pH de 1,2, é preciso acrescentar 3,8 mg de ácido sulfúrico/ml de amostra para o licor residual L4 e 5,3 g/ml de amostra para o licor residual L2, ou seja, um ganho de 28% sobre o consumo de ácido sulfúrico. Exemplo 3: Análises de biomassas antes e após a sucessão das etapas de impregnação e de pré-tratamento (técnica precedente)

[0179] Uma palha de trigo colhida em 2017 foi moída e analisada após a moagem. Os teores dos minerais cobre, zinco, magnésio e manganês deste lote de palha A estão indicados no Quadro 3 abaixo, expressos em mg do elemento/kg seco de palha: Amostra analisada Palha natural A Teor de matéria seca % em peso / bruto 92% Cobre mg de Cu/kg seco 2 Zinco mg de Zn/kg seco 4 Magnésio mg de Mg/kg seco 778 Manganês mg de Mn/kg seco 34

[0180] Essa palha moída foi em seguida pré-tratada de acordo com um método da técnica precedente: explosão a vapor precedida de uma impregnação ácida, com reciclagem total do licor de impregnação residual. Assim, a palha moída é encaminhada para uma ferramenta de impregnação por uma rosca do tipo plug-screw. A vazão da palha é de

2.820 kg/hora, ou seja, 2.600 kg seco/hora. Ela é espalhada sobre um leito de licor ácido e transportada verticalmente para a ferramenta de impregnação, de onde sai encharcada com o licor de impregnação. Um tanque de licor ácido serve para a preparação do licor que alimenta continuamente a ferramenta de impregnação a fim de renovar o estoque e manter o nível constante. Essa palha impregnada é então encaminhada para uma ferramenta de explosão a vapor. Ela é introduzida nesta ferramenta por uma rosca do tipo plug-screw. Durante a compressão da palha impregnada na rosca, o licor residual é expulso (denominado de prensado). Este licor é totalmente reciclado para o tanque de preparação de licor ácido. O tanque de preparação de licor ácido também é alimentado com água e ácido sulfúrico H2SO4 a fim de compensar a perda da fração de licor que é exportada com a palha na ferramenta de explosão a vapor.

[0181] Após um breve tempo de cozimento no reator, a palha impregnada e cozida é espalhada na saída do reator. A mistura formada por sólido, líquido e vapor é separada em um ciclone, que permite separar o vapor da mistura sólido/líquido. Essa mistura sólido/líquido constitui a palha pré-tratada. As condições aplicadas para a impregnação e a explosão a vapor são:

[0182] - Vazão de solução ácida concentrado: 116 kg / h em média

[0183] - Vazão de água: 3.900 kg/h

[0184] - Tempo de impregnação: 1 min 30

[0185] - Tempo de permanência de cozimento: 5 minutos

[0186] - Alimentação de vapor: 100% na cabeça

[0187] - Reciclagem prensado: 100%

[0188] A vazão média da solução ácida é indicada acima, as flutuações são de cerca de 15% a 20% ao redor desta vazão média (mínimo 88 kg/h, máximo 130 kg/h).

[0189] Uma amostra de palha pré-tratada foi analisada. Os teores dos minerais cobre, zinco, magnésio e manganês da palha pré-tratada estão indicados no Quadro 4 abaixo, expressos em mg do elemento/kg seco de palha pré-tratada.

[0190] Em relação à palha natural, os teores de cobre, zinco, magnésio são considerados como estáveis, e o teor de manganês foi reduzido em 30%.

Amostra analisada Palha A pré-tratada Teor de matéria seca % em peso/bruto 38% Cobre mg de Cu/kg seco 3 Zinco mg de Zn/kg seco 6 Magnésio mg de Mg/kg seco 706 Manganês mg de Mn/kg seco 24 Exemplo 4: Análise de biomassas antes e após a sucessão das etapas de lavagem, de impregnação e de pré-tratamento (de acordo com a invenção)

[0191] Uma palha de trigo colhida em 2013 foi moída e analisada após moagem. Os teores dos minerais cobre, zinco, magnésio e manganês deste lote de palha B estão indicados no Quadro 5 abaixo, expressos em mg do elemento/kg seco de palha: Amostra analisada Palha natural B Teor de matéria seca % em peso/bruto 89% Cobre mg de Cu/kg seco 2 Zinco mg de Zn/kg seco 4 Magnésio mg de Mg/kg seco 760 Manganês mg de Mn/kg seco 35

[0192] Essa palha moída foi em seguida pré-tratada de acordo com um método de acordo com a invenção: lavagem da biomassa com uma solução aquosa, em seguida impregnação ácida acompanhada de explosão a vapor, com reciclagem total do licor de impregnação residual.

[0193] Assim, a palha moída é encaminhada para uma primeira etapa de lavagem. A vazão da palha é de 2.920 kg/hora, ou seja, 2.600 kg seco/hora. Nessa etapa, a palha moída é colocada em contato com uma solução aquosa de pH 5 por um período de 8 minutos em uma ferramenta rotativa que permite a lavagem e a drenagem simultânea da palha. No presente documento, a etapa b) de lavagem e a etapa c) de separação líquido/sólido são conduzidas em uma mesma ferramenta. Um primeiro fluxo de lavagem é extraído da ferramenta rotativa e a palha drenada é enviada para a etapa seguinte de impregnação. Ela é introduzida na ferramenta de impregnação por uma rosca do tipo “plug- screw”. Em razão da alta umidade da palha drenada, a compressão nessa rosca gera um segundo fluxo de lavagem: ocorre no presente documento, uma separação de acordo com a etapa c) em duas operações. Após essa separação sólido/líquido, a palha tem um teor de matéria seca de 55%. Ela é espalhada em um leito de licor ácido e enviada verticalmente para a ferramenta de impregnação, de onde sai encharcada com o licor de impregnação. Um tanque de licor ácido serve para a preparação do licor que alimenta continuamente a ferramenta de impregnação a fim de renovar o estoque e manter o nível constante. A palha impregnada é então enviada para uma ferramenta de explosão a vapor. Ela é introduzida nesta ferramenta por uma rosca do tipo “plug- screw”. Durante a compressão da palha impregnada na rosca, o licor residual é expulso (denominado prensado). Esse licor é reciclado para o tanque de preparação de licor ácido para 95% de sua vazão em massa, e os 5% permanecem alimentando o tanque de preparação de solução aquosa de lavagem. O tanque de preparação do licor ácido é também alimentado com água e ácido sulfúrico H2SO4, a fim de compensar a perda da fração de licor que é exportada com a palha na ferramenta de explosão a vapor. O tanque de preparação da solução aquosa de lavagem é alimentado com o licor residual e água.

[0194] Após um breve tempo de cozimento no reator, a palha impregnada e cozida é espalhada na saída de reator. A mistura constituída de sólido, líquido e vapor é separada em um ciclone, que permite separar o vapor da mistura sólido/líquido. Essa mistura sólido/líquido constitui a palha pré-tratada.

[0195] As condições aplicadas para a lavagem são selecionadas de modo tal a se aproximarem das condições da impregnação estática diluída (ou seja, 8% de MS na palha):

[0196] - Vazão de solução aquosa de lavagem: 29.500 kg/h em média

[0197] - Vazão de água: 29.100 kg/h

[0198] - Tempo de contato: 8 min

[0199] As condições aplicadas para a impregnação e a explosão a vapor são:

[0200] - Vazão da solução ácida concentrada: 65 kg/h em média

[0201] - Vazão de água: 1.590 kg/h

[0202] - Tempo de impregnação: 1 min 30

[0203] - Tempo de permanência do cozimento: 5 min

[0204] - Alimentação de vapor: 100% na cabeça

[0205] - Reciclagem do prensado: 95% para a preparação do licor ácido e 5% para a solução aquosa

[0206] A vazão média de solução ácida é indicada, as flutuações são de 10% ao redor desta vazão média (mínimo 58 kg/h, máximo 72 kg/h).

[0207] Uma amostra de palha pré-tratada foi analisada. Os teores dos minerais cobre, zinco, magnésio e manganês da palha lavada e depois pré-tratada de acordo com a invenção estão indicados no Quadro 6 abaixo, expressos em mg do elemento/kg seco de palha pré- tratada: Amostra analisada Palha B lavada e depois pré-tratada Teor de matéria seca % em peso/bruto 38% Cobre mg de Cu/kg seco 1 Zinco mg de Zn/kg seco < 1,5 Magnésio Mg de Mg/kg seco 43 Manganês mg de Mn/kg seco 19

[0208] Em relação à palha natural, os teores de cobre, zinco, magnésio e manganês foram drasticamente reduzidos em razão da fuga desses minerais para a água de lavagem residual. Em particular, mais de 90% do magnésio inicialmente presente na palha natural não está mais presente na palha lavada e pré-tratada de acordo com um método de acordo com a invenção.

[0209] A implementação de uma lavagem antes da impregnação de acordo com a invenção permite, portanto, uma diminuição do consumo de ácido de 44% sobre a vazão média consumida e uma melhora da estabilidade desse consumo. O exemplo demonstra, portanto, o aumento do consumo de ácido, e a fuga de minerais para as águas de lavagem residuais. Exemplo 5: Demonstração do efeito benéfico dos minerais sobre o crescimento de microrganismos do tipo leveduras

[0210] Uma amostra de palha lavada e pré-tratada produzida de acordo com o exemplo 4 foi utilizada para trabalhos em laboratório. Inicialmente, esta amostra passou por uma extração sólido/líquido para extração de um suco adocicado contendo 65 g/kg dos açúcares glicose e xilose.

[0211] Esse suco serviu então de substrato para um ensaio de propagação de levedura em laboratório. Os ensaios se desenvolvem em um frasco com defletor com 250 ml de volume total, equipado com tampas de celulose que deixam passar o ar e colocado sobre mesa de agitação. A temperatura e o pH são regulados com a mesma referência para todos os ensaios. O suco extraído é suplementado:

[0212] - para o ensaio 1, com 2,5 g/kg de fosfato de diamônio e 2 g/kg de ureia

[0213] - para o ensaio 2, com 2,5 g/kg de fosfato de diamônio, 2 g/kg de ureia e 2 g/kg do coquetel de minerais

[0214] A composição do coquetel de minerais é fornecida no Quadro 7 abaixo: Composto Concentração g/kg MgSO4.7H2O 370 CuSO4.2H2O 0,15 MnCl2.4H2O 0,30 ZnSO4.7H2O 1,0

[0215] Após suplementação e ajuste do pH, os sucos são inoculados com uma levedura do tipo Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificada para assimilar a xilose (açúcar C5), além da assimilação natural da glicose. A inoculação é feita à mesma taxa nos ensaios, e o monitoramento do crescimento celular é realizado medindo a absorbância (DO a 600 nm) no curso do ensaio, e medindo as substâncias insolúveis em uma amostra para o tempo de ensaio final. A Figura 7 mostra o monitoramento da absorbância A em função do tempo expresso em horas, para o ensaio 1, que é representado por quadrados, e para o ensaio 2, que é representado por triângulos.

[0216] Os teores finais de leveduras são de 13,3 g/kg para o ensaio 1, contra 17 g/kg para o ensaio 2. Resta assim demonstrado o impacto benéfico dos minerais sobre o crescimento da levedura do tipo Saccharomyces.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de tratamento de biomassa lignocelulósica, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas sucessivas a seguir: a) condicionar a biomassa lignocelulósica usando pelo menos uma etapa de moagem, especialmente para obter partículas de biomassa moída com um tamanho máximo de 300 mm; b) lavar as ditas partículas com uma solução aquosa com um pH compreendido entre 4 e 8,5, a uma temperatura compreendida entre 10 e 95°C, sob pressão atmosférica, e por um período compreendido entre 1 e 300 minutos; c) separar a solução aquosa das partículas de biomassa lavadas para obter, de um lado, um substrato lignocelulósico com um teor de matéria seca compreendido entre 15 e 70% em peso e, de outro lado, uma solução aquosa residual da lavagem; d) impregnar o dito substrato lignocelulósico com um licor ácido para obter um substrato lignocelulósico impregnado com um pH compreendido entre 0,1 e 3; e) realizar uma separação sólido/líquido do substrato lignocelulósico impregnado, para obter, de um lado, um substrato lignocelulósico com um teor de matéria seca compreendido entre 15% em peso e 70% em peso e, de outro lado, um efluente líquido; f) pré-tratar o dito substrato lignocelulósico impregnado originário da etapa e) por cozimento, em particular por um período compreendido entre 1 e 120 minutos, de modo a obter um substrato lignocelulósico pré-tratado, g) efetuar uma hidrólise enzimática do substrato lignocelulósico pré-tratado usando enzimas produzidas por microrganismos do tipo fungos para obter um hidrolisado que contém açúcares;

h) efetuar uma fermentação usando microrganismos do tipo bactérias ou leveduras do hidrolisado originário da etapa g) para obter um mosto de fermentação que contém pelo menos uma molécula de origem biológica, tal como um solvente e/ou um álcool; - opcionalmente, integrar ao dito método uma etapa de produção de enzimas e/ou uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) e/ou h) - e introduzir pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) em uma etapa do dito método de tratamento da biomassa que é posterior à etapa f) de pré-tratamento, e/ou em uma etapa de produção de enzimas e/ou em uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h) quando pelo menos uma dessas etapas de produção de enzimas e/ou de produção/propagação de microrganismos é integrada ao dito método de tratamento de biomassa.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) é introduzida na etapa de hidrólise enzimática g) ou na etapa de fermentação h).

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de neutralização do substrato lignocelulósico pré-tratado na etapa f), antes ou durante a etapa g) de hidrólise enzimática, especialmente operada para que o pH da mistura reacional de hidrólise enzimática fique compreendido, de preferência, entre 4 e 6, e pelo fato de que pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) é introduzida na dita etapa de neutralização.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa integrada de produção por microrganismos do tipo fungos das enzimas necessários à hidrólise enzimática da etapa g), e pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) é introduzida na dita etapa de produção de enzimas.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa integrada de propagação de microrganismos do tipo bactérias ou leveduras necessários para a fermentação da etapa h), e pelo menos uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) é introduzida na dita etapa de propagação.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o tempo de duração da etapa de lavagem b) está compreendido entre 1 e 60 minutos, e de preferência entre 1 e 15 minutos.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a solução aquosa da etapa b) de lavagem tem um pH compreendido entre 5,5 e 7,5, especialmente entre 6 e 7,5 ou entre 6,5 e 7,5.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a solução aquosa da etapa b) de lavagem está a uma temperatura compreendida entre 25 e 90°C, especialmente entre 30 e 60°C.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a quantidade de solução aquosa levada para a etapa b) de lavagem está compreendida entre 0,5 e 60 g/g biomassa, de preferência entre 1 e 30 g/g biomassa, e especialmente entre 1,5 e 20 g/g biomassa.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma parte da solução aquosa residual da lavagem separada na etapa c) é reintroduzida na etapa de lavagem b).

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que é introduzida na etapa b) de lavagem uma parte do efluente líquido originário da etapa e).

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, na etapa f), é realizado um pré-tratamento por explosão a vapor para obter um vapor e o substrato lignocelulósico pré-tratado, de preferência por um período de no máximo 30 minutos ou de no máximo 15 minutos.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o vapor proveniente da etapa f) é condensado de modo a produzir um condensado ácido, e, na etapa b), de lavagem pelo menos uma parte do condensado ácido é introduzida isoladamente ou em mistura com água.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que ao dito método é integrado uma etapa de produção de enzimas e/ou uma etapa de produção/propagação dos microrganismos necessários para as etapas g) ou h), e é fornecida uma etapa de extração de uma parte pelo menos dos sucos adocicados obtidos após a etapa de pré-tratamento f) ou após a etapa de hidrólise enzimática g), especialmente pela lavagem do substrato com uma solução aquosa.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma parte pelo menos da solução aquosa residual da lavagem proveniente da etapa c) é introduzida para a extração por lavagem dos sucos adocicados