BR122017001973A2 - método de fermentação de um açúcar de baixo peso molecular na presença de biomassa - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se biomassa (por exemplo, biomassa de planta, biomassa de animal, biomassa microbiana e resíduos municipais) que é processada para produzir produtos úteis. é proporcionado um método compreendendo fermentação de um açúcar de baixo peso molecular utilizando um micro-organismo de fermentação, na presença de biomassa fibrosa oxidada, a um outro produto que não açúcar, e em que o método compreende produção da biomassa fibrosa oxidada utilizando radiação ionizante em um ambiente de oxidação, sonicação em um ambiente de oxidação, ou pirólise oxidativa, antes de mistura com o um açúcar de baixo peso molecular.

Description

(54) Título: MÉTODO DE FERMENTAÇÃO DE UM AÇÚCAR DE BAIXO PESO MOLECULAR NA PRESENÇA DE BIOMASSA (51) Int. Cl.: C12P 7/06; C12N 1/20; C07H 3/00 (30) Prioridade Unionista: 03/04/2009 US 12/417,840, 03/04/2009 US 12/417, 84030/04/2008 US 61/049,407 (73) Titular(es): XYLECO, INC.

(72) Inventor(es): MARSHALL MEDOFF; THOMAS CRAIG MASTERMAN (85) Data do Início da Fase Nacional:

30/01/2017 (74) Procurador(es): DANNEMANN, SIEMSEN, BIGLER & IPANEMA MOREIRA (86) Pedido Internacional: PCT US2009042000 de 28/04/2009 (87) Publicação Internacional: WO

2009/134816 de 05/11/2009 (57) Resumo: A presente invenção refere-se biomassa (por exemplo, biomassa de planta, biomassa de animal, biomassa microbiana e resíduos municipais) que é processada para produzir produtos úteis. É proporcionado um método compreendendo fermentação de um açúcar de baixo peso molecular utilizando um micro-organismo de fermentação, na presença de biomassa fibrosa oxidada, a um outro produto que não açúcar, e em que o método compreende produção da biomassa fibrosa oxidada utilizando radiação ionizante em um ambiente de oxidação, sonicação em um ambiente de oxidação, ou pirólise oxidativa, antes de mistura com o um açúcar de baixo peso molecular.

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Biomassa { _r110 __r114 ^-122

Preparo de J _p . . . _J Processo J Pós| alimentação | J Pre-tratamento | η primário | j processamento |

Produtos/ Produtos/ co-produtos co-produtos

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE FERMENTAÇÃO DE UM AÇÚCAR DE BAIXO PESO MOLECULAR NA PRESENÇA DE BIOMASSA.

[001] Dividido do PI0913059-4, depositado em 28.04.2009.

[002] Todas as patentes, pedidos de patente e publicações mencionados aqui ou em anexo como Apêndices A a E, são incorporados aqui por referência na íntegra.

CAMPO TÉCNICO [003] A presente invenção refere-se ao processamento de biomassa e a produtos feitos a partir da mesma.

ANTECEDENTES [004] Vários carboidratos, tais como materiais celulósicos e lignocelulósicos, por exemplo, na forma fibrosa, são produzidos, processados e usados em grandes quantidades em uma série de aplicações. Frequentemente, tais materiais são usados uma vez e, então, descartados como um resíduo ou são simplesmente considerados como sendo materiais residuais, por exemplo, esgoto, bagaço, pó de serragem e licor de maceração.

[005] Vários materiais celulósicos e lignocelulósicos, seus usos e aplicações foram descritos nas Patentes U.S. N^os 7.307.108, 7.074.918, 6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 e 5.952.105; e em vários pedidos de patente, incluindo FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, PCT/ US2006/010648, depositado em 23 de Março de 2006 e FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, Publicação de Pedido de Patente U.S. N^o 2007/0045456.

[006] Em virtude do fato de os materiais celulósicos e lignocelulósicos estarem tão amplamente disponíveis e materiais celulósicos e lignocelulósicos requererem descarte, seria vantajoso proporcionar a tais materiais um bom uso. O uso de materiais celulósicos e lignocelulósicos para fazer biocombustíveis, tal como etanol, está sendo considerado, mas

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2/265 ainda não foi implementado comercialmente em larga escala. SUMÁRIO [007] Em geral, materiais contendo carboidrato (por exemplo, materiais de biomassa ou materiais derivados de biomassa) são descritosdescrito aqui, por exemplo, materiais de amido, materiais celulósicos, materiais lignocelulósicos ou materiais de biomassa que são ou que incluem quantidades significativas de açúcares de baixo peso molecular (por exemplo, monossacarídeos, dissacarídeos ou trissacarídeos) e métodos de produção e processamento de tais materiais de modo a alterar sua estrutura, por exemplo, funcionalizar esses materiais com um ou mais tipos desejados e quantidades de grupos funcionais. Produtos feitos a partir dos materiais estruturalmente alterados são também descritos. Por exemplo, muitos dos métodos descritos aqui podem proporcionar materiais celulósicos e/ou lignocelulósicos que têm um menor peso molecular e/ou cristalinidade com relação a um material nativo. Muitos dos métodos descritos aqui proporcionam materiais que podem ser mais prontamente utilizados por uma variedade de micro-organismos para produzir produtos úteis, tais como hidrogênio, álcoois (por exemplo, etanol ou butanol), ácidos orgânicos (por exemplo, ácido acético), hidrocarbonetos, co-produtos (por exemplo, proteínas) ou misturas de qualquer um desses.

[008] Em alguns casos, biomassa funcionalizada é mais solúvel e mais prontamente utilizada por micro-organismos em comparação com a biomassa que não tenha sido funcionalizada. Além disso, muitos dos materiais funcionalizados descritos aqui são menos propensos à oxidação e podem ter estabilidade a longo prazo intensificada (por exemplo, oxidação em ar sob condições ambientes). Muitos dos produtos obtidos, tal como etanol ou n-butanol, pode ser utilizado como um combustível para carros, caminhões, tratores, navios ou trens, por exemplo, como um combustível de combustão interna ou como uma matéria prima para célula combustível. Muitos dos produtos obtidos também podem ser utiliPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 76/343

3/265 zados para suprir aeronaves, tais como aeroplanos, por exemplo, tendo motores a jato ou helicópteros. Além disso, os produtos descritos aqui podem ser utilizados para a geração de energia elétrica, por exemplo, em uma usina de geração de vapor convencional ou em uma usina de célula combustível.

[009] Outro aspecto da invenção deriva do fato de que a adição de biomassa, tal como um material celulósico ou lignocelulósico funcionalizado, a uma mistura incluindo um açúcar de baixo peso molecular, pode facilitar a conversão do açúcar de baixo peso molecular a um produto, tal como a um combustível, tal como etanol. Os inventores descobriram que, incluindo a biomassa em uma mistura com um açúcar de baixo peso molecular, um sistema ou sistema de solvente e um micro-organismo, aprimora significativamente o rendimento de um produto obtido mediante conversão do açúcar, por exemplo, um álcool, tal como etanol, em alguns casos sem conversão ou eliminação significativa da biomassa em si. Inclusão da biomassa também pode prevenir conversão incompleta, pastosa ou aderente de produto, por exemplo, por meio de fermentação. [0010] A biomassa pode, em si, não ser convertida ao produto (tal como etanol) ou pode ser parcial ou totalmente convertida ao produto, junto com o açúcar de baixo peso molecular.

[0011] Em casos em que a biomassa é parcialmente convertida, a área de superfície e porosidade da biomassa são aumentadas com relação à área de superfície e porosidade da biomassa de iniciação o que pode, vantajosamente, aumentar a taxa de conversão do açúcar de baixo peso molecular ao produto.

[0012] Em alguns casos, o biomassa pode ser os restos de um material celulósico ou lignocelulósico que tenha sido sacarificado, por exemplo, lignina e/ou outros materiais que são deixados após a celulose ter sido convertida em açúcar.

[0013] Assim, em um aspecto, a invenção se caracteriza por um méPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 77/343

4/265 todo que inclui conversão de um açúcar de baixo peso molecular ou um material que inclui um açúcar de baixo peso molecular em uma mistura com uma biomassa, um micro-organismo e um solvente ou um sistema de solvente, por exemplo, água ou uma mistura de água e um solvente orgânico, a um produto, por exemplo, outro que não açúcar. Exemplos de solventes ou sistemas de solvente incluem água, hexano, hexadecano, glicerol, clorofórmio, tolueno, acetato de etila, éter de petróleo, gás de petróleo liquefeito (Liquefied Petroleum Gas - LPG), líquidos iônicos e misturas dos mesmos. O solvente ou sistema de solvente pode estar na forma de uma única fase ou duas ou mais fases. A biomassa pode estar, por exemplo, na forma fibrosa.

[0014] Em alguns casos, ter um material de biomassa (por exemplo, tratado através de qualquer método descrito aqui ou não tratado) presente durante produção de um produto, tal como etanol, pode intensificar a taxa de produção do produto. Sem desejar estar preso por qualquer teoria em particular, acredita-se que ter um sólido presente, tal como uma sólido de alta área de superfície e/ou alta porosidade, pode aumentar as taxas de reação mediante aumento da concentração eficaz de solutos e conferindo um substrato sobre o qual reações podem ocorrer.

[0015] Por exemplo, um material de biomassa irradiado ou não irradiado, por exemplo, uma fibra de papel, pode ser adicionado a um processo de fermentação, tal como durante uma fermentação de milho-etanol ou fermentação de extrato de cana-de-açúcar, para aumentar a taxa de produção em 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100 por cento ou mais, por exemplo, 150 por cento. O material de biomassa pode ter uma alta área de superfície, alta porosidade e/ou baixa densidade volumétrica. Em algumas modalidades, a biomassa está presente na mistura de cerca de 0,5 por cento a cerca de 50 por cento em peso, tal como entre cerca de 1 por cento e cerca de 25 por cento em peso ou entre cerca de 2 por cento e cerca de

12,5 por cento em peso. Em outras modalidades, a biomassa está prePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 78/343

5/265 sente em quantidades maiores do que cerca de 0,5 por cento em peso, tal como maior do que cerca de 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou mesmo maior do que cerca de 10 por cento em peso. Por exemplo, em algumas modalidades, um material de biomassa oxidado, submetido a sonicação, explodido a vapor e/ou submetido à pirólise, tal como uma fibra de papel ou algodão, pode ser adicionado a um processo de fermentação de açúcar de baixo peso molecular, por exemplo, para intensificar a taxa e rendimento da fermentação.

[0016] Em virtude do fato de o material de biomassa em si não ser consumido durante o processo de conversão, o material de biomassa pode ser reutilizado em múltiplos processos em batelada ou pode ser continuamente usado para a produção de um volume relativamente grande do produto.

[0017] Algumas implementações incluem uma ou mais das características a seguir.

[0018] A biomassa pode compreender um material fibroso. Conversão pode incluir permitir que o micro-organismo converta pelo menos uma parte do açúcar de baixo peso molecular em etanol. Por exemplo, conversão pode compreender fermentação. O micro-organismo pode compreender um levedo, por exemplo, selecionado do grupo consistindo em S. cerevisiae e P. stipitis ou uma bactéria, tal como Zymomonas mobilis. Conversão pode exibir um desempenho % de pelo menos 140%, em alguns casos pelo menos 170%.

[0019] O método pode ainda incluir irradiação da biomassa fibrosa antes de mistura, por exemplo, com radiação ionizante, por exemplo, em uma dosagem total de pelo menos 5 Mrad. Irradiação pode ser realizada usando um feixe de partículas. Irradiação pode ser conduzida sob condições selecionadas para reduzir o peso molecular da biomassa.

[0020] A biomassa pode ter uma densidade volumétrica de menos de cerca de 0,5 g/cm³. A biomassa pode ter uma área de superfície BET de

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6/265 mais de 0,25 m²/g e/ou uma proporção de comprimento para diâmetro de pelo menos 5. A biomassa pode ter uma porosidade maior do que 50%, por exemplo, maior do que 70%.

[0021] O método pode ainda incluir preparo físico da biomassa, por exemplo, por meio de cisalhamento ou mediante redução do tamanho da biomassa através de trituração a esferas, dilaceramento ou rasgamento mecânico, trituração a pino ou moagem por atrito a ar. A biomassa pode ter fibras interna e pode ter sido cisalhada até um ponto em que suas fibras internas são substancialmente expostas.

[0022] A biomassa pode ser ou incluir um material celulósico ou lignocelulósico. Por exemplo, a biomassa pode ser selecionada do grupo consistindo em papel, produtos de papel, resíduos de papel, madeira, materiais relacionados à madeira, papelão em partícula, pó de serragem, resíduos agrícolas, esgoto, silagem, gramíneas, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, palha de milho, switchgrass, alfafa, feno, cascas de arroz, pêlo de coco, algodão, alga marinha algas e misturas dos mesmos.

[0023] O método pode ainda incluir sujeição da biomassa para hidrólise enzimática e, em alguns casos, conversão do material hidrolisado ao produto.

[0024] Em outro aspecto, a invenção se caracteriza por um método para dissolução de um material celulósico ou lignocelulósico, o método compreendendo combinação de um material celulósico ou lignocelulósico com um sistema de solvente compreendendo DMSO e um sal.

[0025] Sistemas de solvente para materiais celulósicos e lignocelulósicos incluem sistemas de DMSO-sal. Tais sistemas incluem, por exemplo, DMSO em combinação com um sal de lítio, magnésio, potássio, sódio ou zinco. Sais de lítio incluem LiCl, LiBr, LiI, perclorato de lítio e nitrato de lítio. Sais de magnésio incluem nitrato de magnésio e cloreto de magnésio. Sais de potássio incluem iodeto e nitrato de potássio. Exemplos de

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7/265 sais de sódio incluem iodeto e nitrato de sódio. Exemplos de sais de zinco incluem cloreto e nitrato de zinco. Qualquer sal pode ser anidro ou hidratado. Carregamentos típicos do sal no DMSO estão entre cerca de 1 e cerca de 50 por cento, por exemplo, entre cerca de 2 e 25, entre cerca de 3 e 15 ou entre cerca de 4 e 12,5 por cento em peso.

[0026] Em outras implementações, o sal pode ser um sal de fluoreto, por exemplo, fluoreto de tetrabutil amônio. O método pode ainda incluir irradiação do material celulósico ou lignocelulósico. O material celulósico ou lignocelulósico pode ser selecionado do grupo consistindo em papel, produtos de papel, resíduos de papel, madeira, materiais relacionados à madeira, papelão em partícula, pó de serragem, resíduos agrícolas, esgoto, silagem, gramíneas, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, palha de milho, switchgrass, alfafa, feno, cascas de arroz, pêlo de coco, algodão, celuloses sintéticas, alga marinha ou misturas de qualquer um desses. Em alguns casos, o material celulósico ou lignocelulósico tem uma densidade volumétrica de menos de cerca de 0,5 g/cm³ (antes de adição ao sistema de solvente) e uma porosidade de pelo menos 50%.

[0027] Materiais são descritos aqui os quais incluem uma pluralidade de unidades sacarídicas dispostas em uma cadeia molecular, em que de cerca de 1 de cada 2 a cerca de 1 de cada 250 unidades sacarídicas incluem um grupo ácido carboxílico ou um éster ou sal do mesmo. Em outro aspecto, os materiais incluem uma pluralidade de tais cadeias moleculares. Por exemplo, cerca de 1 de cada 8, 1 de cada 10, 1 de cada 50 ou 1 de cada 100 unidades sacarídicas de cada cadeia pode incluir um grupo ácido carboxílico ou um éster ou sal do mesmo. Em algumas modalidades, as unidades sacarídicas podem incluir 5 ou 6 unidades sacarídicas de carbono. Cada cadeia pode ter entre cerca de 10 e cerca de 200 unidades sacarídicas, por exemplo, entre cerca de 10 e cerca de 100 ou entre cerca de 10 e cerca de 50. Por exemplo, cada cadeia pode incluir

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8/265 hemicelulose ou celulose. Em algumas modalidades, cada cadeia também inclui unidades sacarídicas que incluem grupos nitroso, nitro ou nitrilo.

[0028] Em algumas modalidades, o peso molecular médio dos materiais com relação aos padrões de PEG pode ser de cerca de 1.000 a cerca de 1.000.000, tal como entre 1.500 e 200.000 ou 2.000 e 10.000. Por exemplo, o peso molecular médio dos materiais com relação aos padrões de PEG pode ser de menos de cerca de 10.000.

[0029] Métodos de alteração de uma estrutura molecular e/ou supramolecular de uma matéria prima de biomassa são descritos aqui, que incluem 1) irradiação da matéria prima de biomassa com radiação, tal como fótons, elétrons ou íons de energia suficiente para ionizar a matéria prima de biomassa, para proporcionar um primeiro nível de radicais, por exemplo, os quais são detectáveis com um espectrômetro de ressonância por orbital de elétrons; 2) dissipação dos radicais até um ponto em que os radicais estejam em um segundo nível menor do que o primeiro nível, tal como em um nível que não é mais detectável com o espectrômetro de ressonância por orbital de elétrons, por exemplo, tal como em um nível de menos de cerca de 10¹⁴ orbitais; e 3) processamento da matéria prima de biomassa irradiado para produzir um produto. Se desejado, antes de irradiação e/ou após irradiação, a matéria prima de biomassa pode ser preparado por meio de redução de uma ou mais dimensões de partes individuais da matéria prima de biomassa.

[0030] Em algumas implementações, a etapa de processamento inclui fabricação de um produto, tal como um combustível, tal como um combustível para motor, um combustível para aviação ou uma célula combustível, por exemplo, para a geração de eletricidade, mediante conversão da matéria prima de biomassa irradiada com um micro-organismo tendo a capacidade de converter pelo menos uma parte, por exemplo, pelo menos cerca de 1 por cento em peso, da biomassa ao produto.

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9/265 [0031] Em algumas modalidades, irradiação é realizada sobre a matéria prima de biomassa enquanto a matéria prima de biomassa está exposto ao ar, nitrogênio , oxigênio, hélio ou argônio. Em algumas modalidades, pré-tratamento pode incluir pré-tratamento da matéria prima de biomassa com explosão de vapor.

[0032] Em algumas modalidades, o método ainda inclui redução de uma ou mais dimensões de pedaços individuais de biomassa, por exemplo, por meio de cisalhamento, trituração a úmido ou a seco, corte, compressão ou misturas de qualquer um desses processos. Por exemplo, cisalhamento pode ser realizado com um cortador de faca giratória. O cisalhamento pode produzir fibras tendo uma proporção média de comprimento-para-diâmetro de mais de 5/1 ou pelo menos 5. Em algumas modalidades, a biomassa preparada pode ter uma área de superfície BET de mais de 0,25 m²/g. Em alguns casos, a biomassa tem fibras internas e a biomassa pode ser cisalhada até um ponto em que as fibras internas da biomassa sejam substancialmente expostas. A biomassa pode ser cisalhada até um ponto em que ela tenha uma densidade volumétrica de menos de cerca de 0,35 g/cm³.

[0033] Em algumas modalidades, o processo não inclui hidrólise da biomassa com um ácido ou base. Por exemplo, pelo menos cerca de setenta por cento em peso da biomassa podem ser não hidrolisados, por exemplo, pelo menos 95 por cento em peso da biomassa não foram hidrolisados. Em modalidades específicas, substancialmente nada da biomassa foi hidrolisado.

[0034] Em algumas modalidades, irradiação é realizada sobre biomassa na qual menos de cerca de 25 por cento em peso da biomassa são umedecidos com um líquido, tal como água. Especificamente, em algumas modalidades, pelo menos um método de pré-tratamento é realizado sobre a biomassa, no qual substancialmente nada da biomassa é umedecido com um líquido, tal como água. A biomassa pode ter, por

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10/265 exemplo, menos de cerca de cinco por cento em peso de água retida, medida a 25°C e em uma umidade relativa de cinquenta por cento. [0035] Em algumas modalidades, irradiação é realizada sobre biomassa na qual menos de cerca de 25 por cento em peso da biomassa estão em um estado intumescido, o estado intumescido sendo caracterizado como tendo um volume de mais de cerca de 2,5 por cento maior do que um estado não intumescido. Em outras modalidades, a biomassa é misturada com ou inclui um agente de umedecimento.

[0036] Em algumas modalidades, irradiação é realizada sobre biomassa na qual menos de cerca de 25 por cento em peso da biomassa estão em um estado intumescido, o estado intumescido sendo caracterizado como tendo um volume de mais de cerca de 2,5 por cento maior do que um estado não intumescido. Em outras modalidades, a biomassa é misturada com ou inclui um agente de intumescimento.

[0037] Pressão pode ser utilizada em qualquer um dos métodos descritos aqui. Por exemplo, irradiação pode ser realizada sobre a biomassa sob uma pressão de mais de cerca de 2,5 atmosferas, tal como mais de 5 ou 10 atmosferas.

[0038] Em outro aspecto, uma mistura inclui um açúcar de baixo peso molecular, um material de biomassa e um solvente. Em alguns casos, a mistura também inclui um micro-organismo.

[0039] Exemplos de matéria prima de biomassa incluem papel, produtos de papel, resíduos de papel, madeira, materiais relacionados à madeira, papelão em partícula, pó de serragem, resíduos agrícolas, esgoto, silagem, gramíneas, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, palha de milho, switchgrass, alfafa, feno, cascas de arroz, pêlo de coco, algodão, celuloses sintéticas, alga marinha ou misturas de qualquer um desses. A biomassa pode ser ou pode incluir um material natural ou um sintético. [0040] Exemplos de combustíveis incluem um ou mais de hidrogênio,

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11/265 álcoois e hidrocarbonetos. Por exemplo, os álcoois podem ser etanol, npropanol, isopropanol, n-butanol ou misturas dos mesmos.

[0041] Irradiação pode ser, por exemplo, realizada utilizando uma radiação ionizante, tal como raios gama, um feixe de elétrons ou radiação ultra-violeta C tendo um comprimento de onda de cerca de 100 nm a cerca de 280 nm. A radiação ionizante pode incluir radiação por feixe de elétrons. Por exemplo, a radiação pode ser aplicada em uma dose total de entre cerca de 10 Mrad e cerca de 150 Mrad, tal como em uma taxa de dose de cerca de 0,5 a cerca de 10 Mrad/dia ou 1 Mrad/s a cerca de 10 Mrad/s. Em algumas modalidades, irradiação inclui aplicação de duas ou mais fontes de radiação, tais como raios gama e um feixe de elétrons. [0042] Em algumas modalidades, a biomassa inclui uma primeira celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio e o material de carboidrato compreende uma segunda celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. Por exemplo, o segundo peso molecular numérico médio é menor do que o primeiro peso molecular numérico médio em mais de cerca de uma vez. Em algumas modalidades, a primeira celulose tem uma primeira cristalinidade e a segunda celulose tem uma segunda cristalinidade menor do que a primeira cristalinidade. Por exemplo, a segunda cristalinidade pode ser menor do que a primeira cristalinidade em mais de cerca de 10 por cento.

[0043] Em algumas modalidades, a biomassa inclui uma primeira celulose tendo um primeiro nível de oxidação e uma segunda celulose tendo um segundo nível de oxidação maior do que o primeiro nível de oxidação.

[0044] O material de biomassa pode ainda incluir um tampão, tal como bicarbonato de sódio ou cloreto de amônio, um eletrólito, tal como cloreto de potássio ou cloreto de sódio, um fator de crescimento, tal como biotina e/ou um par de base, tal como uracila, um tensoativo, um mineral

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12/265 ou um agente de quelação.

[0045] Em algumas modalidades, os métodos incluem pré-tratamento com um ou mais de outros métodos de pré-tratamento, além de irradiação. Por exemplo, os dois ou mais métodos de pré-tratamento diferentes podem incluir radiação e sonicação, radiação e oxidação e radiação e pirólise. Opcionalmente, pré-tratamento da biomassa pode incluir explosão de vapor.

[0046] Para auxiliar na redução do peso molecular da biomassa, uma enzima, por exemplo, uma enzima celulolítica ou um produto químico, por exemplo, hipoclorito de sódio, um ácido, uma base ou um agente de intumescimento, pode ser utilizado com qualquer método descrito aqui. A enzima e/ou tratamento químico pode ocorrer antes, durante ou após irradiação ou outro pré-tratamento.

[0047] Quando um micro-organismo é utilizado, ele pode ser um micro-organismo natural ou um micro-organismo manipulado. Por exemplo, o micro-organismo pode ser uma bactéria, por exemplo, uma bactéria celulolítica, um fungo, por exemplo, um levedo, uma planta ou um protista, por exemplo, uma alga, um protozoário ou um protista similar a fungo, por exemplo, um mofo de lama. Quando os organismos são compatíveis, misturas podem ser utilizadas. Em geral, vários micro-organismos podem produzir uma série de produtos úteis, tal como um combustível, mediante operação, por exemplo, quando de fermentação dos materiais. Por exemplo, álcoois, ácidos orgânicos, hidrocarbonetos, hidrogênio, proteínas ou misturas de qualquer um desses materiais podem ser produzidas através de fermentação ou outros processos.

[0048] Exemplos de produtos que podem ser produzidos usando os métodos descritos aqui incluem álcoois C1-C6 alquílicos mono- e polifuncionais, ácidos carboxílicos mono- e poli-funcionais, C1-C6 hidrocarbonetos e combinações dos mesmos. Exemplos específicos de álcoois adequados incluem metanol, etanol, propanol, isopropanol, butanol, etileno

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13/265 glicol, propileno glicol, 1,4-butano diol, glicerina e combinações dos mesmos. Exemplos específicos de ácidos carboxílicos adequados incluem ácido fórmico, ácido acético, ácido propiônico, ácido butírico, ácido valérico, ácido caproico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, ácido malônico, ácido succínico, ácido glutárico, ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido láctico, ácido γ-hidroxibutírico e combinações dos mesmos. Exemplos de hidrocarbonetos adequados incluem metano, etano, propano, pentano, n-hexano e combinações dos mesmos. Muitos desses produtos podem ser usados como combustíveis. Outros produtos são descritos no Pedido Provisório U.S. N² De Série 61/139.453, a decrição do qual é incorporada por referência aqui na íntegra. Produtos ou coprodutos produzidos podem ser produtos destinados a serem usados conforme produzidos ou os produtos produzido podem ser intermediários para qualquer outro processo descrito aqui ou qualquer processo descrito em qualquer pedido incorporado aqui por referência.

[0049] Exemplos de micro-organismos que podem ser usados para produzir produtos úteis incluem bactérias, levedos ou combinações dos mesmos. Por exemplo, o micro-organismo pode ser uma bactéria, por exemplo, uma bactéria celulolítica, um fungo, por exemplo, um levedo, uma planta ou um protista, por exemplo, uma alga, um protozoário ou um protista semelhante a fungo, um mofo de lama.

[0050] Em qualquer um dos métodos descritos aqui, radiação pode ser aplicada a partir de um dispositivo que está em uma abóbada. [0051] O termo material fibroso, conforme usado aqui, é um material que inclui numerosas fibras frouxas, distintas e separáveis. Por exemplo, um material fibroso pode ser preparado a partir de uma fonte de fibra de papel Kraft alvejado mediante cisalhamento, por exemplo, com um cortador de faca giratória.

[0052] O termo peneira, conforme usado aqui, significa um elemento capaz de peneiramento de um material de acordo com o tamanho.

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Exemplos de peneiras incluem uma placa perfurada, cilindro ou semelhante ou uma malha de arame ou tecido.

[0053] O termo pirólise, conforme usado aqui, significa romper ligações em um material mediante a aplicação de energia térmica. Pirólise pode ocorrer enquanto o material em questão está sob vácuo ou imerso em um material gasoso, tal como um gás de oxidação, por exemplo, ar ou oxigênio ou um gás de redução, tal como hidrogênio.

[0054] O teor de oxigênio é medido por meio de análise elemental levando uma amostra à pirólise em um forno operando a 1.300°C ou acima.

[0055] O termo biomassa inclui qualquer matéria orgânica não fossilizada, isto é, renovável. Os vários tipos de biomassa incluem biomassa de planta (definida abaixo), biomassa microbiana, biomassa animal (qualquer subproduto animal, resíduo animal, etc.) e biomassa de resíduo municipal (refugo comercial e residencial leve com produtos recicláveis, tais como metal e vidro, removidos). O termo biomassa também inclui materiais celulósicos virgens ou pós-consumidor, tais como trapos e panos fabricados de algodão ou uma mistura de algodão.

[0056] O termo biomassa de planta e biomassa lignocelulósica referem-se virtualmente a qualquer matéria orgânica derivada de planta (de madeira ou não-madeira). Biomassa de planta pode incluir, mas não está limitada a, safras agrícolas ou alimentícias (por exemplo, cana-deaçúcar, beterrabas sacarínicas ou grãos de milho), safras agrícolas e resíduos e restos de safras agrícolas, tais como feno, palha de trigo, bagaço de cana-de-açúcar, algodão e similares. Biomassa de planta ainda inclui, mas não está limitada a, árvores, safras energéticas de madeira, resíduos de madeira e restos, tais como aparas de floresta de madeira macia, resíduos de casca, pó de serragem, correntes residuais da indústria de papel e polpa, fibra de madeira e similares. Adicionalmente, safras de gramíneas, tal como switchgrass e similares, têm potencial de serem proPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 88/343

15/265 duzidas em larga escala como outra fonte de biomassa de planta. Para áreas urbanas, a melhor matéria prima de biomassa de planta potencial inclui resíduos de jardim (por exemplo, aparas de grama, folhas, galhos de árvore e arbustos) e resíduos de processamento vegetal.

[0057] Estoque lignocelulósico é qualquer tipo de biomassa de planta tal como, mas não limitado a, biomassa vegetal que não é de madeira, biomassa vegetal, safras cultivadas tais como, mas não limitado a, gramíneas, por exemplo, mas não limitado a, C4 gramíneas, tais como switchgrass, capim praturá, centeio, miscanto, grama faláris-vermelha ou uma combinação das mesmas ou resíduos de processamento de açúcar, tais como bagaço ou polpa de beterraba, resíduos agrícolas, por exemplo, palha de soja, palha de milho, palha de arroz, cascas de arroz, palha de cevada, sabugos de milho, palha de trigo, palha de canola, palha de arroz, palha de aveia, cascas de aveia, fibra de milho, fibra de polpa de papel reciclada, pó de serragem, uma linha dura, por exemplo, madeira e pó de serragem de álamo, madeira macia e um combinação das mesmas. Ainda, a matéria prima lignocelulósica pode incluir material residual celulósico tal como, mas não limitado a, jornal, papelão, pó de serragem e similares.

[0058] Matéria prima lignocelulósica pode incluir uma espécie de fibra ou, alternativamente, a matéria prima lignocelulósica pode incluir uma mistura de fibras que se originam de diferentes matérias primas lignocelulósicas. Além disso, a matéria prima lignocelulósica pode compreender matéria prima lignocelulósica fresca, matéria prima lignocelulósica parcialmente seca, matéria prima lignocelulósica totalmente seca, ou uma combinação das mesmas.

[0059] Para fins da presente descrição, carboidratos são materiais que são compostos totalmente de uma ou mais unidades sacarídicas ou que incluem uma ou mais unidades sacarídicas. As unidades sacarídicas podem ser funcionalizadas em torno do anel com um ou mais grupos funPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 89/343

16/265 cionais, tais como grupos ácido carboxílico, grupos amino, grupos nitro, grupos nitroso ou grupos nitrilo e ainda serem consideradas carboidratos. Carboidratos podem ser poliméricos (por exemplo, igual a ou mais do que 10-mer, 100-mer, 1,000-mer, 10,000-mer ou 100,000-mer), oligoméricos (por exemplo, igual a ou maior do que 4-mer, 5-mer, 6-mer, 7-mer, 8-mer, 9-mer ou 10-mer), triméricos, diméricos ou monoméricos. Quando os carboidratos são formados de mais de uma única unidade de repetição, cada unidade de repetição pode ser a mesma ou diferente.

[0060] Exemplos de carboidratos poliméricos incluem celulose, xilana, pectina e amido, enquanto que celobiose e lactose são exemplos de carboidratos diméricos. Exemplos de carboidratos monoméricos incluem glicose e xilose.

[0061] Carboidratos podem ser parte de uma estrutura supramolecular, por exemplo, covalentemente ligado à estrutura. Exemplos de tais materiais incluem materiais lignocelulósicos, tais como aqueles encontrados em madeira.

[0062] Um material de amido é um que é ou inclui quantidades significativas de amido ou um derivado de amido, tal como mais de cerca de 5 por cento em peso de amido ou derivado de amido. Para fins da presente descrição, um amido é um material que inclui uma amilose, uma amilopectina ou uma mistura física e/ou química das mesmas, por exemplo, uma mistura a 22:80 ou 30:70 por cento em peso de amilose para amilopectina. Por exemplo, arroz, milho e misturas dos mesmos são materiais de amido. Derivados de amido incluem, por exemplo, maltodextrina, amido modificado com ácido, amido modificado com base, amido branqueado, amido oxidado, amido acetilado, amido acetilado e oxidado, amido modificado com fosfato, amido geneticamente modificado e amido que é resistente à digestão.

[0063] Para fins da presente descrição, um açúcar de baixo peso molecular é um carboidrato ou um derivado do mesmo que tem um peso de

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17/265 fórmula (excluindo umidade) que é menos do que cerca de 2.000, por exemplo, menos de cerca de 1.800, 1.600, menos de cerca de 1.000, menos de cerca de 500, menos de cerca de 350 ou menos de cerca de 250. Por exemplo, açúcar de baixo peso molecular pode ser um monossacarídeo, por exemplo, glicose ou xilose, um dissacarídeo, por exemplo, celobiose ou sacarose ou um trissacarídeo.

[0064] Um composto combustível é um material capaz de queima na presença de oxigênio. Exemplos de materiais combustíveis incluem etanol, n-propanol, n-butanol, hidrogênio e misturas de quaisquer dois ou mais desses.

[0065] Agentes de intumescimento, conforme usado aqui, são materiais que causam um intumescimento discernível, por exemplo, um aumento de 2,5 por cento no volume com relação a um estado não intumescido de materiais celulósicos e/ou lignocelulósicos quando aplicado a tais materiais como uma solução, por exemplo, uma solução aquosa. Exemplos incluem substâncias alcalinas, tais como hidróxidos de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de lítio e hidróxidos de amônio, agentes de acidificação, tais como ácidos minerais (por exemplo, ácido sulfúrico, ácido clorídrico e ácido fosfórico), sais, tais como cloreto de zinco, carbonato de cálcio, carbonato de sódio, sulfato de benziltrimetil amônio e aminas orgânicas básicas, tal como etileno diamina.

[0066] Um material cisalhado, conforme usado aqui, é um material que inclui fibras distintas no qual pelo menos cerca de 50 % das fibras distintas têm uma proporção de comprimento/ diâmetro (L/D) de pelo menos cerca de 5 e que têm uma densidade volumétrica descomprimida de menos de cerca de 0,6 g/cm³. Um material cisalhado é, assim, diferente de um material que foi cortado, picado ou triturado.

[0067] Alteração de uma estrutura molecular de uma matéria prima de biomassa, conforme usado aqui, significa alterar a configuração de ligação química, tal como o tipo e quantidade de grupos funcionais ou

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18/265 conformação da estrutura. Por exemplo, a alteração na estrutura molecular pode incluir alteração da estrutura supramolecular do material, oxidação do material, alteração de um peso molecular médio, alteração de uma cristalinidade média, alteração de uma área de superfície, alteração de um grau de polimerização, alteração de uma porosidade, alteração de um grau de ramificação, enxertagem sobre outros materiais, alteração de um tamanho de domínio cristalino ou uma alteração de um tamanho de domínio global.

[0068] O presente pedido incorpora, por referência aqui, os conteúdos todos do Pedido Internacional N² PCT/US2007/022719, depositado em 26 de Outubro de 2007. As descrições completas de cada um dos Pedidos de Patente U.S. a seguir são aqui incorporadas por referência: Pedidos Provisórios U.S. N^os de Série 61/049.391; 61/049.394; 61/049.395; 61/049.404; 61/049.405; 61/049.406; 61/049.407;

61/049.413; 61/049.415; e 61/049.419, todos depositados em 30 de Abril de 2008; Pedidos Provisórios U.S. N^os de Série 61/073.432; 61/073.436; 61/073.496; 61/073.530; 61/073.665; e 61/073.674, todos depositados em 18 de Junho de 2008; Pedido Provisório U.S. N^o de Série 61/106.861, depositado em 20 de Outubro de 2008; Pedidos Provisórios U.S. N^os de Série 61/139.324 e 61/139.453, ambos depositados em 19 de Dezembro de 2008 e Pediso de Patente U.S. N^os Ser. 12/417.707; 12/417.720; 12/417.840; 12/417.699; 12/417.731; 12/417.900; 12/417.880;

12/417.723; 12/417.786; and 12/417.904, todos depositados em 3 de Abril de 2009.

[0069] A menos que de outro modo definido, todos os termos técnicos e científicos usados aqui têm o mesmo significado conforme comumente entendido por aqueles versados na técnica ao qual a presente invenção pertence. Embora métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles descritos aqui possam ser usados na prática ou testagem da presente invenção, métodos e materiais adequados são descritos abaixo.

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Todas as publicações, pedidos de patente, patentes e outra referências mencionadas aqui, são incorporados por referência na íntegra. Em caso de conflito, a presente especificação, incluindo definições, prevalecerá. Além disso, os materiais, métodos e exemplos são ilustrativos apenas e não se destinam a ser limitativos.

[0070] Outras características e vantagens da invenção serão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir e das reivindicações. DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0071] A figura 1 é um diagrama em bloco ilustrando a conversão de biomassa em produtos e co-produtos.

[0072] A figura 2 é um diagrama em bloco ilustrando a conversão de uma fonte de fibra em um primeiro e segundo materiais fibrosos.

[0073] A figura 3 é uma vista seccional transversal de um cortador de faca giratória.

[0074] A figura 4 é um diagrama em bloco ilustrando a conversão de uma fonte de fibra em um primeiro, segundo e terceiro materiais fibrosos. [0075] A figura 5 é um diagrama em bloco ilustrando a densificação de um material.

[0076] A figura 6 é uma vista em perspectiva de um moinho de pélete. [0077] A figura 7A é um material fibroso densificado na forma pélete. [0078] A figura 7B é uma seção transversal de um pélete oco no qual o centro do oco está em - linha com um centro do pélete.

[0079] A figura 7C é uma seção transversal de um pélete oco no qual um centro do oco está fora de linha com o centro do pélete.

[0080] A figura 7D é uma seção transversal de um pélete tri-lobal.

[0081] A figura 8 é um diagrama em bloco ilustrando uma sequência de tratamento para processamento de matéria prima.

[0082] A figura 9 é uma vista em corte em perspectiva de um irradiador gama alojado em uma abóbada de concreto.

[0083] A figura 10 é uma vista em perspectiva ampliada da região R

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20/265 da figura 9.

[0084] A figura 11A é um diagrama em bloco ilustrando uma sequência de pré-tratamento de matéria prima através de irradiação de feixe de elétrons.

[0085] A figura 11B é uma representação esquemática de uma biomassa que está sendo ionizada e, então, oxidada ou dissipada.

[0086] A figura 12 é uma vista esquemática de um sistema para sonicação de uma corrente de processo de material celulósico em um meio líquido.

[0087] A figura 13 é uma vista esquemática de um aparelho de sonicação tendo dois transdutores acoplados a uma única antena em forma de chifre.

[0088] A figura 14 é um diagrama em bloco ilustrando um sistema de pré-tratamento de matéria prima pirolítica.

[0089] A figura 15 é uma vista lateral seccional transversal de uma câmara.

[0090] A figura 16 é uma vista lateral seccional transversal de uma câmara.

[0091] A figura 17 é uma vista lateral seccional transversal de uma câmara de um aparelho de pirólise que inclui um filamento aquecido. [0092] A figura 18 é uma vista lateral seccional transversal esquemática de um aparelho de pirólise de Curie-Point.

[0093] A figura 19 é uma vista lateral seccional transversal esquemática de um aparelho de pirólise com forno.

[0094] A figura 20 é uma vista superior seccional transversal esquemática de um aparelho de pirólise a laser.

[0095] A figura 21 é uma vista lateral superior transversal esquemática de um aparelho de pirólise à chama com filamento de tungstênio. [0096] A figura 22 é um diagrama em bloco ilustrando um sistema de pré-tratamento de matéria prima oxidativa.

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21/265 [0097] A figura 23 é um diagrama em bloco ilustrando uma visão geral do processo de conversão de uma fonte de fibra em um produto, por exemplo, etanol.

[0098] A figura 24 é uma vista seccional transversal de um aparelho de explosão de vapor.

[0099] A figura 25 é uma vista lateral seccional transversal esquemática de um dispositivo de sonicação/ feixe de elétrons híbrido.

[00100] A figura 26 é uma micrografia de varredura eletrônica de um material fibroso produzido a partir de papel poli-revestido em uma ampliação de 25 X. O material fibroso foi produzido sobre um cortador de faca giratória utilizando uma peneira com aberturas de 1/8 polegadas. [00101] A figura 27 é uma micrografia de varredura eletrônica de um material fibroso produzido a partir de papelão Kraft branqueado em uma ampliação de 25 X. O material fibroso foi produzido sobre um cortador de faca giratória utilizando uma peneira com aberturas de 1/8 polegadas. [00102] A figura 28 é uma micrografia de varredura eletrônica de um material fibroso produzido a partir de papelão Kraft branqueado em uma ampliação de 25 X. O material fibroso foi produzido sobre um cortador de faca giratória utilizando uma peneira com aberturas de 1/16 polegadas. [00103] A figura 29 é uma micrografia de varredura eletrônica de um material fibroso produzido a partir de papelão Kraft branqueado em uma ampliação de 25 X. O material fibroso foi cisalhado três vezes sobre um cortador de faca giratória. Durante o primeiro cisalhamento, uma peneira de 1/8 polegadas foi usada; durante o segundo cisalhamento, uma peneira de 1/16 polegadas foi usada e, durante o terceiro cisalhamento, uma peneira de 1/32 polegadas foi usada.

[00104] As FIGS. 29A-29F são espectros de Raman 3-D da superfície de fibras das amostras P132, P132-10, P132-100, P-1e, P-30e e P-100e, respectivamente.

[00105] A figura 30 é uma vista lateral esquemática de um aparelho de

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22/265 sonicação, enquanto que a figura 31 é uma vista seccional transversal através da célula de processamento da figura 30.

[00106] A figura 32 é uma micrografia de varredura eletrônica em uma ampliação de 1000 X de um material fibroso produzido a partir de cisalhamento de switchgrass sobre um cortador de faca giratória e, então, passando o material cisalhado através de uma peneira de 1/32 polegadas.

[00107] As FIGs. 33 e 34 são micrografias de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com raios gama a 10 Mrad e 1000 Mrad, respectivamente, em uma ampliação de 1000 X.

[00108] A figura 35 é um micrografia de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com 10 Mrad e sonicação em uma ampliação de 1000 X.

[00109] A figura 36 é um micrografia de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com 100 Mrad e sonicação em uma ampliação de 1000 X.

[00110] A figura 37 é um espectro de infravermelho de papelão Kraft cisalhado sobre um cortador de faca giratória.

[00111] A figura 38 é um espectro de infravermelho do papel Kraft da figura 37 após irradiação com 100 Mrad de radiação gama.

[00112] As FIGS. 38A-38I são espectros por ¹H-RMN das amostras P132, P132-10, P132-100, P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e e P-100e no Exemplo 23. A figura 38J é uma comparação do próton permutável a ~16 ppm das figuras 38A-38I. A figura 38K é um ¹³C-RMN da amostra P-100e. As figuras 38L-38M são ¹³C-RMN da amostra P-100e com um tempo de retardo de 10 segundos. A figura 38N é um ¹H-RMN em uma concentração de 10% peso/peso da amostra P-100e.

[00113] A figura 39 é uma vista esquemática de um processo para conversão de biomassa.

[00114] A figura 40 é uma vista esquemática de outro processo para

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23/265 conversão de biomassa.

[00115] A figura 41 é um gráfico relacionando a concentração de glicose (4 melhores produtores) pelo tempo.

[00116] A figura 42 é um gráfico representando a concentração de células para Z. mobilis [00117] A figura 43 é um gráfico representando as concentrações de etanol para Z. mobilis [00118] A figura 44 é um gráfico representando o crescimento % e produção de etanol para Z. mobilis [00119] A figura 45 é um gráfico representando a concentração de células para P. stipitis [00120] A figura 46 é um gráfico representando as concentrações de etanol para P. stipitis [00121] A figura 47 é um gráfico representando o crescimento % e produção de etanol para P. stipitis [00122] A figura 48 é um gráfico representando a Concentração de células para S. cerevisiae [00123] A figura 49 é um gráfico representando as concentrações de etanol para S. cerevisiae [00124] A figura 50 é um gráfico representando o crescimento % e produção de etanol para S. cerevisiae DESCRIÇÃO DETALHADA [00125] Biomassa (por exemplo, biomassa de planta, tais como aquelas que são ou que incluem um ou mais açúcares de baixo peso molecular, biomassa animal, e biomassa de dejetos municipais) pode ser processada para produzir produtos úteis, tais como combustíveis, por exemplo, para motores de combustão interna, motores a jato ou matérias primas para células combustíveis. Além disso, materiais funcionalizados tendo tipos e quantidades desejadas de funcionalidade, tais como grupos ácido carboxílico, grupos enol, grupos aldeído, grupos cetona, grupos niPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 97/343

24/265 trilo, grupos nitro ou grupos nitroso podem ser preparados usando os métodos descritos aqui. Tais materiais funcionalizados podem ser, por exemplo, mais solúveis, mais fáceis de utilizar por vários microorganismos ou podem ser mais estáveis ao longo do tempo, por exemplo, menos propenso à oxidação. Sistemas e processos são descritos aqui que podem usar vários materiais de biomassa, tais como materiais celulósicos, materiais lignocelulósicos, amido ou materiais que são ou que incluem açúcares de baixo peso molecular, como materiais de matéria prima. Tais materiais estão, frequentemente, disponíveis prontamente, mas podem ser difíceis de processar, por exemplo, por meio de fermentação ou podem proporcionar rendimento sub-ótimos em uma taxa lenta. Materiais de matéria prima são primeiro fisicamente preparados para processamento, frequentemente mediante redução de tamanho de materiais de matéria prima brutas. A matéria prima fisicamente preparada pode ser pré-tratada ou processada usando um ou mais de: radiação, sonicação, oxidação, pirólise e explosão de vapor. Os vários sistemas e métodos de pré-tratamento podem ser usados em combinação de duas, três ou mesmo quatro dessas tecnologias.

[00126] Em alguns casos, para proporcionar materiais que incluem um carboidrato, tal como celulose, que pode ser convertida por um microorganismo a uma série de produtos desejáveis, tais como materiais combustíveis (por exemplo, etanol, butanol ou hidrogênio), matérias primas que incluem uma ou mais unidades sacarídicas podem ser tratados através de qualquer um ou mais dos processos descritos aqui. Outros produtos e co-produtos que podem ser produzidos incluem, por exemplo, alimentos humanos, ração para animais, produtos farmacêuticos e nutracêuticos. Uma série de exemplos são apresentados, que oscilam de implementação em escala laboratorial de métodos de pré-tratamento individuais à fábricas de processamento de biomassa de larga escala.

TIPO DE BIOMASSA

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25/265 [00127] Em geral, qualquer material de biomassa que é ou inclui carboidratos compostos totalmente de uma ou mais unidades sacarídicas ou que incluem uma ou mais unidades sacarídicas pode ser processado através de qualquer um dos métodos descritos aqui. Por exemplo, o material de biomassa pode ser materiais celulósicos ou lignocelulósicos, materiais de amido, tais como grãos de milho, grãos de arroz ou outros alimentos ou materiais que são ou incluem um ou mais açúcares de baixo peso molecular, tais como sacarose ou celobiose.

[00128] Por exemplo, tais materiais podem incluir papel, produtos de papel, resíduos de papel, madeira, materiais relacionados à madeira, papelão em partícula, gramíneas, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, palha de milho, cascas de arroz, pêlo de coco, algodão, alga marinha, algodão, celuloses sintéticas ou misturas de qualquer um desses. Materiais adequados incluem aqueles listados na seção Sumário acima.

[00129] Fontes de fibra incluem fontes de fibra celulósica, incluindo papel e produtos de papel (por exemplo, papel poli-revestido e papel Kraft) e fontes de fibra lignocelulósicas, incluindo madeira e materiais relacionados à madeira, por exemplo, papelão em partícula. Outras fontes de fibra adequadas incluem fontes de fibra natural, por exemplo, gramíneas, casca de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, cascas de arroz, pêlo de coco; fontes de fibra com alto teor de a-celulose, por exemplo, algodão; e fontes de fibra sintética, por exemplo, fio extrudado (fio orientado ou fio não orientado). Fontes de fibra natural ou sintética podem ser obtidas de recortes de materiais têxteis virgens, por exemplo, materiais têxteis remanescentes ou eles podem ser um resíduo pós-consumidor, por exemplo, trapos. Quando os produtos de papel são usados como fonte de fibra, eles podem ser matérias virgens, por exemplo, recortes de materiais virgens ou eles podem ser um resíduo pós-consumidor. Além de matérias primas

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26/265 virgens, resíduo pós-consumidor, industrial (por exemplo, refugo) e de processamento (por exemplo, efluente de processamento de papel) pode também ser usado como fontes de fibra. Também, a fonte de fibra pode ser obtida ou derivada de resíduos de um ser humano (por exemplo, esgoto), animal ou planta. Fontes de fibra adicionais foram descritas nas Patentes U.S. N^os 6.448.307, 6.258.876, 6.207.729, 5.973.035 e 5.952.105.

[00130] Em algumas modalidades, o carboidrato é ou inclui um material tendo uma ou mais β-1,4-ligações e tendo um peso molecular numérico médio entre cerca de 3.000 e 50.000. Tal carboidrato é ou inclui celulose (I), a qual é derivada de (β-glicose 1) através de condensação de ligações β(1 ® 4)-glicosídicas. Essa ligação contrasta, em si, com aquela para ligações a(1 ® 4)-glicosídicas presentes em amido e outros carboidratos.

OH [00131] Materiais de amido incluem amido em si, por exemplo, amido de milho, amido de trigo, amido ou amido de arroz, um derivado de amido, ou um material que inclui amido, tal como um produto alimentício comestível ou uma safra. O material de amido pode ser arracacha, trigo silvestre, banana, cevada, cassava, kudzu, oca, sagu, sorgo, batatas doPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 100/343

27/265 mésticas regulares, batata doce, taro, inhame ou um ou mais feijões, tais como favas, lentilhas ou ervilhas. Misturas desses e/ou outros materiais de amido também são considerados como sendo materiais de amido. Em modalidades particulares, o material de amido é derivado de milho. Vários amidos de milho e derivados são descritos em Corn Starch, Corn Refiners Association (11^a Edição, 2006), o qual é anexo aqui como Apêndice A.

[00132] Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular podem, por exemplo, incluir pelo menos cerca de 0,5 por cento em peso do açúcar de baixo peso molecular, por exemplo, pelo menos cerca de 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12.5, 25, 35, 50, 60, 70, 80, 90 ou mesmo pelo menos cerca de 95 por cento em peso do açúcar de baixo peso molecular. Em alguns casos, a biomassa é composta substancialmente do açúcar de baixo peso molecular, por exemplo, mais de 95 por cento em peso, tal como 96, 97, 98, 99 ou substancialmente 100 por cento em peso do açúcar de baixo peso molecular.

[00133] Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular podem ser produtos agrícolas ou produtos alimentícios tais como cana de açúcar e beterrabas sacarínicas ou um extrato das mesmas, por exemplo, suco de cana de açúcar ou beterrabas sacarínicas. Materiais de biomassa que incluem açúcares de baixo peso molecular podem ser extratos substancialmente puros, tal como açúcar de mesa cristalizado (sacarose) ou bruto. Açúcares de baixo peso molecular incluem derivados de açúcar. Por exemplo, os açúcares de baixo peso molecular podem ser oligoméricos (por exemplo, igual a ou mais 4-mer, 5-mer, 6-mer, 7-mer, 8-mer, 9-mer ou 10-mer), triméricos, diméricos ou monoméricos. Quando os carboidratos são formados de mais de uma única unidade de repetição, cada unidade de repetição pode ser a mesma ou diferente.

[00134] Exemplos específicos de açucares de baixo peso molecular

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28/265 incluem celobiose, lactose, sacarose, glicose e xilose, junto com deriva dos dos mesmos. Em alguns casos, derivados de açúcar são mais rapi damente dissolvidos em solução ou utilizados por micróbios para propor cionar um material útil, tal como etanol ou butanol. Vários de tais açúca res e derivados de açúcar são mostrados abaixo

Γ-MAS (1'-monoáckJo de sacarose)

HO„

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29/265 [00135] Misturas de quaisquer materiais de biomassa descritos aqui podem ser utilizadas para a produção de qualquer um dos produtos descritos aqui, tal como etanol. Por exemplo, misturas de materiais celulósicos e materiais de amido podem ser utilizadas para produção de qualquer produto descrito aqui.

SISTEMAS PARA TRATAMENTO DE BIOMASSA [00136] A figura1 mostra um sistema 100 para conversão de biomassa, particularmente biomassa com componentes celulósicos e lignocelulósicos e/ou componentes de amido significativos, em produtos e coprodutos úteis. O sistema 100 inclui um sub-sistema de preparo de alimentação 110, um sub-sistema de pré-tratamento 114, um sub-sistema de processo primário 118 e um sub-sistema de pós-processamento 122. O sub-sistema de preparo de alimentação 110 recebe biomassa em sua forma bruta, prepara fisicamente a biomassa para uso como matéria prima por meio de processos a jusante (por exemplo, reduz o tamanho e homogeneizar a biomassa) e armazena a biomassa em sua forma bruta e como matéria prima.

[00137] Matéria prima de biomassa com componentes celulósicos e/ou lignocelulósicos ou componentes de amido pode ter um alto peso molecular e cristalinidade médios que podem tornar o processamento da matéria prima em produtos úteis (por exemplo, fermentação da matéria prima para produzir etanol) difícil. Por exemplo, outros usaram ácidos, bases e enzimas para processar matérias primas celulósicas, lignocelulósicos ou de amido. Conforme descrito aqui, em algumas modalidades, tais tratamentos são desnecessários ou são necessários apenas em pequenas quantidades ou quantidades catalíticas.

[00138] O sub-sistema de pré-tratamento 114 recebe a matéria prima do sub-sistema de preparo de alimentação 110 e prepara a matéria prima para uso em processos de produção primários através, por exemplo, de redução do peso molecular e cristalinidade médios da matéria prima. O

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30/265 sub-sistema de processo primário 118 recebe a matéria prima pré-tratada do sub-sistema de pré-tratamento 114 e produz produtos úteis (por exemplo, etanol, outros álcoois, produtos farmacêuticos e/ou produtos alimentícios). Em alguns casos, o produto do sub-sistema de processo primário 118 é diretamente útil mas, em outros casos, requer processamento adicional fornecido pelo sub-sistema pós-processamento 122. O sub-sistema pós-processamento 122 confere processamento adicional às correntes de produto do sistema de processo primário 118 as quais o requer (por exemplo, destilação e desnaturação de etanol), bem como tratamento para correntes residuais dos outros sub-sistemas. Em alguns casos, os co-produtos dos sub-sistemas 114, 118, 122 podem também ser direta ou indiretamente úteis como produtos secundários e/ou no aumento da eficiência global do sistema 100. Por exemplo, o sub-sistema pós-processamento 122 pode produzir água tratada a ser reciclada para uso como água de processo em outros sub-sistemas e/ou pode produzir um resíduo passível de queima o qual pode ser usado como combustível para caldeiras que produzem vapor e/ou eletricidade.

[00139] O tamanho ótimo para unidades de conversão de biomassa é afetado por fatores, incluindo a economia de escala e o tipo e a disponibilidade de biomassa usada como matéria prima. Aumento do tamanho da unidade tende a aumentar a economia de escala associada a processos na unidade. Contudo, aumento do tamanho da unidade também tende a aumentar os custos (por exemplo, custos de transporte) por unidade de matéria prima. Estudos que analisaram esses fatores sugerem que o tamanho apropriado para unidades de conversão de biomassa pode oscilar de 2000 a 10.000 toneladas secas de matéria prima por dia dependendo, pelo menos em parte, do tipo de matéria prima usada. O tipo de matéria prima pode também ter um impacto sobre os requisitos de armazenamento da unidade com unidades projetadas primariamente para processamento de matéria prima, cuja disponibilidade varia periodicamente (por

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31/265 exemplo, palha de milho) que requer mais armazenamento de acetato de etila no ou sobre o local do que unidades projetadas para processar matéria prima cuja disponibilidade é relativamente constante (por exemplo, papel residual).

PREPARO FÍSICO [00140] Em alguns casos, métodos de processamento de começam com um preparo físico da matéria prima, por exemplo, redução de tamanho dos materiais de matéria prima bruta, tal como por meio de corte, trituração, cisalhamento ou picando. Em alguns casos, matéria prima frouxa (por exemplo, papel reciclado, materiais de amido ou switchgrass) é preparado mediante cisalhamento ou picando. Peneiras e/ou imãs podem ser usados para remover objetos super-dimensionados ou indesejáveis tais como, por exemplo, rochas ou pregos da corrente de alimentação. [00141] Sistemas de preparo de material podem ser configurados para produzir correntes com características específicas tais como, por exemplo, tamanhos específicos máximos, comprimento para largura específico ou proporções específicas de áreas de superfície. Como uma parte do preparo de alimentação, a densidade volumétrica do acetato de etila pode ser controlada (por exemplo, aumentada).

Redução de Tamanho [00142] Em algumas modalidades, o material a ser processado está na forma de um material fibroso que inclui fibras proporcionadas por meio de cisalhamento da fonte de fibra. Por exemplo, o cisalhamento pode ser realizado com um cortador de faca giratória.

[00143] Por exemplo e com referência à figura 2, uma fonte de fibra 210 é cisalhada, por exemplo, em um cortador de faca giratória, para proporcionar um primeiro material de biomassa 212. O primeiro material fibroso 212 é passado através de uma primeira peneira 214 tendo um tamanho médio de abertura de 1,59 mm ou menos (1/16 polegadas, 0,0265 polegadas) para proporcionar um segundo material fibroso 216. Se desePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 105/343

32/265 jado, a fonte de fibra pode ser cortada antes de cisalhamento, por exemplo, com um picador. Por exemplo, quando um papel é usado como a fonte de fibra, o papel pode primeiro ser cortado em tiras que têm, por exemplo, ¹Λ a ¹Z> polegadas de largura, usando um picador, por exemplo, um picador de rosca contra-giratória, tal como aquele fabricado pela Munson (Utica, N.Y.). Como uma alternativa ao picar, o papel pode ter o tamanho reduzido cortando para um tamanho desejado usando um cortador de guilhotina. Por exemplo, o cortador de guilhotina pode ser usado para cortar o papel em folhas que têm, por exemplo, 10 polegadas de largura por 12 polegadas de comprimento.

[00144] Em algumas modalidades, o picar da fonte de fibra e a passagem do primeiro material fibroso resultante através de uma primeira peneira são realizados concorrentemente. O cisalhamento e a passagem também podem ser realizados em um processo do tipo batelada. [00145] Por exemplo, um cortador de faca giratória pode ser usado para cisalhar concorrentemente a fonte de fibra e peneirar o primeiro material fibroso. Fazendo referência à figura 3, um cortador de faca giratória 220 inclui um depósito alimentador 222 que pode ser carregado com uma fonte de fibra picada 224 preparada por meio de cisalhamento da fonte de fibra . A fonte de fibra picada é cisalhada entre lâminas estacionárias 230 e lâminas giratórias 232 para proporcionar um primeiro material fibroso 240, O primeiro material fibroso 240 passa através da peneira 242 e o segundo material fibroso 244 resultante é capturado em um recipiente 250, Para auxiliar na coleta do segundo material fibroso, o recipiente pode ter uma pressão abaixo da pressão atmosférica nominal, por exemplo, pelo menos dez por cento abaixo da pressão atmosférica nominal, por exemplo, pelo menos 25 por cento abaixo da pressão atmosférica nominal, pelo menos 50 por cento abaixo da pressão atmosférica nominal ou pelo menos 75 por cento abaixo da pressão atmosférica nominal. Em algumas modalidades, uma fonte de vácuo 252 é utilizada para manter o

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33/265 recipiente abaixo da pressão atmosférica nominal.

[00146] Cisalhamento pode ser vantajoso para abertura e tensionamento dos materiais fibrosos, tornando a celulose dos materiais mais suscetível à cisão de cadeia e/ou redução de cristalinidade. Os materiais abertos podem também ser mais suscetíveis à oxidação quando irradiados.

[00147] A fonte de fibra pode ser cisalhada em um estado seco, um estado hidratado (por exemplo, tendo até dez por cento em peso de água absorvida) ou em um estado úmido, por exemplo, tendo entre cerca de 10 por cento e cerca de 75 por cento em peso de água. A fonte de fibra pode mesmo ser cisalhada enquanto parcial ou completamente submersa sob um líquido, tal como água, etanol, isopropanol.

[00148] A fonte de fibra pode também ser cisalhada sob um gás (tal como uma corrente ou atmosfera de outro gás que não ar), por exemplo, oxigênio ou nitrogênio ou vapor.

[00149] Outros métodos de produção dos materiais fibrosos incluem, por exemplo, trituração com pedra, rasgo ou dilaceramento mecânico, trituração a pino ou moagem por atrito a ar.

[00150] Se desejado, os materiais fibrosos podem ser separados, continuamente ou em lotes, em frações de acordo com seu comprimento, largura, densidade, tipo de material ou alguma combinação desses atributos.

[00151] Por exemplo, materiais ferrosos podem ser separados de qualquer um dos materiais fibrosos passando um material fibroso que inclui um material ferroso sobre um imã, por exemplo, um eletroímã e, então, passando o material fibroso resultante através de uma série de peneiras, cada peneira tendo aberturas diferentemente dimensionadas. [00152] Os materiais fibrosos podem também ser separados, por exemplo, usando um gás em alta velocidade, por exemplo, ar. Em tal abordagem, os materiais fibrosos são separados extraindo diferentes fraPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 107/343

34/265 ções as quais podem ser caracterizadas fotonicamente, se desejado. Tal aparelho de separação é discutido em Lindsey et al., Patente U.S. N^o 6.883.667.

[00153] Os materiais fibrosos podem ser irradiados imediatamente após seu preparo ou eles podem ser secos, por exemplo, a aproximadamente 105°C durante 4-18 horas, de modo que o teor de umidade seja, por exemplo, de menos de cerca de 0,5 % antes de uso.

[00154] Se desejado, lignina pode ser removida de qualquer um dos materiais fibrosos que incluem lignina. Também, para auxiliar na ruptura dos materiais que incluem a celulose, o material pode ser tratado antes de irradiação com calor, um produto químico (por exemplo, ácido mineral, base ou um oxidante forte, tal como hipoclorito de sódio) e/ou uma enzima.

[00155] Em algumas modalidades, o tamanho médio de abertura da primeira peneira é de menos de 0,79 mm (1/32 polegada, 0,03125 polegada), e,g,, menos de 0,51 mm (1/50 polegada, 0,02000 polegada), menos de 0,40 mm (1/64 polegada, 0,015625 polegada), menos de 0,23 mm (0,009 polegada), menos de 0,20 mm (1/128 polegada, 0,0078125 polegada), menos de 0,18 mm (0,007 polegada), menos de 0,13 mm (0,005 polegada) ou mesmo menos de 0,10 mm (1/256 polegada, 0,00390625 polegada). A peneira é preparada entrelaçando monofilamentos tendo um diâmetro apropriado para proporcionar o tamanho de abertura desejado. Por exemplo, os monofilamentos podem ser feitos de um metal, por exemplo, aço inoxidável. À medida que os tamanhos de abertura se tornam menores, as demandas estruturas sobre os monofilamentos podem ser tornar maiores. Por exemplo, para tamanhos de abertura de menos de 0,40 mm, pode ser vantajoso fazer peneiras a partir de monofilamentos feitos de um outro material que não aço inoxidável, por exemplo, titânio, ligas de titânio, metais amorfos, níquel, tungstênio, ródio, rênio, cerâmica ou vidro. Em algumas modalidades, a peneira é feita de uma plaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 108/343

35/265 ca, por exemplo, uma placa de metal tendo aberturas, por exemplo, cortada em uma placa usando um laser. Em algumas modalidades, a área de abertura da malha é de menos de 52 %, por exemplo, menos de 41 %, menos de 36%, menos de 31%, menos de 30%.

[00156] Em algumas modalidades, o segundo material fibroso é cisalhado e passado através da primeira peneira ou uma peneira de uma dimensão diferente. Em algumas modalidades, o segundo material fibroso é passado através de uma segunda peneira tendo um tamanho médio de abertura igual a ou menor do que aquele da primeira peneira.

[00157] Fazendo referência à figura 4, um terceiro material fibroso 220 pode ser preparado a partir do segundo material fibroso 216 por meio de cisalhamento do segundo material fibroso 216 e passando o material resultante através de uma segunda peneira 222 tendo um tamanho médio de abertura menor do que a primeira peneira 214.

[00158] Em geral, as fibras dos materiais fibrosos podem ter uma proporção média de comprimento para diâmetro relativamente grande (por exemplo, maior do que 20 para 1), mesmo se elas foram cisalhadas mais de uma vez. Além disso, as fibras do materiais fibrosos descritos aqui podem ter uma distribuição de proporção de comprimento para diâmetro e/ou comprimento relativamente limitada.

[00159] Conforme usado aqui, larguras médias de fibra (isto é, diâmetros) são aquelas determinadas opticamente selecionando, de modo aleatório, aproximadamente 5.000 fibras. Os comprimentos médios de fibra são comprimentos ponderados corrigidos. As áreas de superfície BET (Brunauer, Emmet e Teller) são áreas de superfície multipontos e as porosidades são aquelas determinadas por meio de porosimetria de mercúrio.

[00160] A proporção média de comprimento de para diâmetro do segundo material fibroso 14 pode ser, por exemplo, maior do que 8/1, por exemplo, maior do que 10/1, maior do que 15/1, maior do que 20/1, maior

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36/265 do que 25/1 ou maior do que 50/1, Um comprimento médio do segundo material fibroso 14 pode estar, por exemplo, entre cerca de 0,5 mm e 2,5 mm, por exemplo, entre cerca de 0,75 mm e 1,0 mm e uma largura média (isto é, diâmetro) do segundo material fibroso 14 pode estar, por exemplo, entre cerca de 5 qm e 50 qm, por exemplo, entre cerca de 10 qm e 30 qm.

[00161] Em algumas modalidades, um desvio padrão do comprimento do segundo material fibroso 14 é menos de 60 por cento de um comprimento médio do segundo material fibroso 14, por exemplo, menos de 50 por cento do comprimento médio, menos de 40 por cento do comprimento médio, menos de 25 por cento do comprimento médio, menos de 10 por cento do comprimento médio, menos de 5 por cento do comprimento médio ou mesmo menos de 1 por cento do comprimento médio.

[00162] Em algumas modalidades, uma área de superfície BET do segundo material fibroso é maior do que 0,1 m²/g, por exemplo, maior do que 0,25 m²/g, maior do que 0,5 m²/g, maior do que 1,0 m²/g, maior do que 1,5 m²/g, maior do que 1,75 m²/g, maior do que 5.0 m²/g, maior do que 10 m²/g, maior do que 25 m²/g, maior do que 35 m²/g, maior do que 50m²/g, maior do que 60 m²/g, maior do que 75 m²/g, maior do que 100 m²/g, maior do que 150 m²/g, maior do que 200 m²/g ou ainda maior do que 250 m²/g. Uma porosidade do segundo material fibrosos 14 pode ser, por exemplo, maior do que 20 por cento , maior do que 25 por cento , maior do que 35 por cento , maior do que 50 por cento , maior do que 60 por cento , maior do que 70 por cento , por exemplo, maior do que 80 por cento , maior do que 85 por cento , maior do que 90 por cento , maior do que 92 por cento , maior do que 94 por cento , maior do que 95 por cento , maior do que 97,5 por cento , maior do que 99 por cento ou ainda maior do que 99,5 por cento.

[00163] Em algumas modalidades, uma proporção média do comprimento para diâmetro do primeiro material fibrosos para a proporção méPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 110/343

37/265 dia de comprimento para diâmetro do segundo material fibroso é, por exemplo, menos de 1,5, por exemplo, menos de 1,4, menos de 1,25, menos de 1,1, menos de 1,075, menos de 1,05, menos de 1,025 ou mesmo substancialmente igual a 1.

[00164] Em modalidades particulares, o segundo material fibroso é cisalhado novamente e o material fibroso resultante passado através de uma segunda peneira tendo um tamanho médio de abertura menor do que a primeira peneira para proporcionar um terceiro material fibroso. Em tais casos, uma proporção média do comprimento para diâmetro do segundo material fibroso para a proporção média de comprimento para diâmetro do terceiro material fibroso pode ser por exemplo, menos de 1,5, por exemplo, menos de 1,4, menos de 1,25 ou mesmo menos de 1,1. [00165] Em algumas modalidades, o terceiro material fibroso é passado através de uma terceira peneira para produzir um quarto material fibroso. O quarto material fibroso pode ser, por exemplo, passado através de uma quarta peneira para produzir um quinto material. Processos de peneiramento similares podem ser repetidos tantas vezes quanto desejado para produzir o material fibroso desejado tendo as propriedades desejadas.

Densificação [00166] Materiais densificados podem ser processados ou quaisquer materiais processados podem ser densificados através de qualquer um dos métodos descritos aqui ou qualquer material descrito aqui, por exemplo, qualquer material fibroso descrito aqui, pode ser processado através de qualquer um ou mais dos métodos descritos aqui e, então, densificados, conforme descrito aqui.

[00167] Um material, por exemplo, um material fibroso tendo uma baixa densidade volumétrica pode ser densificado em um produto tendo uma maior densidade volumétrica. Por exemplo, uma composição de material tendo uma densidade volumétrica de 0,05 g/cm³ pode ser densificado vePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 111/343

38/265 dando o material fibroso em uma estrutura relativamente impermeável a gás, por exemplo, um saco feito de polietileno ou um saco feito de camadas alternadas de polietileno e um náilon e, então, evacuando o gás encerrado, por exemplo, ar, da estrutura. Após evacuação do ar da estrutura, o material fibroso pode ter, por exemplo, uma densidade volumétrica maior do que 0,3 g/cm³, por exemplo, 0,5 g/cm³, 0,6 g/cm³, 0,7 g/cm³ ou mais, por exemplo, 0,85 g/ cm³. Após densificação, o produto pode ser processado através de qualquer um dos métodos descritos aqui, por exemplo, irradiado, por exemplo, com radiação gama. Isso pode ser vantajoso quando é desejável transportar o material para outro local, por exemplo, uma fábrica remota, em que a composição de material fibroso pode ser adicionada a uma solução, por exemplo, para produzir etanol. Após perfuração da estrutura substancialmente impermeável a gás, o material fibroso densificado pode reverter para quase a sua densidade volumétrica inicial, por exemplo, para mais de 60 por cento de sua densidade volumétrica inicial, por exemplo, 70 por cento , 80 por cento , 85 por cento ou mais, por exemplo, 95 por cento de sua densidade volumétrica inicial. Para reduzir a eletricidade estática no material fibroso, um agente antiestática pode ser adicionado ao material.

[00168] Em algumas modalidades, a estrutura, por exemplo, um saco, é formada de um material que dissolve em um líquido, tal como água. Por exemplo, a estrutura pode ser formada de um álcool polivinílico, de modo que ela dissolve quando em contato com um sistema baseado em água. Tais modalidades permitem que estruturas densificadas sejam adicionadas diretamente à soluções que incluem um micro-organismo, sem primeiro liberar os conteúdos da estrutura, por exemplo, mediante corte. [00169] Fazendo referência à figura 5, um material de biomassa pode ser combinado com quaisquer aditivos e um aglutinante desejados e, subsequentemente, densificado mediante aplicação de pressão, por exemplo, passando o material através de um estreitamento definido entre

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39/265 rolos de pressão contra-giratórios ou passando o material através de um moinho de pélete. Durante a aplicação de pressão, calor pode ser opcionalmente aplicado para auxiliar na densificação do material fibroso. O material densificado pode, então, ser irradiado.

[00170] Em algumas modalidades, o material, antes de densificação, tem uma densidade volumétrica de menos de 0,25 g/cm³, por exemplo, 0,20 g/cm³, 0,15 g/cm³, 0,10 g/cm³, 0,05 g/cm³ ou menos, por exemplo, 0,025 g/cm³. A densidade volumétrica é determinada usando ASTM D1895B. Resumidamente, o método envolve enchimento de um cilindro de medição de volume conhecido com uma amostra e obtenção de um peso da amostra. A densidade volumétrica é calculada dividindo-se o peso da amostra em gramas pelo volume conhecido do cilindro em centímetros cúbicos.

[00171] Os aglutinantes preferidos incluem aglutinantes que são solúveis em água, intumescidos pela água ou que têm uma temperatura de transição do vidro de menos de 25°C, conforme deter minado por meio de calorimetria de varredura diferencial. Por aglutinantes solúveis em água entenda-se aglutinantes tendo uma solubilidade de pelo menos cerca de 0,05 por cento em peso em água. Por aglutinantes intumescíveis em água entenda-se aglutinantes que aumentam de volume em mais de 0,5 por cento quando de exposição à água.

[00172] Em algumas modalidades, os aglutinantes que são solúveis ou intumescidos pela água incluem um grupo funcional que é capaz de formação de uma ligação, por exemplo, uma ligação de hidrogênio, com as fibras do material fibroso, por exemplo, material fibroso celulósico. Por exemplo, o grupo funcional pode ser um grupo ácido carboxílico, um grupo carboxilato, um grupo carbonila, por exemplo, de um aldeído ou uma cetona, um grupo ácido sulfônico, um grupo sulfonato, um grupo ácido fosfórico, um grupo fosfato, um grupo amida, um grupo amina, um grupo hidroxila, por exemplo, de um álcool e combinações desses grupos, por

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40/265 exemplo, um grupo ácido carboxílico e um grupo hidroxila. Exemplos monoméricos específicos incluem glicerina, glioxal, ácido ascórbico, uréia, glicina, pentaeritritol, um monossacarídeo ou um dissacarídeo, ácido cítrico e ácido tartárico. Sacarídeos adequados incluem glicose, sacarose, lactose, ribose, frutose, manose, arabinose e eritrose. Exemplos poliméricos incluem poliglicóis, óxido de polietileno, ácidos policarboxílicos, poliamidas, poliaminas e poli-sulfonatos de ácidos poli-sulfônicos. Exemplos poliméricos específicos incluem polipropileno glicol (PPG), polietileno glicol (PEG), óxido de polietileno, por exemplo, POLYOX®, copolímeros de óxido de etileno e óxido de propileno, ácido poliacrílico (PAA), poliacrilamida, polipeptídeo, polietilenimina, polivinilpiridina, (poli)-4-estirenosulfonato de sódio e ácido (poli) -2-acrilamido-metil-1-propano-sulfônico. [00173] Em algumas modalidades, o aglutinante inclui um polímero que tem uma temperatura de transição do vidro de menos de 25°C. Exemplos de tais polímeros incluem elastômeros termoplásticos (TPEs). Exemplos de TPEs incluem amidas em bloco de poliéter, tais como aquelas disponíveis sob a marca comercial PEBAX®, elastômeros de poliéster, tais como aqueles disponíveis sob a marca comercial HYTREL® e copolímeros em bloco estirênicos, tais como aqueles disponíveis sobre a marca comercial KRATON®. Outros polímeros adequados tendo uma temperatura de transição do vidro de menos de 25°C incluem copo límero de acetato de etileno vinila (EVA), poliolefinas, por exemplo, polietileno, polipropileno, copolímeros de etileno-propileno e copolímeros de etileno e alfa olefinas, por exemplo, 1-octeno, tais como aqueles disponíveis sob a marca comercial ENGAGE®. Em algumas modalidades, por exemplo, quando o material é um papel poli-revestido em fibra, o material é densificado sem a adição de um polímero de baixa temperatura de transição do vidro distinto.

[00174] Em uma modalidade particular, o aglutinante é um lignina, por exemplo, uma lignina natural ou sinteticamente modificada.

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41/265 [00175] Uma quantidade adequada de aglutinante adicionado ao material, calculada em uma base em peso seco é, por exemplo, de cerca de 0,01 por cento a cerca de 50 por cento , por exemplo, 0,03 por cento , 0,05 por cento , 0,1 por cento , 0,25 por cento , 0,5 por cento , 1,0 por cento , 5 por cento , 10 por cento ou mais, por exemplo, 25 por cento , baseado em um peso do material densificado. O aglutinante pode ser adicionado ao material como um líquido puro, como um líquido tendo o aglutinante dissolvido no mesmo, como um pó seco do aglutinante ou como péletes do aglutinante.

[00176] O material fibroso densificado pode ser feito em um moinho de pélete. Fazendo referência à figura 6, um moinho de pélete 300 tem um depósito alimentador 301 para conter um material não-densificado 310 que inclui um material contendo carboidrato, tal como celulose. O depósito alimentador se comunica com uma broca 312 que é acionada por um motor de velocidade variável 314, de modo que o material não densificado pode ser transportado para um condicionador 320 que agita o material não densificado com pás 322 que são giradas por um motor condicionador 330. Outros ingredientes, por exemplo, qualquer um dos aditivos e/ou enchedores descritos aqui podem ser adicionados na entrada 332. Se desejado, calor pode ser adicionado enquanto o material fibroso está no condicionador. Após condicionado, o material passa do condicionador através de uma calha de escoamento 340 e para outra broca 342. A calha de escoamento, conforme controlada por um acionador 344, permite a passagem desobstruída do material do condicionador para a broca. A broca é girada pelo motor 346 e controla a alimentação do material fibroso na matriz e conjunto de rolo 350. Especificamente, o material é introduzido em uma matriz cilíndrica oca 352, a qual gira em torno de um eixo horizontal e a qual tem furos de matriz 250 que se estendem radialmente. A matriz 352 é girada em torno do eixo por um motor 360, o qual inclui calibrador de cavalo-força, que indica a energia total consumida pelo moPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 115/343

42/265 tor. O material densificado 350, por exemplo, na forma de péletes, cai da calha 372 e é capturado e processado, tal como através de irradiação. [00177] O material, após densificação, pode estar convenientemente na forma de péletes ou lascas tendo uma variedade de formatos. Os péletes podem, então, ser irradiados. Em algumas modalidades, os péletes ou lascas são de formato cilíndrico, por exemplo, tendo uma dimensão transversal máxima, por exemplo, de 1 mm ou mais, por exemplo, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm, 15 mm ou mais, por exemplo, 25 mm. Outros formatos convencionais incluem péletes ou lascas que têm a forma semelhante a uma lâmina, por exemplo, tendo uma espessura de 1 mm ou mais, por exemplo, 2 mm, 3 mm, 5 mm, 8 mm, 10 mm ou mais, por exemplo, 25 mm; uma largura de, por exemplo, 5 mm ou mais, por exemplo, 10 mm, 15 mm, 25 mm, 30 mm ou mais, por exemplo, 50 mm; e um comprimento de 5 mm ou mais, por exemplo, 10 mm, 15 mm, 25 mm, 30 mm ou mais, por exemplo, 50 mm.

[00178] Fazendo referência agora às figura 7A-7D, péletes podem ser feitas de modo que eles tenham um interior oco. Conforme mostrado, o oco pode, em geral, estar em -linha com o centro do pélete (figura 7B) ou fora de linha com o centro do pélete (figura 7C). Tornar o interior do pélete oco pode aumentar a taxa de dissolução em um líquido após a irradiação.

[00179] Fazendo referência agora à figura 7D, o pélete pode ter, por exemplo, um formato transversal que é multi-lobal, por exemplo, tri-lobal conforme mostrado ou tetra-lobal, penta-lobal, hexa-lobal ou deca-lobal. Produzir os péletes com tais formatos transversais também pode aumentar a taxa de dissolução em uma solução após irradiação.

[00180] Altemativamente, o material densificado pode estar em qualquer outra forma desejada, por exemplo, o material densificado pode estar na forma de uma esteira, rolo ou fardo.

Exemplos de Densificação

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43/265 [00181] Em um exemplo, embalagens de suco de meio galão feitas de papelão Kraft branco não impresso tendo uma densidade volumétrica de 20 libras/pé³ podem ser usadas como uma matéria prima. As embalagens podem ser dobradas e, então, alimentadas a um picador para produzir um material semelhante a confete tendo uma largura de entre 0,1 polegada e 0,5 polegadas, um comprimento de entre 0,25 polegadas e 1 polegada e uma espessura equivalente àquela do material de iniciação (cerca de 0,075 polegadas). O material similar a confete pode ser alimentado a um cortador de faca giratória, o qual corta os pedaços similares a confete, dilacerando os pedaços e liberando o material fibroso.

[00182] Em alguns casos, múltiplas bandejas de picador - cisalhador podem ser dispostas em série na linha de produção. Em uma modalidade, duas bandejas de picador - cisalhador podem ser dispostas em série com a linha de produção a partir do primeiro cisalhador alimentado como entrada ao segundo picador. Em outra modalidade, três bandejas de picador - cisalhador podem ser dispostas em série com a linha de produção a partir do primeiro cisalhador alimentado como entrada ao segundo picador e a produção do segundo cisalhador alimentado como entrada ao terceiro picador. É previsto que múltiplos passes através das bandejas de picador - cisalhador diminuem o tamanho de partícula e aumentem a área de superfície global dentro da corrente de alimentação.

[00183] Em outro exemplo, o material fibroso produzido a partir do picar e cisalhar embalagens de suco pode ser tratado para aumentar sua densidade volumétrica. Em alguns casos, o material fibroso pode ser pulverizado com água ou uma solução de estoque diluída de POLYOX® WSR N10 (óxido de polietileno) preparada em água. O material fibroso úmido pode, então, ser processado através de um moinho de pélete operando em temperatura ambiente. O moinho de pélete pode aumentar a densidade volumétrica da corrente de alimentação.

PRÉ-TRATAMENTO

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44/265 [00184] A matéria prima fisicamente preparada pode ser pré-tratada para uso em processos de produção primários, por exemplo, mediante redução do peso molecular médio e cristalinidade da matéria prima e/ou aumento da área de superfície e/ou porosidade da matéria prima. Em algumas modalidades, o material celulósico e/ou lignocelulósico inclui uma primeira celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio e o carboidrato resutlante inclui uma segunda celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. Por exemplo, o segundo peso molecular numérico médio é menor do que o primeiro peso molecular numérico médio em mais de cerca de vinte e cinco por cento, por exemplo, uma redução de 2x, 3x, 5x, 7x, 10x, 25x, mesmo de 100x.

[00185] Em algumas modalidades, a primeira celulose tem uma primeira cristalinidade e a segunda celulose tem uma segunda cristalinidade menor do que a primeira cristalinidade, tal como menor do que cerca de dois, três, cinco, dez, quinze ou vinte e cinco por cento menor.

[00186] Em algumas modalidades, a primeira celulose tem um primeiro nível de oxidação e a segunda celulose tem um segundo nível de oxidação maior do que o primeiro nível de oxidação, tal como dois, três, quatro, cinco, dez ou mesmo vinte e cinco por cento maior.

[00187] Processos de pré-tratamento podem incluir um ou mais de irradiação, sonicação, oxidação, pirólise e explosão de vapor. Os vários sistemas e métodos de pré-tratamento podem ser usados em combinações de duas, três ou mesmo quatro dessas tecnologias.

Combinações Pré-tratamento [00188] Em algumas modalidades, a biomassa pode ser processada aplicando dois ou mais de qualquer um dos processos descritos aqui, tais como dois, três, quatro ou mais de radiação, sonicação, oxidação, pirólise e explosão de vapor, com ou sem preparo prévio, intermediário ou subsequente da matéria prima, conforme descrito aqui. Os processos podem

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45/265 ser aplicados à biomassa em qualquer ordem ou concorrentemente. Por exemplo, um carboidrato pode ser preparado mediante aplicação de radiação, sonicação, oxidação, pirólise e opcionalmente explosão de vapor a um material celulósico e/ou lignocelulósico (em qualquer ordem ou concorrentemente). O material contendo carboidrato proporcionado pode, então, ser convertido por um ou mais micro-organismos, tais como bactérias, levedos ou misturas de levedos e bactérias, a uma série de produtos desejáveis, conforme descrito aqui. Múltiplos processos podem proporcionar materiais que podem ser mais prontamente utilizados por uma variedade de micro-organismos em virtude de seu menor peso molecular, menor cristalinidade e/ou solubilidade intensificada. Múltiplos processos podem proporcionar sinergias e podem reduzir o consumo de energia global requerido em comparado a qualquer processo isoladamente. [00189] Por exemplo, em algumas modalidades, são proporcionados matérias primas que incluem um carboidrato que é produzido através de um processo que inclui irradiação e sonicação, irradiação e oxidação, irradiação e pirólise ou irradiação e explosão de vapor (em qualquer ordem ou concorrentemente) de um material celulósico e/ou lignocelulósico. A matéria prima proporcionada pode, então, ser contatado com um microorganismo tendo a capacidade de converter pelo menos uma parte, por exemplo, pelo menos cerca de 1 por cento em peso, da matéria prima em produto, tal como o material combustível.

Condições Pré-tratamento [00190] Em algumas modalidades, o processo não inclui hidrólise do material celulósico e/ou lignocelulósico, tal como com um ácido ou uma base, por exemplo, um ácido mineral, tal como ácido clorídrico ou sulfúrico. Se desejado, um pouco ou nada da matéria prima pode incluir um material hidrolisado. Por exemplo, em algumas modalidades, pelo menos cerca de setenta por cento em peso da matéria prima são um material não hidrolisado, por exemplo, pelo menos 95 por cento em peso da matéPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 119/343

46/265 ria prima são um material não hidrolisado. Em algumas modalidades, substancialmente toda a matéria prima é um material não hidrolisado. [00191] Qualquer matéria prima ou qualquer reator ou fermentador carregado com uma matéria prima pode incluir um tampão, tal como bicarbonato de sódio, cloreto de amônio ou T ris; um eletrólito, tal como cloreto de potássio, cloreto de sódio ou cloreto de cálcio; um fator de crescimento, tal como biotina e/ou um par de base, tal como uracila ou um equivalente da mesma; um tensoativo, tal como Tween® ou polietileno glicol; um mineral, tal como, cálcio, cromo, cobre, iodo, ferro, selênio ou zinco; ou um agente de quelação, tal como etileno diamina, ácido etileno diamina tetra-acético (EDTA) (ou sua forma de sal, por exemplo, EDTA de sódio ou potássio) ou dimercaprol.

[00192] Quando irradiação é utilizada, ela pode ser aplicada à qualquer amostra que está seca ou úmida ou mesmo dispersa em um líquido, tal como água. Por exemplo, irradiação pode ser realizada sobre o material celulósico ou lignocelulósico no qual menos de cerca de 25 por cento em peso do material celulósico e/ou lignocelulósico tem superfícies umedecidas com um liquido, tal como água. Em algumas modalidades, irradiação é realizada sobre um material celulósico e/ou lignocelulósico no qual substancialmente nada do material celulósico e/ou lignocelulósico é umedecido com um líquido, tal como água.

[00193] Em algumas modalidades, qualquer processamento descrito aqui ocorre após o material celulósico e/ou lignocelulósico permanecer seco conforme adquirido ou ter sido seco, por exemplo, usando calor e/ou pressão reduzida. Por exemplo, em algumas modalidades, o material celulósico e/ou lignocelulósico tem menos de cerca de cindo por cento em peso de água restante, medida a 25°C e uma umidade relativa de cinquenta por cento.

[00194] Se desejado, um agente de intumescimento, conforme definido aqui, pode ser utilizado em qualquer processo descrito aqui. Em alguPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 120/343

47/265 mas modalidades, quando um material celulósico e/ou lignocelulósico é processado usando radiação, menos de cerca de 25 por cento em peso do material celulósico e/ou lignocelulósico está em um estado intumescido, o estado intumescido sendo caracterizado como tendo um volume de mais de cerca de 2,5 por cento maior do que um estado não intumescido, por exemplo, mais de 5,0, 7,5, 10 ou 15 por cento em peso maior do que o estado não intumescido. Em algumas modalidades, quando radiação é utilizada sobre um material celulósico e/ou lignocelulósico, substancialmente nada do material celulósico e/ou lignocelulósico está em um estado intumescido.

[00195] Em modalidades especificas, quando radiação é utilizada, o material celulósico e/ou lignocelulósico inclui um agente de intumescimento e o material celulósico e/ou lignocelulósico intumescido recebe uma dose de radiação de menos de cerca de 10 Mrad.

[00196] Quando radiação é utilizada em qualquer processo, ela pode ser aplicada enquanto o material celulósico e/ou lignocelulósico é exposto ao ar, ar enriquecido de oxigênio ou mesmo oxigênio em si ou receber uma corrente de um gás inerte, tal como nitrogênio, argônio ou hélio. Quando oxidação máxima é desejada, um ambiente de oxidação é utilizado, tal como ar ou oxigênio.

[00197] Quando radiação é utilizada, ela pode ser aplicada à biomassa, tal como um material celulósico e/ou lignocelulósico, sob uma pressão de mais de cerca de 2,5 atmosferas, tal como mais de 5, 10, 15, 20 ou mesmo mais de cerca de 50 atmosferas.

Tratamento de Radiação [00198] Uma ou mais sequências de processamento de irradiação podem ser usadas pra processar uma matéria prima bruta de uma ampla variedade de diferentes fontes para extrair substancias úteis da matéria prima e proporcionar material orgânico parcialmente degradado, o qual funciona como uma entrada para outras etapas de processamento e/ou

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48/265 sequências. Irradiação pode reduzir o peso molecular e/ou cristalinidade da matéria prima.

[00199] Em algumas modalidades, a energia depositada em um material que libera um elétron de seu orbital atômico é usada para irradiar os materiais. A radiação pode ser proporcionada por 1 ) partículas pesadamente carregadas, tais como partículas alfa ou prótons, 2) elétrons produzidos, por exemplo, em aceleradores de feixe de elétrons ou beta declínio ou 3) radiação eletromagnética, por exemplo, raios gama, raios x ou raios ultra-violeta. Em uma abordagem, radiação produzida por substancias radioativas pode ser usada para irradiar a matéria prima. Em algumas modalidades, qualquer combinação em qualquer ordem ou concorrentemente (1) a (3) pode ser utilizada. Em outra abordagem, radiação eletromagnética (por exemplo, produzida usando emissores de feixe de elétrons) pode ser usada para irradiar a matéria prima. Por exemplo, alta dose de radiação pode romper ligações químicas dentro dos componentes da matéria prima e baixas doses de radiação podem aumentar a ligação química (por exemplo, reticulação) dentro dos componentes da matéria prima. Em alguns casos, quando cisão de cadeia é desejável e/ou funcionalização de cadeia polimérica é desejável, partículas mais pesadas do que elétrons, tais como prótons, núcleos de hélio, íons de argônio, íons de silício, íons de néon, íons de carbono, íons de fósforo, íons de oxigênio ou íons de nitrogênio podem ser utilizados. Quando cisão de cadeia por abertura de anel é desejada, partículas positivamente carregadas podem ser utilizadas por suas propriedades de ácido de Lewis para cisão de cadeia por abertura de anel intensificada. Por exemplo, quando grupos funcionais contendo oxigênio são desejados, irradiação na presença de oxigênio ou mesmo irradiação com íons de oxigênio pode ser realizada. Por exemplo, quando grupos funcionais contendo nitrogênio são desejáveis, irradiação na presença de nitrogênio ou mesmo irradiação com íons de nitrogênio pode ser realizada.

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49/265 [00200] Fazendo referência à figura 8, em um método, um primeiro material 2 que é ou inclui celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio (^tMN1) é irradiado, por exemplo, mediante tratamento com radiação ionizante (por exemplo, na forma de radiação gama, radiação por raios x, luz ultra-violeta (UV) de 100 nm a 280 nm, um feixe de elétrons ou outras partículas carregadas para proporcionar um segundo material 3 que inclui celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio (^TMN2) menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. O segundo material (ou os primeiro e segundo materiais) pode ser combinado com um micro-organismo (por exemplo, uma bactéria ou um levedo) que pode utilizar o segundo e/ou o primeiro material para produzir um combustível 5 que é ou inclui hidrogênio, um álcool (por exemplo, etanol ou butano, tal como n-, sec- ou terc-butanol), um ácido orgânico, um hidrocarboneto ou misturas de qualquer um desses.

[00201] Uma vez que o segundo material 3 tem celulose tendo um peso molecular com relação ao primeiro material e, em alguns casos, uma cristalinidade reduzida também, o segundo material é, em geral, mais dispersível, intumescível e/ou solúvel em uma solução contendo um micro-organismo. Essas propriedades tornam o segundo material 3 mais suscetível a ataque químico, enzimático e/ou biológico com relação ao primeiro material 2, o que pode aprimorar grandemente a taxa de produção e/ou nível de produção de um produto desejado, por exemplo, etanol. Radiação também pode esterilizar os materiais.

[00202] Em algumas modalidades, o segundo peso molecular numérico médio (M_N2) é menor do que o primeiro peso molecular numérico médio (^tM_N1) em mais de cerca de 10 por cento , por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por cento , 60 por cento ou ainda mais do que cerca de 75 por cento.

[00203] Em alguns casos, o segundo material tem celulose que tem uma cristalinidade (^TC2) que é menor do que a cristalinidade (^TC1) da cePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 123/343

50/265 lulose do primeiro material. Por exemplo, (^TC2) pode ser menor do que (^TC1) em mais de cerca de 10 por cento, por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40 ou mesmo mais de cerca de 50 por cento.

[00204] Em algumas modalidades, o índice de cristalinidade inicial (antes de irradiação) é de cerca de 40 a cerca de 87.5 por cento, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 75 por cento or de cerca de 60 a cerca de 70 por cento e o índice de cristalinidade após irradiação é de cerca de 10 a cerca de 50 por cento, por exemplo, de cerca de 15 a cerca de 45 por cento ou de cerca de 20 a cerca de 40 por cento. Contudo, em algumas modalidades, por exemplo, após irradiação extensiva, é possível ter um índice de cristalinidade de menos de 5 por cento. Em algumas modalidades, o material após irradiação é substancialmente amorfo.

[00205] Em algumas modalidades, o peso molecular numérico médio inicial (antes de irradiação) é de cerca de 200.000 a cerca de 3.200.000, por exemplo, de cerca de 250.000 a cerca de 1.000.000 ou de cerca de 250.000 a cerca de 700.000 e o peso molecular numérico médio após irradiação é de cerca de 50.000 a cerca de 200.000, por exemplo, de cerca de 60.000 a cerca de 150.000 ou de cerca de 70.000 a cerca de 125.000. Contudo, em algumas modalidades, após irradiação extensivo, é possível ter um peso molecular numérico médio de menos de cerca de 10.000 ou mesmo menos de cerca de 5.000.

[00206] Em algumas modalidades, o segundo material pode ter um nível de oxidação (^TO2) que é maior do que o nível de oxidação (^TO1) do primeiro material. Um maior nível de oxidação do material pode auxiliar em sua dispersibilidade, capacidade de intumescimento e/ou solubilidade, intensificando adicionalmente a suscetibilidade do material a ataque químico, enzimático ou biológico. Em algumas modalidades, para aumentar o nível da oxidação do segundo material com relação ao primeiro material, a irradiação é realizada sob um ambiente de oxidação, por exemplo, sob uma corrente de ar ou oxigênio, produzindo um segundo material que

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51/265 é mais oxidado do que o primeiro material. Por exemplo, esse segundo material pode ter mais grupos hidroxila, grupos aldeído, grupos cetona, grupos éster ou grupos ácido carboxílico, os quais podem aumentar sua hidrofilicidade.

Radiação lonizante [00207] Cada forma de radiação ioniza a biomassa via interações particulares, conforme determinado pela energia da radiação. Partículas pesadamente carregadas ionizam primariamente a matéria via dispersão de Coulomb; além disso, essas interações produzem elétrons energéticos que podem ainda ionizar a matéria. Partículas alfa são idênticas ao núcleo de um átomo de hélio e são produzidas pelo alfa declínio de diversos núcleos radioativos, tais como isótopos de bismuto, polônio, astatina, radônio, frâncio, radio, diversos actinídeos, tais como actínio, tório, urânio, netúnio, cúrio, califórnio, amerício e plutônio.

[00208] Quando partículas são utilizadas, elas podem ser neutras (não carregadas), positivamente carregadas ou negativamente carregadas. Quando carregadas, as partículas carregadas podem trazer uma única carga positiva ou negativa ou múltiplas cargas, por exemplo, uma, duas, três ou mesmo quatro ou mais cargas. Em casos nos quais cisão de cadeia é desejada, partículas positivamente carregadas podem ser desejáveis, em parte, em virtude de sua natureza ácida. Quando partículas são utilizadas, as partículas podem ter a massa de um elétron em repouso ou maior, por exemplo, 500, 1000, 1500 ou 2000 ou mesmo mais vezes a massa de um elétron em repouso. Por exemplo, as partículas podem ter uma massa de cerca de 1 unidade atômica a cerca de 150 unidades atômicas, por exemplo, de cerca de 1 unidade atômica a cerca de 50 unidades atômicas ou de cerca de 1 a cerca de 25, por exemplo, 1,2, 3, 4, 5, 10, 12 ou 15 amu. Aceleração usada para acelerar as partículas pode ser DC eletrostática, DC eletrodinâmica, RF linear, onda linear ou contínua de indução magnética. Por exemplo, aceleradores do tipo cyclotron estão

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52/265 disponíveis da IBA, Bélgica, tal como o sistema Rhodotron®, enquanto que aceleradores do tipo DC estão disponíveis da RDI, agora IBA Industrial, tal como o Dynamitron®. Íons e aceleradores de íons são discutidos em Introductory Nuclear Physics, Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, Inc. (1988), Krsto Prelec, FIZIKA B 6 (1997) 4, 177-206, uma cópia do qual está em anexo como Apêndice B, Chu, William T., OverView of Light-Ion Beam Therapy, Columbus-Ohio, ICRU-IAEA Meeting, 18-20 de Março 2006, uma cópia do qual está em anexo como Apêndice C, Iwata, Y. et al.., Alternating-Phase-Focusad IH-DTL for Heavy-Ion Medical Aceleradores, Proceedings of EPAC 2006, Edimburgo, Escócia, uma cópia do qual está em anexo como Apêndice D e Leitner, C.M. et al., Status of the Superconducting ECR Ion Fonte Venus, Proceedings of EPAC 2000, Viena, Áustria, o qual é anexo aqui como Apêndice E.

[00209] Elétrons interagem via dispersão de Coulomb e radiação e Bermsstrahlung produzida por alterações na velocidade dos elétrons. Elétrons podem ser produzidos por núcleos radioativos que sofrem beta declínio, tais como isótopos de iodo, césio, tecnécio e irídio. Alternativamente, uma pistola de elétrons pode ser usada como uma fonte de elétrons via emissão termiônica.

[00210] Radiação eletromagnética interage via três processos: absorção fotoelétrica, dispersão de Compton e produção de pares. A interação dominante é determinada pela energia da radiação incidente e o número atômico do material. A soma das interações que contribuem para a radiação absorvida em material celulósico pode ser expressa pelo coeficiente de absorção de massa.

[00211] Radiação eletromagnética é sub-classificada como raios gama, raios x, raios ultravioleta, raios infravermelho, micro-ondas ou ondas de rádio, dependendo de seu comprimento.

[00212] Por exemplo, radiação gama pode ser empregada para irradiar os materiais. Fazendo referencia às figura 9 e 10 (uma vista ampliada

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53/265 da região R), um irradiador gama 10 inclui fontes de radiação gama 408, por exemplo, péletes de ⁶⁰Co, uma mesa de trabalho 14 para conter os materiais a serem irradiados e armazenamento 16, por exemplo, feito de uma pluralidade de placas de ferro, todas as quais são alojadas em uma câmara de contenção de concreto (abóbada) 20 que inclui uma entrada em labirinto 22 por trás de uma porta revestida de chumbo 26. O armazenamento 16 inclui uma pluralidade de canais 30, por exemplo, dezesseis ou mais canais, que permitem que as fontes de radiação gama passem através do armazenamento sobre seu trajeto proximal à mesa de trabalho.

[00213] Em operação, a amostra a ser irradiada é colocada sobre uma mesa de trabalho. O irradiador é configurado para distribuir a taxa de dose desejada e um equipamento de monitoramento é conectado a um bloco experimental 31. O operador, então, deixa a câmara de contenção, passando através da entrada em labirinto e através da porta revestida de chumbo. O operador manipula um painel de controle 32, instruindo um computador 33 a levantar as fontes de radiação 12 para a posição de trabalho usando um cilindro 36 preso a uma bomba hidráulica 40.

[00214] Radiação gama tem a vantagem de uma profundidade de penetração significativa em uma variedade de materiais na amostra. Fontes de raios gama incluem núcleos radioativos, tais como isótopos de cobalto, cálcio, tecnécio, cromo, gálio, índio, iodo, ferro, criptônio, samário, selênio, sódio, talho e xenônio.

[00215] Fontes de raios x incluem colisão de feixe de elétrons com alvos metálicos, tais como tungstênio ou molibdênio ou ligas ou fontes de luz compactas, tais como aquelas produzidas comercialmente pela Lyncean. Fontes para radiação ultravioleta incluem lâmpadas de deutério ou cádmio. Fontes para radiação infravermelha incluem lâmpadas de safira, zinco ou cerâmica com elementos de selenídeo. Fontes para micro-ondas incluem fontes RF do tipo Slevin, Klystrons ou fontes de feixe de átomo

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54/265 que empregam gases hidrogênio, oxigênio ou nitrogênio.

[00216] Vários outros dispositivos de irradiação podem ser usados nos métodos descritos aqui, incluindo fontes de ionização em campo, separadores de íons eletrostáticos, geradores de ionização em campo, fontes de emissão termiônica, fontes de íons de descarga de micro-ondas, aceleradores de recirculação ou estáticos, aceleradores lineares dinâmicos, aceleradores de van de Graaff e aceleradores aleatórios duplos. Tais dispositivos são descritos, por exemplo, no Pedido Provisório U.S. N² de Série 61/073.665, a descrição completa do qual é incorporada aqui por referência.

Feixe de Elétrons [00217] Em algumas modalidades, um feixe de elétrons é usado como a fonte de radiação. Um feixe de elétrons tem a vantagem de altas taxas de dose (por exemplo, 1, 5 ou ainda 10 Mrad por segundo), alto rendimento, menos contenção e menos equipamento de confinamento. Elétrons também podem ser mais eficientes ao causar cisão de cadeia. Além disso, elétrons tendo energias de 4-10 MeV podem ter uma profundidade de penetração de 5 a 30 mm ou mais, tal como 40 mm.

[00218] Feixes de elétrons podem ser gerados, por exemplo, através de geradores eletrostáticos, geradores em cascata, geradores transformadores, aceleradores de baixa energia com um sistema de varredura, aceleradores de baixa energia com um catodo linear, aceleradores lineares e aceleradores pulsados. Elétrons como uma fonte de radiação ionizante podem ser úteis, por exemplo, para pilhas relativamente finas de materiais, por exemplo, de menos de 0,5 polegadas, por exemplo, menos de 0,4 polegadas, 0,3 polegadas, 0,2 polegadas ou menos de 0,1 polegada. Em algumas modalidades, a energia de cada elétron do feixe de elétrons é de cerca de 0,3 MeV a cerca de 2,0 MeV (milhões de volts de elétrons), por exemplo, de cerca de 0,5 MeV a cerca de 1,5 MeV ou de cerca de 0,7 MeV a cerca de 1,25 MeV.

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55/265 [00219] A figura 11A mostra uma fluxograma de processo 3000 que inclui várias etapas em uma sequência de pré-tratamento de matéria prima por irradiação a feixe de elétrons. Na primeira etapa 310, um suprimento de matéria prima seca é recebido de uma fonte de alimentação. Conforme discutido acima, a matéria prima seca da fonte de alimentação pode ser pré-processado antes de distribuição aos dispositivos de irradiação de feixe de elétrons. Por exemplo, se a matéria prima é derivada de fontes vegetais, determinadas partes do material vegetal podem ser removidas antes de coleta do material vegetal e/ou antes que o material vegetal seja distribuído pelo dispositivo de transporte de matéria prima. Altemativamente ou além disso, conforme expresso na etapa opcional 3020, a matéria prima de biomassa pode ser submetida a processamento mecânico (por exemplo, para reduzir o comprimento médio das fibras na matéria primana matéria prima) antes de distribuição aos dispositivos de irradiação de feixe de elétrons.

[00220] Na etapa 3030, a matéria prima seca é transferido para um dispositivo de transporte de matéria prima (por exemplo, uma correia transportadora) e é distribuído sobre a largura seccional transversal do dispositivo de transporte de matéria prima de modo aproximadamente uniforme em volume. Isso pode ser obtido, por exemplo, manualmente ou introduzindo um movimento de vibração localizado em algum ponto no dispositivo de transporte de matéria prima antes do processamento de irradiação de feixe de elétrons.

[00221] Na etapa 3030, a matéria prima seca é transferido para um dispositivo de transporte de matéria prima (por exemplo, uma correia transportadora) e é distribuído sobre a largura seccional transversal do dispositivo de transporte de matéria prima de modo aproximadamente uniforme em volume. Isso pode ser realizado, por exemplo, manualmente ou mediante indução de um movimento de vibração localizado em algum ponto no dispositivo de transporte de matéria prima antes do processaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 129/343

56/265 mento por irradiação de feixe de elétrons.

[00222] Em algumas modalidades, um sistema de mistura introduz um agente químico 3045 na matéria primana matéria prima em uma etapa de processo opcional 3040 que produz uma pasta. Combinação de água com a matéria prima processada na etapa de mistura 3040 cria uma pasta de matéria prima aquosa que pode ser transportada, por exemplo, por meio de uma tubulação ao invés de usar, por exemplo, uma correia transportadora.

[00223] A próxima etapa 3050 é um loop que abrange exposição da matéria prima (na forma seca ou em pasta) à radiação de feixe de elétrons via um ou mais (digamos, N) dispositivos de irradiação de feixe de elétrons. A pasta de matéria prima é movida através de cada um dos N chuveiros de feixes de elétrons na etapa 3052. O movimento pode ser em uma velocidade contínua através de e entre os chuveiros ou pode haver uma pausa através de cada chuveiro, seguido por um movimento súbito para o próximo chuveiro. Uma pequena parte da pasta de matéria prima é exposta a cada chuveiro durante algum tempo de exposição predeterminado na etapa 3053.

[00224] Dispositivos de irradiação de feixe de elétrons podem ser fornecidos comercialmente pela Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Bélgica ou a Titan Corporation, San Diego, CA. Energias de elétrons típicas podem ser de 1 MeV, 2 MeV, 4,5 MeV, 7,5 MeV ou 10 MeV. A energia típica do dispositivo de irradiação de feixe de elétrons pode ser 1 kW, 5 kW, 10 kW, 20 kW, 50 kW, 100 kW, 250 kW ou 500 kW. A eficácia de despolimerização da pasta de matéria prima depende da energia de elétrons usada e da dose aplicada, enquanto que o tempo de exposição depende da energia e dose. Doses típicas podem ter valores de 1 kGy, 5 kGy, 10 kGy, 20 kGy, 50 kGy, 100 kGy ou 200 kGy.

[00225] Impasses a considerar sobre as especificações de energia do dispositivo de irradiação de feixe de elétrons incluem custo de operação,

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57/265 custos financeiros, depreciação e perfil do dispositivo. Impasses a considerar sobre os níveis de dose de exposição à irradiação de feixe de elétrons seriam os custos de energia e preocupações com o ambiente, segurança e saúde (ESH). Impasses a considerar sobre as energias de elétrons incluem custos de energia; aqui, uma menor energia de elétrons pode ser vantajosa ao encorajar a despolimerização de determinadas pastas de matéria prima (vide, por exemplo, Bouchard et al., Cellulose (2006) 13: 601-610). Tipicamente, geradores são alojados em uma abóbada, por exemplo, de chumbo ou concreto revestido de chumbo. [00226] Pode ser vantajoso proporcionar um passe duplo de irradiação de feixe de elétrons de forma a conferir um processo de despolimerização mais eficaz. Por exemplo, o dispositivo de transporte de matéria prima poderia dirigir a matéria prima (na forma seca ou em pasta) para baixo e em uma direção inversa à sua direção de transporte inicial. Sistemas de passe duplo podem permitir que pastas de matéria prima mais espessas sejam processadas e podem conferir uma despolimerização mais uniforme através da espessura da pasta de matéria prima.

[00227] O dispositivo de irradiação de feixe de elétrons pode produzir um feixe fixo ou um feixe de varredura. Um feixe de varredura pode ser vantajoso com um grande comprimento de varredura e altas velocidades de varredura, uma vez que isso substitui eficazmente uma grande largura de feixe fixo. Ainda, larguras de varredura disponíveis de 0,5 m, 1 m, 2 m ou mais estão disponíveis.

[00228] Uma vez que uma porção da pasta de matéria prima tenha sido transportada através dos N dispositivos de irradiação de feixe de elétrons, pode ser necessário, em algumas modalidades, conforme na etapa 3060, separar mecanicamente os componentes líquidos e sólidos da pasta de matéria prima. Nessas modalidades, uma porção líquida da pasta de matéria prima é filtrada para remoção de partículas sólidas residuais e reciclada para a etapa de preparo de pasta 3040. Uma porção sólida da

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58/265 pasta de matéria prima é, então, avançada para a próxima etapa de processamento 3070 via o dispositivo de transporte de matéria prima. Em outras modalidades, a matéria prima é mantida na forma de pasta para processamento adicional.

Radiação eletromagnética [00229] Em modalidades nas quais a irradiação é realizada com radiação eletromagnética, a radiação eletromagnética pode ter, por exemplo, energia por fótons (em volts de elétrons) de mais do que 10² eV, por exemplo, mais do que 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ ou ainda mais do que 10⁷ eV. Em algumas modalidades, a radiação eletromagnética tem uma energia por fótons de entre 10⁴ e 10⁷, por exemplo, entre 10⁵ e 10⁶ eV. A radiação eletromagnética pode ter a frequência, por exemplo, maior do que 10¹⁶ hz, maior do que 10¹⁷ hz, 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰ ou ainda maior do que 10²¹ Hz. Em algumas modalidades, a radiação eletromagnética tem uma frequência de entre 10¹⁸ e 10²² Hz, por exemplo, entre 10¹⁹ a 10²¹ hz.

Doses [00230] Em algumas modalidades, a irradiação (com qualquer fonte de radiação ou uma combinação de fontes) é realizada até que o material receba uma dose de pelo menos 0,25 Mrad, por exemplo, pelo menos 1,0 Mrad, pelo menos 2,5 Mrad, pelo menos 5,0 Mrad ou pelo menos 10,0 Mrad. Em algumas modalidades, a irradiação é realizada até que o material receba uma dose de entre 1,0 Mrad e 6,0 Mrad, por exemplo, entre

1,5 Mrad e 4,0 Mrad.

[00231] Em algumas modalidades, a irradiação é realizada em uma taxa de dose de entre 5,0 e 1500,0 quilorads/hora, por exemplo, entre 10,0 e 750,0 quilorads/hora ou entre 50,0 e 350,0 quilorads/horas. [00232] Em algumas modalidades, duas ou mais fontes de radiação são usadas, tais como duas ou mais radiações ionizantes. Por exemplo, amostras podem ser tratadas, em qualquer ordem, com um feixe de elétrons, seguido por radiação gama e luz UV tendo comprimentos de onda

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59/265 de cerca de 100 nm a cerca de 280 nm. Em algumas modalidades, as amostras são tratadas com três fontes de radiação ionizante, tais como um feixe de elétrons, radiação gama e luz UV energética.

[00233] Alternativamente, em outro exemplo, um material fibroso que inclui um material celulósico e/ou lignocelulósico é irradiado e, opcionalmente, tratado com energia acústica, por exemplo, ultrassom.

[00234] Em um exemplo do uso de radiação como um pré-tratamento, embalagens de suco de meio galão feitas de papelão Kraft branco polirevestido não impresso tendo uma densidade volumétrica de 20 libras/pé³ são usadas como uma matéria prima. As embalagens são dobradas e, então, alimentadas em uma sequência de três bandejas de picadorcisalhador dispostas em série com a saída do primeiro cisalhador alimentada como entrada ao segundo picador a saída do segundo cisalhador alimentada como entrada ao terceiro picador. O material fibroso produzido pelo picador-cisalhador pode ser pulverizado com água e processado através de um moinho de pélete operando em temperatura ambiente. Os péletes densificados podem ser colocados em uma ampola de vidro a qual é evacuada sob alto vácuo e, então, re-enchida com gás argônio. A ampola é vedada sob argônio. Alternaticamente, em outro exemplo, a ampola é vedada sob uma atmosfera de ar. Os péletes na ampola são irradiados com radiação gama durante cerca de 3 horas em uma taxa de dose de cerca de 1 Mrad por hora a fim de proporcionar um material irradiado no qual a celulose tem um peso molecular menor do que o material de iniciação.

Aditivos para Intensificar a Ruptura de Peso Molecular Durante Irradiação [00235] Em algumas modalidades, antes de irradiação, vários materiais, por exemplo, sólidos ou líquidos, podem ser adicionados à biomassa para intensificar a redução de peso molecular. Naqueles casos nos quais um líquido é utilizado, o líquido pode estar em contato com as superfícies externas da biomassa e/ou o líquido pode estar nas porções interiores da

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60/265 biomassa, por exemplo, infundidos na biomassa.

[00236] Por exemplo, o material pode ser uma base fraca neutra, tal como alanina, amônia, uma mistura de amônia/água, por exemplo, amônia a 25 por cento em peso em água, água, metil amina, dimetil amina, trimetil amina, piridina ou uma base aniônica, tal como um sal de ácido acético (por exemplo, acetato de sódio), carbonato de sódio, bicarbonato de sódio ou um sal de um íon de sulfeto de hidrogênio (por exemplo, hidro-sulfeto de sódio).

[00237] Alternativamente, o material pode ser um ácido fraco neutro, tal como ácido fórmico, ácido acético, ácido tricloroacético, água, sulfeto de hidrogênio ou um ácido catiônico, tal como um sal de amônio. Dissipação e Funcionalização Controlada de Biomassa [00238] Após tratamento com uma ou mais fontes de radiação ionizante, tal como radiação fotônica (por exemplo, raios X ou raios gama), radiação de feixe de elétrons ou partículas mais pesadas elétrons que são positiva ou negativamente carregados (por exemplo, prótons ou íons de carbono), qualquer um dos materiais contendo carboidrato ou misturas descritas aqui se tornam ionizadas; isto é, elas incluem radicais em níveis que são detectáveis com um espectrômetro de ressonância com orbital de elétrons. O limite atual prático de detecção dos radicais é cerca de 10¹⁴ orbitais em temperatura ambiente. Após ionização, qualquer material de biomassa que tenha sido ionizado pode ser dissipado para reduzir o nível de radicais na biomassa ionizada, por exemplo, de modo que os radicais não sejam mais detectáveis com o espectrômetro de ressonância com orbital de elétrons. Por exemplo, os radicais podem ser dissipados mediante aplicação de uma pressão suficiente à biomassa e/ou utilizando um fluido em contato com a biomassa ionizada, tal como um gás ou líquido, que reage com (dissipa) os radicais. O uso de um gás ou líquido para pelo menos auxiliar na dissipação dos radicais também permite que o operador controle a funcionalização da biomassa ionizada com uma

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61/265 quantidade e tipos desejados de grupos funcionais, tais como grupos ácido carboxílico, grupos enol, grupos aldeído, grupos nitro, grupos nitrilo, grupos amino, grupos alquilamino, grupos alquila, grupos cloroalquila ou grupos clorofluoroalquila. Em alguns casos, tal dissipação pode aprimorar a estabilidade de alguns dos materiais de biomassa ionizados. Por exemplo, dissipação pode aprimorar a resistência da biomassa à oxidação. Funcionalização por meio de dissipação também pode aprimorar a solubilidade de qualquer biomassa descrita aqui, pode aprimorar sua estabilidade térmica, a qual pode ser importante na fabricação de compostos e papelões descritos aqui e pode aprimorar a utilização de material por diversos micro-organismos. Por exemplo, os grupos funcionais conferidos ao material de biomassa pela dissipação podem atuar como sítios receptores para fixação pelos micro-organismos, por exemplo, intensificar a hidrólise de celulose por diversos micro-organismos.

[00239] A figura 11B ilustra alteração da estrutura molecular e/ou supramolecular de uma matéria prima de biomassa por meio de prétratamento da matéria prima de biomassa com radiação ionizante, tal como com elétrons ou íons de energia suficiente para ionizar a matéria prima de biomassa, a fim de proporcionar um primeiro nível de radicais. Conforme mostrado na figura 11B, se a biomassa ionizada permanece na atmosfera, ela será oxidada, tal como até um ponto em que os grupos ácido carboxílico são gerados pela reação com o oxigênio atmosférico. Em alguns casos, com alguns materiais, tal oxidação é desejada porque ela pode auxiliar na decomposição extra do peso molecular da biomassa contendo carboidrato e grupos de oxidação, por exemplo, grupos ácido carboxílico, podem ser úteis para solubilidade e utilização de microorganismo em alguns casos. Contudo, uma vez que os radicais podem viver durante algum tempo após irradiação, por exemplo, mais de 1 dia, 5 dias, 30 dias, 3 meses, 6 meses ou mesmo mais de 1 ano, as propriedades do material podem continuar a mudar com o tempo o que, em alPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 135/343

62/265 guns casos, pode ser indesejável. A detecção de radicais em amostras irradiadas através de espectroscopia de ressonância com orbital de elétrons e as expectativas de vida de radical em tais amostras são discutidas em Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 e em Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, N^os 1-4, páginas 293-296 (1999), os quais são incorporados ao mesmo como Apêndice F e Apêndice G, respectivamente. Conforme mostrado na figura 11B, a biomassa ionizada pode ser dissipada para funcionalizar e/ou estabilizar a biomassa ionizada. Em qualquer ponto, por exemplo, quando o material está vivo, parcialmente vivo ou totalmente dissipado, a biomassa tratada pode ser convertida em um produto, por exemplo, um combustível, um alimento ou um composto.

[00240] Em algumas modalidades, a dissipação inclui uma aplicação de pressão à biomassa, tal como por meio de deformação mecânica da biomassa, por exemplo, compressão mecânica direta d biomassa em uma, duas ou três dimensões ou aplicação de pressão a um fluido no qual a biomassa está imersa, por exemplo, compressão isostática. Em tais casos, a deformação do material em si mantém os radicais, os quais estão frequentemente encerrados em domínios cristalinos, em proximidade suficiente para que os radicais possam se recombinar ou reagir com outro grupo. Em alguns casos, a pressão é aplicada junto com a aplicação de calor, tal como uma quantidade suficiente de calor para elevar a temperatura da biomassa para acima de um ponto de fusão ou ponto de amolecimento de um componente da biomassa, tal como lignina, celulose ou hemicelulose. Calor pode aprimorar a mobilidade molecular no material polimérico, o qual pode auxiliar na dissipação dos radicais. Quando pressão é utilizada para dissipar, a pressão pode ser maior do que cerca de 1000 psi, tal como maior do que cerca de 1250 psi, 1450 psi, 3625 psi, 5075 psi, 7250 psi, 10000 psi ou mesmo maior do que 15000 psi. [00241] Em algumas modalidades, dissipação inclui contato da bioPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 136/343

63/265 massa com um fluido, tal como um líquido ou gás, por exemplo, um gás capaz de reação com os radicais, tal como acetileno ou uma mistura de acetileno em nitrogênio, etileno, etilenos clorados ou clorofluoroetilenos, propileno ou misturas desses gases. Em outras modalidades particulares, dissipação inclui contato da biomassa com um líquido, por exemplo, um líquido solúvel ou pelo menos capaz de penetrar na biomassa e reação com os radicais, tal como um dieno, tal como 1,5-ciclooctadieno. Em algumas modalidades específicas, a dissipação inclui contato da biomassa com um antioxidante, tal como Vitamina E. Se desejado, a matéria prima de biomassa pode incluir um antioxidante disperso no mesmo e a dissipação pode se originar de contato do antioxidante disperso na matéria primana matéria prima de biomassa com os radicais.

[00242] Outros métodos para dissipação são possíveis. Por exemplo, qualquer método para dissipação de radicais em materiais poliméricos descritos em Muratoglu et al., Publicação de Pedido de Patente U.S. N^o 2008/0067724 e Muratoglu et al., Patente U.S. N^o 7.166.650, os quais estão em anexo como Apêndice H e Apêndice I, respectivamente, pode ser utilizado para a dissipação de qualquer material de biomassa ionizado descrito aqui. Além disso, qualquer agente de dissipação (descrito como um agente de sensibilização nas descrições de Muratoglu mencionadas acima) e/ou qualquer antioxidante descrito em qualquer referência de Muratoglu pode ser utilizado para dissipar qualquer material de biomassa ionizado.

[00243] Funcionalização pode ser intensificada utilizando íons pesados carregados, tais como qualquer um dos íons mais pesados descritos aqui. Por exemplo, se é desejado intensificar a oxidação, íons de oxigênio carregados podem ser utilizados para a irradiação. Se grupos funcionais nitrogênio são desejados, íons de nitrogênio ou íons que incluem nitrogênio podem ser utilizados. Da mesma forma, se grupos enxofre ou fósforo são desejados, íons de enxofre ou fósforo podem ser usados na irradiaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 137/343

64/265 ção.

[00244] Em algumas modalidades, após dissipação, qualquer um dos materiais dissipados descritos aqui pode ser adicionalmente tratado com um ou mais de radiação, tal como radiação ionizante ou não ionizante, sonicação, pirólise e oxidação para alteração adicional da estrutura molecular e/ou supramolecular.

[00245] Em modalidades particulares, materiais funcionalizados descritos aqui são tratados com um ácido, base, nucleófilo ou ácido de Lewis para alteração de estrutura molecular e/ou supramolecular adicional, tal como ruptura de peso molecular adicional. Exemplos de ácidos incluem ácidos orgânicos, tal como ácido acético e ácidos minerais, tais como ácidos clorídrico, sulfúrico e/ou nítrico. Exemplos de bases incluem bases minerais fortes, tal como uma fonte de íons de hidróxido, íons básicos, tal como íon de fluoreto ou bases orgânicas mais fracas, tais como aminas. Mesmo água e bicarbonato de sódio, por exemplo, quando dissolvido em água, podem realizar alteração de estrutura molecular e/ou supramolecular, tal como ruptura de peso molecular adicional.

Exposição a Feixe de Partículas em Fluidos [00246] Em alguns casos, os materiais celulósicos ou lignocelulósicos podem ser expostos a um feixe de partícula na presença de um ou mais fluidos adicionais (por exemplo, gases e/ou líquidos). Exposição de um material a um feixe de partícula na presença de um ou mais fluidos adicionais pode aumentar a eficiência do tratamento.

[00247] Em algumas modalidades, o material é exposto a um feixe de partícula na presença de um fluido tal como ar. Partículas aceleradas em qualquer um ou mais dos tipos de aceleradores descritos aqui (ou outro tipo de acelerador) são acopladas fora do acelerador via um orifício de saída (por exemplo, uma membrana fina, tal como uma folha metálica), passam através de um volume de espaço ocupado pelo fluido e, então, incidem sobre o material. Além de tratamento direto do material, algumas

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65/265 das partículas geram espécies químicas adicionais mediante interação com partículas de fluido (por exemplo, íons e/ou radicais gerados a partir de diversos constituintes do ar, tais como ozônio e óxidos de nitrogênio). Essas espécies químicas geradas também podem interagir com o material e podem atuar como iniciadores para uma variedade de diferentes reações de ruptura de ligação química no material. Por exemplo, qualquer oxidante produzido pode oxidar o material, o que pode resultar em redução de peso molecular.

[00248] Em determinadas modalidades, fluidos adicionais podem ser seletivamente introduzidos no trajeto de um feixe de partícula antes que o feixe venha a incidir sobre o material. Conforme discutido acima, reações entre as partículas do feixe e as partículas dos fluidos introduzidos podem gerar espécies químicas adicionais, as quais reagem com o material e podem auxiliar em funcionalização do material e/ou, de outro modo, alterar seletivamente determinadas propriedades do material. O um ou mais fluidos adicionais podem ser dirigidos ao trajeto do feixe a partir de um tubo de fornecimento, por exemplo. A direção e taxa de fluxo do(s) fluido(s) que é/são introduzido(s) podem ser selecionadas de acordo com a taxa de exposição e/ou direção desejadas para controlar a eficiência do tratamento global, incluindo efeitos que resultam de tratamento baseado em partícula e efeitos que são em virtude da interação de espécies dinamicamente geradas a partir do fluido introduzido com o material. Além de ar, fluidos exemplificativos que podem ser introduzidos no feixe de íons incluem oxigênio, nitrogênio, um ou mais gases nobres, um ou mais halogênios e hidrogênio.

Irradiação de Materiais de Biomassa de Baixa Densidade Volumétrica e

Resfriamento da Biomassa Irradiada [00249] Durante tratamento de materiais de biomassa com radiação ionizante, especialmente em altas taxas de dose, tal como em taxas maiores do que 0,15 Mrad por segundo, por exemplo, 0,25 Mrad/s, 0,35

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Mrad/s, 0,5 Mrad/s, 0,75 Mrad/s ou mesmo maior do que 1 Mrad/seg, materiais de biomassa podem reter quantidades significativas de calor, de modo que a temperatura dos materiais de biomassa se torna elevada. Embora maiores temperaturas possam, em algumas modalidades, ser vantajosas, por exemplo, quando uma taxa de reação mais rápida é desejada, é vantajoso controlar o aquecimento da biomassa para reter controle sobre as reações químicas iniciadas pela radiação ionizante, tal como reticulação, cisão de cadeia e/ou enxertagem, por exemplo, para manter controle de processo. Materiais de baixa densidade volumétrica, tal como aqueles tendo uma densidade volumétrica de menos de cerca de 0,4 g/cm³, por exemplo, menos de cerca de 0,35, 0,25 ou menos cerca de 0,15 g/cm³, especialmente quando combinado com materiais que têm seções transversais finas, tal como fibras tendo pequenas dimensões transversais, são em geral mais fáceis de esfriar. Além disso, fótons e partículas podem, em geral, penetrar em e através de materiais tendo uma densidade volumétrica relativamente baixa, o que pode permitir o processamento de maiores volumes de materiais em maiores taxas e pode permitir o uso de fótons e partículas tendo menores energias, por exemplo, 0,25 Mev, 0,5 MeV, 0,75 MeV ou 1,0 MeV, o que pode reduzir os requisitos de proteção de segurança.

[00250] Por exemplo, em um método de alteração da estrutura molecular e/ou supramolecular de uma matéria prima de biomassa, a biomassa é pré-tratada em uma primeira temperatura com radiação ionizante, tal como fótons, elétrons ou íons (por exemplo, cátions ou ânions com carga única ou múltipla), durante um tempo suficiente e/ou uma dose suficiente para elevar a matéria prima de biomassa para uma segunda temperatura maior do que a primeira temperatura. A biomassa pré-tratada é, então, esfriada para uma terceira temperatura abaixo da segunda temperatura. Finalmente, se desejado, a biomassa fria pode ser tratada uma ou mais vezes com radiação, por exemplo, com radiação ionizante. Se desejado,

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67/265 resfriamento pode ser aplicado à biomassa após e/ou durante cada tratamento de radiação.

[00251] A matéria prima de biomassa pode ser fisicamente preparado conforme discutido acima, por exemplo, mediante redução de uma ou mais dimensões de partes individuais da matéria prima de biomassa, de modo que a matéria prima pode ser mais eficientemente processado, por exemplo, mais facilmente esfriado e/ou mais facilmente penetrado por uma radiação ionizante.

[00252] Em algumas implementações, a radiação ionizante é aplicada em uma dose total de menos de 25 Mrad ou menos de10 Mrad, tal como menos de 5 Mrad ou menos de 2,5 Mrad e em uma taxa de mais de 0,25 Mrad por segundo, tal como mais de 0,5, 0,75 ou mais de 1,0 Mrad/s, antes de resfriamento da biomassa.

[00253] O pré-tratamento da matéria prima de biomassa com radiação ionizante pode ser realizado à medida que a matéria prima de biomassa está sendo pneumaticamente transportada em um fluido, tal como em um gás, por exemplo, nitrogênio ou ar. Para auxiliar na decomposição de peso molecular e/ou funcionalização dos materiais, o gás pode ser saturado com qualquer agente de intumescimento descrito aqui e/ou vapor de água. Por exemplo, vapor de água ácido pode ser utilizado. Para auxiliar na decomposição de peso molecular, a água pode ser acidificada com um ácido orgânico, tal como ácido fórmico ou acético ou um ácido mineral, tal como ácido sulfúrico ou clorídrico.

[00254] O pré-tratamento da matéria prima de biomassa com a radiação ionizante pode ser realizado à medida que a matéria prima de biomassa cai sob a influência de gravidade. Esse procedimento pode reduzir eficazmente a densidade volumétrica da matéria prima de biomassa à medida que ele está sendo processado e pode auxiliar no resfriamento da matéria prima de biomassa. Por exemplo, a biomassa pode ser transportada de uma primeira correia em uma primeira altura acima do solo e, enPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 141/343

68/265 tão, pode ser capturada por uma segunda correia em um segundo nível acima do solo menor do que o primeiro nível. Por exemplo, em algumas modalidades, a borda traseira da primeira correia e a borda dianteira da segunda correia definem um vão. Vantajosamente, a radiação ionizante, tal como um feixe de elétrons, prótons ou outros íons, pode ser aplicado ao vão para prevenir dano ao sistema de transporte de biomassa. [00255] Resfriamento da biomassa pode incluir contato da biomassa com um fluido, tal como um gás, em uma temperatura abaixo da primeira ou segunda temperatura, tal como nitrogênio gasoso em ou cerca de 77 K. Mesmo água, tal como água em uma temperatura abaixo da temperatura ambiente nominal (por exemplo, 25 graus Celsius) pode ser utilizada. [00256] Muitas vezes, vantajosamente, a matéria prima de biomassa tem fibras internas e, antes de irradiação com a radiação ionizante, a matéria prima de biomassa foi cisalhada até um ponto em que suas fibras internas são substancialmente expostas. Esse cisalhamento pode proporcionar um material de baixa densidade volumétrica tendo pequenas dimensões seccionais transversais, o que pode auxiliar na ruptura e/ou funcionalização da biomassa. Por exemplo, em algumas modalidades, a biomassa é ou inclui fibras distintas e/ou partículas tendo uma dimensão máxima de não mais do que cerca de 0,5 mm, tal como não mais do que cerca de 0,25 mm, não mais do que cerca de 0,1 mm ou não mais do que cerca de 0,05 mm.

[00257] Em algumas modalidades, a matéria prima de biomassa ao qual a radiação ionizante é aplicada tem uma densidade volumétrica de menos de cerca de 0,35 g/cm³, tal como menos de cerca de 0,3, 0,25, 0,20 ou menos de cerca de 0,15 g/cm³ durante a aplicação da radiação ionizante. Em tais modalidades, a matéria prima de biomassa pode ser esfriada e, então, radiação ionizante pode ser aplicada à biomassa fria. Em algumas modalidades vantajosas, a matéria prima de biomassa é ou inclui fibras e/ou partículas distintas tendo uma dimensão máxima de não

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69/265 mais do que cerca de 0,5 mm, tal como não mais do que cerca de 0,25 mm, não mais do que cerca de 0,1 mm, não mais do que cerca de 0,05 mm ou não mais do que cerca de 0,025 mm.

[00258] Uma ou mais sequências de processamento por sonicação podem ser usadas para processar a matéria prima bruta de uma ampla variedade de diferentes fontes para extrair substâncias úteis da matéria prima e a fim de proporcionar um material orgânico parcialmente degradado, o qual funciona como entrada para outras etapas e/ou sequências de processamento. Sonicação pode reduzir o peso molecular e/ou cristalinidade da matéria prima.

[00259] Fazendo referência mais uma vez à figura 8, em um método, um primeiro material 2 que inclui celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio (^TMN1) é disperso em um meio, tal como água e submetido a sonicação e/ou de outro modo cavitado, a fim de proporcionar um segundo material 3 que inclui celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio (^TMN2) menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. O segundo material (ou os primeiro e segundo materiais em determinadas modalidades) pode ser combinado com um microorganismo (por exemplo, uma bactéria ou um levedo) que pode utilizar o segundo e/ou primeiro material para produzir um combustível 5 que é ou inclui hidrogênio, um álcool, um ácido orgânico, um hidrocarboneto ou misturas de qualquer um desses.

[00260] Uma vez que o segundo material tem celulose tendo um peso molecular reduzido com relação ao primeiro material e ,em alguns casos, uma cristalinidade reduzida também, o segundo material é, em geral, mais dispersível, intumescível e/ou solúvel em uma solução contendo o micro-organismo, por exemplo, em uma concentração de mais de 10⁶ micro-organismos/mL. Essas propriedades tornam o segundo material 3 mais suscetível a ataque químico, enzimático e/ou microbiano com relação ao primeiro material 2, o que pode aprimorar grandemente a taxa de

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70/265 produção e/ou nível de produção de um produto desejado, por exemplo, etanol. Sonicação também podem esterilizar os materiais, mas não deverá ser usado enquanto se supõe que os micro-organismos estão vivos. [00261] Em algumas modalidades, o segundo peso molecular numérico médio (^tMN2) é menor do que o primeiro peso molecular numérico médio (^tMN1) em mais de cerca de 10 por cento, por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por cento, 60 por cento ou mesmo mais de cerca de 75 por cento.

[00262] Em alguns casos, o segundo material tem celulose que tem uma cristalinidade (^TC2) que é menor do que a cristalinidade (^TC1) da celulose do primeiro material. Por exemplo, (^TC2) pode ser menor do que (^TC1) em mais de cerca de 10 por cento, por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40 ou mesmo mais de cerca de 50 por cento.

[00263] Em algumas modalidades, o índice de cristalinidade inicial (antes de sonicação) é de cerca de 40 a cerca de 87,5 por cento, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 75 por cento ou de cerca de 60 a cerca de 70 por cento e um índice de cristalinidade após sonicação é de cerca de 10 a cerca de 50 por cento, por exemplo, de cerca de 15 a cerca de 45 por cento ou de cerca de 20 a cerca de 40 por cento. Contudo, em determinadas modalidades, por exemplo, após sonicação extensivo, é possível ter um índice de cristalinidade de menos de 5 por cento. Em algumas modalidades, o material, após sonicação, é substancialmente amorfo.

[00264] Em algumas modalidades, o peso molecular numérico médio inicial (antes de sonicação) é de cerca de 200.000 a cerca de 3.200.000, por exemplo, de cerca de 250.000 a cerca de 1.000.000 ou de cerca de 250.000 a cerca de 700.000 e o peso molecular numérico médio após sonicação é de cerca de 50.000 a cerca de 200.000, por exemplo, de cerca de 60.000 a cerca de 150.000 ou de cerca de 70.000 a cerca de 125.000, Contudo, em algumas modalidades, por exemplo, após sonicaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 144/343

71/265 ção extensivo, é possível ter um peso molecular numérico médio de menos de cerca de 10.000 ou mesmo menos de cerca de 5.000.

[00265] Em algumas modalidades, o segundo material pode ter um nível de oxidação (^TO2) que é maior do que o nível de oxidação (^TO1) do primeiro material. A maior nível de oxidação do material pode auxiliar em sua dispersibilidade, capacidade de intumescimento e/ou solubilidade, intensificando adicionalmente a suscetibilidade dos materiais a ataque químico, enzimático ou microbiano. Em algumas modalidades, para aumentar o nível da oxidação do segundo material com relação ao primeiro material, o sonicação é realizado em um meio de oxidação, produzindo um segundo material que é mais oxidado do que o primeiro material. Por exemplo, o segundo material pode ter mais grupos hidroxila, grupos aldeído, grupos cetona, grupos éster ou grupos ácido carboxílico, o que pode aumentar sua hidrofilicidade.

[00266] Em algumas modalidades, o meio de sonicação é um meio aquoso. Se desejado, o meio pode incluir um oxidante, tal como um peróxido (por exemplo, peróxido de hidrogênio), um agente dispersante e/ou um tampão. Exemplos de agentes dispersantes incluem agentes dispersantes iônicos, por exemplo, lauril sulfato de sódio e agentes dispersantes não-iônicos, por exemplo, (poli)etileno glicol.

[00267] Em outras modalidades, o meio de sonicação é não aquoso. Por exemplo, o sonicação pode ser realizado em um hidrocarboneto, por exemplo, tolueno ou heptano, um éter, por exemplo, dietil éter ou tetrahidrofurano ou mesmo em um gás liquefeito, tal como argônio, xenônio ou nitrogênio.

[00268] Sem desejar estar preso à qualquer teoria em particular, acredita-se que o sonicação rompe ligações na celulose mediante criação de bolhas no meio contendo a celulose, as quais crescem e, então, entram em colapso violentamente. Durante o colapso da bolha, o qual pode ocorrer em menos de um nano-segundo, a força implosiva eleva a temperatuPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 145/343

72/265 ra local dentro da bolha para cerca de 5100 K (ainda maior em alguns casos; vide, por exemplo, Suslick et al., Nature 434, 52-55) e geram pressões de umas poucas centenas de atmosferas a mais de 1000 atmosferas ou mais. São essas altas temperaturas e pressões que rompem as ligações. Além disso, sem desejar estar preso à qualquer teoria em particular, acredita-se que a cristalinidade reduzida surge, pelo menos em parte, das taxas de resfriamento extremamente altas durante colapso das bolhas, a qual pode ser maior do que cerca de 10¹¹ K/segundo. As altas taxas de resfriamento não permitem, em geral, que a celulose se organize e cristalize, resultando em materiais que têm cristalinidade reduzida. Sistemas ultra-sônicos e sonoquímica são discutidos, por exemplo, em Olli et al., Patente U.S. N^o 5.766.764; Roberts, Patente U.S. N^o 5.828.156; Mason, Chemistry with Ultrasound, Elsevier, Oxford, (1990); Suslick (editor), Ultrasound: its Chemical, Physical and Biological Effects, VCH, Weinheim, (1988); Price, Current Trends in Sonochemistry Royal Society of Chemistry, Cambridge, (1992); Suslick et al., Ann. Rev. Mater. Sci. 29, 295, (1999); Suslick et al., Nature 353, 414 (1991); Hiller et al.., Phys. Rev. Lett. 69, 1182 (1992); Barber et al., Nature, 352, 414 (1991); Suslick et al., J. Am. Chem. Soc., 108, 5641 (1986); Tang et al., Chem. Comm., 2119 (2000); Wang et al., Avanced Mater., 12, 1137 (2000); Landau et al., J. of Catalysis, 201,22 (2001); Perkas et al., Chem. Comm., 988 (2001); Nikitenko et al., Angew. Chem. Inter. Ed. (Dezembro de 2001); Shafi et al., J. Phys. Chem B 103, 3358 (1999); Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 121,4196 (1999); e Avivi et al., J. Amer. Chem. Soc. 122, 4331 (2000). Sistemas de sonicação [00269] A figura 12 mostra um sistema geral no qual uma corrente de material celulósico 1210 é misturada com uma corrente de água 1212 em um reservatório 1214 para formar uma corrente de processo 1216. Uma primeira bomba 1218 extrai corrente de processo 1216 do reservatório 1214 e em direção a uma célula de fluxo 1224. O transdutor ultra-sônico

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1226 transmite energia ultra-sônica para a corrente de processo 1216 à medida que a corrente de processo flui através da célula de fluxo 1224. Uma segunda bomba 1230 extrai a corrente de processo 1216 da célula de fluxo 1224 e em direção a subsequente processamento.

[00270] O reservatório 1214 inclui uma primeira entrada 1232 e uma segunda entrada 1234 em comunicação de fluido com um volume 1236. Um transportador (não mostrado) distribui a corrente de material celulósico 1210 ao reservatório 1214 através da primeira entrada 1232. A corrente de água 1212 entra no reservatório 1214 através da segunda entrada 1234. Em algumas modalidades, a corrente de água 1212 entra no volume 1236 ao longo de uma tangente que estabelece um fluxo turbulento dentro do volume 1236. Em determinadas modalidades, a corrente de material celulósico 1210 e a corrente de água 1212 podem ser introduzidas no volume 1236 ao longo de eixos opostos, intensificando a mistura dentro do volume.

[00271] A válvula 1238 controla o fluxo de corrente de água 1212 através da segunda entrada 1232 para produzir uma proporção desejada de material celulósico para água (por exemplo, material celulósico a aproximadamente 10%, peso em volume). Por exemplo, 2000 toneladas/dia de material celulósico podem ser combinadas com 1 milhão a 1,5 milhões de galões/dia, por exemplo, 1,25 milhões de galões/dia, de água.

[00272] Mistura de material celulósico e água no reservatório 1214 é controlada pelo tamanho do volume 1236 e as taxas de fluxo de material celulósico e água no volume. Em algumas modalidades, o volume 1236 é dimensionado para criar um tempo de residência de mistura mínimo para material celulósico e água. Por exemplo, quando 2000 toneladas/dia de material celulósico e 1,25 milhões de galões/dia de água têm de fluir através do reservatório 1214, o volume 1236 pode ter cerca de 32.000 galões para produzir um tempo de residência de mistura mínimo de cerca de 15 minutos.

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74/265 [00273] O reservatório 1214 inclui um misturador 1240 em comunicação de fluido com volume 1236. O misturador 1240 agita os conteúdos do volume 1236 para dispersar o material celulósico por toda a água no volume. Por exemplo, o misturador 1240 pode ser uma aleta giratória disposta no reservatório 1214. Em algumas modalidades, o misturador 1240 dispersa o material celulósico de modo substancialmente uniforme por toda a água.

[00274] O reservatório 1214 ainda inclui uma saída 1242 em comunicação de fluido com o volume 1236 e a corrente de processo 1216. A mistura de material celulósico e água no volume 1236 flui para fora do reservatório 1214 via a saída 1242. A saída 1242 está disposta próximo da parte inferior do reservatório 1214 para permitir que a gravidade empurre a mistura de material celulósico e água para fora do reservatório 1214 e para a corrente de processo 1216.

[00275] A primeira bomba 1218 (por exemplo, qualquer uma das várias bombas de turbilhonamento com propulsor em recesso feita pela Essco Pumps & Controles, Los Angeles, Califórnia) move os conteúdos da corrente de processo 1216 em direção à célula de fluxo 1224. Em algumas modalidades, a primeira bomba 1218 agita os conteúdos da corrente de processo 1216, de modo que a mistura de material celulósico e água é substancialmente uniforme na entrada 1220 da célula de fluxo 1224. Por exemplo, a primeira bomba 1218 agita a corrente de processo 1216 para criar um fluxo turbulento que persiste ao longo da corrente de processo entre a primeira bomba e a entrada 1220 da célula de fluxo 1224.

[00276] A célula de fluxo 1224 inclui um volume de reator 1244 em comunicação de fluido com a entrada 1220 e a saída 1222. Em algumas modalidades, o volume do reator 1244 é um tubo de aço inoxidável capaz de suportar pressões elevadas (por exemplo, 10 bars). Além disso ou alternativamente, o volume do reator 1244 inclui uma seção transversal cirPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 148/343

75/265 cular.

[00277] Célula de fluxo 1224 ainda inclui um permutador de calor 1246 em comunicação térmica com pelo menos uma porção do volume do reator 1244. Fluido de resfriamento 1248 (por exemplo, água) flui para permutador de calor 1246 e absorve o calor gerado quando a corrente de processo 1216 é submetida a sonicação no volume do reator 1244. Em algumas modalidades, a taxa de fluxo e/ou a temperatura de fluido de resfriamento 1248 para o permutador de calor 1246 é controlada para manter uma temperatura aproximadamente constante no volume do reator 1244. Em algumas modalidades, a temperatura do volume do reator 1244 é mantida a 20 a 50°C, por exemplo, 25, 30, 35,40 ou 45°C. Adicional ou alternativamente, calor transferido para o fluido de resfriamento 1248 do volume do reator 1244 pode ser usado em outras partes do processo global.

[00278] Uma seção adaptadora 1226 cria comunicação de fluido entre o volume do reator 1244 e um amplificador de voltagem 1250 acoplado (por exemplo, mecanicamente acoplado usando um flange) ao transdutor ultra-sônico 1226. Por exemplo, a seção adaptadora 1226 pode incluir um conjunto de flange e O-anel disposto para criar uma conexão hermética a vazamento entre o volume do reator 1244 e o amplificador de voltagem 1250, Em algumas modalidades, transdutor ultra-sônico 1226 é um transdutor ultra-sônico de alta potência fabricado pela Hielscher Ultrasonics of Teltow, Alemanha.

[00279] Em operação, um gerador 1252 distribui eletricidade ao transdutor ultra-sônico 1252. O transdutor ultra-sônico 1226 inclui um elemento piezelétrico que converte a energia elétrica em som na faixa ultrasônica. Em algumas modalidades, os materiais são submetidos a sonicação usando som tendo uma frequência de cerca de 16 kHz a cerca de 110 kHz, por exemplo, de cerca de 18 kHz a cerca de 75 kHz ou de cerca de 20 kHz a cerca de 40 kHz (por exemplo, som tendo uma frequência de

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76/265 kHz a 40 kHz). Em alguns exemplos, sonicação é realizado em uma frequência de entre cerca de 15 kHz e cerca de 25 kHz, tal como entre cerca de 18 kHz e 22 kHz. Em modalidades específicas, sonicação é realizado utilizando uma antena em forma de chifre de 1 KW ou maior, por exemplo, uma antena em forma de chifre de 2, 3, 4, 5 ou mesmo 10 KW. [00280] A energia ultra-sônica é, então, distribuída ao meio de trabalho através do amplificador de voltagem 1248.

[00281] A energia ultra-sônica que trafega através do amplificador de voltagem 1248 no volume do reator 1244 cria uma série de compressões e rarefações numa corrente de processo 1216 com uma intensidade suficiente para criar cavitação na corrente de processo 1216. Cavitação desagrega o material celulósico disperso na corrente de processo 1216. Cavitação também produz radicais livres na água da corrente de processo 1216. Esses radicais livres atuam para decompor adicionalmente o material celulósico na corrente de processo 1216.

[00282] Em geral, 5 a 4000 MJ/m³, por exemplo, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 ou 3000 MJ/m³, de energia ultra-sônica são aplicados à corrente de processo 16 que flui em uma taxa de cerca de 0,2 m³/s (cerca de 3200 galões/min). Após exposição à energia ultra-sônica no volume do reator 1244, a corrente de processo 1216 sai da célula de fluxo 1224 através da saída 1222. A segunda bomba 1230 move a corrente de processo 1216 para subsequente processamento (por exemplo, qualquer uma de várias bombas de turbilhonamento com propulsores em recesso feitas pela Essco Pump & Controls, Los Angeles, Califórnia). [00283] Embora determinadas modalidades tenham sido descritas, outras modalidades são possíveis.

[00284] Como um exemplo, embora a corrente de processo 1216 tenha s ido descrita como um único trajeto de fluxo, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades por exemplo, a corrente de processo 1216 inclui múltiplos trajetos de fluxo paralelos (por exemplo, que

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77/265 fluem em uma taxa de 10 galões/min). Além disso ou alternativamente, os múltiplos trajetos de fluxo paralelos da corrente de processo 1216 fluem para células distintas e são submetidos a sonicação em paralelo (por exemplo, usando uma pluralidade de transdutores ultra-sônicos de16 kW).

[00285] Como outro exemplo, embora um único transdutor ultra-sônico 1226 tenha sido descrito como estando acoplado à célula de fluxo 1224, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades, uma pluralidade de transdutores ultra-sônico 1226 estão dispostos em célula de fluxo 1224 (por exemplo, dez transdutores ultra-sônicos podem estar dispostos em uma célula de fluxo 1224). Em algumas modalidades, as ondas de som geradas por cada um da pluralidade de transdutores ultrasônicos 1226 são sincronizadas (por exemplo, sincronizadas fora de fase uns com os outros) para intensificar a cavitação que atua sobre a corrente de processo 1216.

[00286] Como outro exemplo, embora uma única célula de fluxo 1224 tenha sido descrita, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades, a segunda bomba 1230 move a corrente de processo para uma segunda célula de fluxo onde um segundo amplificador de voltagem e transdutor ultra-sônico submetem a corrente de processo 1216 a sonicação adicionalmente.

[00287] Como ainda outro exemplo, embora o volume de reator 1244 tenha sido descrito como um volume fechado, o volume de reator 1244 é aberto para as condições ambientes em determinadas modalidades. Em tais modalidades, pré-tratamento com sonicação pode ser realizado de modo substancialmente simultâneo com outras técnicas de prétratamento. Por exemplo, energia ultra-sônica pode ser aplicada à corrente de processo 1216 no volume do reator 1244 enquanto feixes de elétrons são simultaneamente introduzidos na corrente de processo 1216. [00288] Como outro exemplo, embora um processo de fluxo contínuo

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78/265 tenha sido descrito, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades, sonicação pode ser realizado em um processo em batelada. Por exemplo, um volume pode ser enchido com uma mistura a 10% (peso em volume) de material celulósico em água e exposto a som com uma intensidade de cerca de 50 W/cm² a cerca de 600 W/cm², por exemplo, de cerca de 75 W/cm² a cerca de 300 W/cm² ou de cerca de 95 W/cm² a cerca de 200 W/cm². Adicional ou alternativamente, a mistura no volume pode ser submetida a sonicação de cerca de 1 hora a cerca de 24 horas, por exemplo, de cerca de 1,5 horas a cerca de 12 horas ou de cerca de 2 horas a cerca de 10 horas. Em determinadas modalidades, o material é submetido a sonicação durante um tempo predeterminado e, então, deixado descansar durante um segundo tempo predeterminado antes de sonicação mais uma vez.

[00289] Fazendo referência agora à figura 13, em algumas modalidades, dois transdutores eletro-acústicos são mecanicamente acoplados a uma única antena em forma de chifre. Conforme mostrado, um par de transdutores piezelétricos 60 e 62 é acoplado a uma antena em forma de chifre com barra em ranhura 64 através de respectivas antenas em forma de chifre de acoplamento intermediárias 70 e 72, as últimas sendo também conhecidas como antenas em forma de chifre de amplificação de voltagem. As vibrações proporcionadas pelos transdutores, responsivas à energia elétrica de alta frequência aplicada aos mesmos, são transmitidas para as respectivas antenas em forma de chifre de acoplamento, as quais podem ser construídas para conferir um ganho mecânico, tal como uma proporção de 1 para 1,2. As antenas em forma de chifre são proporcionadas com respectivos flanges de montagem 74 e 76 para apoiar o conjunto de transdutor e antena em forma de chifre em um alojamento estacionário.

[00290] As vibrações transmitidas dos transdutores através das antenas em forma de chifre de acoplamento ou amplificador de voltagem são

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79/265 acopladas à superfície de entrada 78 da antena em forma de chifre e são transmitidas, através da antena em forma de chifre, para a superfície de saída opostamente localizada 80 a qual, durante operação, está em encaixe forçado com uma peça de trabalho (não mostrada) à qual as vibrações são aplicadas.

[00291] A energia elétrica de alta frequência fornecida pelo suprimento de potência 82 é alimentada a cada um dos transdutores, eletricamente conectados em paralelo, via um transformador de equilíbrio 84 e uma respectiva série de capacitores 86 e 90 conectados, um capacitor conectado em série com a conexão elétrica a cada um dos transdutores. O transformador de equilíbrio é conhecido também como um balun, significando unidade de equilíbrio. O transformador de equilíbrio inclui um núcleo magnético 92 e um par de enrolamentos idênticos 94 e 96, também denominados o enrolamento primário e o enrolamento secundário, respectivamente.

[00292] Em algumas modalidades, os transdutores incluem transdutores piezelétricos comercialmente disponíveis, tais como Branson Ultrasonics Corporation modelos 105 ou 502, cada um criado para operação a 20 kHz e uma classificação de potência máxima de 3 kW. A tensão de energia para fornecimento de excursão móvel máxima à superfície resultante do transdutor é 930 volts rms. O fluxo de corrente através do transdutor pode variar entre zero e 3,5 amperes, dependendo da impedância de carga. A 930 volts rms, o movimento resultante é de aproximadamente 20 mícrons. A diferença máxima na tensão terminal para a mesma amplitude de movimento, portanto, pode ser de 186 volts. Tal diferença de tensão pode dar origem à grandes correntes de circulação que fluem entre os transdutores. A unidade de equilíbrio 430 assegura uma condição equilibrada conferindo um fluxo de corrente igual através dos transdutores, consequentemente, eliminando a possibilidade de correntes de circulação. O tamanho de fio dos enrolamentos deve ser selecionado para a

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80/265 corrente de carga total mencionada acima e a tensão máxima que aparece através de uma entrada de enrolamento é de 93 volt.

[00293] Como uma alternativa ao uso de energia ultra-sônica, dispositivos de rotor-estator de alta frequência podem ser utilizados. Esse tipo de dispositivo produz forças de microcavitação de alto cisalhamento, as quais podem desintegrar a biomassa em contato com tais forças. Dois dispositivos de rotor-estator de alta frequência comercialmente disponíveis são os dispositivos Supraton® fabricados pela Krupp Industrietechnik GmbH e comercializados pela Dorr-Oliver Deutschland GmbH de Connecticut e os dispositivos Dispax® fabricados e comercializados pela IkaWorks, Inc. de Cincinnati, Ohio. A operação de tal dispositivo de microcavitação é discutida em Stuart, Patente U.S. N² 5.370.999.

[00294] Embora o transdutor ultra-sônico 1226 tenha sido descrito como incluindo um ou mais elementos ativos piezelétricos para criar energia ultra-sônica, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades, o transdutor ultra-sônico 1226 inclui elementos ativos feitos de outros tipos de materiais magneto-restritivos (por exemplo, metais ferrosos). O design e operação de tal transdutor ultra-sônico de alta potência são discutidos em Hansen et al., Patente U.S. N^o 6.624.539. Em algumas modalidades, energia ultra-sônica é transferida para a corrente de processo 16 através de um sistema eletro-hidráulico.

[00295] Embora o transdutor ultra-sônico 1226 tenha sido descrito como usando a resposta eletromagnética de materiais magneto-restritivos para produzir energia ultra-sônica, outras configurações são possíveis. Em algumas modalidades, energia acústica na forma de uma onda de choque intensa pode ser aplicada diretamente à corrente de processo 16 usando uma purgação submersa. Em algumas modalidades, energia ultra-sônica é transferida para a corrente de processo 16 através de um sistema termo-hidráulico. Por exemplo, ondas acústicas de alta densidade de energia podem ser produzidas mediante aplicação de potência

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81/265 através de um volume encerrado de eletrólito, desse modo, aquecendo o volume encerrado e produzindo uma elevação de pressão que é subsequentemente transmitida através de meio de propagação sonoro (por exemplo, corrente de processo 1216). O projeto e operação de tal transdutor termo-hidráulico são discutidos em Hartmann et al., Patente U.S. 6.383.152.

Pirólise [00296] Uma ou mais sequências de processamento de pirólise podem ser usadas para processar a matéria prima bruta de uma ampla variedade de diferentes fontes para extrair substâncias úteis da matéria prima e proporcionar um material orgânico parcialmente degradado o qual como entrada para outras etapas e/ou sequências de processamento.

[00297] Fazendo referência mais uma vez tão esquema geral na figura 8, um primeiro material 2 que inclui celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio (^TMN1), sofre pirólise, por exemplo, mediante aquecimento do primeiro material em um torno de tubo, a fim de proporcionar um segundo material 3 que inclui celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio (^TMN2) menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. O segundo material (ou os primeiro e segundo materiais em determinadas modalidades) é/são combinado(s) com um microorganismo (por exemplo, uma bactéria ou um levedo) que pode utilizar o segundo e/ou primeiro material para produzir um combustível 5 que é ou inclui hidrogênio, um álcool (por exemplo, etanol ou butanol, tal como n-, sec- ou terc-butanol), um ácido orgânico, um hidrocarboneto ou misturas de qualquer um desses.

[00298] Uma vez que o segundo material tem celulose tendo um peso molecular reduzido com relação ao primeiro material e, em alguns casos, uma cristalinidade reduzida também, o segundo material é, em geral, mais dispersível, intumescível e/ou solúvel em uma solução contendo o micro-organismo, por exemplo, em uma concentração de mais de 10⁶ miPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 155/343

82/265 cro-organismos/mL. Essas propriedades tornam o segundo material 3 mais suscetível a ataque químico, enzimático e/ou microbiano com relação ao primeiro material 2, o que pode aprimorar grandemente a taxa de produção e/ou nível de produção de um produto desejado, por exemplo, etanol. Pirólise também pode esterilizar os primeiro e segundo materiais. [00299] Em algumas modalidades, o segundo peso molecular numérico médio (^tMN2) é menor do que o primeiro peso molecular numérico médio (^tMN1) em mais de cerca de 10 por cento, por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 por cento, 60 por cento ou mesmo mais de cerca de 75 por cento.

[00300] Em alguns casos, o segundo material tem celulose que tem uma cristalinidade (^TC2) que é menor do que a cristalinidade (^TC1) da celulose do primeiro material. Por exemplo, (^TC2) pode ser menor do que (^TC1) em mais de cerca de 10 por cento, por exemplo, 15, 20, 25, 30, 35, 40 ou mesmo mais de cerca de 50 por cento.

[00301] Em algumas modalidades, a cristalinidade inicial (antes de pirólise) é de cerca de 40 a cerca de 87,5 por cento, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 75 por cento ou de cerca de 60 a cerca de 70 por cento e o índice de cristalinidade, após pirólise, é de cerca de 10 a cerca de 50 por cento, por exemplo, de cerca de 15 a cerca de 45 por cento ou de cerca de 20 a cerca de 40 por cento. Contudo, em determinadas modalidades, por exemplo, após pirólise extensiva, é possível ter um índice de cristalinidade de menos de 5 por cento. Em algumas modalidades, o material, após pirólise, é substancialmente amorfo.

[00302] Em algumas modalidades, o peso molecular numérico médio inicial (antes de pirólise) é de cerca de 200.000 a cerca de 3.200.000, por exemplo, de cerca de 250.000 a cerca de 1.000.000 ou de cerca de 250.000 a cerca de 700.000 e o peso molecular numérico médio, após pirólise, é de cerca de 50.000 a cerca de 200.000, por exemplo, de cerca de 60.000 a cerca de 150.000 ou de cerca de 70.000 a cerca de 125.000,

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Contudo, em algumas modalidades, por exemplo, após pirólise extensiva, é possível ter um peso molecular numérico médio de menos de cerca de 10.000 ou mesmo menos de cerca de 5.000.

[00303] Em algumas modalidades, o segundo material pode ter um nível de oxidação (^TO2) que é maior do que o nível de oxidação (^TO1) do primeiro material. Um maior nível de oxidação do material pode auxiliar em sua dispersibilidade, capacidade de intumescimento e/ou solução, intensificando adicionalmente a suscetibilidade dos materiais a ataque químico, enzimático ou microbiano. Em algumas modalidades, para aumentar o nível de oxidação do segundo material com relação ao primeiro material, a pirólise é realizada em um ambiente de oxidação, produzindo um segundo material que é mais oxidado do que o primeiro material. Por exemplo, o segundo material pode ter mais grupos hidroxila, grupos aldeído, grupos cetona, grupos éster ou grupos ácido carboxílico, os quais podem aumentar sua hidrofilicidade.

[00304] Em algumas modalidades, a pirólise dos materiais é contínua. Em outras modalidades, o material sofre pirólise durante um tempo predeterminado e, então, é deixado esfriar durante um segundo tempo predeterminado antes de pirólise mais uma vez.

Sistemas de Pirólise [00305] A figura 14 mostra um fluxograma de processo 6000 que inclui várias etapas em um sistema de pré-tratamento pirolítico de matéria prima. Na primeira etapa 6010, um suprimento de matéria prima seca é recebida de uma fonte de alimentação.

[00306] Conforme descrito acima, a matéria prima seca da fonte de alimentação pode ser pré-processada antes de distribuição à câmara de pirólise. Por exemplo, se a matéria prima é derivada de fontes vegetais, determinadas partes do material vegetal podem ser removidas antes de coleta do material vegetal e/ou antes que o material vegetal seja distribuído pelo dispositivo de transporte de matéria prima. Alternativamente ou

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84/265 além disso, a matéria prima de biomassa pode ser submetida a processamento mecânico 6020 (por exemplo, para reduzir o comprimento médio de fibras na matéria prima) antes de distribuição à câmara de pirólise. [00307] Após processamento mecânico, a matéria prima sofre uma etapa de ajuste de umidade 6030. A natureza da etapa de ajuste de umidade depende do teor de umidade da matéria prima mecanicamente processada. Tipicamente, pirólise de matéria prima ocorre mais eficientemente quando o teor de umidade da matéria prima está entre cerca de 10% e cerca de 30% (por exemplo, entre 15% e 25%) em peso da matéria prima. Se o teor de umidade da matéria prima é maior do que cerca de 40% em peso, a carga térmica extra apresentada pelo teor de água da matéria prima aumenta o consumo de energia de subsequentes etapas de pirólise.

[00308] Em algumas modalidades, se a matéria prima tem um teor de umidade o qual é maior do que cerca de 30% em peso, líquido mais seca 6220, o qual tem um baixo teor de umidade, pode ser misturado, criando uma mistura de matéria prima na etapa 6030 com um teor de umidade médio que está dentro dos limites discutidos acima. Em determinadas modalidades, líquido com um alto teor de umidade pode simplesmente ser seca através de dispersão do material de matéria prima sobre um transportador em movimento que circula a matéria prima através de uma unidade de aquecimento in-line. A unidade de aquecimento evapora uma parte da água presente na matéria prima.

[00309] Em algumas modalidades, se a matéria prima da etapa 6020 tem um teor de umidade o qual é muito baixo (por exemplo, menor do que cerca de 10% em peso), a matéria prima mecanicamente processada pode ser combinado com o material de matéria prima mais úmido 6230 com um maior teor de umidade, tal como lama de esgoto. Alternativamente ou além disso, a água 6240 pode ser adicionada à matéria primaà matéria prima seca da etapa 6020 para aumentar seu teor de umidade.

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85/265 [00310] Na etapa 6040, a matéria prima - agora com seu teor de umidade ajustado para cair dentro de limites adequados - pode ser préaquecido em uma etapa opcional de pré-aquecimento 6040. A etapa de pré-aquecimento 6040 pode ser usada para aumentar a temperatura da matéria prima para entre 75°C e 150°C em preparo pa ra subsequente pirólise da matéria prima. Dependendo da natureza da matéria prima e do design particular da câmara de pirólise, pré-aquecimento da matéria prima pode assegurar que a distribuição de calor dentro da matéria prima permanece mais uniforme durante pirólise e pode reduzir a carga térmica sobre a câmara de pirólise.

[00311] A matéria prima é, então, transportada para uma câmara de pirólise para sofrer pirólise na etapa 6050. Em algumas modalidades, transporte da matéria prima é auxiliado pela adição de um ou mais gases pressurizados 6210 para a corrente de matéria prima. Os gases criam um gradiente de pressão no conduto de transporte de matéria prima, impulsionando a matéria prima para a câmara de pirólise (e mesmo através da câmara de pirólise). Em determinadas modalidades, transporte da matéria prima ocorre mecanicamente; isto é, um sistema de transporte que inclui um transportador, tal como uma broca, transporta a matéria prima para a câmara de pirólise.

[00312] Outros gases 6210 também podem ser adicionados à matéria prima antes da câmara de pirólise. Em algumas modalidades, por exemplo, um ou mais gases catalisadores podem ser adicionados à matéria prima para auxiliar na decomposição da matéria prima durante pirólise. Em determinadas modalidades, um ou mais agente de depuração podem ser adicionados à matéria prima para capturar materiais voláteis liberados durante pirólise. Por exemplo, vários compostos baseados em enxofre, tais como sulfetos, podem ser liberados durante pirólise e um agente, tal como gás hidrogênio, pode ser adicionado à matéria prima para causar remoção de enxofre dos produtos da pirólise. O hidrogênio se combina

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86/265 com os sulfetos para formar gás sulfato de hidrogênio, o qual pode ser removido da matéria prima que sofreu pirólise.

[00313] Pirólise da matéria prima dentro da câmara pode incluir aquecimento da matéria prima para temperaturas relativamente altas para causar decomposição parcial da matéria prima. Tipicamente, a matéria prima é aquecida para uma temperatura que oscila de 150°C a 1100°C. A temperatura para a qual a matéria prima é aquecida depende de uma série de fatores, incluindo a composição da matéria prima, o tamanho médio de partícula da matéria prima, o teor de umidade e os produtos de pirólise desejados. Para muitos tipos de matéria prima de biomassa, por exemplo, temperaturas de pirólise entre 300°C e 550°C s ão usadas.

[00314] O tempo de residência da matéria prima dentro da câmara de pirólise depende, em geral, de uma série de fatores, incluindo a temperatura de pirólise, a composição da matéria prima, o tamanho médio de partícula da matéria prima, o teor de umidade e os produtos de pirólise desejados. Em algumas modalidades, materiais de matéria prima sofrem pirólise em uma temperatura exatamente acima da temperatura de decomposição para o material em uma atmosfera inerte, por exemplo, de cerca de 2°C acima a cerca de 10°C acima da temperatura de d ecomposição ou de cerca de 3°C acima a cerca de 7°C acima da tempe ratura de decomposição. Em tais modalidades, o material é, em geral, mantido nessa temperatura durante mais de 0,5 horas, por exemplo, mais de 1,0 horas ou mais de cerca de 2,0 horas. Em outras modalidades, os materiais sofrem pirólise em uma temperatura bem acima da temperatura de decomposição para o material em uma atmosfera inerte, por exemplo, de cerca de 75°C acima a cerca de 175°C acima da temperatura de decomposição ou de cerca de 85°C acima a cerca de 150°C acima da temperatura de decomposição. Em tais modalidades, o material é, em geral, mantido nessa temperatura durante menos de 0,5 horas, por exemplo, menos de 20 minutos, menos de 10 minutos, menos de 5 minutos ou menos de 2

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87/265 minutos. Em ainda outras modalidades, os materiais sofrem pirólise em uma temperatura extrema, por exemplo, de cerca de 200°C acima a cerca de 500°C acima da temperatura de decomposição do material em um ambiente inerte ou de cerca de 250°C acima a cerca de 400°C acima da temperatura de decomposição. Em tais modalidades, o material é, em geral, mantido nessa temperatura durante menos de 1 minuto, por exemplo, menos de 30 segundos, 15 segundos, 10 segundos, 5 segundos, 1 segundo ou menos de 500 ms. Tais modalidades são, tipicamente, referidas como pirólise à chama.

[00315] Em algumas modalidades, a matéria prima é aquecida de modo relativamente rápido para a temperatura de pirólise selecionada dentro da câmara. Por exemplo, a câmara pode ser criada para aquecer a matéria prima em uma taxa de entre 500°C/s e 11.000°C/s , por exemplo, de 500°C/s a 1000°C/s.

[00316] Um fluxo turbulento de material de matéria prima dentro da câmara de pirólise é usualmente vantajoso, uma vez que ele assegura transferência de calor relativamente eficiente para material de matéria prima a partir do sub-sistema de aquecimento. Fluxo turbulento pode ser obtido, por exemplo, soprando o material de matéria prima através da câmara usando um ou mais gases veículo injetados 6210. Em geral, os gases veículo são relativamente inertes com relação ao material de matéria prima, mesmo nas altas temperaturas na câmara de pirólise. Gases veículo exemplificativos incluem, por exemplo, nitrogênio, argônio, metano, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Alternativamente ou além disso, sistemas de transporte mecânicos, tais como brocas, podem transportar e circular a matéria prima dentro da câmara de pirólise para criar um fluxo turbulento de matéria prima.

[00317] Em algumas modalidades, pirólise da matéria prima ocorre substancialmente na ausência de oxigênio e outros gases reativos. Oxigênio pode ser removido da câmara de pirólise mediante purgação perióPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 161/343

88/265 dica da câmara com nitrogênio em alta pressão (por exemplo, em pressões de nitrogênio de 2 bar ou mais). Após purgação da câmara, a mistura gasosa presente na câmara de pirólise (por exemplo, durante pirólise da matéria prima) pode incluir menos de 4 moles % de oxigênio (por exemplo, menos de 1 mol % de oxigênio e mesmo menos de 0,5 moles % de oxigênio). A ausência de oxigênio assegura que inflamação da matéria prima não ocorre nas temperaturas elevadas de pirólise.

[00318] Em determinadas modalidades, quantidades relativamente pequenas de oxigênio podem ser introduzidas na matéria prima e estão presentes durante pirólise. Essa técnica é referida como pirólise oxidativa. Tipicamente, pirólise oxidativa ocorre em múltiplos estágios de aquecimento. Por exemplo, em um primeiro estágio de aquecimento, a matéria prima é aquecida na presença de oxigênio para causar oxidação parcial da matéria prima. Esse estágio consome o oxigênio disponível na câmara de pirólise. Então, em estágios subsequentes de aquecimento, a temperatura da matéria prima é adicionalmente elevada. Com todo o oxigênio na câmara consumido, contudo, combustão da matéria prima não ocorre e decomposição pirolítica sem combustão da matéria prima (por exemplo, para gerar produtos de hidrocarboneto) ocorre. Em geral, o processo de aquecimento estoque de alimentação na câmara de pirólise a fim de iniciar a decomposição é endotérmico. Contudo, em pirólise oxidativa, a formação de dióxido de carbono através de oxidação da matéria prima é um processo exotérmico. O calor liberado da formação de dióxido de carbono pode auxiliar em estágios adicionais de aquecimento da pirólise, desse modo, diminuindo a carga térmica apresentada pelo estoque de alimentação.

[00319] Em algumas modalidades, pirólise ocorre em um ambiente inerte, tal como enquanto os materiais de matéria prima são banhados em um gás argônio ou nitrogênio. Em determinadas modalidades, pirólise pode ocorrer em um ambiente de oxidação, tal como em ar ou argônio

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89/265 enriquecido em ar. Em algumas modalidades, pirólise pode ocorrer em um ambiente de redução, tal como enquanto os materiais de matéria prima são banhados em gás hidrogênio. Para auxiliar na pirólise, diversos agentes químicos, tais como oxidantes, redutores, ácidos ou bases, podem ser adicionados ao material antes de ou durante pirólise. Por exemplo, ácido enxofreico pode ser adicionado ou um peróxido (por exemplo, peróxido de benzoíla), pode ser adicionado.

[00320] Conforme discutido acima, uma variedade de diferentes condições de processamento podem ser usadas, dependendo de fatores, tais como a composição da matéria prima e os produtos de pirólise desejados. Por exemplo, para material de matéria prima contendo celulose, condições de pirólise relativamente suaves podem ser empregadas, incluindo temperaturas de pirólise à chama entre 375°C e 450°C e tempos de residência de menos de 1 segundo. Como outro exemplo, para material residual sólido orgânico, tal como lama de esgoto, temperaturas de pirólise à chama entre 500°C e 650°C são tipicamente usad as, com tempos de residência de entre 0,5 e 3 segundos. Em geral, muitos dos parâmetros de processo de pirólise, incluindo tempo de residência, temperatura de pirólise, turbulência da matéria prima, teor de umidade, composição da matéria prima, composição do produto da pirólise e composição do gás aditivo, podem ser regulados automaticamente por um sistema de reguladores e um sistema de controla automatizado.

[00321] Após a etapa de pirólise 6050, os produtos da pirólise sofrem uma etapa de dissipação 6250 para reduzir a temperatura dos produtos antes de processamento adicional. Tipicamente, a etapa de dissipação 6250 inclui pulverização dos produtos da pirólise com correntes de água de refrigeração 6260. A água de refrigeração também forma uma pasta que inclui material resultante sólido não dissolvido e vários produtos dissolvidos. Também presente na corrente de produto está uma mistura que inclui vários gases, incluindo gases resultantes, gases veículo e outros

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90/265 tipos de gases de processo.

[00322] A corrente de produto é transportada, via a tubulação in-line, para um separador de gás que realizada uma etapa de separação de gás 6060, na qual os gases resultantes e outros gases são separados da pasta formada por meio de dissipação do produto da pirólise. A mistura gasosa separada é opcionalmente dirigida a um soprador 6130, o qual aumenta a pressão do gás soprando ar na mistura. A mistura gasosa pode ser submetida a uma etapa de filtração 6140, na qual a mistura gasosa passa através de um ou mais filtros (por exemplo, filtros de carvão ativado) para remover partículas e outras impurezas. Em uma etapa subsequente 6150, o gás filtrado pode ser comprimido e armazenado para outro uso. Alternativamente, o gás filtrado pode ser submetido à outras etapas de processamento 6160. Por exemplo, em algumas modalidades, o gás filtrado pode ser condensado para separar diferentes compostos gasosos dentro da mistura gasosa. Os diferentes compostos podem incluir, por exemplo, vários produtos de hidrocarboneto (por exemplo, álcoois, alcanos, alcenos, alcinos, éteres) produzidos durante pirólise. Em determinadas modalidades, o gás filtrado contendo uma mistura de componentes de hidrocarboneto pode ser combinado com gás de vapor 6170 (por exemplo, uma mistura de vapor de água e oxigênio) e submetido a um processo de craqueamento para reduzir os pesos moleculares dos componentes de hidrocarboneto.

[00323] Em algumas modalidades, a câmara de pirólise inclui fontes de calor que queimam gases hidrocarboneto, tais como metano, propano e/ou butano, para aquecer a matéria prima. Uma porção 6270 dos gases separados pode ser re-circulada para a câmara de pirólise para combustão, para gerar calor de processo para sustentar o processo de pirólise. [00324] Em determinadas modalidades, a câmara de pirólise pode receber calor de processo que pode ser usado para aumentar a temperatura dos materiais de matéria prima. Por exemplo, irradiação da matéria

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91/265 prima com radiação (por exemplo, radiação gama, radiação de feixe de elétrons ou outros tipos de radiação) pode aquecer os materiais de matéria prima para temperaturas relativamente altas. Os materiais de matéria prima aquecidos podem ser esfriados através de um sistema de permuta de calor que remove um pouco do calor em excesso da matéria prima irradiado. O sistema de permuta de calor pode ser configurado para transportar um pouco da energia térmica para a câmara de pirólise para aquecer (ou pré-aquecer) o material de matéria prima, desse modo, reduzindo os custos de energia para o processo de pirólise.

[00325] A pasta contendo produtos de pirólise líquidos e sólidos pode sofrer uma etapa opcional de desidratação 6070, na qual água em excesso pode ser removida da pasta via processos tais como compressão mecânica e evaporação. A água em excesso 6280 pode ser filtrada e, então, re-circulada para uso adicional em dissipação dos produtos da decomposição de pirólise na etapa 6250.

[00326] A pasta desidratada, então, sofre uma etapa de separação mecânica 6080, na qual o material resultante sólido 6110 é separado do material resultante líquido 6090 através de uma série de filtros crescentemente finos. Na etapa 6100, o material resultante líquido 6090 pode, então, ser condensado (por exemplo, via evaporação) para remover a água residual 6190 e purificado através de processos tal como extração. Extração pode incluir a adição de um ou mais solventes orgânicos 6180, por exemplo, para separar produtos tais como óleos de produtos tais como álcoois. Solventes orgânicos adequados incluem, por exemplo, vários hidrocarbonetos e halo-hidrocarbonetos. Os produtos líquidos purificados 6200 podem, então, ser submetidos à outras etapas de processamento. A água residual 6190 pode ser filtrada se necessário e re-circulada para uso adicional na dissipação dos produtos da decomposição de pirólise na etapa 6250, [00327] Após separação na etapa 6080, o material resultante sólido

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6110 é opcionalmente submetido a uma etapa de secagem 6120 que pode incluir evaporação de água. O material sólido 6110 pode, então, ser armazenado para uso posterior ou submetido à outras etapas de processamento, conforme apropriado.

[00328] Os parâmetros do processo de pirólise discutidos acima são exemplificativos. Em geral, os valores desses parâmetros podem variar amplamente de acordo com a natureza da matéria prima e os produtos desejados. Além disso, uma ampla variedade de diferentes técnicas de pirólise, incluindo uso de fontes de calor, tais como chamas de hidrocarboneto e/ou fornos, lasers de infravermelho, aquecedores de microondas, aquecedores de indução, aquecedores resistivos e outros dispositivos e configurações de aquecimento, podem ser usados.

[00329] Uma ampla variedade de diferentes câmaras de pirólise podem ser usadas para decompor a matéria prima. Em algumas modalidades, por exemplo, pirólise da matéria prima pode incluir aquecimento o material usando um elemento de aquecimento resistivo, tal como um filamento de metal ou fita de metal. O aquecimento pode ocorrer através de contato direto entre o elemento de aquecimento resistivo e o material. [00330] Em determinadas modalidades, pirólise pode incluir aquecimento do material através de indução, tal como usando um aparelho de pirólise de Curie-Point. Em algumas modalidades, pirólise pode incluir aquecimento do material mediante aplicação de radiação, tal como radiação infravermelha. A radiação pode ser gerada por um laser, tal como um laser infravermelho.

[00331] Em determinadas modalidades, pirólise pode incluir aquecimento do material com calor convectivo. O calor convectivo pode ser gerado por uma corrente de fluxo de gás aquecido. O gás aquecido pode ser mantido em uma temperatura de menos de cerca de 1200°C, tal como menos de 1000°C, menos de 750°C, menos de 600°C, menos de 400°C ou mesmo menos de 300°C. O gás aquecido pode ser mantido em

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93/265 uma temperatura de mais de cerca de 250°C. O calor convectivo pode ser gerado por um corpo quente que envolve o primeiro material, tal como em um forno.

[00332] Em algumas modalidades, pirólise pode incluir aquecimento do material com vapor em uma temperatura acima cerca de 250°C. [00333] Uma modalidade, uma câmara de pirólise é mostrada na figura 15. A câmara 6500 inclui uma parede de câmara isolada 6510 com uma ventilação 6600 para gases de exaustão, uma pluralidade de queimadores 6520 que geram calor par ao processo de pirólise, um duto de transporte 6530 para transporte da matéria prima através da câmara 6500, brocas 6590 para movimento da matéria prima através do duto 6530 em um fluxo turbulento e um sistema de dissipação 6540 que inclui uma broca 6610 para movimento dos produtos de pirólise, jatos de água 6550 para pulverização dos produtos de pirólise com água de refrigeração e um separador de gás para separação dos produtos gasosos 6580 da pasta 6570 contendo produtos sólidos e líquidos.

[00334] Outra modalidade de uma câmara de pirólise é mostrada na figura 16. A câmara 6700 inclui uma parede de câmara isolada 6710, um duto de fornecimento de matéria prima 6720, uma parede de câmara interna inclinada 6730, queimadores 6740 que geram calor para o processo de pirólise, uma ventilação 6750 para gases de exaustão e um separador de gás 6760 para separação de produtos gasosos 6770 dos produtos líquidos e sólidos 6780. A câmara 6700 é configurada para girar na direção mostrada pela seta 6790 para assegurar mistura e fluxo turbulento adequados da matéria prima dentro da câmara.

[00335] Uma outra modalidade de uma câmara de pirólise é mostrada na figura 17. O aparelho de pirólise com filamento 1712 inclui um contentor de amostra 1713 com um filamento de aquecimento resistivo 1714 na forma de uma espiral de arame através do espaço aberto definido pelo contentor de amostra 1713. Opcionalmente, o elemento aquecido pode

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94/265 girar em torno do eixo 1715 (conforme indicado pela seta 1716) para misturar por turbilhonamento o material que inclui o material celulósico no contentor de amostra 1713. O espaço 1718 definido pela contenção 1719 é mantido em uma temperatura acima da temperatura ambiente, por exemplo, 200 a 250°C. Em um uso típico, um gás veíc ulo, por exemplo, um gás inerte ou um gás de oxidação ou redução, atravessa o contentor de amostra 1713, enquanto o elemento de aquecimento resistivo é girado e aquecido para uma temperatura desejada, por exemplo, 325°C. Após um tempo apropriado, por exemplo, 5 a 10 minutos, o material pirolisado é esvaziado do contentor de amostra. O sistema mostrado na figura 17 pode ser escalonado e tornado contínuo. Por exemplo, ao invés de um arame como o elemento de aquecimento, o elemento de aquecimento pode ser uma rosca de broca. O material pode cair continuamente no contentor de amostra, enquanto que uma rosca aquecida realiza pirólise do material. Ao mesmo tempo, a rosca pode empurrar o material que sofreu pirólise para fora do contentor de amostra para permitir a entrada de material fresco que não foi submetido à pirólise.

[00336] Outra modalidade de uma câmara de pirólise é mostrada na figura 18, a qual se caracteriza por um aparelho de pirólise de Curie-Point 1820 que inclui uma câmara de amostra 1821 alojando uma folha ferromagnética 1822. Envolvendo a câmara de amostra 1821 está uma espiral RF 1823. O espaço 1824 definido pela contenção 1825 é mantido em uma temperatura acima da temperatura ambiente, por exemplo, 200 a 250°C. Em um uso típico, um gás veículo atravessa a câmara de amostra 1821, enquanto que a folha 1822 é indutivamente aquecida por um campo RF aplicado para levar o material à pirólise em uma temperatura desejada.

[00337] Ainda outra modalidade de uma câmara de pirólise é mostrada na figura 19. O aparelho de pirólise com forno 130 inclui um contentor de amostra móvel 131 e um forno 132. Em um uso típico, a amostra é abaiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 168/343

95/265 xada (conforme indicado pela seta 137) para uma zona quente 135 do forno 132, enquanto um gás veículo enche o alojamento 136 e atravessa o contentor de amostra 131. A amostra é aquecida para a temperatura desejada durante um tempo desejado a fim de proporcionar um produto pirolisado. O produto pirolisado é removido do aparelho de pirólise levantando o contentor de amostra (conforme indicado pela seta 134). [00338] Em determinadas modalidades, conforme mostrado na figura 20, um alvo celulósico 140 pode sofrer pirólise através de tratamento do alvo, o qual está alojado em uma câmara de vácuo 141, com luz a laser, por exemplo, luz tendo um comprimento de onda de cerca de 225 nm a cerca de 1500 nm. Por exemplo, o alvo pode ser configurado a 266 nm, usando a quarta harmônica de um laser Nd-YAG (Spectra Physics, GCR170, San Jose, Calif.). A configuração óptica mostrada permite que a luz quase monocromática 143 gerada pelo laser 142 seja direcionada usando espelhos 144 e 145 sobre o alvo após passagem através de uma lente 146 na câmara de vácuo 141. Tipicamente, a pressão na câmara de vácuo é mantida em menos de cerca de 10^-6 mm Hg. Em algumas modalidades, radiação infravermelha é usada, por exemplo, radiação de 1,06 mícrons a partir de um laser Nd-YAG. Em tais modalidades, um corante sensível a infravermelho pode ser combinado com o material celulósico para produzir um alvo celulósico. O corante infravermelho pode intensificar o aquecimento do material celulósico. Ablação a laser é descrita por Blanchet-Fincher et al. Na Patente U.S. N^o 5.942.649.

[00339] Fazendo referência à figura 21, em algumas modalidades, um material celulósico pode ser pirolisado à chama através de revestimento de um filamento de tungstênio 150, tal como um filamento de tungstênio de 5 a 25 mil, com o material celulósico desejado enquanto o material está alojado em uma câmara a vácuo 151. Para realizar a pirólise, corrente é passada através do filamento, o qual causa um rápido aquecimento do filamento durante um tempo desejado. Tipicamente, o aquecimento é

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96/265 continuado durante segundos antes de permitir que o filamento esfrie. Em algumas modalidades, o aquecimento é realizado uma série de vezes para realizar a quantidade desejada de pirólise.

[00340] Em determinadas modalidades, material contendo carboidrato de biomassa pode ser aquecido na ausência de oxigênio em um reator de leito fluidizado. Se desejado, a biomassa contendo carboidrato pode ter seções transversais relativamente finas e pode incluir qualquer um dos materiais fibrosos descritos aqui, para transferência eficiente de calor. O material pode ser aquecido através de transferência térmico a partir de um metal quente ou cerâmico, tal como glóbulos de vidro ou areia no reator e o líquido ou óleo de pirólise resultante pode ser transportado para uma refinaria central para produção de materiais combustíveis ou outros produtos úteis.

Oxidação [00341] Uma ou mais sequências de processamento oxidativo podem ser usadas para processar a matéria prima bruta de uma ampla variedade de diferente fontes para extrair substâncias úteis da matéria prima e a fim de proporcionar um material orgânico parcialmente degradado o qual funciona como entrada para outras etapas e/ou sequências de processamento.

[00342] Fazendo referência mais uma vez à figura 8, um primeiro material 2 que inclui celulose tendo um primeiro peso molecular numérico médio (^tMN1) e tendo um primeiro teor de oxigênio (^TO1) é oxidado, por exemplo, através de aquecimento do primeiro material em um forno de tubo na corrente de ar ou ar enriquecido em oxigênio, a fim de proporcionar um segundo material 3 que inclui celulose tendo um segundo peso molecular numérico médio (^TMN2) e tendo um segundo teor de oxigênio (^TO2) maior do que o primeiro teor de oxigênio (^TO₁). O segundo material (ou o primeiro e segundo materiais em determinadas modalidades) podem ser, por exemplo, combinados com uma resina, tal como uma resina

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97/265 termoplástica fundida ou um micro-organismo, a fim de proporcionar um composto 4 tendo propriedades mecânicas desejáveis ou um combustível

5.

[00343] Tais materiais também podem ser combinados com um sólido e/ou um líquido. Por exemplo, o líquido pode estar na forma de uma solução e o sólido pode estar na forma de partícula. O líquido e/ou sólido pode incluir um micro-organismo, por exemplo, uma bactéria e/ou uma enzima. Por exemplo, a bactéria e/ou enzima pode funcionar sobre o material celulósico ou lignocelulósico para produzir um combustível, tal como etanol ou um co-produto, tal como uma proteína. Combustíveis e coprodutos são descritos em FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, USSN 11/453.951, depositado em 15 de Junho de 2006. Os conteúdos todos de cada um dos pedidos precedentes são incorporados aqui por referência.

[00344] Em algumas modalidades, o segundo peso molecular numérico médio não é mais do que 97 por cento menor do que o primeiro peso molecular numérico médio, por exemplo, não mais do que 95 por cento, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 30, 20, 12.5, 10,0, 7,5, 5,0, 4,0, 3,0, 2,5, 2,0 ou não mais do que 1,0 por cento menor do que o primeiro peso molecular numérico médio. A quantidade de redução do peso molecular dependerá da aplicação.

[00345] Em algumas modalidades nas quais os materiais são usados para produzir um combustível ou co-produto, o peso molecular numérico médio inicial (antes de oxidação) é de cerca de 200.000 a cerca de 3.200.000, por exemplo, de cerca de 250.000 a cerca de 1.000. 000 ou de cerca de 250.000 a cerca de 700.000 e o peso molecular numérico médio, após oxidação, é de cerca de 50.000 a cerca de 200.000, por exemplo, de cerca de 60.000 a cerca de 150.000 ou de cerca de 70.000 a cerca de 125.000. Contudo, em algumas modalidades, por exemplo, após oxidação extensiva, é possível ter um peso molecular numérico médio de

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98/265 menos de cerca de 10.000 ou mesmo menos de cerca de 5.000. [00346] Em algumas modalidades, o segundo teor de oxigênio é pelo menos cerca de cinco por cento maior do que o primeiro teor de oxigênio, por exemplo, 7,5 por cento maior, 10,0 por cento maior, 12,5 por cento maior, 15,0 por cento maior ou 17,5 por cento maior. Em algumas modalidades preferidas, o segundo teor oxigênio é pelo menos cerca de 20,0 por cento maior do que o teor de oxigênio do primeiro material. O teor de oxigênio é medido através de análise elemental através de pirólise da amostra em um forno operando 1300°C ou maior. Um eq uipamento de análise elemental adequado é o analisador LECO CHNS-932 com um forno de pirólise de alta temperatura VTF-900.

[00347] Em algumas modalidades, oxidação do primeiro material 200 não resulta em uma alteração substancial na cristalinidade da celulose. Contudo, em alguns casos, por exemplo, após oxidação extrema, o segundo material tem celulose que tem uma cristalinidade (^TC2) que é menor do que a cristalinidade (^TC1) da celulose do primeiro material. Por exemplo, (^TC2) pode ser menor do que (^TC1) em mais de cerca de 5 por cento, por exemplo, 10, 15, 20 ou ainda 25 por cento. Pode ser desejável intensificar solubilidade dos materiais em um líquido, tal como um líquido que inclui uma bactéria e/ou uma enzima.

[00348] Em algumas modalidades, o índice de cristalinidade inicial (antes de oxidação) é de cerca de 40 a cerca de 87,5 por cento, por exemplo, de cerca de 50 a cerca de 75 por cento ou de cerca de 60 a cerca de 70 por cento e um índice de cristalinidade após oxidação é de cerca de 30 a cerca de 75,0 por cento, por exemplo, de cerca de 35,0 a cerca de 70,0 por cento ou de cerca de 37,5 a cerca de 65,0 por cento. Contudo, em determinadas modalidades, por exemplo, após oxidação extensiva, é possível tem um índice de cristalinidade de menos de 5 por cento. Em algumas modalidades, o material, após oxidação, é substancialmente amorfo.

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99/265 [00349] Sem desejar estar preso a qualquer teoria particular, acreditase que a oxidação aumenta o número de grupos de ligação a hidrogênio sobre a celulose, tais como grupos hidroxila, grupos aldeído, grupos cetona, grupos ácido carboxílico ou grupos anidrido, o que pode aumentar sua dispersibilidade e/ou sua solubilidade (por exemplo, em um líquido). Para aprimorar adicionalmente a dispersibilidade em uma resina, a resina pode incluir um componente que inclui grupos de ligação a hidrogênio, tais como um ou mais grupos anidrido, grupos ácido carboxílico, grupos hidroxila, grupos amida, grupos amina ou misturas de qualquer um desses grupos. Em algumas modalidades preferidas, o componente inclui um polímero copolimerizado com e/ou enxertado com anidrido maleico. Tais materiais estão disponíveis da Dupont sob a marca comercial FUSABOND®.

[00350] Em geral, oxidação do primeiro material 200 ocorre em um ambiente de oxidação. Por exemplo, a oxidação pode ser realizada ou auxiliada por pirólise em um ambiente de oxidação, tal como em ar ou argônio enriquecido em ar. Para auxiliar na oxidação, vários agentes químicos, tais como oxidantes, ácidos ou bases, podem ser adicionados ao material antes de ou durante oxidação. Por exemplo,um peróxido (por exemplo, peróxido de benzoíla), pode ser adicionado antes de oxidação. Sistemas de Oxidação [00351] A figura 22 mostra um fluxograma de processo 5000 que inclui várias etapas em um sistema de pré-tratamento oxidativo de matéria prima. Na primeira etapa 5010, um suprimento de matéria prima seca é recebido de uma fonte de alimentação. A fonte de alimentação pode incluir, por exemplo, um leito de armazenamento ou recipiente que é conectado a um reator de oxidação in-line via uma correia transportadora ou outro dispositivo de transporte de matéria prima.

[00352] Conforme descrito acima, a matéria prima seca da fonte de alimentação pode ser processado antes de distribuição ao reator de oxiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 173/343

100/265 dação. Por exemplo, se a matéria prima é derivada de fontes vegetais, determinadas partes do material vegetal podem ser removidas antes de coleta do material vegetal e/ou antes que o material vegetal seja distribuído pelo dispositivo de transporte de matéria prima. Altemativamente ou além disso, a matéria prima de biomassa pode ser submetido a processamento mecânico (por exemplo, para reduzir o comprimento médio de fibras na matéria prima) antes de distribuição ao reator de oxidação. [00353] Após processamento mecânico 5020, a matéria prima 5030 é transportado para um sistema de mistura o qual introduz água 5150 na matéria prima em um processo de mistura mecânica. Combinação de água com a matéria prima processado na etapa de mistura 5040 cria uma pasta de matéria prima aquosa 5050 a qual pode, então, ser tratada com um ou mais agentes de oxidação.

[00354] Tipicamente, um litro de água é adicionado à mistura para cada 0,02 kg a 1,0 kg de matéria prima seca. A proporção de matéria prima para água na mistura depende da fonte da matéria prima e dos agentes de oxidação específicos usados a jusante no processo global. Por exemplo, em sequências de processamento industrial típicas para biomassa lignocelulósica, a pasta de matéria prima aquosa 5050 inclui de cerca de 0,5 kg a cerca de 1,0 kg de biomassa seca por litro de água.

[00355] Em algumas modalidades, um ou mais aditivos de proteção de fibra 5170 também podem ser adicionados à pasta de matéria prima na etapa de mistura de matéria prima 5040. Aditivos de proteção de fibra ajudam a reduzir a degradação de determinados tipos de fibras de biomassa (por exemplo, fibras de celulose) durante oxidação da matéria prima. Aditivos de proteção de fibra podem ser usados, por exemplo, se um produto desejado de processamento de uma matéria prima lignocelulósico inclui fibras de celulose. Aditivos de proteção de fibra exemplificativos incluem compostos de magnésio, tal como hidróxido de magnésio. As concentrações de aditivos de proteção de fibra na pasta de matéria prima

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5050 podem ser de 0,1% a 0,4% do peso seco da matéria prima de biomassa, por exemplo.

[00356] Em determinadas modalidades, a pasta de matéria prima aquosa 5050 pode ser submetida a uma extração opcional 5180 com um solvente orgânico para remover substâncias insolúveis em água da pasta. Por exemplo, extração da pasta 5050 com um ou mais solventes orgânicos proporciona uma pasta purificada e uma corrente residual orgânica 5210 que inclui materiais insolúveis em água, tais como gorduras, óleos e outras substâncias baseadas em hidrocarboneto não polares. Solventes adequados para realização de extração da pasta 5050 incluem vários álcoois, hidrocarbonetos e halo-hidrocarbonetos, por exemplo.

[00357] Em algumas modalidades, a pasta de matéria prima aquosa 5050 pode ser submetida a um tratamento térmico opcional 5190 para preparar adicionalmente a matéria prima para oxidação. Um exemplo de um tratamento térmico inclui aquecimento da pasta de matéria prima na presença de vapor pressurizado. Em estoque de alimentação de biomassa fibroso, o vapor pressurizado intumesce as fibras, expondo uma maior fração das superfícies da fibra ao solvente aquoso e agentes de oxidação que são introduzidos em subsequentes etapas de processamento. [00358] Em determinadas modalidades, pasta de matéria prima aquosa 5050 pode ser submetida a um tratamento opcional com agentes básicos 5200. Tratamento com um ou mais agentes básicos ajuda a separar a lignina da celulose em estoque de alimentação de biomassa lignocelulósico, desse modo, aprimorando a subsequente oxidação da matéria prima. Agentes básicos exemplificativos incluem hidróxidos alcalinos e alcalinoterrosos, tais como hidróxido de sódio, hidróxido de potássio e hidróxido de cálcio. Em geral, uma variedade de agentes básicos podem ser usados, tipicamente em concentrações de cerca de 0,01 % a cerca de 0,5% do peso seco da matéria prima.

[00359] Pasta de matéria prima aquosa 5050 é transportada (por

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102/265 exemplo, através de um sistema de tubulação in-line) para uma câmara, a qual pode ser uma câmara de pré-processamento de oxidação ou um reator de oxidação. Na etapa de pré-processamento de oxidação 5060, um ou mais agentes de oxidação 5160 são adicionados à pasta de matéria prima 5050 para formar um meio de oxidação. Em algumas modalidades, por exemplo, agentes de oxidação 5160 podem incluir hidrogênio peróxido. Peróxido de hidrogênio pode ser adicionado à pasta 5050 como uma solução aquosa e em proporções oscilando de 3% a entre 30% e 35% em peso de pasta 5050. Peróxido de hidrogênio tem uma série de vantagens como um agente de oxidação. Por exemplo, peróxido de hidrogênio aquoso é relativamente barato, é relativamente estável quimicamente e não é particularmente perigoso com relação a outros agentes de oxidação (e portanto, não requer procedimentos de manipulação problemáticos e equipamento de segurança caro). Além disso, o peróxido de hidrogênio se decompõe para formar água durante oxidação de matéria prima, de modo que limpeza da corrente residual é relativamente direta e barata.

[00360] Em determinadas modalidades, agentes de oxidação 5160 podem incluir oxigênio (por exemplo, gás oxigênio), seja isoladamente ou em combinação com peróxido de hidrogênio. Gás oxigênio pode ser borbulhado na pasta 5050 em proporções oscilando de 0,5% a 10% em peso da pasta 5050. Alternativamente ou além disso, gás oxigênio também pode ser introduzido em uma fase gasosa em equilíbrio com a pasta 5050 (por exemplo, um cabeça e vapor acima da pasta 5050). O gás oxigênio pode ser introduzido na câmara de pré-processamento de oxidação ou no reator de oxidação (ou em ambos), dependendo da configuração do sistema de processamento oxidativo. Tipicamente, por exemplo, a pressão parcial de oxigênio no vapor acima da pasta 5050 é maior do que a pressão ambiente de oxigênio e oscila de 0,5 bar a 35 bar, dependendo da natureza da matéria prima.

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103/265 [00361] O gás oxigênio pode ser introduzido na forma pura ou pode ser misturado com um ou mais gases veículo. Por exemplo, em algumas modalidades, ar em alta pressão fornece o oxigênio no vapor. Em determinadas modalidades, gás oxigênio pode ser fornecido continuamente à fase vapor para assegurar que a concentração de oxigênio no vapor permanece dentro de certos limites predeterminados processamento da matéria prima. Em algumas modalidades, gás oxigênio pode ser introduzido inicialmente em uma concentração suficiente para oxidar a matéria prima e, então, a matéria prima pode ser transportado para um vaso fechado, pressurizado (por exemplo, um reator de oxidação) para processamento. [00362] Em determinadas modalidades, agentes de oxidação 5160 podem incluir oxigênio nascente (por exemplo, radicais oxigênio). Tipicamente, o oxigênio nascente é produzido, conforme necessário, em um reator de oxidação ou em uma câmara em comunicação de fluido com um reator de oxidação através de uma ou mais reações de decomposição. Por exemplo, em algumas modalidades, oxigênio nascente pode ser produzido a partir de uma reação entre NO e O₂ em uma mistura gasosa ou em solução. Em determinadas modalidades, oxigênio nascente pode ser produzido a partir da decomposição de HOCl em solução. Outros métodos pelos quais oxigênio nascente pode ser produzido incluem via geração eletroquímica em solução de eletrólito, por exemplo.

[00363] Em geral, o oxigênio nascente é um agente de oxidação eficiente em virtude da reatividade relativamente alta do radical oxigênio. Contudo, o oxigênio nascente também pode ser um agente de oxidação relativamente seletivo. Por exemplo, quando estoque de alimentação lignocelulósico é tratado com oxigênio nascente, oxidação seletiva de lignina ocorre em preferência a outros componentes da matéria prima, tal como celulose. Como um resultado, oxidação de matéria prima com oxigênio nascente fornece um método para a remoção seletiva da fração de lignina em determinados matérias primas. Tipicamente, concentrações de

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104/265 oxigênio nascente de entre cerca de 0,5% e 5% do peso seco da matéria prima são usadas para realizar oxidação eficiente.

[00364] Sem desejar estar preso à teoria, acredita-se que o oxigênio nascente reage com a matéria prima lignocelulósico de acordo com pelo menos dois mecanismos diferentes. Em um primeiro mecanismo, o oxigênio nascente sofre uma reação de adição com a lignina, resultando em oxidação parcial da lignina, o que solubiliza a lignina em solução aquosa. Como um resultado, a lignina solubilizada pode ser removida do resto da matéria prima via lavagem. Em um segundo mecanismo, o oxigênio nascente rompe as ligações transversais de butano e/ou abre anéis aromáticos que são conectados via as ligações cruzadas de butano. Como um resultado, a solubilidade da lignina em solução aquosa aumenta e facilita a separação da fração de lignina do restante da matéria prima via lavagem.

[00365] Em algumas modalidades, agentes de oxidação 5160 incluem ozônio (O₃). O uso de ozônio pode introduzir diversas considerações de manipulação química na sequência de processamento de oxidação. Se aquecida muito vigorosamente, uma solução aquosa de ozônio pode se decompor violentamente, com consequências potencialmente adversas para operadores humanos do sistema e o equipamento do sistema. Consequentemente, o ozônio é, tipicamente, gerado em um vaso de parede espessa termicamente isolado separado do vaso que contém a pasta de matéria prima e transportado do mesmo no estágio de processo apropriado.

[00366] Sem desejar estar preso à teoria, acredita-se que o ozônio se decompõe em oxigênio e radicais oxigênio e que os radicais oxigênio (por exemplo, oxigênio nascente) são responsáveis pelas propriedades de oxidação do ozônio da maneira discutida acima. O ozônio oxida, de preferência tipicamente, a fração de lignina em materiais lignocelulósicos, deixando a fração de celulose relativamente inalterada.

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105/265 [00367] Condições para oxidação baseada em ozônio de matéria prima de biomassa em geral dependem da natureza da biomassa. Por exemplo, para matérias primas celulósicos e lignocelulósicos, concentrações de ozônio de 0,1 g/m³ a 20 g/m³ de matéria prima seca proporcionam oxidação eficiente de matéria prima. Tipicamente, o teor de água na pasta 5050 está entre 10% em peso e 80% em peso (por exemplo, entre 40% em peso e 60% em peso). Durante oxidação baseada em ozônio, a temperatura da pasta 5050 pode ser mantida entre 0°C e 100°C para evitar decomposição violenta do ozônio.

[00368] Em algumas modalidades, a pasta de matéria prima 5050 pode ser tratada com uma solução alcalina aquosa que inclui um ou mais hidróxidos alcalinos e alcalinoterrosos, tais como hidróxido de sódio, hidróxido de potássio e hidróxido de cálcio e, então, tratada depois com um gás contendo ozônio em um reator de oxidação. Foi observado que esse processo aumenta significativamente a decomposição da biomassa em pasta 5050. Tipicamente, por exemplo, uma concentração de íons de hidróxido na solução alcalina está entre 0,001% e 10% em peso da pasta 5050. Após a matéria prima ser umedecido via contato com a solução alcalina, o gás contendo ozônio é introduzido no reator de oxidação, onde ele contata e oxida a matéria prima.

[00369] Agentes de oxidação 5160 também podem incluir outras substâncias. Em algumas modalidades, por exemplo, agentes de oxidação baseados em halogênio, tais como agentes de cloro e oxicloro (por exemplo, hipoclorito), podem ser introduzidos na pasta 5050. Em determinadas modalidades, substâncias de oxidação contendo nitrogênio podem ser introduzidas na pasta 5050. Substâncias de oxidação contendo nitrogênio exemplificativas incluem NO e NO₂, por exemplo. Agentes contendo nitrogênio também podem ser combinados com oxigênio na pasta 5050 para criar agentes de oxidação adicionais. Por exemplo, NO e NO₂ se combinam com o oxigênio na pasta 5050 para formar compostos de

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106/265 nitrato, os quais são agentes de oxidação eficazes para a matéria prima de biomassa. Agentes de oxidação baseados em halogênio e nitrogênio podem, em algumas modalidades, causar branqueamento da matéria prima de biomassa, dependendo da natureza da matéria prima. O branqueamento pode ser desejável para determinados produtos derivados de biomassa que são extraídos em subsequentes etapas de processamento. [00370] Outros agentes de oxidação podem incluir, por exemplo, vários peróxi-ácidos, ácidos peróxi-acéticos, perssulfatos, percarbonatos, permanganatos, tetróxido de ósmio e óxidos de cromo.

[00371 ] Após a etapa de pré-processamento de oxidação 5060, a pasta de matéria prima 5050 é oxidada na etapa 5070, se agentes de oxidação 5160 foram adicionados à pasta 5050 em um reator de oxidação, então, a oxidação se processa no mesmo reator. Alternativamente, se agentes de oxidação 5160 foram adicionados à pasta 5050 em uma câmara de pré-processamento, então, a pasta 5050 é transportada para um reator de oxidação via um sistema de tubulação in-line. Uma vez dentro do reator de oxidação, oxidação da matéria prima de biomassa se processa sob um ambiente controlado de condições ambientais. Tipicamente, por exemplo, o reator de oxidação é um vaso cilíndrico que é fechado ao ambiente externo e pressurizado. Operação em batelada e contínua são possíveis, embora condições ambientais sejam, tipicamente, mais fáceis de controlar em operações de processamento em batelada in-line. [00372] Oxidação de pasta de matéria prima 5050 ocorre, tipicamente, em temperaturas elevadas no reator de oxidação. Por exemplo, a temperatura da pasta 5050 no reator de oxidação é, tipicamente, mantida acima de 100°C, em uma faixa de 120°C a 240°C. Para muito s tipos de matéria prima de biomassa, oxidação é particularmente eficiente se a temperatura da pasta 5050 é mantida entre 150°C e 220°C. A past a 5050 pode ser aquecida usando uma variedade de dispositivos de transferência térmica. Por exemplo, em algumas modalidades, o reator de oxidação contata um

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107/265 banho de aquecimento que inclui óleo ou sais fundidos. Em determinadas modalidades, uma série de tubulações de permuta de calor envolve e contata o reator de oxidação e circulação de fluido quente dentro das tubulações aquece a pasta 5050 no reator. Outros dispositivos de aquecimento que podem ser usados para aquecer a pasta 5050 incluem elementos de aquecimento resistivos, aquecedores de indução e fontes de micro-ondas, por exemplo.

[00373] O tempo de residência da pasta de matéria prima 5050 no reator de oxidação pode ser variado conforme desejado para processar a matéria prima. Tipicamente, a pasta 5050 leva de 1 minuto a 60 minutos sofrendo oxidação no reator. Para um material de biomassa relativamente macio, tal como matéria lignocelulósica, o tempo de residência no reator de oxidação pode ser de 5 minutos a 30 minutos, por exemplo, em uma pressão de oxigênio de entre 3 e 12 bars no reator e em uma temperatura da pasta de entre 160°C e 210°C. Para outros tipos de matéria prima, contudo, tempos de residência no reator de oxidação podem ser mais longos, por exemplo, tão longos quanto 48 horas. Para determinar tempos de residência apropriados para a pasta 5050 no reator de oxidação, alíquotas da pasta podem ser extraídas do reator em intervalos específicos e analisadas para determinar as concentrações de produtos de interesse particular, tais como sacarídeos complexos. Informação sobre o aumento nas concentrações de determinados produtos na pasta 5050 como uma função do tempo pode ser usada para determinar os tempos de residência para classes particulares de material de matéria prima. [00374] Em algumas modalidades, durante oxidação da pasta de matéria prima 5050, ajusta do pH da pasta pode ser realizado mediante introdução de um ou mais agentes químicos no reator de oxidação. Por exemplo, em determinadas modalidades, oxidação ocorre mais eficientemente em uma faixa de pH de cerca de 9-11. Para manter um pH nessa faixa, agentes tais como hidróxidos alcalinos e alcalinoterrosos, carbonaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 181/343

108/265 tos, amônia e soluções de tampão alcalinas podem ser introduzidas no reator de oxidação.

[00375] Circulação de pasta 5050 durante oxidação pode ser importante para assegurar contato suficiente entre os agentes de oxidação 5160 e a matéria prima. Circulação da pasta pode ser obtida usando uma variedade de técnicas. Por exemplo, em algumas modalidades, um aparelho de agitação mecânica que inclui pás propulsoras ou uma roda de pás pode ser implementado no reator de oxidação. Em determinadas modalidades, o reator de oxidação pode ser um reator de loop, no qual o solvente aquoso no qual a matéria prima é suspensa é simultaneamente drenado da parte inferior do reator e re-circulado para cima do reator via uma bomba, desse modo, assegurando que a pasta é continuamente re-misturada e não estagna dentro do reator.

[00376] Após oxidação da matéria prima estar completo, a pasta é transportada para um aparelho de separação, onde uma etapa de separação mecânica 5080 ocorre. Tipicamente, a etapa de separação mecânica 5080 inclui um ou mais estágios crescentes de filtração de finos da pasta para separar mecanicamente os constituintes sólidos e líquidos. [00377] A fase líquida 5090 é separada da fase sólida 500 e as duas fases são processadas independentemente depois. A fase sólida 5100 pode, opcionalmente sofrer uma etapa de secagem 5120 em um aparelho de secagem por exemplo. A etapa de secagem 5120 pode incluir, por exemplo, dispersão mecânica do material sólido sobre uma superfície de secagem e evaporação de água da fase sólida 5100 através de ligeiro aquecimento do material sólido. Após a etapa de secagem 5120 (ou, altemativamente, sem sofrer a etapa de secagem 5120), a fase sólida 5100 é transportada para as etapas adicionais de processamento 5140. [00378] A fase líquida 5090 pode, opcionalmente, sofrer uma etapa de secagem 5110 para reduzir a concentração de água na fase líquida. Em algumas modalidades, por exemplo, a etapa de secagem 5110 pode inPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 182/343

109/265 cluir evaporação e/ou destilação e/ou extração de água da fase líquida 5090 através de ligeiro aquecimento do líquido. Alternativamente ou além disso, um ou mais agentes de secagem químicos podem ser usados para remover água da fase líquida 5090. Após a etapa de secagem 5110 (ou alternativamente, sem sofrer a etapa de secagem 5110), a fase líquida 5090 é transportada para etapas adicionais de processamento 5130, as quais podem incluir uma variedade de etapas de tratamentos químicos e biológicos, tais como hidrólise química e/ou enzimática.

[00379] A etapa de secagem 5110 cria uma corrente residual 5220, uma solução aquosa que pode incluir agentes químicos dissolvidos, tais como ácidos e bases em concentrações relativamente baixas. Tratamento da corrente residual 5220 pode incluir, por exemplo, neutralização de pH com um ou mais ácidos ou bases minerais. Dependendo da concentração de sais dissolvidos na corrente residual 5220, a solução pode ser parcialmente desionizada (por exemplo, mediante passagem da corrente residual através de um sistema de troca de íons). Então, a corrente residual - a qual inclui primariamente água - pode ser re-circulada para o processo global (por exemplo, como água 5150), desviada para outro processo ou descarregada.

[00380] Tipicamente, para matérias primas de biomassa lignocelulósicos, após a etapa de separação 5070, a fase líquida 5090 inclui uma variedade de poli- e oligossacarídeos solúveis os quais podem, então, ser separados e/ou reduzidos para sacarídeos de menor cadeia via outras etapas de processamento. A fase sólida 5100 inclui, tipicamente, celulose primariamente, por exemplo, com menores quantidades de produtos derivados de hemicelulose e lignina.

[00381] Em algumas modalidades, oxidação pode ser realizada en temperatura elevada em um reator, tal como uma câmara de pirólise. Por exemplo, fazendo referência mais uma vez à figura 17, materiais de matéria prima podem ser oxidados em um aparelho de pirólise com filamento

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1712. Em um uso típico, um gás veículo de oxidação, por exemplo, ar ou uma mistura de ar/argônio, atravessa o contentor de amostra 1713, enquanto que o elemento de aquecimento resistivo é girado e aquecido para uma temperatura desejada, por exemplo, 325°C. Após um tempo apropriado, por exemplo, 5 a 10 minutos, o material oxidado é esvaziado do contentor de amostra. O sistema mostrado na figura 17 pode ser escalonado e tornado contínuo. Por exemplo, ao invés de um fio como o elemento de aquecimento, o elemento de aquecimento pode ser uma rosca de broca. O material pode cair continuamente no contentor de amostra, apertando uma rosca aquecida que leva o material à pirólise. Ao mesmo tempo, a rosca pode empurrar o material oxidado para fora do contentor de amostra para permitir a entrada de material não oxidado fresco. [00382] Materiais de matéria prima também podem ser oxidados em qualquer um dos sistemas de pirólise mostrados nas figuras 18-20 e descritos acima na seção Sistemas de Pirólise.

[00383] Fazendo referência mais uma vez à figura 21, materiais de matéria prima podem ser rapidamente oxidados mediante revestimento com um filamento de tungstênio 150, junto com um oxidante, tal como um peróxido, com o material celulósico desejado, enquanto o material está alojado em uma câmara de vácuo 151. Para realizar oxidação, corrente é passada através do filamento, o que causa um aquecimento rápido do filamento durante um tempo desejado. Tipicamente, o aquecimento é continuado durante segundos antes de permitir que o filamento esfrie. Em algumas modalidades, o aquecimento é realizado uma série de vezes para obter uma quantidade desejada de oxidação.

[00384] Fazendo referência mais uma vez à figura 12, em algumas modalidades, materiais de matéria prima pode ser oxidados com o auxílio de som e/ou cavitação. Em geral, para realizar oxidação, os materiais são submetidos a sonicação em um ambiente de oxidação, tal como água saturada com oxigênio ou outro oxidante químico, tal como peróxido de hiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 184/343

111/265 drogênio.

[00385] Fazendo referência mais uma vez às figuras 9 e 10, em determinadas modalidades, radiação ionizante é usada para auxiliar na oxidação de materiais de matéria prima. Em geral, para realizar oxidação, os materiais são irradiados em um ambiente de oxidação, tal como ar ou oxigênio. Por exemplo, radiação gama e/ou radiação de feixe de elétrons pode ser empregada para irradiar os materiais.

Outros processo [00386] Explosão de vapor pode ser usada isoladamente sem qualquer um dos processos descritos aqui ou em combinação com qualquer um dos processos descritos aqui.

[00387] A figura 23 mostra ma visão geral de todo o processo de conversão de uma fonte de fibra 400 em um produto 450, tal como etanol, através de um processo que inclui cisalhamento e explosão de vapor para produzir um material fibroso 401 o qual é, então, hidrolisado e convertido, por exemplo, fermentado, para produzir o produto. A fonte de fibra pode ser transformada em material fibroso 401 através de uma série de possíveis métodos, incluindo pelo menos um processo de cisalhamento e pelo menos um processo de explosão de vapor.

[00388] Por exemplo, uma opção inclui cisalhamento da fonte de fibra, seguido por etapa(s) opcional(is) de peneiramento e etapa(s) opcional(is) de cisalhamento para produzir uma fonte de fibra cisalhada 402 a qual pode, então, ser explodida a vapor para produzir o material fibroso 401. O processo de explosão de vapor é opcionalmente seguido por um processo de recuperação de fibra para remover líquidos ou o licor 404 resultante do processo de explosão de vapor. O material resultante de explosão de vapor da fonte de fibra cisalhada pode ser ainda cisalhado através de etapa(s) opcional(is) de cisalhamento e/ou etapas(s) opcional(is) de peneiramento adicional(is).

[00389] Em outro método, o material fibroso 401 é primeiro explodido

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112/265 a vapor para produzir uma fonte de fibra explodida a vapor 410. A fonte de fibra explodida a vapor resultante é, então, submetida a um processo opcional de recuperação de fibra para remover líquidos ou o licor. A fonte de fibra explodida a vapor resultante pode, então, ser cisalhada para produzir o material fibroso. A fonte de fibra explodida a vapor também pode ser submetida a uma ou mais etapas opcionais de peneiramentos e/ou uma ou mais etapas opcionais de cisalhamento. O processo de cisalhamento e explosão de vapor da fonte de fibra para produzir o material fibroso cisalhado e explodido a vapor será ainda discutido abaixo. [00390] A fonte de fibra pode ser cortada em pedaços ou tiras de material em confete antes de cisalhamento ou explosão de vapor. Os processos de cisalhamento podem ocorrer com o material em um estado seco (por exemplo, tendo menos de 0,25 por cento em peso de água absorvida), um estado hidratado ou mesmo enquanto o material está parcial ou totalmente submerso em um líquido, tal como água ou isopropanol. O processo também podem incluir, de modo ótimo, etapas de secagem do produto após explosão de vapor ou cisalhamento para permitir etapas adicionais de secagem ou explosão de vapor. As etapas de cisalhamento, peneiramento e explosão de vapor podem ocorrer com ou sem a presença de várias soluções químicas.

[00391] Em um processo de explosão de vapor, a fonte de fibra ou a fonte de fibra cisalhada é contatada com vapor sob alta pressão e o vapor se difunde para as estruturas da fonte de fibra (por exemplo, as estruturas lignocelulósicas). O vapor, então, condensa sob alta pressão, desse modo, umedecendo a fonte de fibra. A umidade na fonte de fibra pode hidrolisar quaisquer grupos acetila na fonte de fibra (por exemplo, os grupos acetila nas frações de hemicelulose), que formam ácidos orgânicos, tais como ácidos acético e urônico. Os ácidos, por sua vez, podem catalisar a despolimerização de hemicelulose, liberando xilana e quantidades limitadas de glucana. A fonte de fibra úmida (ou fonte de fibra cisalhada,

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113/265 etc.) é, então, explodida quando a pressão é liberada. A umidade condensada evapora instantaneamente em virtude da súbita diminuição na pressão e a expansão do vapor de água exerce uma força de cisalhamento sobre a fonte de fibra (ou fonte de fibra cisalhada, etc.). uma força de cisalhamento suficiente causará ruptura mecânica das estruturas internas (por exemplo, as estruturas lignocelulósicas) da fonte de fibra. [00392] O material fibroso cisalhado e explodido a vapor é, então, convertido em um produto útil, tal como etanol. Em algumas modalidades, o material fibroso é convertido em um combustível. Um método de conversão do material fibroso em um combustível é através de hidrólise para produzir açúcares fermentáveis, 412 os quais são, então, fermentados para produzir o produto. Outros métodos conhecidos e desconhecidos de conversão de materiais fibrosos em combustíveis podem também ser usados.

[00393] Em algumas modalidades, antes de combinação do microorganismo, o material fibroso cisalhado e explodido a vapor 401 é esterilizado para matar quaisquer micro-organismos contaminantes que possam estar sobre o material fibroso. Por exemplo, o material fibroso pode ser esterilizado através de exposição do material fibroso à radiação, tal como radiação infravermelha, radiação ultravioleta ou uma radiação ionizante, tal como radiação gama. Os micro-organismos também podem mortos usando agentes de esterilização química, tais como alvejantes (por exemplo, hipoclorito de sódio), clorexidina ou óxido de etileno.

[00394] Um método para hidrolisar o material fibroso cisalhado e explodido a vapor é através do uso de celulases. Celulases são um grupo de enzimas que atuam sinergisticamente para hidrolisar a celulose. O complexo enzimático Accellerase® 1000 comercialmente disponível, o qual contém um complexo de enzimas que reduz biomassa lignocelulósica em açúcares fermentáveis, também pode ser usado.

[00395] De acordo com o entendimento atual, os componentes da cePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 187/343

114/265 lulase incluem endoglucanases, exoglucanases (celobiohidrolases) e βglucosidases (celobiases). O sinergismo entre os componentes da celulase existe quando a hidrólise de uma combinação de dois ou mais componentes excede a soma das atividades expressas pelos componentes individuais. O mecanismo geralmente aceito de um sistema de celulase (particularmente de T. longibrachiatum) sobre a celulose cristalina é: endoglucanase hidrolisa as ligações β-1,4-glicosídicas internas das regiões amorfas, desse modo, aumentando o número de extremidades de nãoredução expostas. Exoglucanases, então, clivam as unidades de celobiose das extremidades de não-redução as quais, por sua vez, são hidrolisadas em unidades de glicose individuais pelas β-glucosidases. Existem diversas configurações de endo- e exo-glucanases com diferentes estéreo-especificidades. Em geral, a ação sinergística dos componentes em várias configurações é requerida para hidrólise ótima de celulose. Celulases, contudo, são mais inclinadas a hidrolisar as regiões amorfas da celulose. Há uma relação linear entre a cristalinidade e as taxas de hidrólise, pelo que maiores índices de cristalinidade correspondem à menores taxas de hidrólise enzimática. Regiões amorfas da celulose hidrolisam em duas vezes a taxa das regiões cristalinas. A hidrólise do material fibroso cisalhado e explodido a vapor pode ser realizado através de qualquer processo de hidrólise de biomassa.

[00396] Explosão de vapor de biomassa, algumas vezes, causa a formação de subprodutos, por exemplo, toxinas, que são inibitórias para as atividades enzimáticas e microbianas. O processo de conversão do material fibroso cisalhado e explodido a vapor em um combustível pode, portanto, opcionalmente incluir uma etapa de uso excessivo de cal antes de fermentação para precipitar um pouco das toxinas. Por exemplo, o pH do material fibroso cisalhado e explodido a vapor pode ser elevado para exceder o pH de 10 mediante a adição de hidróxido de cálcio (Ca(OH)₂), seguido por uma etapa de diminuição do pH para cerca de 5 através da

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115/265 adição de H₂SO₄. O material fibroso com excesso de cal pode, então, ser usado como está sem a remoção de precipitados. Conforme mostrado na figura 23, a etapa opcional de uso excessivo de cal ocorre exatamente antes da etapa de hidrólise do material fibroso cisalhado e explodido a vapor, mas também considera-se desempenhar a etapa de uso excessivo de cal após a etapa de hidrólise e antes da etapa de fermentação. [00397] A figura 24 representa um exemplo de um aparelho de explosão de vapor 460. O aparelho de explosão de vapor 460 inclui uma câmara de reação 462, na qual a fonte de fibra e/ou o material fibroso são colocados través de uma entrada de fonte de fibra 464. Fechamento da válvula de entrada de fonte de fibra 465 veda a câmara de reação. A câmara de reação ainda inclui uma entrada de vapor pressurizado 466 que inclui uma válvula de vapor 467. A câmara de reação ainda inclui uma saída de despressurização explosiva 468 que inclui uma válvula de saída 469 em comunicação com o ciclone 470 através da tubulação de conexão 472. Uma vez que a câmara de reação contém a fonte de fibra e/ou fonte de fibra cisalhada e é vedada através de fechamento das válvulas 465, 467 e 469, vapor é distribuído à câmara de reação 462 mediante abertura da válvula de entrada de vapor 467, permitindo que o vapor trafegue através da entrada de vapor 466. Uma vez que a câmara de reação atinge a temperatura alvo, o que pode levar cerca de 20 - 60 segundos, o tempo de contenção começa. A camara de reação é mantida na temperatura alvo durante o tempo de contenção desejado o qual dura, tipicamente, de cerca de 10 segundos a 5 minutos. No final do período de tempo de contenção, a válvula de saída é aberta para permitir que despressurização explosiva ocorra. O processo de despressurização explosiva impulsiona os conteúdos da câmara de reação 462 para fora da saída de despressurização explosiva 468, através da tubulação de conexão 472 e para o ciclone 470. A fonte de fibra ou material fibroso explodido a vapor, então, sai do ciclone em uma forma de sedimento no recipiente de coleta 474,

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116/265 enquanto que o vapor restante sai do ciclone para a atmosfera através da ventilação 476. O aparelho de explosão de vapor ainda inclui uma saída de lavagem 478 com uma válvula de saída de lavagem 479 em comunicação com a tubulação de conexão 472. A válvula de saída de lavagem 479 é fechada durante o uso do aparelho de explosão de vapor 460 para explosão de vapor, mas aberta durante a lavagem da câmara de reação 462. A temperatura alvo da câmara de reação 462 está, de preferência, entre 180 e 240 graus Celsius ou entre 200 e 220 graus Celsius. O tempo de contenção está, de preferência, entre 10 segundos e 30 minutos ou entre 30 segundos e 10 minutos ou entre 1 minuto e 5 minutos.

[00398] A temperatura alvo da câmara de reação 462 está, de preferência, entre 180 e 240 graus Celsius ou entre 200 e 220 graus Celsius. O tempo de contenção está, de preferência, entre 10 segundos e 30 minutos ou entre 30 segundos e 10 minutos ou entre 1 minuto e 5 minutos. [00399] Em virtude do processo de explosão de vapor resultar em um sedimento de material fibroso explodido a vapor, o material fibroso explodido a vapor pode opcionalmente incluir um processo de recuperação de fibra onde o licor é separado do material fibroso explodido a vapor. Essa etapa de recuperação de fibra é útil pelo fato de que ela permite processos adicionais de cisalhamento e/ou peneiramento e pode permitir a conversão do material fibroso em um combustível. O processo de recuperação de fibra ocorre mediante o uso de uma gaze para separar as fibras do licor. Outros processos de secagem também podem ser incluídos para preparar o material fibroso ou fonte de fibra explodida a vapor para subsequente processamento.

Dispositivos de irradiação, pirólise, sonicação e/ou oxidação combinados [00400] Em algumas modalidades, pode ser vantajoso combinar dois ou mais dispositivos distintos de irradiação, sonicação, pirólise e/ou oxidação em uma única máquina híbrida. Usando tal máquina híbrida, múltiplos processos podem ser realizados em justaposição próxima ou mesmo

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117/265 simultaneamente, com o benefício de aumento da produção de prétratamento e economias potenciais de custo.

[00401] Por exemplo, considere os processos de irradiação de feixe de elétrons e sonicação. Cada processo distinto é eficaz ao diminuir o peso molecular médio do material celulósico em uma ordem de magnitude ou mais e em várias ordens de magnitude quando realizado serialmente. [00402] Processos de irradiação e sonicação podem ser aplicados usando um dispositivo híbrido de feixe de elétrons/sonicação, conforme é ilustrado na figura 25. O dispositivo híbrido de feixe de elétrons/sonicação 2500 é representado acima de um reservatório raso (profundidade ~ 3-5 cm) de uma pasta de material celulósico 2550 disperso em um meio oxidante aquoso, tal como peróxido de hidrogênio ou peróxido de carbamida. O dispositivo híbrido 2500 tem uma fonte de energia 2510, a qual aciona o emissor de feixe de elétrons 2540 e antenas de sonicação em forma de chifre 2530,.

[00403] O emissor de feixe de elétrons 2540 gera feixes de elétrons, os quais passam através de um dos de objetivação de feixe de elétrons 2545 para colidir com a pasta 2550 contendo material celulósico. O dispositivo de objetivação de feixe de elétrons pode ser um scanner que varre um feixe sobre uma faixa de até cerca de 6 pés em uma direção aproximadamente paralela à superfície da pasta 2550.

[00404] Sobre qualquer lado do emissor de feixe de elétrons 2540 estão antenas de sonicação em forma de chifre 2530, as quais distribuem energia de onda ultra-sônica à pasta 2550. As antenas de sonicação em forma de chifre 2530 terminam em uma parte terminal destacável 2535 que está em contato com a pasta 2550.

[00405] As antenas de sonicação em forma de chifre 2530 estão em risco de dano pela exposição residual a longo prazo à radiação de feixe de elétrons. Assim, as antenas em forma de chifre podem ser protegidas com uma proteção padrão 2520, por exemplo, feita de chumbo ou uma

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118/265 liga contendo metal pesado, tal como metal Lipowitz, o qual é impermeável à radiação de feixe de elétrons. Precauções devem ser tomadas, contudo, para assegurar que a energia ultra-sônica não é afetada pela presença da proteção. As partes terminais destacáveis 2535, as quais são construídas do mesmo material e presas às antenas em forma de chifre 2530, estão em contato com o material celulósico 2550 durante processamento e espera-se que sejam danificadas. Consequentemente, as partes terminais destacáveis 2535 são construídas para serem facilmente substituídas.

[00406] Um outro benefício de tal processo simultâneo com feixe de elétrons e ultrassom é que os dois processos têm resultados complementares. Com irradiação de feixe de elétrons isoladamente, uma dose insuficiente pode resultar em reticulação de alguns dos polímeros no material celulósico, o que diminui a eficiência do processo global de despolimerização. Menores doses de irradiação de feixe de elétrons e/ou radiação por ultrassom também podem ser usadas para obter um grau de despolimerização similar àquele obtido usando irradiação de feixe de elétrons e sonicação separadamente.

[00407] Um dispositivo de feixe de elétrons também pode ser combinado com um ou mais dispositivos de rotor-estator de alta frequência, os quais podem ser usados como uma alternativa a dispositivos de sonicação.

[00408] Outras combinações de dispositivos são também possíveis. Por exemplo, um dispositivo de radiação ionizante que produz radiação gama emitida, por exemplo, a partir de péletes de ⁶⁰Co, pode ser combinado com uma fonte de feixe de elétrons e/ou uma fonte de onda ultrasônica. Os requisitos de proteção podem ser mais rigorosos nesse caso. [00409] Um dispositivo de radiação para pré-tratamento de biomassa discutido acima também pode ser combinado com um ou mais dispositivos que desempenham uma ou mais sequências de processamento por

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119/265 pirólise. Tal combinação pode, mais uma vez, ter a vantagem de maior rendimento. Todavia, cuidado deve ser observado, uma vez que pode haver requisitos conflitantes entre alguns processos de radiação e pirólise. Por exemplo, dispositivos de radiação ultra-sônicos podem requerer que a matéria prima seja imerso em um meio de oxidação líquido. Por outro lado, conforme discutido anteriormente, pode ser vantajoso que a amostra de matéria prima a sofrer pirólise seja de um teor de umidade em particular. Nessa caso, os novos sistemas medem e monitoram automaticamente um teor de umidade particular e regulam o mesmo. Ainda, alguns ou todos os dispositivos acima, especialmente o dispositivo de pirólise, podem ser combinados com um dispositivo de oxidação, conforme discutido anteriormente.

PROCESSOS PRIMÁRIOS

Fermentação [00410] Em geral, diversos micro-organismos podem produzir uma série de produtos úteis, tal como um combustível, operando, por exemplo, sobre a fermentação de materiais de biomassa pré-tratados. Por exemplo, fermentação ou outros processos podem produzir álcoois, ácidos orgânicos, hidrocarbonetos, hidrogênio, proteínas ou misturas de qualquer um desses materiais.

[00411] O micro-organismo pode ser um micro-organismo natural ou um micro-organismo manipulado. Por exemplo, o micro-organismo pode ser uma bactéria, por exemplo, uma bactéria celulolítica, um fungo, por exemplo, um levedo, uma planta ou um protista, por exemplo, uma alga, um protozoário ou um protista semelhante a fungo, por exemplo, um mofo de lama. Quando os organismos são compatíveis, misturas de organismos podem ser utilizadas.

[00412] Para auxiliar na decomposição de materiais que incluem a celulose, uma ou mais enzimas, por exemplo, uma enzima celulolítica, pode ser utilizada. Em algumas modalidades, os materiais que incluem a celuPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 193/343

120/265 lose são primeiro tratados com a enzima, por exemplo, mediante combinação do material e da enzima em uma solução aquosa. Esse material pode, então, ser combinado com o micro-organismo. Em outras modalidades, os materiais que incluem a celulose, a uma ou mais enzimas e o micro-organismo são combinados concorrentemente, por exemplo, mediante combinação em uma solução aquosa.

[00413] Também, para auxiliar na decomposição dos materiais que incluem a celulose, os materiais tratados, pós-irradiação, com calor, um produto químico (por exemplo, ácido mineral, base ou um oxidante forte, tal como hipoclorito de sódio) e/ou uma enzima.

[00414] Durante a fermentação, açúcares liberados da etapa de hidrólise celulolítica ou de sacarificação, são fermentados, por exemplo, em etanol, por um micro-organismo de fermentação, tal como levedo. Microorganismos de fermentação adequados têm a capacidade de converter carboidratos, tais como glicose, xilose, arabinose, manose, galactose, oligossacarídeos ou polissacarídeos, em produtos da fermentação. Microorganismos de fermentação incluem cepas do gênero Sacchromyces spp. por exemplo, Sacchromyces cerevisiae (levedo de padaria), Saccharomyces distaticus, Saccharomyces uvarum; do gênero Kluyveromyces, por exemplo, espécies Kluyveromyces marxianus e Kluyveromyces fragilis; do gênero Candida, por exemplo, Candida pseudotropicalis e Candida brassicae, Pichia stipitis (um parente de Candida shehatae),; do gênero Clavispora, por exemplo, espécies Clavispora lusitaniae e Clavispora opuntiae; do gênero Pachysolen, por exemplo, espécies Pachysolen tannophilus; do gênero Bretannomyces, por exemplo, espécies Bretannomyces clausenii; (Philippidis G.P., 1996, Cellulose Bioconversion Technology, em Handbook on Bioetanol: Production and Utilization, Wyman,C.E., ed., Taylor & Francis, Washington, DC, 179-212).

[00415] Levedos comercialmente disponíveis incluem, por exemplo, Red Star®/Lesaffre Ethanol Red (disponível da Red Star/Lesaffre, EUA),

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FALI® (disponível da Fleischmann’s Yeast, uma divisão da Burns Philip Food Inc., EUA); SUPERSTART® (disponível da Alltech), GERT STRAND® (disponível da Gert Strand AB, Suécia); e FERMOL® (disponível da DSM Specialties).

[00416] Bactérias que podem fermentar biomassa em etanol e outros produtos incluem, por exemplo, Zymomonas mobilis e Clostridium thermocellum (Philippidis, 1996, supra). Leschine et al. (International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 2002, 52, 1155-1160) isolaram uma bactéria anaeróbica, mesofílica, celulolítica de solo da floresta, Clostridium phytofermentans sp. nov., a qual converte celulose em etanol. [00417] Fermentação de biomassa em etanol e outros produtos pode ser realizada usando determinados tipos de micro-organismos termofílicos ou geneticamente manipulados, tais como espécies Thermoanaerobacter, incluindo T. mathranii e espécies de levedo, tais como espécies Pichia. Um exemplo de uma cepa de T. mathranii é A3M4 descrita em Sonne-Hansen et al. (Applied Microbiology and Biotechnology 1993, 38, 537-541) ou Ahring et al. (Arch. Microbiol. 1997, 168, 114-119).

[00418] Levedo e bactérias Zymomonas podem ser usados para fermentação ou conversão. O pH ótimo para levedo é um pH de cerca de 4 a 5, enquant que o pH ótimo para Zymomonas é um pH de cerca de 5 a

6. Tempos típicos de fermentação são cerca de 24 a 96 horas, com temperaturas na faixa de 26°C a 40°C, contudo micro-or ganismos termofílicos preferem maiores temperaturas.

[00419] Enzimas as quais decompõem a biomassa, tal como celulose, para diminuir os materiais contendo carboidrato de baixo peso molecular, tal como glicose, durante sacarificação, são referidas como enzimas celulolíticas ou celulase. Essas enzimas podem ser um complexo de enzimas que atuam sinergisticamente para degradar a celulose cristalina. Exemplos de enzimas celulolíticas incluem: endoglucanases, celobiohidrolases e celobiases (β-glucosidases). Um substrato celulósico é inicialmente hiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 195/343

122/265 drolisado por endoglucanases em locais aleatórios que produzem intermediários oligoméricos. Esses intermediários são, então, substratos para glucanases de exo-divisão, tal como celobiohidrolase, para produzir celobiose a partir das extremidades do polímero de celulose. A celobiose é um dímero de glicose β-1,4-ligado solúvel em água. Finalmente, a celobiase cliva celobiose para proporcionar glicose.

[00420] Uma celulase é capaz de degradar biomassa e pode ser de origem fúngica ou bacteriana. Enzimas adequadas incluem celulases dos gêneros Bacillus, Pseudomonas, Humicola, Fusarium, Thielavia, Acremonium, Chrysosporium e Trichoderma e incluem espécies Humicola, Coprinus, Thielavia, Fusarium, Myceliophthora, Acremonium, Cephalosporium, Scytalidium, Penicillium ou Aspergillus (veja, por exemplo, EP 458162), especialmente aquelas produzidas por uma cepa selecionada das espécies Humicola insolens (re-classificada como Scytalidium thermophilum; veja, por exemplo, Patente U.S. N^o 4.435.307), Coprinuscinereus, Fusarium oxysporum, Myceliophthora thermophila, Meripilus giganteus, Thielavia terrestris, Acremonium sp., Acremonium persicinum, Acremonium acremonium, Acremonium brachypenium, Acremonium dichromosporum, Acremonium obclavatum, Acremonium pinkertoniae, Acremonium roseogriseum, Acremonium incoloratum e Acremonium furatum; de preferência das espécies Humicola insolens DSM 1800, Fusarium oxysporum DSM 2672, Myceliophthora thermophila CBS 117.65, Cephalosporium sp. RYM-202, Acremonium sp. CBS 478.94, Acremonium sp. CBS 265.95, Acremonium persicinum CBS 169.65, Acremonium acremonium AHU 9519, Cephalosporium sp. CBS 535.71, Acremonium brachypenium CBS 866.73, Acremonium dichromosporum CBS 683.73, Acremonium obclavatum CBS 311,74, Acremonium pinkertoniae CBS 157.70, Acremonium roseogriseum CBS 134.56, Acremonium incoloratum CBS 146.62 e Acremonium furatum CBS 299.70H. Enzimas celulolíticas também podem ser obtidas de Chrysosporium, de preferência uma cepa

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123/265 de Chrysosporium lucknowense. Adicionalmente, Trichoderma (particularmente Trichoderma viride, Trichoderma reeseie Trichoderma koningii), Bacillus alcalofílicos (veja, por exemplo, Patente U.S. N^o 3.844.890 e EP 458162) e Streptomyces (veja, por exemplo, EP 458162) podem ser usadas. A bactéria Saccharophagus degradans, produz uma mistura de enzimas capaz de degradar uma série de materiais celulósicos e pode também ser usada nesse processo.

[00421] Bactérias celulolíticas anaeróbicas também foram isoladas do solo, por exemplo, uma nova espécie celulolítica de Clostiridium, Clostridium phytofermentans sp. nov. (veja Leschine et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2002), 52, 1155-1160). [00422] Enzimas celulolíticas usando a tecnologia recombinante também podem ser usadas (vide, por exemplo, documentos WO 2007/071818 e WO 2006/110891).

[00423] As enzimas celulolíticas podem ser produzidas através de fermentação das cepas microbianas mencionadas acima sobre um meio nutriente contendo fontes de carbono e nitrogênio adequadas e sais inorgânicos, usando procedimentos conhecidos no campo (veja, por exemplo, Bennett, J.W. e LaSure, L. (eds.), More Gene Manipulations in Fungi, Academic Press, CA 1991). Meios adequados estão disponíveis de fornecedores comerciais ou podem ser preparados de acordo com composições publicadas (por exemplo, em catálogos da American Tipo Culture Collection). Faixas de temperatura e outras condições adequadas para crescimento e produção de celulase são conhecidos no campo (vide, por exemplo, Bailey, J.E. e Ollis, D.F., Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, NY, 1986).

[00424] Tratamento de celulose com celulase é usualmente realizado em temperaturas entre 30°C e 65°C. Celulases são at ivas sobre uma faixa de pH de cerca de 3 a 7. Uma etapa de sacarificação pode durar até 120 horas. A dosagem de enzima celulase obtém um nível suficientemenPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 197/343

124/265 te alto de conversão de celulose. Por exemplo, uma dosagem de celulase apropriada está, tipicamente, entre 5,0 e 50 Unidade de Papel Filtro (FPU ou IU) por grama de celulose. A FPU é uma medida padrão e é definida e medida de acordo com Ghose (1987, Pure and Appl. Chem. 59: 257-268). [00425] Fermentadores móveis podem ser utilizados, conforme descrito no Pedido de Patente Provisório U.S. N² De Série 60/832.735, agora Pedido Internacional Publicado N^o WO 2008/011598.

Gasificação [00426] Além de usar pirólise para pré-tratamento de matéria prima, pirólise também pode ser usada para processar a matéria prima prétratado para extrair materiais úteis. Em particular, uma forma de pirólise conhecida como gasificação pode ser empregada para gerar gases combustíveis junto com vários outros produtos gasosos, líquidos e sólidos. Para realizar a gasificação, a matéria prima pré-tratado é introduzido em uma câmara de pirólise e aquecido para uma alta temperatura, tipicamente 700°C ou mais. A temperatura usada depende de um a série de fatores, incluindo a natureza da matéria prima e os produtos desejados.

[00427] As quantidades de oxigênio (por exemplo, como gás oxigênio puro e/ou como ar) e vapor (por exemplo, vapor superaquecido) são também adicionadas à câmara de pirólise para facilitar a gasificação. Esses compostos reagem com o material da matéria prima contendo carbono em uma reação com múltiplas etapas para gerar uma mistura gasosa denominada gás de síntese (ou syngas). Essencialmente, durante a gasificação, uma quantidade limitada de oxigênio é introduzida na câmara de pirólise para permitir que um pouco do material de matéria prima entre em combustão para formar monóxido de carbono e gerar calor de processo. O calor de processo pode, então, ser usado para promover uma segunda reação que converte o material de matéria prima adicional em hidrogênio e monóxido de carbono.

[00428] Em uma primeira etapa de reação global, aquecimento do maPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 198/343

125/265 terial de matéria prima produz uma carbonização que pode incluir uma ampla variedade de diferentes espécies baseadas em hidrocarboneto. Determinados materiais voláteis podem ser produzidos (por exemplo, determinados materiais gasosos de hidrocarboneto), resultando em uma redução do peso global do material da matéria prima. Então, em uma segunda etapa da reação, um pouco do material volátil que é produzido na primeira etapa reage com o oxigênio em uma reação de combustão para produzir monóxido de carbono e dióxido de carbono. A reação de combustão libera calor, o que promove a terceira etapa da reação. Na terceira etapa, dióxido de carbono e vapor (por exemplo, água) reagem com a carbonização gerada na primeira etapa para formar monóxido de carbono e gás hidrogênio. Monóxido de carbono também pode reagir com vapor, em uma reação de desvio de água/gás, para formar dióxido de carbono e mais gás hidrogênio.

[00429] Gasificação pode ser usada como um processo primário para gerar produtos diretamente a partir da matéria prima pré-tratado para subsequente transporte e/ou venda, por exemplo. Alternativamente ou além disso, gasificação pode ser usada como um processo auxiliar para a geração de combustível para um sistema de processamento global. O syngas rico em hidrogênio que é gerado via o processo de gasificação pode ser queimado, por exemplo, para gerar eletricidade e/ou calor de processo que pode ser dirigido para uso em outros locais no sistema de processamento. Como um resultado, o sistema de processamento global pode ser pelo menos parcialmente auto-suficiente. Uma série de outros produtos, incluindo óleos de pirólise e substâncias gasosas baseadas em hidrocarboneto, também podem ser obtidos durante e/ou após gasificação; esses podem ser separados e armazenados ou transportados, conforme desejado.

[00430] Uma variedade de diferentes câmaras de pirólise são adequadas para gasificação da matéria prima pré-tratado, incluindo as câmaras

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126/265 de pirólise divulgadas aqui. Em particular, sistemas de reator de leito fluidizado, nos quais a matéria prima pré-tratado é fluidizado em vapor e oxigênio/ar, proporcionam uma recuperação relativamente alta e direta de produtos. A carbonização sólida que permanece após gasificação em um sistema de leito fluidizado (ou em outras câmaras de pirólise) pode ser queimada para gerar calor adicional para o processo a fim de promover subsequentes reações de gasificação.

PÓS-PROCESSAMENTO

Destilação [00431] Após fermentação, os fluidos resultantes podem ser destilados usando, por exemplo, uma coluna de levedura para separar o etanol e outros álcoois da maioria da água e sólidos residuais. O vapor que sai da coluna de levedura pode ser, por exemplo, 35% em peso de etanol e pode ser alimentado a uma coluna de retificação. Uma mistura de etanol (92,5%) e água quase azeotrópica da coluna de retificação pode ser purificada ao etanol (99,5%) puro usando peneiras moleculares de fase vapor. As partes inferiores da coluna de levedura pode ser enviada ao primeiro estágio de um evaporador de três estágios. O condensador de refluxo da coluna de retificação pode fornecer calor para esse primeiro estágio. Após o primeiro estágio, sólidos podem ser separados usando uma centrífuga e secos em um secador giratório. Uma porção (25%) do efluente da centrífuga pode ser reciclada para fermentação e o resto enviado para os segundo e terceiros estágios do evaporador. A maioria do condensado do evaporador pode ser retornada para o processo como um condensado razoavelmente limpo, com uma pequena porção da água tratada desviada para impedir o desenvolvimento de compostos de baixo ponto de ebulição.

Tratamento de água residual [00432] T ratamento de águas residuais é usado para minimizar os requisitos de composição da água da fábrica mediante tratamento da água

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127/265 de processo para reutilização dentro da fábrica. Tratamento de águas residuais também pode produzir combustível (por exemplo, sedimento e biogás) que pode ser usado para aprimorar a eficiência global do processo de produção de etanol. Por exemplo, conforme descrito em maiores detalhes abaixo, sedimento e biogás podem ser usados para criar vapor e eletricidade que podem ser usados em vários processos na fábrica. [00433] Água residual é inicialmente bombeada através de uma peneira (por exemplo, uma peneira de barra) para remover as partículas grandes, as quais são coletadas em um depósito alimentador. Em algumas modalidades, as partículas grandes são enviadas para um aterro. Adicional ou alternativamente, as partículas grandes são queimadas para criar vapor e/ou eletricidade, conforme descrito em maiores detalhes abaixo. Em geral, o espaçamento sobre a peneira de barra está entre 1/4 polegada a 1 polegada de espaçamento (por exemplo, 1/2 polegada de espaçamento).

[00434] A água residual, então, flui para um tanque de equalização, onde a concentração de orgânicos da água residual é equilibrada durante um tempo de retenção. Em geral, o tempo de retenção está entre 8 horas e 36 horas (por exemplo, 24 horas). Um misturador é disposto dentro do tanque para agitar os conteúdos do tanque. Em algumas modalidades, uma pluralidade de misturadores dispostos por todo o tanque são usados para agitar os conteúdos do tanque. Em determinadas modalidades, o misturador mistura substancialmente os conteúdos do tanque de equilíbrio, de modo que as condições (por exemplo, concentração e temperatura da água residual) por todo o tanque sejam uniformes.

[00435] Uma primeira bomba move a água do tanque de equalização através de um permutador de calor de líquido-para-líquido. O permutador de calor é controlado (por exemplo, mediante controle da taxa de fluxo de fluido através do permutador de calor) de modo que a água residual que sai do permutador de calor esteja em uma temperatura desejada para

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128/265 tratamento anaeróbico. Por exemplo, a temperatura desejada para tratamento anaeróbico pode estar entre 40°C a 60°C.

[00436] Após sair do permutador de calor, a água residual entra um ou mais reatores anaeróbicos. Em algumas modalidades, a concentração de sedimento em cada reator anaeróbico é a mesma que a concentração global de sedimento na água residual. Em outras modalidades, o reator anaeróbico tem uma maior concentração de sedimento do que a concentração global de sedimento na água residual.

[00437] Uma solução de nutriente contendo nitrogênio e fósforo é medida em cada reator anaeróbico contendo água residual. A solução de nutriente reage com o sedimento no reator anaeróbico para produzir biogás, o qual pode conter 50% de metano e tem um valor de aquecimento de aproximadamente 12.000 unidades térmicas Britânicas (British Thermal Units) ou Btu por libra. O biogás sai de cada reator anaeróbico através de uma ventilação e flui para um manifold, onde uma pluralidade de correntes de biogás são combinadas em uma única corrente. Um compressor move a corrente de biogás para uma caldeira ou um motor de combustão, conforme descrito em maiores detalhes abaixo. Em algumas modalidades, o compressor também move a única corrente de biogás através de um catalisador de dessulfurização. Adicional ou alternativamente, o compressor pode mover a única corrente de biogás através de um sifão de sedimento.

[00438] Uma segunda bomba move o efluente anaeróbico dos reatores anaeróbicos para um ou mais reatores aeróbicos (por exemplo, reatores de sedimento ativados). Um aerador é disposto dentro de cada reator aeróbico para misturar o efluente anaeróbico, sedimento e oxigênio (por exemplo, oxigênio contido no ar). Dentro de cada reator aeróbico, oxidação de material celular no efluente anaeróbico produz dióxido de carbono, água e amônia.

[00439] O efluente aeróbico se move (por exemplo, via gravidade) paPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 202/343

129/265 ra um separador, onde o sedimento é separado da água tratada. Um pouco do sedimento é retornado para o um ou mais reatores aeróbicos para criar uma concentração elevada de sedimento nos reatores aeróbicos, desse modo, facilitando a decomposição aeróbica de material celular na água residual. Um transportador remove o sedimento em excesso do separador. Conforme descrito em maiores detalhes abaixo, o sedimento em excesso é usado como combustível para criar vapor e/ou eletricidade. [00440] A água tratada é bombeada do separador para um tanque de assentamento. Sólidos dispersos por toda a água tratada assentam para o fundo do tanque de assentamento e são subsequentemente removidos. Após um período de assentamento, a água tratada é bombeada do tanque de assentamento através de um filtro fino para remover quaisquer sólidos residuais que permanecem na água. Em algumas modalidades, cloro é adicionado à água tratada para matar bc patogênicas. Em algumas modalidades, uma ou mais técnicas de separação física-química são usadas para purificar adicionalmente a água tratada. Por exemplo, água tratada pode ser bombeada através de um reator de adsorção de carbono. Como outro exemplo, água tratada pode ser bombeada através de um reator de osmose reversa.

[00441] No processos descritos aqui, sempre que água é usada em qualquer processo, ela pode ser água cinza, por exemplo, água cinza municipal ou água negra. Em algumas modalidades, a água cinza ou negra é esterilizada antes de uso. Esterilização pode ser realizada através de qualquer técnica desejada, por exemplo, por meio de irradiação, vapor ou esterilização química.

Combustão de resíduos [00442] A produção de álcool a partir de biomassa pode resultar na produção de várias correntes de subproduto úteis para a geração de vapor e eletricidade a serem usados em outras partes da fábrica. Por exemplo, vapor gerado a partir de queima de correntes de subproduto

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130/265 pode ser usado no processo de destilação. Como outro exemplo, eletricidade gerada a partir de queima de correntes de subproduto pode ser usada para acionar geradores de feixe de elétrons e transdutores ultrasônicos usados em pré-tratamento.

[00443] Os subprodutos usados para gerar vapor e eletricidade são derivados de uma série de fontes por todo o processo. Por exemplo, digestão aeróbica de água residual produz um biogás com alto teor de metano e uma pequena quantidade de biomassa residual (sedimento). Como outro exemplo, pós-destilado sólidos (por exemplo, lignina, celulose e hemicelulose não convertidas restantes dos processos primário e de prétratamento) podem ser usados como um combustível.

[00444] O biogás é desviado para um motor a combustão conectado a um gerador elétrico para produzir eletricidade. Por exemplo, o biogás pode ser usado como uma fonte de combustível para um motor a gás natural de ignição a centelha. Como outro exemplo, o biogás pode ser usado como uma fonte de combustível para um motor a gás natural de injeção direta. Como outro exemplo, o biogás pode ser usado como uma fonte de combustível para uma turbina de combustão. Adicional ou altemativamente, o motor a combustão pode ser configurado em uma configuração de co-geração. Por exemplo, calor residual de motores a combustão pode ser usado a fim de proporcionar água quente ou vapor para toda a fábrica.

[00445] O sedimento e sólidos pós-destilado são queimados para aquecer um fluxo de água através de um permutador de calor. Em algumas modalidades, o fluxo de água através do permutador de calor é evaporado e superaquecido em vapor. Em determinadas modalidades, o vapor é usado no reator de pré-tratamento e em permuta de calor em processos de destilação e evaporação. Adicional ou alternativamente, o vapor expande a potência de uma turbina a vapor de múltiplos estágios conectada a um gerador elétrico. O vapor que sai da turbina a vapor é conPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 204/343

131/265 densado com a água de refrigeração e retornada para o permutador de calor para reaquecimento em vapor. Em algumas modalidades, a taxa de fluxo de água através do permutador de calor é controlada para obter uma produção alvo de eletricidade pela turbina a vapor conectada a um gerador elétrico. Por exemplo, água pode ser adicionada ao permutador de calor para assegurar que a turbina a vapor está operando acima de uma condição limiar (por exemplo, a turbina está girando rápido o bastante para acionar o gerador elétrico).

[00446] Embora determinadas modalidades têm sido descritas, outras modalidades são possíveis.

[00447] Como um exemplo, embora o biogás seja descrito como sendo desviado para um motor de combustão conectado a um gerador elétrico, em determinadas modalidades, o biogás pode ser passado através de um reformador de combustível para produzir hidrogênio. O hidrogênio é, então, convertido em eletricidade por uma célula de combustível. [00448] Como outro exemplo, embora o biogás seja descrito como sendo queimado separadamente do sedimento e sólidos pós-destilado, em determinadas modalidades, todos os subprodutos residuais podem ser queimados juntos para produzir vapor.

PRODUTOS/CO-PRODUTOS

Álcoois [00449] O álcool produzido pode ser um monohidroxi álcool, por exemplo, etanol ou um poli-hidróxi álcool, por exemplo, etileno glicol ou glicerina. Exemplos de álcoois que podem ser produzidos incluem metanol, etanol, propanol, isopropanol, butanol, por exemplo, n-, sec- ou tercbutanol, etileno glicol, propileno glicol, 1,4-butano diol, glicerina ou misturas desses álcoois.

[00450] Cada um dos álcoois produzidos pela fábrica tem valor comercial como uma matéria prima industrial. Por exemplo, etanol pode ser usado na fabricação de vernizes e perfume. Como outro exemplo, metaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 205/343

132/265 nol pode ser usado como um solvente usado como um componente em fluido para limpadores de para-brisa. Como um outro exemplo, butanol pode ser usado em plastificantes, resinas, lacas e fluidos de freio. [00451] O bioetanol produzido pela fábrica é valioso como um ingrediente usado na indústria de alimento e bebida. Por exemplo, o etanol produzido pela fábrica pode ser purificado em álcool de grau alimentício e usado como um ingrediente primário em bebidas alcoólicas.

[00452] O bioetanol produzido pela fábrica também tem valor comercial como um combustível de transporte. O uso de etanol como um combustível de transporte pode ser implementado com relativamente pouco investimento de capital por fabricantes e proprietários de motor de ignição a centelha (por exemplo, alterações no momento de injeção, proporção de combustível para ar e componentes do sistema de injeção de combustível). Muitos fabricantes automotivos atualmente oferecem veículos flex capazes de operação com misturas de etanol/gasolina com até 85% de etanol em volume (por exemplo, equipamento padrão em um Chevy Tahoe 4 x 4).

[00453] O bioetanol produzido por essa fábrica pode ser usado como um combustível para motor a fim de aprimorar as condições ambientais e economicas além da localização da fábrica. Por exemplo, o etanol produzido por essa fábrica e usado como um combustível pode reduzir emissões de gás de efeito estufa de fontes criadas pelo homem (por exemplo, fontes de transporte). Como outro exemplo, o etanol produzido por essa fábrica e usado como um combustível para motor também pode substituir o consumo de gasolina refinada de óleo.

[00454] O bioetanol tem um maior número de octano do que a gasolina convencional e, assim, pode ser usado para aprimorar o desempenho (por exemplo, permitir maiores proporções de compressão) de motores de ignição a centelha. Por exemplo, pequenas quantidades (por exemplo, 10% em volume) de etanol podem ser misturadas com a gasolina para

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133/265 atuar como um intensificador de octano para combustíveis usados em motores de ignição a centelha. Como outro exemplo, maiores quantidades (por exemplo, 85% em volume) de etanol podem ser misturadas com gasolina para aumentar o número de octano do combustível e substituir grandes volumes de gasolina.

[00455] Estratégias para o bioetanol são discutidas, por exemplo, por DiPardo em Journal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand (EIA Forecasts), 2002; Sheehan em Biotechnology Progress, 15: 8179, 1999; Martin em Enzyme Microbes Technology, 31: 274, 2002; Greer em BioCycle, 61-65, Abril de 2005; Lynd em Microbiology and Molecular Biology Reviews, 66: 3, 506-577, 2002; Ljungdahl etal. na Patente U.S. N² 4.292.406; e Bellamy na Patente U.S. N² 4.094.742.

Ácidos Orgânicos [00456] Os ácidos orgânicos produzidos podem incluir ácidos monocarboxílicos ou ácidos policarboxílicos. Exemplos de ácidos orgânicos incluem ácido fórmico, ácido acético, ácido propiônico, ácido butírico, ácido valérico, ácido caproico, ácido palmítico, ácido esteárico, ácido oxálico, ácido malônico, ácido succínico, ácido glutárico, ácido oleico, ácido linoleico, ácido glicólico, ácido láctico, ácido γ-hidroxibutírico ou misturas desses ácidos.

Produtos Alimentícios [00457] Em algumas modalidades, todo ou uma parte do processo de fermentação pode ser interrompido antes que o material celulósico seja completamente convertido em etanol. Os produtos de fermentação intermediários incluem altas concentrações de açúcar e carboidratos. Esses produtos de fermentação intermediários podem ser usados no preparo de alimentos para consumo humano ou por animais. Em algumas modalidades, pré-tratamento de irradiação do material celulósico tornará os produtos de fermentação intermediários estéreis (por exemplo, adaptados para consumo humano). Em algumas modalidades, os produtos de fermentaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 207/343

134/265 ção intermediários irão requerer pós-processamento antes de uso como alimento. Por exemplo, um secador pode ser usado para remover a umidade dos produtos de fermentação intermediários para facilitar o armazenamento, manipulação e vida útil. Adicional ou alternativamente, os produtos de fermentação intermediários podem ser triturados para um tamanho de partícula fino em um moedor para laboratório de aço inoxidável a fim de produzir uma substância semelhante à farinha.

Ração para Animal [00458] Grãos de destilaria e solúveis podem ser convertidos em um subproduto valioso do processo de desidratação-destilação. Após o processo de desidratação-destilação, grãos de destilaria e solúveis podem ser secos para aprimorar a capacidade de armazenamento e manipulação do material. Os grãos de destilaria e solúveis (DDGS) resultantes têm baixo teor de amido, alto teor de gordura, alto teor de proteína, alto teor de fibra e alto teor de fósforo. Assim, por exemplo, DDGS podem ser valiosos como uma fonte de ração para animal (por exemplo, como uma fonte de ração para gado leiteiro). DDGS podem ser subsequentemente combinados com aditivos nutricionais para ir de encontro a requisitos dietéticos específicos de categorias específicas de animais (por exemplo, equilíbrio de lisina e fósforo digeríveis para dietas de suínos).

Produtos Farmacêuticos [00459] Os processos de pré-tratamento discutidos acima podem ser aplicados à plantas com propriedades medicinais. Em algumas modalidades, sonicação pode estimular a bioatividade e/ou biodisponibilidade dos componentes medicinais de plantas com propriedades medicinais. Adicional ou alternativamente, a irradiação estimula a bioatividade e/ou biodisponibilidade dos componentes medicinais de plantas com propriedades medicinais. Por exemplo, sonicação e irradiação podem ser combinados no pré-tratamento de casca de salgueiro para estimular a produção de salicina.

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Nutricêuticos [00460] Em algumas modalidades, produtos de fermentação intermediários (por exemplo, produtos que incluem altas concentrações de açúcar e carboidratos) podem ser suplementados para criar um nutricêutico. Por exemplo, produtos de fermentação intermediários podem ser suplementados com cálcio para criar um nutricêutico que fornece energia e ajuda a aprimorar ou manter a resistência óssea.

Co-Produtos

Resíduo de Lignina [00461] Conforme descrito acima, resíduos contendo lignina de processos primários e de pré-tratamento têm valor como um combustível de energia alta/média e podem ser usados para gerar energia e vapor para uso em processos na fábrica. Contudo, tais resíduos de lignina são um novo tipo de combustível sólido e há pouca demanda para o mesmo fora dos limites da fábrica e os custos de secagem do mesmo para transporte apenas se subtraem de seu valor potencial. Em alguns casos, gasificação dos resíduos de lignina pode convertê-lo a um produto de maior valor com menor custo.

Outros Co-Produtos [00462] Matéria celular, furfural e ácido acético foram identificados como co-produtos potenciais de unidades de processamento de biomassa em combustível. Material celular intersticial poderia ser valiosa, mas requer purificação significativa. Os mercados para furfural e ácido acético existem, embora seja improvável que eles sejam grandes o bastante para consumir a produção de uma indústria de lignocelulose em etanol totalmente comercializada.

EXEMPLOS

Os Exemplos a seguir destinam-se a ilustrar e não limitar os ensinamentos da presente descrição.

Exemplo 1 - Preparo De Material Fibroso A Partir De Papel PoliPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 209/343

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Revestido [00463] Uma carga de 1500 libras de embalagens virgens de suco de meio galão feitas de papelão Kraft branco poli-revestido não impresso tendo uma densidade volumétrica de 20 libra/pé^{3 foi} obtida da International Paper. Cada embalagem foi dobrada e, então, alimentada a um picador Flinch Baugh de 3 hp em uma taxa de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. O picador era equipado com duas pás giratórias de 12 polegadas, duas pás fixas e uma peneira de descarga de 0,30 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi ajustado para 0,10 polegadas. O produto do picador se assemelhava a confete tendo uma largura de entre 0,1 polegada e 0,5 polegada, um comprimento de entre 0,25 polegada e 1 polegada e uma espessura equivalente àquela do material de iniciação (cerca de 0,075 polegada).

[00464] O material semelhante a confete foi alimentado a um cortador de faca giratória Munson, Modelo SC30. O Modelo SC30 é equipado com quatro pás giratórias, quatro pás fixas e uma peneira de descarrega tendo aberturas de 1/8 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi configurado para aproximadamente 0,020 polegadas. O cortador de faca giratória cisalhada os pedaços semelhantes a confete através das bordas das facas, dilacerando os pedaços e liberando um material fibroso em uma taxa de cerca de uma libra por hora. O material fibroso tinha uma área de superfície BET de 0,9748 m²/g +/- 0,0167 m²/g, uma porosidade de 89,0437 por cento e uma densidade volumétrica (@0,53 psia) de 0,1260 g/mL. O comprimento médio das fibras era de 1,141 mm e a largura média das fibras era de 0,027 mm, proporcionando uma L/D média de 42:1. Uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso é mostrada na figura 26 em uma ampliação de 25X.

Exemplo 2 - Preparo De Material Fibroso A Partir De Papel Kraft Branqueado [00465] Uma carga de 1500 libras de papel Kraft branco virgem branPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 210/343

137/265 queado tendo uma densidade volumétrica de 30 libra/pé³ foi obtida da International Paper. O material foi dobrado e, então, alimentado a um picador Flinch Baugh de 3 hp em uma taxa de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. O picador era equipado com duas pás giratórias de 12 polegadas, duas pás fixas e uma peneira de descarga de 0,30 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi ajustado para 0,10 polegadas. O produto do picador se assemelhava a confete tendo uma largura de entre 0,1 polegada e 0,5 polegada, um comprimento de entre 0,25 polegada e 1 polegada e uma espessura equivalente àquela do material de iniciação (cerca de 0,075 polegada). O material semelhante a confete foi alimentado a um cortador de faca giratória Munson, Modelo SC30. A peneira de descarga tinha aberturas de 1/8 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi configurado para aproximadamente 0,020 polegadas. O cortador de faca giratória cisalhada os pedaços semelhantes a confete, liberando um material fibroso em uma taxa de cerca de uma libra por hora. O material fibroso tinha uma área de superfície BET de 1,1316 m²/g +/0,0103 m²/g, uma porosidade de 88,3285 por cento e uma densidade volumétrica (@0,53 psia) de 0,1497 g/mL. O comprimento médio das fibras era de 1,063 mm e a largura média das fibras era de 0,0245 mm, proporcionando uma L/D média de 43:1. Uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso é mostrada na figura 27 em uma ampliação de 25X. Exemplo 3 - Preparo De Material Fibroso Cisalhado Duas Vezes A Partir

De Papel Kraft Branqueado [00466] Uma carga de 1500 libras de papel Kraft branco virgem branqueado tendo uma densidade volumétrica de 30 libra/pé³ foi obtida da International Paper. O material foi dobrado e, então, alimentado a um picador Flinch Baugh de 3 hp em uma taxa de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. O picador era equipado com duas pás giratórias de 12 polegadas, duas pás fixas e uma peneira de descarga de 0,30 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi ajustado para 0,10 polegadas. O

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138/265 produto do picador se assemelhava a confete (as acima). O material semelhante a confete foi alimentado a um cortador de faca giratória Munson, Modelo SC30. A peneira de descarga tinha aberturas de 1/16 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi configurado para aproximadamente 0,020 polegadas. O cortador de faca giratória os pedaços semelhantes a confete, liberando um material fibroso em uma taxa de cerca de uma libra por hora. O material resultante do primeiro cisalhamento foi re-alimentado na mesma configuração descrita acima e cisalhado mais uma vez. O material resultante fibroso tinha uma área de superfície BET de 1,4408 m²/g +/- 0,0156 m²/g, uma porosidade de 90,8998 por cento e uma densidade volumétrica (@0,53 psia) de 0,1298 g/mL. O comprimento médio das fibras era de 0,891 mm e a largura média das fibras era de 0,026 mm, proporcionando uma L/D média de 34:1. Uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso é mostrada na figura 28 em uma ampliação de 25X.

Exemplo 4 - Preparo De Material Fibroso Cisalhado Três Vezes A Partir

De Papel Krasft Branqueado [00467] Uma carga de 1500 libras de papel Kraft branco virgem branqueado tendo uma densidade volumétrica de 30 libra/pé^{3 foi} obtida da International Paper. O material foi dobrado e, então, alimentado a um picador Flinch Baugh de 3 hp em uma taxa de aproximadamente 15 a 20 libras por hora. O picador era equipado com duas pás giratórias de 12 polegadas, duas pás fixas e uma peneira de descarga de 0,30 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi ajustado para 0,10 polegadas. O produto do picador se assemelhava a confete (as acima). O material semelhante a confete foi alimentado a um cortador de faca giratória Munson, Modelo SC30. A peneira de descarga tinha aberturas de 1/8 polegadas. O vão entre as pás giratórias e fixas foi configurado para aproximadamente 0,020 polegadas. O cortador de faca giratória cisalhada os pedaços semelhantes a confete através das bordas das facas. O material

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139/265 resultante do primeiro cisalhamento foi re-alimentado na mesma configuração e a peneira foi substituída por uma peneira de 1/16 polegadas. Esse material foi cisalhado. O material resultante do segundo cisalhamento foi re-alimentado na mesma configuração e a peneira foi substituída por uma peneira de 1/32 polegadas. Esse material foi cisalhado. O material resultante fibroso tinha uma área de superfície BET de 1,6897 m²/g +/0,0155 m²/g, uma porosidade de 87,7163 por cento e uma densidade volumétrica (@0,53 psia) de 0,1448 g/mL. O comprimento médio das fibras era de 0,824 mm e a largura média das fibras era de 0,0262 mm, proporcionando uma L/D média de 32:1. Uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso é mostrada na figura 29 em uma ampliação de 25X. Exemplo 5 - Preparo De Material Fibroso Densificado A Partir De Papel

Kraft Branqueado Sem Aglutinante Adicionado [00468] Material fibroso foi preparado de acordo com Exemplo 2. Aproximadamente 1 libra de água foi pulverizada sobre cada 10 libras de material fibroso. O material fibroso foi densificado usando um moinho de pélete Californium 1100 operando a 75°C. Foram obti das péletes tendo uma densidade volumétrica oscilando de cerca de 7 libras/pé³a cerca de 15 libras/pé³.

Exemplo 6 - Preparo De Material Fibroso Densificado A Partir De Papel

Kraft Branqueado Com Aglutinante [00469] Material fibroso foi preparado de acordo com Exemplo 2. [00470] Uma solução de estoque a 2 por cento em peso de POLIOX™ WSR N10 (óxido de polietileno) foi preparada em água.

[00471] Aproximadamente 1 libra da solução de estoque foi pulverizada sobre cada 10 libras de material fibroso. O material fibroso foi densificado usando um moinho de pélete Californium 1100 operando a 75°C. Foram obtidos péletes tendo uma densidade volumétrica oscilando de cerca de 15 libras/pé³ a cerca de 40 libras/pé³.

Exemplo 7 - Redução de Peso Molecular de Celulose em Papel Kraft FiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 213/343

140/265 broso Através de Radiação Gama com Oxidação Mínima [00472] Material fibroso é preparado de acordo com Exemplo 4. O papel Kraft fibroso é densificado de acordo com Exemplo 5.

[00473] Os péletes densificados são colocados em uma ampola de vidro tendo uma capacidade máxima de 250 mL. A ampola de vidro é evacuada sob alto vácuo (10^-5 torr) durante 30 minutos e, então, reenchida com gás argônio. A ampola é vedada sob argônio. Os péletes na ampola são irradiados com radiação gama durante cerca de 3 horas em uma taxa de dose de cerca de 1 Mrad por hora a fim de proporcionar um material irradiado no qual a celulose tem um peso molecular menor do que o material de iniciação de Kraft fibroso.

Exemplo 8 - Redução de Peso Molecular de Celulose em Papel Kraft Fibroso Através de Radiação Gama com Oxidação Máxima [00474] Material fibroso é preparado de acordo com Exemplo 4. O papel Kfrat fibroso é densificado de acordo com Exemplo 5.

[00475] Os péletes densificados são colocados em uma ampola de vidro tendo uma capacidade máxima de 250 mL. A ampola de vidro é vedada sob uma atmosfera de ar. Os péletes na ampola são irradiados com radiação gama durante cerca de 3 horas em uma taxa de dose de cerca de 1 Mrad por hora a fim de proporcionar um material irradiado no qual a celulose tem um peso molecular menor do que o material de iniciação de Kraft fibroso.

Exemplo 9- Processamento por Feixe de Elétrons [00476] Amostras são tratadas com um feixe de elétrons usando um acelerador de ondas contínuo Rhodotron® TT200 com abobada que distribui elétrons de 5 MeV a 80 kW de potência de saída. A Tabela 1 descreve os parâmetros usados. A Tabela 2 reporta a dose nominal usada para a ID de Amostra (em Mrad) e a dose correspondente distribuída à amostra (em kgy).

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141/265

Tabela 1. Parâmetros do Rhodotron® TT 200

Feixe
Feixe produzido:	Elétrons acelerados
Energia de feixe:	Nominal (fixo): 10 MeV (+0 keV250 keV)
Dispersão de energia a 10 Mev:	Metade da largura completa máxima (FWHM) 300 keV
Feixe de energia a 10 MeV:	Faixa de operação garantida 1 a 80 kW
Consumo de energia Condição stand-by (vácuo e resfriamento ON):	<15 kW
Energia do feixe a 50 kW:	<210 kW
Energia do feixe a 80 kW:	<260 kW
Sistema RF Frequência : Tabela 1. -continuação-	107,5 ± 1 MHz
Feixe
Tipo de tetrodo:	Thomson TH781
Antena em forma de chifre de varredura Comprimento nominal de varredura (medido a 25-35 cm a partir da janela):	120 cm
Faixa de varredura:	Comprimento de varredura nominal de 30% a 100%
Frequência nominal de varredura (no comprimento máx. de varredu-	100 Hz ± 5%
ra): Uniformidade de varredura (através de 90% do comprimento nominal de varredura)	± 5%

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Tabela 2. Dosagens Distribuídas às Amostras

Dosagem total (Mrad) (Número associado ao ID de amostra)	Dose distribuída (kgy)1
1	9,9
3	29,0
5	50,4
7	69,2
10	100,0
15	150,3
20	198,3
30	330,9
50	529,0
70	695,9
100	993,6

¹ Por exemplo, 9,9kgy foram distribuídos em 11 segundos em uma corrente de feixe de 5mA e uma velocidade de linha de 12,9 pés/minuto. O tempo para esfriar entre os tratamentos estava em torno de 2 minutos.

Exemplo 10 - Métodos de Determinação de peso molecular de materiais celulósicos e lignocelulósicos através de cromatografia por permeação de gel [00477] Materiais celulósicos lignocelulósicos para análise foram tratados de acordo com Exemplo 4. Materiais de amostra apresentados nas tabelas a seguir incluem papel Kraft (P), palha de trigo (WS), alfafa (A) e switchgrass (SG). O número 132 de ID da amostra refere-se ao tamanho de partícula do material após cisalhamento através de uma peneira de 1/32 polegadas. O número após o traço refere-se à dosagem de radiação (MRad) e US refere-se ao tratamento ultra-sônico. Por exemplo, um ID de amostra P132-10 refere-se a papel Kraft que foi cisalhado para um tamanho de partícula de 132 mesh e foi irradiado com 10 MRad. [00478] Para amostras que foram irradiadas com e-feixe, o número

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143/265 após o traço refere-se à quantidade de energia distribuída à amostra. Por exemplo, um ID de amostra P-100e refere-se a papel Kraft ao qual foi distribuída uma dose de energia de cerca de 100 MRad ou cerca de 1000 kgy (Tabela 2).

Tabela 3. Peso molecular médio de pico de papel Kraft irradiado

Fonte Amostra	ID Amostra	Dosagem1 (MRad)	Ultrassom2	MW médio ± Desv. Padrão
Papel Kraft	P132	0	Não	32853±10006
	P132-10	10	II	61398 ± 2468**
	P132-100	100	II	8444 ± 580
	P132-181	181	II	6668 ± 77
	P132-US	0	Sim	3095 ± 1013

**Baixas doses de radiação parecem aumentar o peso molecular de alguns materiais ¹Taxa de dosagem = 1MRad/hora ²Tratamento durante 30 minutos com ultrassom a 20 kHz usando uma antena em forma de chifre de 1000W sob condições de recirculação com o material disperso em água.

Tabela 4. Peso molecular médio de pico de Papel Kfrat Irradiado com EFeixe

Fonte da Amostra	ID da Amostra	Dosagem (Mrad)	MW ± Desv. Padrão
	P-1e	1	63489 ± 595
	P-5e	5	56587 ± 536
Papel Kraft	P-10e	10	53610 ± 327
P-30e	30	38231 ± 124
	P-70e	70	12011 ±158
	P-100e	100	9770 ± 2

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144/265

Tabela 5. Peso molecular médio de pico de materiais gama irradiados

ID Amostra	Pico #	Dosagem1 (MRad)	Ultrassom2	MW médio MW ± Desv. Padrão
			Não	1407411 ±
WS132	1	0
				175191
	2	II	II	39145 ± 3425
	3	II	II	2886±177
WS132-10*	1	10	II	26040 ± 3240
WS132-100*	1	100	II	23620 ± 453
			II	1604886 ±
A132	1	0
				151701
	2	II	II	37525 ± 3751
	3	II	II	2853 ± 490
A132-10*	1	10	II	50853 ± 1665
	2	II	II	2461 ± 17
A132-100*	1	100	II	38291 ± 2235
	2	II	II	2487 ± 15
			II	1557360 ±
SG132	1	0
				83693
	2	II	II	42594 ± 4414
	3	II	II	3268 ± 249
SG132-10*	1	10	II	60888 ± 9131
SG132-100*	1	100	II	22345 ± 3797
SG132-10-			Sim
	1	10		86086 ± 43518
US
	2	II	II	2247 ± 468
SG132-100-			II
	1	100		4696 ± 1465
US

*Picos coalescem após tratamento

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145/265 **Baixas doses de radiação parecem aumentar o peso molecular de alguns materiais ¹Taxa de dosagem = 1MRad/hora ²Tratamento durante 30 minutos com ultrassom a 20 kHz usando uma antena em forma de chifre de 1000W sob condições de recirculação com o material disperso em água.

Tabela 6. Peso Molecular médio de pico de material irradiado com E-feixe

ID da amostra Pico # Dosagem MW médio ± Desv. Padrão

1	1004783±97518
A-1e	2	1	34499 ± 482
	3		2235 ± 1
	1		38245 ± 346
A-5e	2	5	2286 ± 35
	1		44326 ± 33
A-10e	2	10	2333 ± 18
	1		47366 ± 583
A-30e	2	30	2377 ± 7
	1		32761 ± 168
A-50e	2	50	2435 ± 6
	1		447362 ± 38817
G-1e	2	1	32165 ± 779
	3		3004 ± 25
	1		62167 ± 6418
G-5e	2	5	2444 ± 33
	1		72636 ± 4075
G-10e	2	10	3065 ± 34
G-30e	1	30	17159 ± 390
G-50e	1	50	18960 ± 142
ST	1	0	923336 ± 1883

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	2		150265±4033
	1		846081 ± 5180
STERC-1e	2	1	131222 ± 1687
STERC-5e	1	5	90664 ± 1370
STERC-10e	1	10	98050 ± 255
STERC-30e	1	30	41884 ± 223
STERC-70e	1	70	9699 ± 31
STERC-100e	1	100	8705 ± 38

[00479] Cromatografia por Permeação de Gel (Gel Permeation Chromatography - GPC) é usada para determinar a distribuição de peso molecular de polímeros. Durante análise por GPC, uma solução da amostra polimérica é passada através de uma coluna empacotada com pequenas moléculas de contenção de gel poroso. A amostra é separada baseado no tamanho molecular, com moléculas maiores eluindo antes de moléculas pequenas. O tempo de retenção de cada componente é, mais frequentemente, detectado pelo índice de refração (Refractive Index - RI), dispersão de luz evaporativa (Evaporative Light Scattering - ELS) ou Ultravioleta (UV) e comparado com uma curva de calibração. Os dados resultantes são, então, usados para calcular a distribuição de peso molecular para a amostra.

[00480] Uma distribuição de pesos moleculares, ao invés de um único peso molecular, é usada para caracterizar polímeros sintéticos. Para caracterizar essa distribuição, médias estatísticas são utilizadas. As mais comuns dessas médias são o peso molecular numérico médio (M_n) e o peso molecular gravimétrico médio (M_w). Métodos para calcular esses valores são descritos no Exemplo 9 do documento PCT/US/2007/022719. [00481] M_n é similar à média aritmética padrão associada a um grupo de números. Quando aplicado a polímeros, M_n refere-se ao peso molecular médio das moléculas no polímero. M_n é calculado fornecendo a mesma quantidade de significância a cada molécula, a despeito de seu peso

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147/265 molecular individual. O M_n médio é calculado através da fórmula a seguir, onde N_i é o número de moléculas com uma massa molar igual a M_i.

Σ NMi i_

Σ N i

[00482] M_w é outro descritor estatístico da distribuição de peso molecular que coloca uma maior ênfase sobre moléculas grandes ao invés de moléculas menores na distribuição. A fórmula abaixo mostra o cálculo estatístico do peso molecular gravimétrico médio.

Σ NM,² i_

Σ NMi i

[00483] O índice de polidispersividade ou PI (Polydispersivity Index) é definido como a proporção M_w/M_n. Quanto maior o PI, mais ampla ou mais dispersa a distribuição. O menos valor que um PI pode ter é 1. Isso representa uma amostra monodispersa; isto é, um polímero com todas as moléculas na distribuição tendo o mesmo peso molecular.

[00484] O valor de peso molecular de pico (M_P) é outro descritor definido como o modo de distribuição de peso molecular. Ele significa o peso molecular que é mais abundante na distribuição. Esse valor também fornece um insight a respeito da distribuição de peso molecular.

[00485] A maioria das medições por GPC são feitas com relação a um padrão polimérico diferente. A precisão dos resultados depende de quão próximas as características do polímero que está sendo analisada estão daquelas do padrão usado. O erro esperado na reprodutibilidade entre diferentes séries de determinações, calibradas separadamente, é de aproximadamente 5-10% e é característico da precisão limitada de determinações por GPC. Portanto, os resultados de GPC são úteis principalmente quando a comparação entre as distribuições de peso molecular de diferentes amostras é feita durante a mesma série de determinações.

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148/265 [00486] As amostras lignocelulósicas requererem preparo de amostras antes de análise por GPC. Primeiro, uma solução saturada (8,4% em peso) de cloreto de lítio (LiCl) foi preparada em dimetil acetamida (DMAc). Aproximadamente 100 mg da amostra foram adicionados a aproximadamente 10 g de uma solução saturada de LiCl/DMAc recentemente preparada e a mistura foi aquecida para aproximadamente 150°C-170°C com agitação durante 1 hora. As soluções resultantes tinham, em geral, uma cor amarela clara a escura. A temperatura das soluções foi diminuída para aproximadamente 100°C e aquecida durante mais 2 horas. As temperaturas das soluções foram, então, diminuída para aproximadamente 50°C e a solução de amostra foi aquecidas durante a proximadamente 48 a 60 horas. De nota, as amostras irradiadas a 100 MRad foram mais facilmente solubilizadas quando comparado com sua contra-parte não tratada. Adicionalmente, as amostras cisalhadas (denotadas pelo número 132) tinham pesos moleculares médios ligeiramente menores quando comparado com as amostras não cortadas.

[00487] As soluções de amostra resultantes foram diluídas a 1:1 usando DMAc como solvente e foram filtradas através de um filtro de PTFE de 0,45 pm. As soluções de amostra filtradas foram, então, analisadas através de GPC usando os parâmetros descritos na Tabela 7. Os pesos moleculares médios de pico (Mp) das amostras, conforme determinado através de Cromatografia por Permeação de Gel (GPC), são resumidos nas Tabelas 3-6. Cada amostra foi preparada em duplicata e cada preparado de amostra foi analisado em duplicata (duas injeções) para um total de quatro injeções por amostra. Os padrões de poliestireno EasiCal® PS1A e PS1B foram usados para gerar uma curva de calibração para a escala de peso molecular de cerca de 580 a 7.500.00 Daltons.

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Tabela 7. Condições de análise por GPC

Instrumento:	Waters Alliance GPC 2000 Plgel 10μ Mixed -B
Colunas (3):	S/N's: 10M-MB-148-83; 10M-MB- 148-84; 10M-MB-174-129
Fase móvel (solvente): Temperatura da coluna / Detector:	LiCl a 0,5% em DMAc (1,0 mL/min.) 70°C
Temperatura do injetor:	70°C
Tamanho de loop da amostra:	323,5 μL
Exemplo 11. Análise de superfície por espectrometria de massa por íons

secundários Time-Of-Flight (ToF-SIMS) [00488] Espectroscopia de Massa por Íons Secundários Time-ofFlight (ToF-SIMS) é uma espectroscopia superfície-sensível que usa um feixe de íons pulsado (Cs ou Ga micro-focalizado) para remover moléculas da superfície mais externa da amostra. As partículas são removidas das camadas atômicas sobre a superfície (íons secundários). Essas partículas são, então, aceleradas em um tubo de vôo e sua massa é determinada medindo o tempo exato no qual elas atingem o detector (isto é, tempo-de-vôo). ToF-SIMS fornece informação elemental e molecular detalhada sobre a superfície, camadas finas, interfaces da amostra e fornece uma análise tridimensional completa. O uso é difundido, incluindo semicondutores, polímeros, tinta, revestimentos, vidro, papel, metais, cerâmica, biomateriais, produtos farmacêuticos e tecido orgânico. Uma vez que ToF-SIMS é uma técnica de exame, todos os elementos na tabela periódica, incluindo H, são detectados. Dados de ToF-SIMS são apresentados nas Tabelas 8-11. Os parâmetros usados são reportados na Tabela

12.

Tabela 8. Intensidades médias normalizadas de vários íons positivos de interesse (normalizadas com relação às contagens de íons totais x

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10000)

P132 P132-10 P132-100

m/z	Espécie	Média	σ	Média	σ	Média	σ
23	Na	257	28	276	54	193	36
27	Al	647	43	821	399	297	44
28	Si	76	45,9	197	89	81,7	10,7
15	CH3	77,9	7,8	161	26	133	12
27	C2H3	448	28	720	65	718	82
39	C3H3	333	10	463	37	474	26
41	C3H5	703	19	820	127	900	63
43	C3H7	657	11	757	162	924	118
115	C9H7	73	13,4	40,3	4,5	42,5	15,7
128	C10H8	55,5	11,6	26,8	4,8	27,7	6,9
73	C3H9Si*	181	77	65,1	18,4	81,7	7,5
147	C5H15OSi2*	72,2	33,1	24,9	10,9	38,5	4
207	C5H15O3Si3*	17,2	7,8	6,26	3,05	7,49	1,77
647	C42H64PO3	3,63	1,05	1,43	1,41	10,7	7,2

Tabela 9. Intensidades médias normalizadas de vários íons negativos de interesse (normalizadas com relação às contagens de íons totais x 10000)

m/z	Espécie	P132 Média	σ	P132-10 Média σ	P132-100 Média	σ
19	F	15,3	2,1	42,4	37,8	19,2	1,9
35	Cl	63,8	2,8	107	33	74,1	5,5
13	CH	1900	91	1970	26	1500	6
25	C2H	247	127	220	99	540	7
26	CN	18,1	2,1	48,6	30,8	43,9	1,4
42	CNO	1,16	0,71	0,743	0,711	10,8	0,9
46	NO2	1,87	0,38	1,66	1,65	12,8	1,8

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Tabela 10. Intensidades médias normalizadas de vários íons positivos de interesse (normalizadas com relação às contagens de íons totais x 10000)

	P-1e	P-5e	P-10e	P-30e	P-70e	P-100e
m/z	Espécie	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ
23	Na	232	56	370	37	241	44	518	57	350	27	542	104
27	Al	549	194	677	86	752	371	761	158	516	159	622	166
28	Si	87,3	11,3	134	24	159	100	158	32	93,7	17,1	124	11
15	CH3	114	23	92,9	3,9	128	18	110	16	147	16	141	5
27	C2H3	501	205	551	59	645	165	597	152	707	94	600	55
39	C3H3	375	80	288	8	379	82	321	57	435	61	417	32
41	C3H5	716	123	610	24	727	182	607	93	799	112	707	84
43	C3H7	717	121	628	52	653	172	660	89	861	113	743	73
115	C9H7	49,9	14,6	43,8	2,6	42,2	7,9	41,4	10,1	27,7	8	32,4	10,5
128	C10H8	38,8	13,1	39,2	1,9	35,2	11,8	31,9	7,8	21,2	6,1	24,2	6,8
73	C3HgSí*	92,5	3,0	80,6	2,9	72,3	7,7	75,3	11,4	63	3,4	55,8	2,1
147	C5H15OSi2*	27,2	3,9	17,3	1,2	20,4	4,3	16,1	1,9	21,7	3,1	16,3	1,7
207	C5H15O3Si3*	6,05	0,74	3,71	0,18	4,51	0,55	3,54	0,37	5,31	0,59	4,08	0,28
647	C42H64PO3	1,61	1,65	1,09	1,30	0,325	0,307	nd	~	0,868	1,31	0,306	0,334

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Tabela 11. Intensidades médias normalizadas de vários íons negativos de interesse (normalizadas com relação às contagens de íons totais x 10000)

	P-1e	P-5e	P-10e	P-30e	P-70e	P-100e
m/z	Espécie	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ	Média	σ
13	CH	1950	72	1700	65	1870	91	1880	35	2000	46	2120	102
25	C2H	154	47	98,8	36,3	157	4	230	17	239	22	224	19
19	F	25,4	1	24,3	1,4	74,3	18,6	40,6	14,9	25,6	1,9	21,5	2
35	Cl	39,2	13,5	38,7	3,5	46,7	5,4	67,6	6,2	45,1	2,9	32,9	10,2
26	CN	71,9	18,9	6,23	2,61	28,1	10,1	34,2	29,2	57,3	28,9	112	60
42	CNO	0,572	0,183	0,313	0,077	0,62	0,199	1,29	0,2	1,37	0,55	1,38	0,28
46	NO2	0,331	0,057	0,596	0,255	0,668	0,149	1,44	0,19	1,92	0,29	0,549	0,1

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Tabela 12. Parâmetros de ToF-SIMS

Condições do Instrumento:
Instrumento:	PHI TRIFT II
Fonte de íons primária:	69Ga
Potencial do feixe de íons primário:	Íons 12 kV + Íons 18 kV -
Corrente de íons primária (DC):	2 na para amostras P#E 600 pA para amostras P132
Filtro de energia/CD:	Out/Out
Massas Blanked:	Nenhum
Compensação de carga:	Ligado
[00489] ToF-SIMS usa um feixe de partícula pulsado (tipicamente Cs ou Ga) para deslocar espécies químicas sobre a superfície de materiais. Partículas produzidas mais próximas do local de impacto tendem a ser

íons dissociados (positivos ou negativos). Partículas secundárias geradas mais distante do local de impacto tendem a ser compostos moleculares, tipicamente fragmentos de macromoléculas orgânicas muito maiores. As partículas são, então, aceleradas em um trajeto de vôo em seu caminho em direção a um detector. Em virtude do fato de ser possível medir o tempo de vôo das partículas a partir do momento de impacto para o detector em uma escala de nano-segundos, é possível produzir uma decomposição de massa tão fina quanto 0,00X unidades de massa atômica (isto é, uma parte em um milhar da massa de um próton). Sob condições de operação típicas, os resultados de análise ToF-SIMS incluem: um espectro de massa que cobre todas as massas atômicas sobre uma faixa de 0-10.000 amu, o feixe rastreado produz mapas de qualquer massa de interesse em uma escala de sub-mícrons e perfis de profundidade são produzidos mediante remoção de camadas de superfície por meio de pulverização catódica sob o feixe de íons. Análise de íons negativos mostrou que o polímero tinha quantidades crescentes de grupos CNO, CN e NO₂.

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Exemplo 12. Espectroscopia por Fotoelétrons de Raios X (XPS)/Espectroscopia Eletrônica para Análise Química (ESCA) [00490] Espectroscopia por Fotoelétrons de Raios X (X-Ray Photoelectron Spectroscopy - XPS) (algumas vezes denominada ESCA) mede a composição química dos cinco nanômetros superiores da superfície; XPS usa energia de foto-ionização e análise de energia dispersiva dos fotoelétrons emitidos para estudar a composição e estado eletrônico da região de superfície de uma amostra. Espectroscopia por fotoelétrons de raios X é baseada em uma única entrada de fótons/saída de elétrons. Raios X macios estimulam a ejeção de fotoelétrons cuja energia cinética é medida por um analisador de energia de elétrons eletrostático. Pequenas alterações na energia são causada por estados de valência quimicamente desviados dos átomos a partir dos quais os elétrons são ejetados; assim, a medição fornece informação química sobre a superfície da amostra.

Tabela 13. Concentrações atômicas (em %)^a,b

ID da amostra	Átomo
	C	O	Al	Si
P132 (Área 1)	57,3	39,8	1,5	1,5
P132 (Área 2)	57,1	39,8	1,6	1,5
P132-10 (Área 1)	63,2	33,5	1,7	1,6
P132-10 (Área 2)	65,6	31,1	1,7	1,7
P132-100 (Área 1)	61,2	36,7	0,9	1,2
P132-100 (Área 2)	61	36,9	0,8	1,3

^a Normalizado para 100% dos elementos detectados. XPS não detecta H ou He.

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Tabela 14. Estado Químico de Carbono (em % C)

	C-C,	C-H	C-O	C=O	O-C=O
ID da amostra
P132 (Área 1)	22		49	21	7
P132 (Área 2)	25		49	20	6
P132-10 (Área 1)	34		42	15	9
P132-10 (Área 2)	43		38	14	5
Tabela 14. -continuaçãc	-
	C-C,	C-H	C-O	C=O	O-C=O
P132-100 (Área 1)	27		45	15	9
P132-100 (Área 2)	25		44	23	9

Tabela 15. Concentrações atômicas (em %)^a,b

ID de amostra	Átomo
	C	O	Al	Si	Na
P-1e (Área 1)	59,8	37,9	1,4	0,9
P-1e (Área 2)	58,5	38,7	1,5	1,3
P-5e (Área 1)	58,1	39,7	1,4	0,8
P-5e (Área 2)	58,0	39,7	1,5	0,8
P-10e (Área 1)	61,6	36,7	1,1	0,7
P-10e (Área 2)	58,8	38,6	1,5	1,1
P-50e (Área 1)	59,9	37,9	1,4	0,8	<0,1
P-50e (Área 2)	59,4	38,3	1,4	0,9	<0,1
P-70e (Área 1)	61,3	36,9	1,2	0,6	<0,1

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P-70e (Área 2)	61,2	36,8	1,4	0,7	<0,1
P-100e (Área 1)	61,1	37,0	1,2	0,7	<0,1
P-100e (Área 2)	60,5	37,2	1,4	0,9	<0,1

^a Normalizado para 100% dos elementos detectados. XPS não detecta H ou He.

^b Um símbolo < indica que quantificação precisa não pode ser feita em virtude de uma fraca intensidade de sinal.

Tabela 16. Tabela do Estado Químico de Carbono (em %C)

	C-C, C-H	C-O	C=O	O-C=O
ID da amostra
P-1e (Área 1)	29	46	20	5
P-1e (Área 2)	27	49	19	5
P-5e (Área 1)	25	53	18	5
P-5e (Área 2)	28	52	17	4
P-10e (Área 1)	33	47	16	5
P-10e (Área 2)	28	51	16	5
P-50e (Área 1)	29	45	20	6
P-50e (Área 2)	28	50	16	5
P-70e (Área 1)	32	45	16	6
P-70e (Área 2)	35	43	16	6
P-100e (Área 1)	32	42	19	7
P-100e (Área 2)	30	47	16	7

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Tabela 17. Parâmetros Analíticos

Instrumento:	PHI Quantum 2000
Fonte de raios X:	Monocromático Alka 1486,6 eV
Ângulo de aceitação:	±23°
Ângulo Take-off:	45°
Área de análise:	1400 x 300 pm
Correção de carga:	C1s 284,8 eV

[00491] Espectros de XPS são obtidos através de irradiação de um material com um feixe de alumínio ou raios X de magnésio enquanto, simultaneamente, se mede a energia cinética (KE) e o número de elétrons que escapam da parte superior 1 a 10 nm do material que está sendo analisado (veja parâmetros analíticos, Tabela 17). A técnica de XPS é altamente superfície-específica em virtude da curta faixa de fotoelétrons que são excitados a partir do sólido. A energia dos fotoelétrons que deixam a amostra é determinada usando um Concentric Hemispherical Analyzer (CHA) e isso fornece um espectro com uma série de picos de fotoelétrons. A energia de ligação dos picos é característica de cada elemento. As áreas de pico podem ser usadas (com fatores de sensibilidade apropriados) para determinar a composição de superfície dos materiais. O formato de cada pico e a energia de ligação podem ser ligeiramente alterados pelo estado químico do átomo de emissão. Consequentemente, XPS pode proporcionar informação sobre a ligação química também. XPS não é sensível ao hidrogênio ou hélio, mas pode detectar todos os outros elementos. XPS requer condições de vácuo ultra-alto (UVH) e é comumente usada para a análise de superfície de polímeros, revestimentos, catalisadores, compostos, fibras, cerâmicas, materiais farmacêuticos/médicos e materiais de origem biológica. Dados de XPS são reportados nas Tabelas 13-16.

Exemplo 13. Análise Raman [00492] Espectros Raman foram adquiridos a partir da superfície de

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158/265 fibras das amostras: P132, P132-100, P-1e e P-100e. As medições foram realizadas usando um espectrômetro LabRam J-Y. Um laser de HeNe (comprimento de onda de 632,8 nm) e enxertagem de 600 gr/mm foram usados para as medições. As medições foram realizadas confocalmente usando geometria de dispersão anterior (180°) sob um microscópio Olympus BX40. As amostras tinham um espectro Raman típico da celulose.

Exemplo 14. Análise de superfície por microscopia por sonda da varredura (SPM) usando um microscópio de força atômica (AFM) [00493] A finallidade dessa análise foi obter imagens por Microscópio de Força Atômica (Atomic Force Microscope - AFM) das amostras nas Tabelas 18 e 19 para medir a rugosidade de superfície.

[00494] Microscopia por sonda de varredura (Scanning Probe Microscopy - SPM) é um ramo da microscopia que forma imagens de superfícies usando uma sonda física que explora o espécime. Uma imagem da superfície é obtida mediante movimento mecânico da sonda em uma varredura do espécime, linha por linha e registra a interação sondasuperfície como uma função da posição. O microscópio de força atômica (Atomic Force Microscope - AFM) ou microscópio de força de varredura (Scanning Force Microscope - SFM) é um tipo de resolução muito alta de microscópio de sonda de varredura, com resolução demonstrada de frações de um nanômetro, mais de 1000 vezes melhor do que o limite de difração óptica. A sonda (ou a amostra sob uma sonda estacionária) em geral é movida por um tubo piezelétrico. Tais scanners são criados para se mover precisamente em qualquer um dos três eixos perpendiculares (x, y, z). Seguindo um padrão de rastelo, os dados do sensor formam uma imagem da interação sonda-superfície. Feedback do sensor é usado para manter a sonda em uma força ou distância constante da superfície do objeto. Para microscopia de força atômica, o sensor é um fotodetector sensível à posição que registra o ângulo de reflexão a partir de um feixe

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159/265 de laser focalizado na parte superior do cantiléver.

Tabela 18. Resultados de rugosidade para amostras gama-irradiadas

ID da amostra	RMS (A)	Ra (A)	Rmax (A)
P132	927,2	716,3	8347,6
P132-10	825,7	576,8	11500
P132-100	1008	813,5	7250,7

Tabela 19. Resultados de rugosidade para amostras irradiadas com E-

feixe
ID da amostra	RMS (A)	Ra (A)	Rmax (A)
P-1e	1441,2	1147,1	8955,4
P-5e	917,3	727,5	6753,4
P-10e	805,6	612,1	7906,5
P-30e	919,2	733,7	6900
P-70e	505,8	388,1	5974,2
P-100e	458,2	367,9	3196,9

[00495] Imagens por AFM foram coletadas usando um NanoScope III Dimension 5000 (Digital Instruments, Santa Barbara, Califórnia, EUA). O instrumento foi calibrado contra um padrão rastreável NIST com uma precisão melhor do que 2%. Pontas de silício NanoProbe foram usadas. Procedimentos de processamento de imagem envolvendo auto-nivelamento, adaptação de plano ou convolução foram empregados.

[00496] Uma área de 5 pm x 5 pm teve a imagem formada em um local aleatório na parte superior de uma única fibra. Vistas em perspectiva (3-D) dessas superfícies são incluídas com partes ampliadas na vertical mencionadas sobre as plotagens (FIGS. 29A-29F). As análises de rugosidade foram realizadas e são expressas em: (1) Rugosidade em Raiz Quadrada Média, RMS; (2) Rugosidade Média, Ra; e (3) Altura Máxima (Pico-para-Vale), Rmax. Os resultados são resumidos nas Tabelas 18 e

19.

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160/265

Exemplo 15 - Determinação de Cristalinidade dos materiais irradiados através de difração de raios X [00497] Difração de raios X (XRD) é um método pelo qual uma amostra cristalina é irradiada com raios X monoenergéticos. A interação da estrutura de matriz da amostra com esses raios X é registrada e fornece informação sobre a estrutura cristalina que está sendo irradiada. A impressão digital característica resultante permite a identificação dos compostos cristalinos presentes na amostra. Usando uma análise de adaptação de padrão inteiro (o Refino de Rietvelt), é possível realizar análises quantitativas sobre amostras contendo mais de um composto cristalino. Tabela 20. Dados de XRD incluindo tamanho de domínio e cristalinidade %

ID de Amostra	Tamanho de domínio (A)	Cristalinidade %
P132	55	55
P132-10	46	58
P132-100	50	55
P132-181	48	52
P132-US	26	40
A132	28	42
A132-10	26	40
A132-100	28	35
WS132	30	36
WS132-10	27	37

Tabela 20. -continuação-

ID de Amostra	Tamanho de domínio (A)	Cristalinidade %
WS132-100	30	41
SG132	29	40
SG132-10	28	38

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161/265

SG132-100	28	37
SG132-10-US	25	42
SG132-100-US	21	34

[00498] Cada amostra foi colocada sobre um prendedor de base zero e colocada em um difractômetro Phillips PW1800 usando radiação Cu. Varreduras foram, então, realizadas sobre a faixa de 5°a 50°com um tamanho de etapa de 0,05°e um tempo de contenção de 2 horas cada. [00499] Uma vez que os padrões de difração foram obtidos, as fases foram identificadas com o auxílio do Powder Diffraction File publicado pelo International Centre for Diffraction Data. Em todas as amostras, a fase cristalina identificada foi celulose - Ia, a qual tem uma estrutura triclínica. [00500] A característica distintiva entre as 20 amostras é a amplitude de pico, a qual está relacionada ao tamanho do domínio de cristalito. A amplitude de pico experimental foi usada para computar o tamanho de domínio e cristalinidade percentual, os quais são reportados na Tabela 4. [00501] A cristalinidade percentual (X_c %) é medida como uma proporção da área cristalina para a área total sob os picos de difração de raios

X, onde:
	Ac	= área de fase cristalina
	Aa	= área de fase amorfa
	Xc	= cristalinidade percentual
[00502]	Para determinar a cristalinidade percentual para cada amostra

foi necessário primeiro extrair a quantidade da fase amorfa. Isso é feito estimando a área de cada padrão de difração que pode ser atribuída à fase cristalina (representada pelos picos mais agudos) e a fase não cristalina (reapresentada pelos vales amplos por trás do padrão e centralizados a 22°e 38°).

[00503] Um processo sistemático foi usado para minimizar o erro nesses cálculos em virtude de picos cristalinos amplos, bem como alta intensidade de interferência. Primeiro, uma base linear foi aplicada e, então,

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162/265 removida. Segundo, dois picos Gaussianos centralizados a 22°e 38⁰com larguras de 10-12° cada foram adaptados aos vales por trás dos picos cristalinos. Terceiro, a área por trás dos dois picos Gaussianos amplos e o resto do padrão foram determinados. Finalmente, a cristalinidade percentual foi calculada dividindo-se a área por trás do pico cristalino pela intensidade total (após subtração da base). O tamanho de domínio e cristalinidade % das amostras, conforme determinado através de difração de raios X (XRD), são apresentados na Tabela 20.

Exemplo 16 - Análise de porosimetria de Materiais Irradiados [00504] Análise de volume de poro e tamanho de poro por mercúrio (Tabela 21) é baseada em forçar mercúrio (um líquido de não umedecimento) em uma estrutura porosa sob pressões hermeticamente controladas. Uma vez que o mercúrio não umedece a maioria das substâncias e não penetrará espontaneamente os poros através de ação capilar, ele deve ser forçado nos vazios da amostra mediante aplicação de pressão externa. A pressão requerida para encher os vazios é inversamente proporcionar ao tamanho dos poros. Apenas uma pequena quantidade de força ou pressão é requerida para encher grandes vazios, enquanto que uma maior pressão é requerida para encher os vazios de poros muito pequenos.

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Tabela 21. Tamanho de poro e distribuição volumétrica através de porosimetria de mercúrio

ID Amostra	Volume total de intrusão (mL/g)	Área total de poro (m2/g)	Diâmetro mediano de poro (Volume) (pm)	Diâmetro mediano de poro (área) (pm)	Diâmetro médio de poro (4V/A) (pm)	Densidade volumétrica @ 0,50 psia (g/mL)	Densidade aparente (esquelética) (g/mL)	Porosidade (%)
P132	6,0594	1,228	36,2250	13,7278	19,7415	0,1448	1,1785	87,7163
P132-10	5,5436	1,211	46,3463	4,5646	18,3106	0,1614	1,5355	89,4875
P132-100	5,3985	0,998	34,5235	18,2005	21,6422	0,1612	1,2413	87,0151
P132-181	3,2866	0,868	25,3448	12,2410	15,1509	0,2497	1,3916	82,0577
P132-US	6,0005	14,787	98,3459	0,0055	1,6231	0,1404	0,8894	84,2199
A132	2,0037	11,759	64,6308	0,0113	0,6816	0,3683	1,4058	73,7990
A132-10	1,9514	10,326	53,2706	0,0105	0,7560	0,3768	1,4231	73,5241
A132-100	1,9394	10,205	43,8966	0,0118	0,7602	0,3760	1,3889	72,9264
SG132	2,5267	8,265	57,6958	0,0141	1,2229	0,3119	1,4708	78,7961
SG132-10	2,1414	8,643	26,4666	0,0103	0,9910	0,3457	1,3315	74,0340
SG132-100	2,5142	10,766	32,7118	0,0098	0,9342	0,3077	1,3590	77,3593
SG132-10-US	4,4043	1,722	71,5734	1,1016	10,2319	0,1930	1,2883	85,0169
SG132-100-US	4,9665	7,358	24,8462	0,0089	2,6998	0,1695	1,0731	84,2010
WS132	2,9920	5,447	76,3675	0,0516	2,1971	0,2773	1,6279	82,9664

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Tabela 21. -continuação-

ID Amostra	Volume total de Área total de intrusão (mL/g) poro (m2/g)	Diâmetro me- Diâmetro mediano de poro diano de poro (Volume) (pm) (área) (pm)	Diâmetro médio de poro (4V/A) (pm)	Densidade volu- Densidade apa- p .. . métrica @ 0,50 rente (esqueléti- °rosi a e psia (g/mL) ca) (g/mL) (o)
WS132-10	3,1138	2,901	57,4727	0,3630	4,2940	0,2763	1,9808	86,0484
WS132-100	3,2077	3,114	52,3284	0,2876	4,1199	0,2599	1,5611	83,3538
A-1e	1,9535	3, 698	25,3411	0, 0810	2, 1130	0, 3896	1,6299	76, 0992
A-5e	1,9697	6, 503	29, 5954	0, 0336	1,2117	0, 3748	1,4317	73, 8225
A-10e	2, 0897	12, 030	45, 5493	0, 0101	0, 6948	0, 3587	1,4321	74, 9545
A-50e	2, 1141	7, 291	37, 0760	0, 0304	1,1599	0, 3577	1,4677	75, 6264
G-1e	2, 4382	7, 582	58, 5521	0, 0201	1,2863	0, 3144	1,3472	76,6610
G-5e	2, 4268	6, 436	44, 4848	0, 0225	1,5082	0, 3172	1,3782	76, 9831
G-10e	2, 6708	6, 865	62, 8605	0, 0404	1,5562	0, 2960	1,4140	79, 0638
G-50e	2, 8197	6, 798	56, 5048	0, 0315	1,6591	0, 2794	1,3179	78, 7959
P-1e	7, 7692	1,052	49, 8844	22, 9315	29, 5348	0, 1188	1,5443	92, 3065
P-5e	7, 1261	1,212	46, 6400	12, 3252	23, 5166	0, 1268	1,3160	90, 3644
P-10e	6, 6096	1, 113	41,4252	17, 4375	23,7513	0, 1374	1,4906	90, 7850

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Tabela 21. Tamanho de poro e distribuição volumétrica através de porosimetria de mercúrio

ID Amostra	Volume total de Área total de intrusão (mL/g) poro (m2/g)	Diâmetro me- Diâmetro me-	Diâmetro médio de poro (4V/A) (pm)	Densidade volu- Densidade apa-	Porosidade (%)
diano de poro (Volume) (pm)	diano de poro (área) (pm)	métrica @ 0,50 psia (g/mL)	rente (esquelética) (g/mL)
P-50e	6, 5911	1, 156	40, 7837	15, 9823	22,7974	0, 1362	1,3302	89,7616
P-100e	5, 3507	1, 195	35, 3622	10, 7400	17, 9063	0, 1648	1,3948	88, 1840
S	0, 4362	0, 030	102,8411	42, 5047	57, 8208	0, 9334	1,5745	40, 7160
S-1e	0, 3900	0, 632	90, 6808	0, 0041	2, 4680	0, 9772	1,5790	38, 1140
S-5e	0, 3914	0, 337	97, 1991	0, 0070	4, 6406	0, 9858	1,6052	38, 5847
S-10e	0, 4179	0, 349	113,4360	0, 0042	4, 7873	0, 9469	1,5669	39, 5678
S-30e	0, 4616	5, 329	102, 0559	0, 0042	0, 3464	0, 9065	1,5585	41,8388
S-50e	0, 5217	7, 162	137, 2124	0, 0051	0, 2914	0, 8521	1,5342	44, 4582
S-100e	0, 8817	15, 217	76, 4577	0, 0053	0, 2318	0, 6478	1,5105	57, 1131
St	0, 6593	17, 631	4, 2402	0, 0053	0, 1496	0, 7757	1,5877	51,1438
Sterc-1e	0, 6720	18, 078	4, 3360	0, 0052	0, 1487	0, 7651	1,5750	51,4206
Sterc-5e	0, 6334	19, 495	4, 2848	0, 0051	0, 1300	0, 7794	1,5395	49, 3706
Sterc-10e	0, 6208	16, 980	4, 3362	0, 0056	0, 1462	0, 7952	1,5703	49, 3630
Sterc-30e	0, 6892	18, 066	4, 4152	0, 0050	0, 1526	0, 7475	1,5417	51,5165
Sterc-50e	0, 6662	18, 338	4, 3759	0, 0054	0, 1453	0, 7637	1,5548	50, 8778
Sterc-100e	0,6471	23, 154	5, 4032	0, 0048	0, 1118	0, 7229	1,3582	46,7761

165/265

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 239/343

166/265 [00505] O AutoPore® 9520 pode atingir uma pressão máxima de 414 MPa ou 60.000 psia. Existiam quatro estações de baixa pressão para preparo de amostra e coleta de dados de macroporo de 0,2 psia a 50 psia. Existiam duas câmaras de alta pressão as quais coletam dados de 25 psia a 60.000 psia. A amostra é colocada em um aparelho semelhante à cuba denominado um penetrômetro, o qual é ligado a uma haste capilar de vidro com um revestimento de metal. À medida que o mercúrio invade os vazios em e em torno da amostra, ele se move para baixo na haste capilar. A perda de mercúrio da haste capilar resulta em uma alteração na capacitância elétrica. A alteração na capacitância durante o experimento é convertida em um volume de mercúrio conhecendo o volume da haste do penetrômetro em uso. Uma variedade de penetrômetros com diferentes tamanhos de cuba (amostra) e capilares estão disponíveis para acomodar a maioria dos tamanhos e configurações de amostra. A Tabela 22 abaixo define alguns dos parâmetros chave calculados para cada amostra.

Tabela 22. Definição de Parâmetros

Parâmetro Descrição

O volume total de mercúrio que penetra durante um experimento.

Isso pode incluir enchimento inVolume total de intrusão:

tersticial entre pequenas partículas, porosidade da amostra e volume de compressão da amostra. O volume total de intrusão converÁrea total de poro: tido a uma área admitindo poros de formato cilíndrico.

O tamanho no 50°por centoil soDiâmetro mediano de poro (volubre um gráfico de volume cumulame):

tivo.

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 240/343

167/265

O tamanho no 50^opor centoil soDiâmetro mediano de poro (área ):

bre o gráfico de área cumulativa. O volume total de poro dividido

Diâmetro médio de poro:

pela área total de poro (4V/A).

Tabela 22. -continuação-
Parâmetro	Descrição
Densidade volumétrica: Densidade aparente:	A massa da amostra dividido pelo volume denso. O volume denso é determinado na pressão de enchimento, tipicamente 0,5 psia. A massa da amostra dividido pelo volume da amostra medido na maior pressão, tipicamente 60.000 psia.
Porosidade:	(Densidade volumétrica / Densidade Aparente) x 100%
Exemplo 17 - Análise de tamanho de partícula de Materiais Irradiados

[00506] A técnica de dimensionamento de partícula através de dispersão de luz estática é baseada na teoria de Mie (a qual também abrange a teoria de Fraunhofer). A teoria de Mie prevê a relação de intensidade vs. Ângulo como uma função do tamanho para partículas de dispersão esféricas, contanto que outras variáveis de sistema sejam conhecidas e mantidas constantes. Essas variáveis são do comprimento de onda da luz incidente e do índice de refração relativo do material da amostra. Aplicação da teoria de Mie fornece informação detalhada sobre o tamanho de partícula. A Tabela 23 resume o tamanho de partícula usando o diâmetro mediano, diâmetro médio e diâmetro modal como parâmetros.

Tabela 23. Tamanho de partícula através de dispersão de luz a laser (disPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 241/343

168/265 persão da amostra seca)

ID Amos- Diâmetro mediano Diâmetro médio Diâmetro	modal
tra	(pm)	(pm)	(pm)
A132	380,695	418,778		442,258
A132-10	321,742	366,231		410,156
A132-100	301,786	348,633		444,169
SG132	369,400	411,790		455,508
SG132-10	278,793	325,497		426,717
SG132-	242,757	298,686		390,097
100
Tabela 23.	-continuação-
ID Amos-	Diâmetro mediano	Diâmetro	médio	Diâmetro	modal
tra	(pm)	(pm)		(pm)
WS132	407,335	445,618		467,978
WS132-	194,237	226,604		297,941
10
WS132-	201,975	236,037		307,304
100

O tamanho de partícula foi determinado através de Dispersão de Luz a Laser (Dispersão da Amostra Seca) usando um Malvern Mastersizer 2000 usando as condições a seguir:

Taxa de alimentação: 35%

Pressão do dispersor: 4 Bar

Modelo óptico:

(2,610, 1,000i),

1,000 [00507] Uma quantidade apropriada de amostra foi introduzida sobre uma bandeja vibratória. A taxa de alimentação e pressão do ar foram ajustadas para assegurar que as partículas estavam apropriadamente dispersas. O componente chave é selecionar uma pressão do ar que romperá aglomerações, mas não comprometerá a integridade da amosPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 242/343

169/265 tra. A quantidade de amostra necessária varia, dependendo do tamanho das partículas. Em geral, amostras com partículas finas requerem menos material do que amostras com partículas espessas.

Exemplo 18 - Análise de área de superfície de Materiais Irradiados [00508] A área superfície de cada amostra foi analisada usando um sistema Micromeritics ASAP 2420 Acelerated Surface Area and Porosimetry. As amostras foram preparadas primeiro desgaseificando durante 16 horas a 40°C. Em seguida, o espaço livre (quente e frio) com hélio é calculado e, então, o tubo de amostra é evacuado mais uma vez para remover o hélio. Coleta de dados começa após essa segunda evacuação e consiste de definição de pressões alvo, a qual controla quanto gás é dosado sobre a amostra. Em cada pressão alvo, a quantidade de gás adsorvido e a pressão real são determinadas e registradas. A pressão dentro do tubo de amostra é medida com um transdutor de pressão. Doses adicionais de gás continuarão até que a pressão alvo seja obtida e deixada equilibrar. A quantidade de gás adsorvido é determinada somando múltiplas doses sobre a amostra. A pressão e quantidade definem um isoterma de adsorção de gás e são usadas para calcular uma série de parâmetros, incluindo área superfície BET (Tabela 24).

Tabela 24. Sumário da área superfície por meio de adsorção gasosa

ID da Amostra	Área de superfície sobre ponto (m2/g)	um único	Área de superfície BET (m2/g)
P132	@ P/Po = 0,250387771	1,5253	1,6897
P132-10	@ P/Po = 0,239496722	1,0212	1,2782
P132-100	@ P/Po = 0,240538100	1,0338	1,2622
P132-181	@ P/Po = 0,239166091	0,5102	0,6448
P132-US	@ P/Po = 0,217359072	1,0983	1,6793
A132	@ P/Po = 0,240040610	0,5400	0,7614
A132-10	@ P/Po = 0,211218936	0,5383	0,7212

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 243/343

170/265

A132-100	@ P/Po = 0,238791097	0,4258	0,5538
SG132	@ P/Po = 0,237989353	0,6359	0,8350
SG132-10	@ P/Po = 0,238576905	0,6794	0,8689
SG132-100	@ P/Po = 0,241960361	0,5518	0,7034
SG132-10-US	@ P/Po = 0,225692889	0,5693	0,7510
SG132-100- US	@ P/Po = 0,225935246	1,0983	1,4963
G-10-US			0,751
G100-US			1,496
G132-US			1,679
WS132	@ P/Po = 0,237823664	0,6582	0,8663
WS132-10	@ P/Po = 0,238612476	0,6191	0,7912
WS132-100	@ P/Po = 0,238398832	0,6255	0,8143
A-1e	@ P/Po = 0,238098138	0,6518	0,8368
A-5e	@ P/Po = 0,243184477	0,6263	0,7865
A-10e	@ P/Po = 0,243163236	0,4899	0,6170
A-50e	@ P/Po = 0,243225512	0,4489	0,5730
G-1e	@ P/Po = 0,238496102	0,5489	0,7038
G-5e	@ P/Po = 0,242792602	0,5621	0,7086
G-10e	@ P/Po = 0,243066031	0,5021	0,6363
G-50e	@ P/Po = 0,238291132	0,4913	0,6333
Tabela 24. -continuação-
ID da Amostra	Área de superfície sobre um único ponto (m2/g)	Área de superfície BET (m2/g)
P-1e	@ P/Po = 0,240842223	1,1413	1,4442
P-5e	@ /Po=0,240789274	1,0187	1,3288
P-10e	@ P/Po = 0,240116967	1,1015	1,3657
P-50e	@ P/Po = 0,240072114	1,0089	1,2593
P-100e	@ P/Po = 0,236541386	0,9116	1,1677

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 244/343

171/265

S	@ P/Po = 0,225335038	0,0147	0,0279
S-1e	@ P/Po = 0,217142291	0,0193	0,0372
S-5e	@ P/Po = 0,133107838	0,0201	0,0485
S-10e	@ P/Po = 0,244886517	0,0236	0,0317
S-30e	@ P/Po = 0,237929400	0,0309	0,0428
S-50e	@ P/Po = 0,245494494	0,0262	0,0365
S-100e	@ P/Po = 0,224698551	0,0368	0,0506
St	@ P/Po = 0,238324949	0,3126	0,4013
Sterc-1e	@ P/Po = 0,238432726	0,3254	0,4223
Sterc-5e	@ P/Po = 0,238363587	0,3106	0,4071
Sterc-10e	@ P/Po = 0,238341099	0,3205	0,4268
Sterc-30e	@ P/Po = 0,238629889	0,3118	0,4189
Sterc-50e	@ P/Po = 0,244630980	0,3119	0,3969
Sterc-100e	@ P/Po = 0,238421621	0,2932	0,3677

[00509] O Modelo BET para isotermas é uma teoria amplamente usada para cálculo da área de superfície específica. A análise envolve determinação da capacidade de monocamada de superfície da amostra calculando-se a quantidade requerida para cobrir toda a superfície com uma única camada densamente empacotada de criptônio. A capacidade de monocamada é multiplicada pela área seccional transversal da molécula de gás de sonda para determinar a área de superfície total. A área de superfície específica é a área superfície da alíquota de amostra dividida pela massa da amostra.

Exemplo 19 - Determinação de comprimento da fibra de Materiais Irradiados [00510] Testagem de distribuição de comprimento da fibra foi realizada em triplicata sobre as amostras enviadas usando o sistema Techpap MorFi LB01. O comprimento médio e largura de fibra são reportados na Tabela 25.

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172/265

Tabela 25. Sumário de dados de largura e comprimento da fibra lignocelulósica

Amostra ID	Média aritmética (mm)	Comprimento médio ponderado (mm)	Comprimento médio ponderado estatisticamente corrigido (mm)	Largura (micrômetros) (pm)
P132-10	0,484	0,615	0,773	24,7
P132-100	0,369	0,423	0,496	23,8
P132-181	0,312	0,342	0,392	24,4
A132-10	0,382	0,423	0,650	43,2
A132-100	0,362	0,435	0,592	29,9
SG132-	0,328	0,363	0,521	44,0
10
SG132-	0,325	0,351	0,466	43,8
100
WS132-	0,353	0,381	0,565	44,7
10
WS132-	0,354	0,371	0,536	45,4
100
Exemplo 20 - Tratamento ultra-sônico de switchgrass irradiado e não irra-

diado [00511] Switchgrass foi cisalhado de acordo com Exemplo 4. O switchgrass foi tratado por meio de ultrassom isoladamente ou irradiação com 10 Mrad ou 100 Mrad de raios gama e, então, submetido a ultrassom. Os materiais resultantes correspondem a G132-BR (não irradiado), G132-10-BR (10 Mrad e ultrassom) e G132-100-BR (100 Mrad e ultrassom), conforme apresentado na Tabela 1. Ultrassom foi realizado sobre cada amostra durante 30 minutos usando ultrassom a 20 kHz a partir da antena em forma de chifre de 1000W sob condições de re-circulação.

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 246/343

173/265

Cada amostra foi dispersa em água em uma concentração de cerca de 0,10 g/mL.

[00512] As FIGS. 30 e 31 mostram o aparelho usado para sonicação. O aparelho 500 inclui um conversor 502 conectado a um amplificador de voltagem 504 que se comunica com a antena em forma de chifre 506 fabricada de titânio ou uma liga de titânio. A antena em forma de chifre, a qual tem uma vedação 510 feita de VITON® em torno de seu perímetro sobre seu lado de processamento, forma uma vedação hermética a líquido com uma célula de processamento 508. O lado de processamento da antena em forma de chifre está imerso em um líquido, tal como água, que tem, disperso no mesmo, a amostra a ser submetida a sonicação. A pressão na célula é monitorada com um manômetro 512. Em operação, cada amostra é movida pela bomba 517 do tanque 516 através da célula de processamento e é submetida a sonicação. Após, sonicação, a amostra é capturada no tanque 520. O processo pode ser revertido, pelo que os conteúdos do tanque 520 podem ser enviados através da célula de processamento e capturados no tanque 516. Esse processo pode ser repetido uma série de vezes, até que um nível desejado de processamento seja conferido à amostra.

Exemplo 21 - Micrografias de varredura eletrônica de switchgrass não irradiado em comparação com irradiado e irradiado e submetido a sonicação [00513] Amostras de switchgrass para as micrografias de varredura eletrônica foram aplicadas a uma fita de carbono e revestidas com dispositivo de descarga de ouro (70 segundos). As imagens foram tiradas com um microscópio de varredura eletrônica por emissão de campo JEOL 6500.

[00514] A figura 32 é uma micrografia de varredura eletrônica em uma ampliação de 1000 X de um material fibroso produzido a partir de cisalhamento de switchgrass sobre um cortador de faca giratória e, então,

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174/265 passagem the cisalhada material através de uma peneira de 1/32 polegadas.

[00515] As FIGS. 33 e 34 são micrografias de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com raios gama a 10 Mrad e 100 Mrad, respectivamente, em uma ampliação de 1000 X.

[00516] A figura 35 é uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com 10 Mrad e sonicação em uma ampliação de 1000 X.

[00517] A figura 36 é uma micrografia de varredura eletrônica do material fibroso da figura 32 após irradiação com 100 Mrad e sonicação em uma ampliação de 1000 X.

Exemplo 22 - Espectro de infravermelho por Transformação de Fourie (FTERC-IR) de papel Kraft irradiado e não irradiado [00518] Análise por FTERC-IR foi realizada sobre um Nicolet/Impact 400. Os resultados indicam que as amostras P132, P132-10, P132-100, P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e e P-100e são consistentes com um material baseado em celulose.

[00519] A figura 37 é um espectro por infravermelho de papelão Kraft cisalhado de acordo com Exemplo 4, enquanto que a figura 38 é um espectro por infravermelho do papel Kraft da figura 37 após irradiação com 100 Mrad de radiação gama. A amostra irradiada mostra um pico adicional na região A (centralizada cerca de 1730 cm^-1) que não é encontrado no material não irradiado. De nota, um aumento na quantidade de uma absorção de carbonila a ~1650 cm^-1 foi detectado quando indo de P132 para P132-10 para P132-100. Resultados similares foram observados para as amostras P-1e, P-5e, P-10e, P-30e, P-70e e P-100e.

Exemplo 23 - Espectros por ressonância magnética nuclear de prótons e carbono-13 (¹H-RMN e ¹³C-RMN) de papel Kraft irradiado e não irradiado

Preparo de Amostra [00520] As amostras P132, P132-10, P132-100, P-1e, P-5e, P-10e, PPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 248/343

175/265

30e, P-70e e P-100e foram preparadas para análise por meio de dissolução com DMSO-d₆ com trihidrato de fluoreto de tetrabutil amônio a 2%. As amostras que tinham sofrido menores níveis de irradiação eram significativamente menos solúveis do que as amostras com maior irradiação. As amostras não irradiadas formaram um gel nessa mistura de solvente, mas aquecimento a 60°C decompôs os picos nos espect ros de RMN. As amostras que sofreram maiores níveis de irradiação eram solúveis em uma concentração de 10% peso/peso.

[00521] Análise [00522] Espectros de ¹H-RMN das amostras a 15 mg/mL mostraram um pico de ressonância muito amplo distinto centralizado a 16 ppm (FIGS. 38A-38J). Esse pico é característico de um próton de -OH permutável para um enol e foi confirmado através de uma mistura de d₂O. Compostos modelo (acetilacetona, ácido glucurônico e ácido cetoglucônico) foram analisados e fazem um caso convincente de que esse pico era, na verdade, um próton de enol permutável. Esse pico de enol proposto era muito sensível aos efeitos da concentração e nós não fomos capazes de concluir se essa ressonância era em virtude de um enol ou possivelmente um ácido carboxílico.

[00523] As ressonâncias de próton de ácido carboxílico dos compostos modelo eram similares àquelas observadas para as amostras de celulose tratadas. Esses compostos modelo tinham o campo desviado em até ~5-6 ppm. Preparo de P-100e em maiores concentrações (~10% peso/peso) levou a um desvio de campo dramático para onde as ressonâncias de ácido carboxílico dos compostos modelo eram encontradas (~6 ppm) (figura 38N). Esses resultados levaram à conclusão de que essa ressonância não é confiável para caracterização desse grupo funcional; contudo, os dados sugerem que o número de hidrogênios permutáveis aumenta com aumento de irradiação da amostra. Também, nenhum próton de vinila foi detectado.

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 249/343

176/265 [00524] Os espectros de ¹³C RMN das amostras confirmam a presença de uma carbonila ou ácido carboxílico ou um derivado de ácido carboxílico. Esse novo pico (a 168 ppm) não está presente nas amostras não tratadas (figura 38K). Um espectro por ¹³C RMN com um retardo longo permitiu a quantificação do sinal para P-100e (FIGS. 38L-38M). Comparação da integração da ressonância de carbonila com as ressonâncias a aproximadamente 100 ppm (os sinais C1) sugere que a proporção do carbono de carbonila para C1 é de 1:13,8 ou aproximadamente 1 carbonila para cada 14 unidades de glicose. O desvio químico a 100 ppm se correlaciona bem com o ácido glucurônico.

Titulação [00525] As amostras P-100e e P132-100 (1g) foram suspensas em água desionizada (25 mL). O indicador amarelo de alizarina foi adicionado a cada amostra com agitação. P-100e foi mais difícil de umedecer. Ambas as amostras foram tituladas com uma solução de NaOH a 0,2M. O end point era muito sutil e foi confirmado usando papel de pH. O pH inicial das amostras era de ~4 para ambas as amostras. P132-100 requereu 0,4 miliequivalentes de hidróxido, o que proporciona um peso molecular para o ácido carboxílico de 2500 amu. Se 180 amu são usados para um monômero, isso sugere que há um grupo ácido carboxílico para 13,9 unidades monoméricas. Da mesma forma, P-100e requereu 3,2 miliequivalentes de hidróxido, o qual se calcula como sendo um grupo ácido carboxílico para cada 17,4 unidades monoméricas.

Conclusões [00526] O C-6 carbono da celulose que parece ser oxidado ao ácido carboxílico (um derivado de ácido glucurônico) nessa oxidação é surpreendentemente específico. Essa oxidação está em concordância com a banda de IR que cresce com irradiação a ~ 1740 cm^-1, a qual corresponde a um ácido carboxílico alifático. Os resultados de titulação estão em concordância com o ¹³C RMN quantitativo. A solubilidade crescente da

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177/265 amostra com os maiores níveis de irradiação se correlaciona bem com o número crescente de prótons de ácido carboxílico. Um mecanismo proposto para a degração de celulose C-6 oxidada é fornecido abaixo no Esquema 1.

Esquema 1

Exemplo 24 - Combinação de pré-tratamento com feixe de elétrons e sonicação [00527] Switchgrass é usado como a matéria prima e é cisalhado com um cortador de faca giratória Munson em um material fibroso. O material fibroso é, então, uniformemente distribuído sobre uma bandeja aberta composta de estanho com uma área de mais de que cerca de 500 in². O material fibroso é distribuído de modo que ele tem uma profundidade de cerca de 1 - 2 polegadas na bandeja aberta. O material fibroso pode ser distribuído em sacos plásticos em doses menores de irradiação (sob 10 MRad) e deixado descoberto sobre a bandeja de metal em maiores doses de radiação.

[00528] Amostras distintas do material fibroso são, então, expostas à doses sucessivas de radiação de feixe de elétrons para obter uma dose total de 1 Mrad, 2 Mrad, 3, Mrad, 5 Mrad, 10 Mrad, 50 Mrad e 100 Mrad. Algumas amostras são mantidas sob as mesmas condições que as

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178/265 amostras restantes, mas não são irradiadas, para servir como controles. Após resfriamento, o material fibroso irradiado é enviado para processamento adicional através de um dispositivo de sonicação.

[00529] O dispositivo de sonicação inclui um conversor conectado um amplificador de voltagem que se comunica com a antena em forma de chifre fabricada de titânio ou uma liga de titânio. A antena em forma de chifre, a qual tem uma vedação feita de VITON® em torno de seu perímetro sobre seu lado de processamento, forma uma vedação hermética a líquido com uma célula de processamento. O lado de processamento da antena em forma de chifre está imerso em um líquido, tal como água, no qual o material fibroso irradiado a ser submetido a sonicação está imerso. A pressão na célula é monitorada com um manômetro. Em operação, cada amostra é movida pela bomba através da célula de processamento e é submetida a sonicação.

[00530] Para preparar o material fibroso irradiado for sonicação, o material fibroso irradiado é removido de qualquer container (por exemplo, sacos plásticos) e é disperso em água em uma concentração de cerca de 0,10 g/mL. Sonicação é realizado sobre cada amostra durante 30 minutos usando ultrassom de 20 kHz a partir de uma antena em forma de chifre de 1000 W sob condições de re-circulação. Após sonicação, o material fibroso irradiado é capturado em um tanque. Esse processo pode ser repetido uma série de vezes, até que um nível desejado de processamento seja obtido baseado em monitoramento da alteração estrutural no switchgrass. Mais uma vez, algumas amostras irradiadas são mantidas sob as mesmas condições que as amostras restantes, mas não são submetidas a sonicação, para servir como controles. Além disso, algumas amostras que não foram irradiadas são submetidas a sonicação, mais uma vez para servir como controles. Assim, alguns controles não são processados, alguns são apenas irradiados e alguns são submetidos a sonicação.

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Exemplo 25 - Testagem microbiana de biomassa pré-tratada [00531] Materiais lignocelulósicos específicos pré-tratados conforme descrito aqui são analisados quanto à toxicidade por cepas comuns de levedo e bactérias usados na indústria de biocombustíveis para a etapa de fermentação na produção de etanol. Adicionalmente, o teor de açúcar e compatibilidade com enzimas celulase são examinados para determinar a viabilidade do processo de tratamento. Testagem dos materiais prétratados é realizada em duas fases, como segue.

Fase 1: Toxicidade e Teor de Açúcar [00532] A toxicidade dos matérias primas de grama e papel prétratados é medida no levedo Saccharomyces cerevisiae (levedo de uva) e Pichia stipitis (ATCC 66278), bem como nas bactérias Zymomonas mobilis (ATCC 31821) e Clostridium thermocellum (ATCC 31924). Um estudo de crescimento é realizado com cada um dos organismos para determinar o tempo ótimo de incubação e amostragem.

[00533] Cada um dos matérias primas é, então, incubado, em duplicata, com S. cerevisiae, P. stipitis, Z. mobilis e C. thermocellum em um meio microbiológico padrão para cada organismo. Caldo YM é usado para as duas cepas de levedo, S. cerevisiae e P. stipitis. Meio RM é usado para Z. mobilis e meio CM4 para C. thermocellum. Um controle positivo, com açúcar puro adicionado, mas sem estoque de alimentação, é usado para comparação. Durante a incubação, um total de cinco amostras é tirado a cada 12 horas nos tempos 0, 3, 6, 9 e 12 horas e analisadas quanto à viabilidade (contagens de placa para Z. mobilis e contagens diretas para S. cerevisiae) e concentração de etanol.

[00534] O teor de açúcar dos matérias primas é medido usando Cromatografia de Líquido de Alto Desempenho (HPLC) equipado com uma coluna de açúcar Shodex® SP0810 ou Biorad Aminax® HPX-87P. Cada um dos matérias primas (aprox. 5 g) é misturado com água submetida à osmose reversa (RO) durante 1 hora. A porção líquida da mistura é rePetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 253/343

180/265 movida e analisada quanto ao teor de glicose, galactose, xilose, manose, arabinose e celobiose. A análise é realizada de acordo com o protocolo do National Bioenergy Center Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass.

Fase 2. Compatibilidade Com Celulase [00535] Matérias primas são testados, em duplicata, com Accellerase® 1000 comercialmente disponível, a qual contém um complexo de enzimas que reduz a biomassa lignocelulósica em açúcares fermentáveis, na temperatura e concentração recomendadas em um frasco de Erlenmeyer. Os frascos são incubados com agitação moderada em torno de 200 rpm durante 12 horas. Durante esse tempo, amostras são tiradas a cada três horas nos tempos 0, 3, 6, 9 e 12 horas para determinar a concentração de açúcares de redução (Hope e Dean, Biotech J., 1974, 144: 403) na porção líquida dos frascos.

Exemplo 26 - Análise de concentração de açúcar usando HPLC [00536] 13 amostras foram analisadas com relação à concentração de açúcar (HPLC) e toxicidade contra 3 micro-organismos (Pichia stipitis, Saccharomyces cerevisiae e Zymomonas mobilis). A Tabela 26 lista o equipamento usado para esses experimentos. As Tabelas 27 e 28 fornecem uma lista dos açúcares (incluindo vendedor e números de lote) usados para preparar o padrão de HPLC e o protocolo usado para preparar o padrão de HPLC, respectivamente.

Tabela 26. Equipamento utilizado nos experimentos

Equipamento	Fabricante, Nome
Medidor de pH	Orion
Agitadores (2)	B. Braun Biotech, Certomat BS-1
HPLC	Módulo de HPLC Waters, 2690
espectrofotômetro	Unicam, UV300
YSI Biochem Analyzer	Interscience, YSI

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Tabela 27. Açúcares usados em análise de HPLC

Açúcar	Fabricante	Ref #	Lote #
glicose		49140	1284892
xilose		95731	1304473 51707231
celobiose	BioChemika	22150	1303157 14806191
arabinose		10840	1188979 24105272
manose		63582	363063/1 22097
galactose		48259	46032/1 33197

Tabela 28. Preparo de padrões de HPLC

Concentração desejada (mg/mL)	Volume de solução de açúcar	Volume de água nanopu- ra (mL)	Volume total (mL)
4	50 mL de 4 mg/mL	0	50
2	25 mL de 4 mg/mL	25	50
1	25 mL de 2 mg/mL	25	50
0.5	25 mL de 1 mg/mL	25	50
0.1	5 ml de 1 mg/mL	20	25
Padrão de verificação	18,75 mL de 4 mg/mL	31,25	50

1,5 mg/mL Análise [00537] Cada amostra (1 grama) foi misturado com água submetida à osmose reversa a 200 rpm e 50°C durante a noite. O pH da amostra foi ajustado para entre 5 e 6 e filtrado através de um filtro para seringa de 0,2 mm. As amostras foram armazenadas a -20°C antes de a nálise para manter a integridade das amostras. As observações feitas durante o preparo das amostras são apresentadas na Tabela 29.

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Tabela 29. Observações durante preparo da amostra para HPLC

Amostra	Quantidade usada (g)	Água adi- cio- nada (mL)	pH	Observações
P132	1	30	5,38	Fofa, difícil de misturar
P132-10	1	25	6,77	Fofa, difícil de misturar pH é baixo, difícil de
P132-100	1	20	3,19	levar para um pH de 5,0, NaOH a 10 N usado
P132-US	0,3	5	6,14
A132	1	15	5,52
A132-10	1	15	4,9
A132-100	1	15	5,39
SG132	1	15	5,59
SG132-10	1	15	5,16
SG132-100	1	15	4,7
SG132-10-US	0,3	5	5,12

Tabela 29. -continuação-

Amostra	Quantidade usada (g)	Água adi- cio- nada (mL)	pH Observações
SG132-100- US	0,3	5	4,97

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WS132	1	15	5,63
WS132-10	1	15	5,43
WS132-100	1	15	5,02

*pH dessas amostras foi ajustado usando NaOH a 1N [00538] Padrões foram preparados frescos a partir de 4 mg/mL de solução de estoque dos 6 açúcares combinados, glicose, xilose, celobiose, arabinose, manose e galactose. A solução de estoque foi preparada mediante dissolução de 0,400 gramas de cada açúcar em 75 mL de água nanopura (filtrada em filtro de 0,3 mícrons). Uma vez dissolvida, a solução de estoque foi diluída para 100 mL usando um frasco volumétrico e armazenada a -20°C. Soluções de trabalho padrões de 0,1,0,5, 1,2 e 4 mg/mL foram preparadas mediante diluição serial da solução de estoque com água nanopura. Além disso, um padrão de verificação de 1,5 mg/mL também foi preparado a partir da solução de estoque.

[00539] As concentrações de açúcar foram analisadas de acordo com o protocolo Determinação de Carboidratos Estruturais em Biomassa (NREL Biomass Program, 2006) e esse protocolo é incorporado aqui por referência na íntegra. Uma coluna SHODEX SUGAR SP0810 com um Evaporative Light Scattering Detector foi usada. Um padrão de verificação (1,5 mg/mL de padrão) foi analisado a cada 8 injeções a fim de assegurar que a integridade da coluna e do detector foi mantida durante o experimento. O coeficiente de curva padrão de variação (valor R²) foi de pelo menos 0,989 e a concentração dos padrões de verificação estava dentro de 10% da concentração real. As condições de HPLC foram como segue:

Tabela 30. Parâmetros de HPLC

Volume de injeção: 20 pL

Água nanopura*, filtrada em filtro de 0,45

Fase móvel:

pm e desgaseificada

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Taxa de fluxo:	0,5 mL/min
Temperatura da coluna:	85°C
Temperatura do detector:	Temperatura do evaporador de 110°C, temperatura do nebulizador de 90°C

*Testes iniciais notaram que melhor separação foi observada quando usando água nanopura do que acetonitrilo:água a 15/85 na fase móvel (fabricante não recomenda usar mais de 20% de acetonitrilo com essa coluna).

Resultados

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Tabela 31. Concentração de açúcar expressa como mg/mL e mg/g de extrato

ID da amostra	Xilose mW~150 C5H10O5 Mono	Arabinose mW~150 C5H10O5 Mono	Glicose mW~180 Mono	Galactose (veja glic) mg/mL: mg/g	Manose (veja glic) mg/mL: mg/g	Celobiose mW~342 C12H22O11 Dissac.
	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g
P
P-132	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
P-132-10	0,00	0,00	0,00	0,00	0,34	8,60	0,00	0,00	0,00	0,00	00,33	8,13
P-132-100	0,35	7,04	0,00	0,00	0,34	6,14	0,00	0,00	0,00	0,00	0,36	7,20
P-132-BR	0,35	5,80	0,43	7,17	0,34	5,62	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
G
G-132	0,39	5,88	0,38	5,73	0,84	12,66	0,34	5,04	0,92	13,76	0,00	0,00
G-132-10	0,50	7,50	0,41	6,18	1,07	16,04	0,35	5,19	0,98	14,66	0,00	0,00
G-132-100	0,00	0,00	0,37	5,54	0,41	6,14	0,00	0,00	0,55	8,28	0,45	6,71
G-132-10-US	0,34	5,73	0,39	6,45	0,33	5,43	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
G-132-100-US	0,00	0,00	0,37	6,22	0,35	5,90	0,33	5,43	0,40	6,70	0,39	6,45

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Tabela 31. Concentração de açúcar expressa como mg/mL e mg/g de extrato

ID da amostra	Xilose mW~150 C5H10O5 Mono	Arabinose mW~150 C5H10O5 Mono	Glicose mW~180 Mono	Galactose (veja glic) mg/mL: mg/g	Manose (veja glic) mg/mL: mg/g	Celobiose mW~342 C12H22O11 Dissac.
	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g	mg/mL	mg/g
A
A-132	1,36	20,39	0,00	0,00	1,08	16,22	0,39	5,84	1,07	16,02	0,00	0,00
A-132-10	1,19	17,87	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,37	5,52	0,00	0,00
A-132-100	1,07	16,11	0,00	0,00	0,35	5,18	0,00	0,00	0,00	0,00	0,81	12,2
WS
WS-132	0,49	7,41	0,41	6,15	0,39	5,90	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
WS-132-10	0,57	8,49	0,40	5,99	0,73	10,95	0,34	5,07	0,50	7,55	0,00	0,00
WS-132-100	0,43	6,39	0,37	5,51	0,36	5,36	0,00	0,00	0,36	5,33	0,35	5,25

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Tabela 32. Concentração de açúcar expressa em % de papel

Concentração de açúcar (% P132P132 P132-10 P132-US de amostra seca) 100

celobiose	0,00	0,81	0,72	0,00
glicose	0,00	0,86	0,67	0,56
xilose	0,00	0,00	0,70	0,58
galactose	0,00	0,00	0,00	0,00
arabinose	0,00	0,00	0,00	0,72
manose	0,00	0,00	0,00	0,00

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Tabela 33. Concentração de açúcar expressa em % de amostra total

Concentração de açúcar (% de amostra seca)		A132	A132- 10	A132- 100	SG132	SG132- 10	SG132- 100	SG132-10- US	SG132-100- US	WS132	WS132- 10	WS132- 100
celobiose		0,00	0,00	1,22	0,00	0,00	0,67	0,00	0,65	0,00	0,00	0,53
glicose		1,62	0,00	0,52	1,27	1,60	0,61	0,54	0,59	0,59	1,10	0,54
xilose		2,04	1,79	1,61	0,59	0,75	0,00	0,57	0,00	0,74	0,85	0,64
galactose		0,58	0,00	0,00	0,50	0,52	0,00	0,00	0,54	0,00	0,51	0,00
arabinose		0,00	0,00	0,00	0,57	0,62	0,55	0,65	0,62	0,62	0,60	0,55
manose		1,60	0,55	0,00	1,38	1,47	0,83	0,00	0,67	0,00	0,76	0,53

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Exemplo 27- Estudo de Toxicidade [00540] Doze amostras foram analisadas com relação à toxicidade contra um painel de três culturas que produzem etanol. Nesse estudo, glicose foi adicionada às amostras de forma a distinguir entre privação das culturas e toxicidade das amostras. Uma décima terceira amostra foi testada com relação à toxicidade contra Pichia stipitis. Um sumário do protocolo usado é listado na Tabela 32. Uma descrição dos produtos químicos e equipamento usados na testagem de toxicidade é reportada nas Tabelas 34-36.

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Tabela 34. Condições para testagem de toxicidade

Variável	Organismo
Zymomonas mobilis ATCC 31821	Saccharomyces cerevesiae ATCC 24858	Pichia stipitis NRRL Y-7124
Repetição do teste	Duplicata
Volume de inoculação (mL)	1	0,1	1
Temperatura de inoculação	30°C	25°C	25°C
Velocidade de agitação (rpm)	125	200	125
Volume do frasco de Erlenmeyer	250 mL	500 mL	250 mL
Volume médio	100 mL	100 mL	100 mL
Tempo total de incubação (horas)	36	36	48
Análise de etanol (horas)	24, 30, 36	24, 30, 36	24, 36, 48
Contagens de células (horas)	24, 36	24, 36	24, 48
pH	0 horas	0 horas	0 horas

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Tabela 35. Reagentes Usados para Testagem de Toxicidade

Componente do meio	Fabricante	Referência #	Lote #
Uréia	ScholAR Chemistry	9472706	AD-7284-43
Base de nitrogênio de levedo	Becton Dickinson	291940	7128171
Peptona	Becton Dickinson	211677	4303198
Xilose	Fluka	95731	1304473 51707231
Glicose	Sigma	G-5400	107H0245
Extrato de levedo (usado para S. cerevisiae)	Becton Dickinson	288620	4026828
Extrato de levedo (usado para P. stipitis e Z. mobilis)	Becton Dickinson	212750	7165593
MgSO4 7H2O	Sigma	M5921	034K0066
(NH4)2SO4	Sigma	A4418	117K5421
kh2po4	Sigma	P5379	074K0160
Caldo YM	Becton Dickinson	271120	6278265

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Tabela 36. Componentes YSI Usados no Estudo com Frasco de Agitação

Componente	Catálogo #	Lote #
Membrana de Etanol YSI	2786	07L100153
Padrão de Etanol YSI (3,2 g/L)	2790	012711040
Tampão de Etanol YSI	2787	07M1000053, 07100215
Testagem foi realizada usando os três micro-organismos, conforme des-
crito abaixo.
Saccharomyces cerevisiae ATCC 24858 (American Type Culture Collec-

tion) [00541] Um isolado de S. cerevisiae foi preparada a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da ATCC. Uma parte do material do isolado foi colocada sobre um Caldo YM + 20 g/L de agar (pH de 5,0) e incubada a 30°C durante 2 dias. Um frasco de Erlenmey er de 250 mL contendo 50 mL de meio.

[00542] Os vasos de teste eram frascos de Erlenmeyer de 500 mL contendo 100 mL do meio estéril descrito acima. Todos os frascos foram submetidos à autoclave a 121°C e 15 psi antes da ad ição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alterará o teor das amostras. As amostras de teste foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1% v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados conforme descrito acima durante 36 horas.

[00543] Pichia stipitis NRRL Y-7124 (ARS Culture Collection) [00544] Um isolado de P. stipitis foi preparado a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da ARS Culture Collection. Uma parte do material do isolado foi colocada sobre um Caldo YM + 20 g/L de agar (pH de 5,0) e incubada a 30°C durante 2 dias. Um frasco de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL de meio (40 g/L de glicose, 1,7 g/L de base de niPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 266/343

193/265 trogênio de levedo, 2,27 g/L de uréia, 6,56 g/L de peptona, 40 g/L de xilose, pH de 5,0) foi inoculado com uma pequena quantidade de material da lâmina e incubado durante 24 horas a 25°C e 125 rpm . Após 23 horas de crescimento, uma amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) em uma densidade óptica de 5,23 e com uma Coloração de Gram limpa foi escolhida para inocular todos os frascos de teste. [00545] Os vasos de teste erma frascos de 250 mL Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL do meio estéril descrito acima. Todos os frascos foram submetidos à autoclave vazios a 121°C e 15 ps i e esterilizados em um meio filtro (filtro de 0,22 pm) adicionado aos frascos antes da adição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alterará o teor das amostras e esterilização em filtro não é apropriada para esterilização de sólidos. As amostras de teste foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1 % v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados conforme descrito acima durante 48 horas. Zymomonas mobilis ATCC 31821 (American Type Culture) [00546] Um isolado de Z. mobilis foi preparado a partir de uma cultura liofilizada hidratada obtida da ATTC. Uma parte do material do isolado foi colocada sobre lâminas DYE (glicose 20 g/L, Extrato de Levedo 10 g/L, Agar 20 g/L, pH de 5,4) e incubada a 30°C e 5% de C O₂ durante 2 dias. Um tubo de ensaio com tampa de rosca de 20 mL contendo 15 mL de meio (25 g/L glicose, 10 g/L extrato de levedo, 1 g/L de MgSO₄ ^.7H₂O, 1 g/L de (NH₄)₂SO₄, 2 g/L de KH₂PO₄, pH de 5,4) foi inoculado com uma colônia e incubado durante 24 horas a 30°C sem agit ação. Após 23 horas de crescimento, uma amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (coloPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 267/343

194/265 ração de Gram). Baseado nesses resultados, um tubo (OD de 1,96) foi escolhido para inocular o segundo frasco de cultura. O segundo frasco de cultura era um frasco de 125 ml contendo 70 mL do meio descrito acima e foi inoculado com 700 pL (1 % v/v) e incubado durante 24 horas a 30°C sem agitação. Após 23 horas de crescimento, uma amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) com uma OD de 3,72 foi escolhido para inocular todos os frascos de teste.

[00547] Os vasos de teste eram frascos de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL do meio estéril descrito acima, com exceção do extrato de levedo a 5 g/L. Todos os frascos foram submetidos à autoclave vazios a 121°C e 15 psi e esterilizados em meio de filtro (filtro de 0,22 pm) adicionado aos frascos antes da adição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alterará os conteúdos das amostras e esterilização em filtro não é apropriada para esterilização de sólidos. As amostras de teste foram adicionadas no momento de inoculação para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1 % v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados conforme descrito acima durante 36 horas

Análise [00548] Duas amostras foram analisadas com relação à concentração celular (usando uma lâmina de dispersão para Z. mobilis e contagens diretas (hemocitômetro e microscópio para S. cerevisiae e P. stipitis). Amostras apropriadamente diluídas de Z. mobilis foram dispersas sobre lâminas com Extrato de Levedo com Dextrose (glicose 20 g/L, Extrato de levedo 10 g/L, Agar 20 g/L, pH de 5,4), incubadas a 30°C e 5% de CO ₂ durante 2 dias e o número de colônias contado. Amostras apropriadamente diluídas de S. cerevisiae e P. stipitis foram misturadas com azul de

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Tripano a 0,05%, carregadas a um hemocitômetro Neubauer. As Células foram contadas sob ampliação de 40 X.

[00549] T rês amostras foram analisadas com relação à concentração de etanol usando o YSI Biochem Analyzer baseado no ensaio de dehidrogenase de álcool (YSI, Interscience). As amostras foram centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante armazenado a -20°C para preservar a integridade. As amostras foram diluídas para entre 0-3,2 g/L de etanol antes de análise. Um padrão de 3,2 g/L de etanol foi analisado aproximadamente a cada 30 amostras para assegurar que a integridade da membrana fosse mantida. A densidade óptica (600 nm) das amostras não é reportada porque as amostras de teste sólidas interferiram com a medição de absorbância mediante aumento de turbidez das amostras e são imprecisas.

Resultados de Análise de Etanol [00550] O desempenho foi usado para comparar cada amostra com o controle para cada micro-organismo (Tabelas 37-39). Contudo, o desempenho % não pôde ser usado para comparação entre as cepas. Quando de comparação das cepas, a concentração total de etanol poderia ser usada. Quando de análise dos dados, um desempenho % de menos de 80% pode indicar toxicidade quando acompanhado por um baixo número de células. A equação usada para determinar o desempenho % é: Desempenho % = (etanol na amostra/etanol no controle) x 100

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Tabela 37. Concentração de etanol e desempenho % usando Saccharomyces cerevisiae

Amostra #	24 horas	30 horas	36 horas
Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %
P132	4,0	140	5,2	127	3,26	176
P132-10	4,2	147	5,1	125	3,86	209
P132-100	4,3	149	5,6	136	3,47	187
A132	5,5	191	6,5	160	5,24	283
A132-10	1,9	67	6,3	153	5,54	299
A132-100	4,4	154	5,6	137	4,04	218
G132	5,3	186	6,0	146	3,99	215
G132-10	5,2	180	6,4	156	4,63	250
G132-100	5,5	191	6,3	155	4,60	248
WS132	4,8	168	6,3	155	4,51	244
WS132-10	4,9	172	6,0	146	4,55	246
WS132-100	4,9	170	5,7	140	4,71	254
Controle	2,9	100	4,1	100	1,85	100

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Tabela 38. Concentração de etanol e desempenho % usando Pichia stipitis

Amostra #	24 horas	36 horas	48 horas
Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol(g/L)	Desempenho %
P132	2,8	130	3,4	188	8,1	176
P132-10	7,3	344	11,9	655	15,8	342
P132-100	5,2	247	8,6	472	13,3	288
A132	12,2	575	14,7	812	14,9	324
A132-10	15,1	710	18,7	1033	26,0	565
A132-100	10,9	514	16,7	923	22,2	483
G132	8,0	375	12,9	713	13,3	288
G132-10	10,1	476	16,0	884	22,3	485
G132-100	8,6	406	15,2	837	21,6	470
WS132	9,8	460	14,9	820	17,9	389
WS132-10	7,8	370	16,1	890	19,3	418
WS132-100	9,1	429	15,0	829	15,1	328
Amostra A*	13,2	156	19,0	166	20,6	160
Controle	2,1	100	1,8	100	4,6	100

Amostras em NEGRITO eram os maiores produtores de etanol, mais de 20 g/L e similares às concentrações em hidrolisados de madeira (H.K. Sreenath e T.W. Jeffries Bioresource Technology 72 (2000) 253-260).

* Analisada no último experimento com frasco de agitação.

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Tabela 39. Concentração de etanol e desempenho % usando Zymomonas mobilis

Amostra #	24 horas	30 horas	36 horas
Concentração de etanol (g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol (g/L)	Desempenho %	Concentração de etanol (g/L)	Desempenho %
P132	7,5	85	6,8	84	7,5	93
P132-10	7,5	85	4,8	59	6,8	84
P132-100	7,3	83	6,2	77	7,1	88
A132	9,6	109	8,3	103	9,1	112
A132-10	9,2	105	8,4	105	8,8	109
A132-100	8,2	93	7,6	94	7,6	93
WS132	7,9	89	7,1	88	7,7	94
WS132-10	8,2	93	6,8	85	7,3	90
WS132-100	8,7	98	6,9	86	8,3	102
G132	8,7	99	7,1	88	8,1	99
G132-10	7,8	88	7,0	88	7,3	90
G132-100	8,6	98	7,8	98	8,3	102
Controle	8,8	100	8,0	100	8,1	100

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Resultados de Análise de concentração celular [00551] O % de células é usado para comparar cada amostra com o controle para cada organismo (Tabelas 40-42). Contudo, o % de células não pode ser usado para comparação entre cepas. Quando de comparação de cepas, a concentração total de células deverá ser usada. Quando de análise dos dados, um desempenho % de menos de 70% pode indicar toxicidade quando acompanhado por uma baixa concentração de etanol. A equação usada para determinar o desempenho % é:

% de células = (número de células na amostra/número de células no controle) x 100

Tabela 40. Resultados de análise de concentração para Saccharomyces cerevisiae

Amostra #	24 horas	36 horas
Concentração de células ( x 108/mL)	% de células	Concentração de células ( x 108/mL)	% de células
P132	1,99	166	2,51	83
P132-10	2,51	209	1,91	63
P132-100	1,35	113	1,99	66
A132	3,80	316	2,59	85
A132-10	1,73	144	3,90	129
A132-100	3,98	331	2,51	83
G132	2,14	178	3,12	103
G132-10	2,33	194	2,59	85
G132-100	3,57	298	2,66	88
WS132	4,10	341	2,66	88
WS132-10	2,63	219	2,81	93
WS132-100	2,29	191	2,40	79
Controle	1,20	100	3,03	100

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Tabela 41. Resultados de análise de concentração de células para Pichia stipitis

Amostra #	24 horas	48 horas
Concentração de células(x 108/mL)	% de células	Concentração de células( x 108/mL)	% de células
P132	16,4	108	20,3	87
P132-10	11,5	76	9,5	41
P132-100	6,5	43	17,8	76
A132	7,1	47	10,2	44
A132-10	12,7	84	9,3	40
A132-100	11,8	78	18,3	78
G132	4,5	30	4,8	21
G132-10	22,8	151	9,8	42
G132-100	10,1	67	21,7	93
WS132	17,6	117	8,2	35
WS132-10	5,3	35	10,8	46
WS132- 100	9,3	62	10,7	46
Controle	15,1	100	23,4	100

Tabela 42. Resultados de análise de concentração de células para Zymomonas mobilis

Amostra #	24 horas	36 horas
Concentração de células (x 108/mL)	% de células	Concentração de células (x 108/mL)	% de células
P132	7,08	86	2,97	66
P132-10	21,80	264	4,37	98
P132-100	4,50	54	3,35	75
A132	6,95	84	1,99	44

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201/265

A132-10	6,13	74	4,05	91
A132-100	9,60	116	4,20	94
G132	7,48	90	3,84	86
G132-10	14,75	178	2,89	65

Tabela 42. -continuação-

Amostra #	24 horas	36 horas
Concentração de células (x 108/mL)	% de células	Concentração de células (x 108/mL)	% de células
G132-100	6,00	72	2,55	57
WS132	9,70	117	4,55	102
WS132- 10	13,20	160	4,32	97
WS132- 100	5,15	62	2,89	65
Controle	8,27	100	4,47	100
Exemplo 28 - Fermentação em frasco de agitação de amos!	tras de celulo-

se usando P. stipitis Sumário [00552] Treze amostras foram testadas com relação à produção de etanol em cultura de P. stipitis sem açúcar adicionado. Elas foram testadas na presença e ausência de celulase (complexo de enzima Accellerase 1000®, Genencor). O equipamento e reagentes usados para o experimento são listados abaixo nas Tabelas 43-45.

Tabela 43. Equipamento e frequência de manutenção

Frequência de manutenEquipamento Fabricante ção

B. Braun Biotech,

Agitadores (2) A cada quatro meses

Certomat BS-1

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202/265 espectrofotômetro Unicam, UV300 Duas vezes por ano Analisador YSI BioInterscience, YSI Mensalmente chem

Tabela 44. Componentes YSI usados em um estudo em frasco de agitação

Componente	Catálogo #	Lote #
Membrana de etanol YSI	2786	07L100153
Padrão de etanol YSI (3,2 g/L)	2790	012711040
Tampão de etanol YSI	2787	07M1000053

07100215

Tabela 45. Produtos químicos usados para fermentação em frasco de agitação

Componente do

meio	Fabricante	Referência #	Lote #
Uréia	ScholAR Chemistry	9472706	AD-7284-43
Base de nitrogênio
de	Becton Dickinson	291940	7128171
levedo
Peptona	Becton Dickinson	211677	4303198
Caldo YM	Becton Dickinson	271120	6278265
Accellerase® Enzyme complex	Genencor	Accellerase® 1000	1600794133
Xilose	BioChemika	95731	1304473 51707231
Glicose	Sigma	G-5400	107H0245

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203/265 [00553] Um isolado de P. stipitis NRRL Y-7124 foi preparado a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da ARS Culture Collection. Uma parte do material do isolado foi colocada sobre um Mofo de Levedo (Yeast Mold - YM) + 20 g/L de agar (pH de 5,0) e incubada a 30°C durante 2 dias. Um frasco de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL de meio (40 g/L de glicose, 1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo, 2,27 g/L de uréia, 6,56 g/L de peptona, 40 g/L de xilose, pH de 5,0) foi inoculado com uma colônia e incubado durante 24 horas a 25°C e 10 0 rpm. Após 23 horas de crescimento, a amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (Coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) em uma densidade óptica de 6,79 e com uma coloração de Gram clara foi escolhido para inocular todos os frascos de teste. [00554] Os vasos de teste eram frascos de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL de meio (1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo, 2,27 g/L de uréia e 6,56 g/L de peptona). Nenhum açúcar (glicose ou xilose) foi adicionado ao meio no frasco de crescimento. Todos os frascos foram submetidos à autoclave vazios a 121°C e 15 psi e esterilizados em filtro (filtro de 0,22 pm) adicionado aos frascos antes da adição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alterará os conteúdos das amostras e esterilização em filtro não é apropriada para esterilização de sólidos. As amostras de teste (listadas na Tabela 46) foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1% v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Frascos contendo a amostra P132-100 requereram a adição de 0,4 mL de NaOH a 1 M para levar o pH para 5,0. Os frascos foram incubados a 30°C e 150 rpm durante 96 horas.

[00555] Um conjunto de frascos em duplicata por estoque de alimentação continha complexo enzimático Accellerase® (1,25 mL por frasco,

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204/265 maior dosagem recomendada é 0,25 mL por grama de biomassa, Genencor) para tentar sacarificação e fermentação simultâneas (Simultaneous Saccharification and Fermentation - SSF). O outro conjunto de frascos em duplicata não continha complexo enzimático Accellerase®. Um total de 52 frascos foi analisado.

[00556] Seis frascos de controle também foram analisados. Frascos de controle positivos continham Celulose em Pó SolkaFloc 200 NF (lote # UA158072, International Fiber Corporation) em uma concentração de 2,5 gramas por frasco de 100 mL (25 gramas por L) com e sem a adição de complexo enzimático Accellerase®. In addition, um controle contendo açúcares (glicose e xilose) apenas foi usado.

Tabela 46. A quantidade de cada estoque de alimentação adicionado a cada frasco

Número Xyleco	Quantidade adicionada ao frasco (g/100 mL)
P132	2,5
P132-10	2,5
P132-100	2,5
A132	5
A132-10	5
A132-100	5
G132	5
G132-10	5
G132-100	5
WS132	5

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205/265

Tabela 46. -continuação-

Número Xyleco	Quantidade adicionada ao frasco (g/100 mL)
WS132-10	5
WS132-100	5
Amostra A	5

Análise [00557] As amostras foram analisadas com relação à concentração de etanol (Tabelas 47, 48, e 49) usando o YSI Biochem Analyzer baseado no ensaio de dehidrogenase de álcool (YSI, Interscience). As amostras foram centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante armazenado a -20°C. As amostras foram diluídas para entre 0-3,2 g/L de etanol antes de análise. Um padrão de 2,0 g/L de etanol foi analisado aproximadamente a cada30 amostras para assegurar que a integridade da membrana fosse mantida durante análise.

Resultados

Tabela 47. Resultados de Frascos de controle

Controle	Concentração de etanol (g/L)
24 horas	36 horas	48 horas	96 horas
Contendo Glicose, sem celulose, sem enzima	13,20	19,00	20,60	21,60
Contendo Celulose cristalina (Solka Floc), sem açúcar, sem enzima	0,00	0,00	0,00	0,00
Contendo Celulose cristalina (Solka Floc) at 25 g/L, sem açúcar, Accellerase® added	6,56	7,88	9,80	8,65

Tabela 48. Resultados de Frascos de agitação sem complexo enzimático

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Accellerase® 1000

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L)
24 horas	36 horas	48 horas	96 horas
P132	0,09	0,00	0,00	0,12
P132-10	0,02	0,01	0,02	0,17

Tabela 48. -continuação-

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L)
24 horas	36 horas	48 horas	96 horas
P132-100	0,09	0,01	0,00	0,02
A132	1,74	1,94	2,59	3,70
A132-10	1,82	2,36	2,30	2,96
A132-100	0,30	0,73	1,31	2,38
G132	0,40	0,09	0,24	0,42
G132-10	0,69	0,42	0,22	0,24
G132-100	0,19	0,05	0,05	0,21
WS132	0,47	0,50	0,68	0,65
WS132-10	0,47	0,49	0,34	0,92
WS132-100	0,14	0,07	0,08	0,22
Amostra A	1,88	1,89	2,30	3,28

Tabela 49. Resultados de Frascos de agitação com complexo enzimático Accellerase® 1000

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L)
24 horas	36 horas	48 horas	96 horas
P132	7,04	8,72	9,30	5,80
P132-10	4,22	4,48	4,49	1,24
P132-100	3,18	4,28	4,70	3,35
A132	2,79	2,91	2,03	4,30
A132-10	3,31	1,62	2,11	2,71

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 280/343

207/265

A132-100	2,06	1,92	1,02	1,47
G132	0,87	0,40	0,32	0,44
G132-10	1,38	1,04	0,63	0,07
G132-100	2,21	2,56	2,34	0,12
WS132	1,59	1,47	1,07	0,99
WS132-10	1,92	1,18	0,73	0,23
WS132-100	2,90	3,69	3,39	0,27
Amostra A	2,21	2,35	3,39	2,98

Exemplo 29 - Ensaio de Celulase Sumário [00558] T reze amostras foram testadas com relação à suscetibilidade à celulase usando uma celulase industrial (Accellerase® 1000, Genencor) sob condições de temperatura e pH ótimas.

Protocolo [00559] O protocolo é uma modificação do Laboratory Analytical Procedure LAP-009 Enzymatic Saccharification of Lignocellulosic Biomass do NREL. A amostra de material foi adicionada a 10 mL de tampão de citrato de sódio a 0,1 M (pH de 4,8) e 40 mg/mL de tetraciclina (para impedir o crescimento de bactérias) em um tubo de 50 mL em duplicata. A quantidade de amostra adicionada a cada tubo é listada na Tabela 50. Algumas amostras eram difíceis de misturar (P132, P132-10, P132-100), de modo que foram adicionadas em uma menor concentração. Um controle positivo de 0,2 gramas de Celulose em Pó SolkaFloc 200 NF (lote # UA158072, International Fiber Corporation) e um controle negativo (sem amostra) também foram incluídos. Água submetida à osmose reversa (Reverse Osmosis - RO) suficiente para levar o volume para um total de 20 mL foi adicionada aos tubos. Tampão de citrato de sódio e água foram aquecidos para 50°C antes de uso.

[00560] Enzima Accellerase® 1000 foi adiconada a cada tubo em uma dosagem de 0,25 mL por grama de biomassa (maior dosagem recomenPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 281/343

208/265 dada pela Genencor). Os tubos foram incubados em um ângulo de 45°a 150 rpm e 50 graus C (recomendado pela Genencor) durante 72 horas. Amostras foram tomadas a 0, 3, 6, 9, 12, 18, 24, 48 e 72 horas (Tabelas 52 e 53), centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante congelado a -20°C. A concentração de glicose nas am ostras foi analisada usando o YSI Biochem Analyzer (Interscience) usando as condições descritas na Tabela 51. Uma solução padrão de glicose de 2,5 g/L foi preparada mediante dissolução de 2,500 gramas de glicose (Sigma Cat# G75285KG, Lote#:107H0245) em água destilada. Uma vez dissolvido, o volume total foi levado para 1 L com água destilada em um frasco volumétrico. O padrão foi preparado fresco toda semana e armazenado a 4°C.

Tabela 50. Quantidade de cada amostra adicionada

Número Xyleco	Quantidade adicionada ao tubo (g/20 mL)
P132	0,5
P132-10	0,5
P132-100	0,5
A132	0,75
A132-10	0,75
A132-100	0,75
G132	0,75
G132-10	0,75
G132-100	0,75
WS132	0,75
WS132-10	0,75
WS132-100	0,75
Amostra A	0,75
SolkaFloc 200NF (Controle)	0,2
Controle Negativo	0

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 282/343

209/265

Tabela 51. Componentes YSI usados no estudo com frasco de agitação

Componente	Catálogo #	Lote #
Membrana de glicose YSI	2365	07D100124
Tampão de glicose YSI	2357	014614A

Resultados

Tabela 52. Resultados do Ensaio com Celulase

Número da Amostra	Concentração de Glicose (mg/mL) no momento de incubação (horas)
0	3	6	9	12	18	24	48	72
P132	0,59	4,19	7,00	8,72	9,70	10,95	12,19	15,10	15,65
P132-10	0,36	3,37	5,08	6,39	6,98	7,51	8,99	11,25	11,65
P132- 100	0,91	3,86	5,67	7,31	8,08	9,47	10,70	12,70	13,80
A132	0,39	1,51	1,92	2,40	2,64	3,04	3,30	3,90	4,06

Tabela 52. -continuação

Número da Amostra	Concentração de Glicose (mg/mL) no momento de incubação (horas)
0	3	6	9	12	18	24	48	72
A132-10	0,42	1,80	2,27	2,63	2,86	3,16	3,43	4,02	4,14
A132-100	0,46	2,09	2,72	3,16	3,43	3,78	4,09	4,84	5,26
G132	0,40	1,16	1,35	1,52	1,60	1,67	1,85	2,10	2,21
G132-10	0,34	1,34	1,64	1,95	2,03	2,09	2,36	2,77	3,02
G132-100	0,61	1,84	2,32	2,89	3,14	3,52	3,97	4,81	5,44
WS132	0,35	1,48	1,81	2,14	2,26	2,50	2,70	3,18	3,26
WS132-10	0,44	1,77	2,22	2,60	2,76	2,61	3,15	3,62	3,82
WS132-100	0,70	2,76	3,63	4,59	4,78	5,29	5,96	6,99	7,43
Amostra A	0,42	1,09	1,34	1,55	1,69	1,66	2,17	2,96	3,71
Controle Ne-	0,03	0,03	0,01	0,01	0,02	0,01	0,02	0,02	0,02
gativo (sem

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 283/343

210/265

amostra)
Controle Positivo (SolkaFloc)	0,17	2,38	3,65	4,71	5,25	5,98	7,19	9,26	9,86
A quantidade d	e celu	ose digerida no tu	bo foi calculada como segue:

g/mL de glicose x 20 mL (volume de amostra) x 0,9 (para corrigir a molécula de água adicionada quando de hidrólise de celulose)

O percentual da amostra total liberado como glicose (na Tabela 53 abaixo) foi calculado como segue:

g de celulose digerida/g de amostra adicionada (veja Tabela 5 para detalhes) * 100

Tabela 53. Resultados do ensaio de celulase

Número da Amostra	Percentual da amostra total liberado como Glicose (%) no momento de incubação (h)
0	3	6	9	12	18	24	48	72
P132	2,02	14,98	25,16	31,36	34,85	39,38	43,81	54,29	56,27

Tabela 53. -continuação-

Número da Amostra	Percentual da amostra total liberado como Glicose (%) no momento de incubação (h)
0	3	6	9	12	18	24	48	72
P132-10	1,19	12,02	18,25	22,97	25,06	27,00	32,29	40,43	41,87
P132-100	3,17	13,79	20,38	26,28	29,02	34,06	38,45	45,65	49,61
A132	0,86	3,55	4,58	5,74	6,29	7,27	7,87	9,31	9,70
A132-10	0,94	4,25	5,42	6,29	6,82	7,56	8,18	9,60	9,89
A132-100	1,03	4,94	6,50	7,56	8,18	9,05	9,77	11,57	12,58
G132	0,89	2,71	3,22	3,62	3,79	3,98	4,39	4,99	5,26
G132-10	0,74	3,14	3,91	4,66	4,82	4,99	5,62	6,60	7,20
G132-100	1,39	4,34	5,54	6,91	7,49	8,42	9,48	11,50	13,01
WS132	0,77	3,48	4,32	5,11	5,38	5,98	6,43	7,58	7,78

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 284/343

211/265

WS132-10	0,98	4,18	5,30	6,22	6,58	6,24	7,51	8,64	9,12
WS132- 100	1,61	6,55	8,69	10,99	11,42	12,67	14,26	16,73	17,78
Amostra A	0,94	2,54	3,19	3,70	4,01	3,96	5,16	7,06	8,86
Controle Positivo (SolkaFloc)	1,29	21,15	32,72	42,30	47,07	53,73	64,53	83,16	88,56

Exemplo 30 - Fermentação em frasco de agitação usando Pichia stipitis Sumário [00561] Fermentação em frasco de agitação usando Pichia stipitis foi realizada usando quatro materiais celulósicos tendo o maior desempenho % da Tabela 36.

Protocolo [00562] Experimentos foram realizados sob os parâmetros esboçados nas Tabelas 54-56.

Tabela 54. Equipamento e frequência de manutenção

Equipamento	Fabricante, nome B. Braun Biotech, Certomat	Frequência de manutenção
Agitadores (2)	BS-1	A cada quatro meses
Espectrofotômetro	Unicam, UV300	Duas vezes por ano
Analisador YSI
Biochem	Interscience, YSI	Mensalmente

Tabela 55. Componentes YSI usados no estudo com frasco de agitação

Componente	Referência #	Lote #
Membrana de etanol YSI	2786	07M100361
Padrão de etanol YSI (3,2 g/L)	2790	1271040
Tampão de etanol YSI	2787	07J100215

Tabela 56. Produtos químicos usados para fermentação em frasco de

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212/265 agitação

Componente do meio	Fabricante	Referência #	Lote #
Uréia	ScholAR Chemistry	9472706	AD-7284- 43
Base de nitrogênio de le- vedo	Becton Dickinson	291940	7128171
Peptona	Becton Dickinson	211677	4303198
Caldo YM	Becton Dickinson	271120	6278265
Xilose	Alfa Aesar	A10643	10130919
Glicose	Fisher Scientific	BP350-1	030064

Desenvolvimento de cultura [00563] Para todos os experimentos em frasco de agitação a seguir, os frascos de cultura foram preparados usando o procedimento a seguir. [00564] Um banco de célula de P. stipitis NRRL Y-7124 de trabalho foi preparado a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da ARS Cultura Collection. Criofrascos contendo cultura de P. stipitis em glicerol a 15% v/v foram armazenados a -75°C. Uma parte do mat erial do banco de células de trabalho descongelado foi colocada sobre um Caldo de Mofo de Levedo (Yeast Mold - YM) + 20 g/L de agar (pH de 5,0) e incubada a 30°C durante 2 dias. As lâminas foram mantidas durante 2 dias a 4°C antes de uso. Um frasco de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL de meio (40 g/L de glicose, 1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo, 2,27 g/L de uréia, 6,56 g/L de peptona, 40 g/L de xilose, pH de 5,0) foi inoculado com uma colônia e incubado durante 24 horas a 25°C e 100 rpm. Após 23 horas de crescimento, a amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (Coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) em uma densidade óptica de entre 4 e 8 e com uma coloração de Gram clara foi usada para inocular todos os frascos de

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213/265 teste.

[00565] Três experimentos foram realizados usando as amostras A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100. Experimento #1 testou essas quatro amostras com relação à concentração de etanol em concentrações variadas de xilose e em concentrações constantes de glicose. O Experimento #2 testou essas quatro amostras com relação à concentração de etanol duplamente na concentração de matéria prima usada nos experimentos da Tabela 36. Finalmente, o experimento #3 testou essas quatro amostras com relação à concentração de etanol enquanto variava as concentrações de xilose e glicose, simultaneamente.

Experimento #1 - Variando a concentração de xilose [00566] Quatro amostras celulósicas (A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100) foram testadas em concentrações variadas de xilose, conforme listado na Tabela 57 abaixo.

Tabela 57. Composição do meio nos frascos do Experimento #1

Tratamento	Concentração de xilose Concentração de glicose
(g/L)	(g/L)
Xilose a 100	40,0	40,0
Xilose a 50	20,0	40,0
Xilose a 25	10,0	40,0
Xilose a 10	4,0	40,0
Xilose a 0 %	0,0	40,0

[00567] Os vasos de teste (um total de 40, frascos de Erlenmeyer de 250 mL) continham 100 mL de meio. Cinco diferentes tipos de meio foram preparados com a quantidade de xilose e glicose esboçada na Tabela 57. Além disso, os meios continham 1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo (Becton Dickinson # 291940) 2,27 g/L de uréia (ScholAR Chemistry #9472706) e 6,56 g/L de peptona (Becton Dickinson #211677). Todos os frascos foram submetidos à autoclave vazios a 121°C e 15 psi e esterilizados em filtro de meio (filtro de 0,22 pm) adicionado aos frascos antes

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 287/343

214/265 da adição dos materiais de teste. Os frascos foram mantidos em temperatura ambiente durante 4 dias e inspecionados com relação à contaminação (turbidez) antes de uso. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alterará os conteúdos das amostras e esterilização em filtro não é apropriada para esterilização de sólidos. As amostras de teste (A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100 at 5 g por 100 mL) foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1% v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados a 30°C e 150 rpm durante 72 horas. [00568] Infelizmente, um frasco (amostra A132-100 com Xilose a 100%) foi quebrado durante a testagem. Portanto, todos os resultados após 24 horas de incubação são reportados como um único frasco. Após 72 horas de incubação, 100% da quantidade original de material celulósico (5,0 g) foi adicionada aos frascos com xilose a 100% (7 frascos no total, um frasco contendo amostra A132-100 foi quebrado) e incubada conforme acima durante mais 48 horas.

Tabela 58. Adição de matéria prima a frascos com xilose a 100% no momento de incubação de 72 horas

Estoque de alimentação Adicionado a 72 horas (gramas)

A132-10 5

A132-100 5

G132-10 5

G132-100 5

Análise [00569] Amostras foram tomadas a partir dos 40 frascos de teste nos tempos de incubação de 0, 6, 12, 24, 36, 48 e 72 horas. Além disso, amostras foram tomadas a 24 e 48 horas pós-adição da segunda quantidade de matéria prima nos frascos com xilose a 100% (veja Tabela 58). [00570] Um total de 292 amostras foi analisado com relação à concenPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 288/343

215/265 tração de etanol usando um analisador YSI Biochem baseado no ensaio de dehidrogenase de álcool (YSI, Interscience). Amostras foram centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante armazenado a -20°C. De nota, amostras no tempo 0 requereram filt ração através de um filtro para seringa de 0,45 pm. As amostras serão diluídas para entre 03,2 g/L de etanol antes de análise. Um padrão de 2,0 g/L de etanol foi analisado aproximadamente a cada30 amostras para assegurar que a integridade da membrana fosse mantida.

[00571] Um total de 47 amostras foi analisado para contagem de células. Amostras serão tomadas a 72 horas de incubação e 48 horas pós-adição de mais material celulósico. Amostras apropriadamente diluídas foram misturadas com azul de tripano a 0,05% e carregadas em um hemocitômetro Neubauer. As células foram contadas sob ampliação de 40 X.

Experimento #2 - Análise da concentração de 2 X Estoque de alimentação [00572] Os vasos de teste (um total de 8, frascos de Erlenmeyer de 250 mL) continham 100 mL de meio. Os meios continham 40 g/L de glicose, 40 g/L de xilose, 1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo (Becton Dickinson # 291940) 2,27 g/L de uréia (ScholAR Chemistry #9472706) e 6,56 g/L de peptona (Becton Dickinson #211677). Os frascos foram preparados conforme no Experimento #1. As amostras de teste (A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100 a 10 g por 100 mL) foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1 % v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados a 30°C e 150 rpm durante 72 horas.

Análise [00573] As amostras eram dos 8 frascos de teste em um tempo de incubação de 0, 6, 12, 24, 36, 48 e 72 horas. Análises de etanol das 56

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216/265 amostras foram realizadas conforme o experimento #1 e são reportadas na Tabela 59. Uma contagem de células foi realizada sobre a amostra de 72 horas conforme o experimento #1 e é apresentada na Tabela 60.

Tabela 59. Concentração de etanol em Frascos com Duplo Estoque de alimentação

Tempo da amostra	Concentração de etanol (g/L)
A132-10	A132-100	G132-10	G132-100
0	1,38	0,26	0,12	0,11
6	1,75	0,21	0,20	0,10
12	2,16	0,73	0,69	0,31
24	19,05	15,35	16,55	12,60
36	21,75	17,55	18,00	15,30
48	26,35	23,95	24,65	20,65
72	26,95	27,35	28,90	27,40

Tabela 60. Concentração de células no tempo de 72 horas em Frascos com Duplo Estoque de alimentação

Amostra	Concentração de células ( x 108/mL)
A132-10	4,06
A132-100	5,37
G132-10	5,18
G132-100	4,47

Experimento #3 - Variação das concentrações de Xilose e Glicose [00574] Quatro amostras celulósicas (A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100) foram testadas em concentrações variadas de xilose e glicose, conforme listado na tabela abaixo (Tabela 60).

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 290/343

217/265

Tabela 61. Composição de meio dos frascos do Experimento #3

Tratamento	Concentração de Xilose	Concentração de glicose
(g/L)	(g/L)
50% de açúcar	20,0	20,0
25 % de açúcar	10,0	10,0
10 % de açúcar	4,0	4,0
0 % de açúcar	0,0	0

[00575] Os vasos de teste (um total de 32, frascos de Erlenmeyer de 250 mL) continham 100 mL de meio. Quatro diferentes tipos de meios foram preparados com a quantidade de xilose e glicose esboçadas na Tabela 61. Além disso, os meios continham 1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo (Becton Dickinson # 291940) 2,27 g/L de uréia (ScholAR Chemistry #9472706) e 6,56 g/L de peptona (Becton Dickinson #211677). Os frascos foram preparados conforme o Experimento #1. As amostras de teste (A132-10, A132-100, G132-10 e G132-100) foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1 % v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados a 30°C e 150 rpm for 72 horas.

Análise [00576] Amostras foram tomadas a partir dos 32 frascos de teste em um tempo de incubação de 0, 6, 12, 24, 36, 48 e 72 horas (veja Tabelas 62-65). Um total de 224 amostras foi analisado com relação à concentração de etanol usando o analisador YSI Biochem baseado no ensaio de dehidrogenase de álcool (YSI, Interscience). Amostras foram centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante armazenado a 20°C. De nota, algumas das amostras requereram cent rifugação e, então, filtração através de um filtro para seringa de 0,45 pm. As amostras foram diluídas para entre 0-3,2 g/L de etanol antes de análise. Um padrão de 2,0 g/L de etanol foi analisado aproximadamente a cada30 amostras para assegurar que a integridade da membrana YSI fosse mantida.

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Tabela 62. Resultados para etanol para a Amostra A132-10

Tempo da amostra	Concentração de etanol (g/L)
Xilose a 0%	Xilose a 10%	Xilose a 25%	Xilose a 50%	Xilose a 100%	0% de Açúcares*	10% de Açúcares*	25% de Açúcares*	50% de Açúcares*
0	0,43	0,42	0,42	0,41	0,39	0,53	0,57	0,56	0,56
6	1,16	1,16	1,15	1,16	1,12	0,93	0,91	0,83	0,88
12	1,72	1,86	1,71	1,79	1,90	1,21	2,13	2,47	2,32
24	15,55	15,90	17,05	17,05	16,95	1,02	4,88	9,77	13,35
36	17,10	17,40	20,25	21,35	20,25	1,29	4,27	9,99	17,55
48	16,40	17,05	19,70	23,00	26,80	1,47	3,03	8,33	16,60
72	15,15	15,55	19,25	21,85	28,00	1,14	1,52	5,08	14,20
24 horas pós-adição	--	--	--	--	23,15	--	--	--	--
48 horas pós-adição	--	--	--	--	21,55	--	--	--	--

* Análise do experimento #3.

218/265

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Tabela 63. Resultados de etanol para a Amostra A132-100

Tempo de amostra	Concentração de etanol (g/L)
Xilose a 0%	Xilose a 10%	Xilose a 25%	Xilose a 50%	Xilose a 100%	0% de Açúcares*	10% de Açúcares*	25% de Açúcares*	50% de Açúcares*
0	0,11	0,09	0,17	0,20	0,18	0,12	0,14	0,09	0,13
6	0,13	0,15	0,15	0,15	0,14	0,10	0,11	0,11	0,13
12	0,88	1,00	1,18	1,25	0,89	0,18	1,58	1,55	1,57
24	15,90	15,70	16,50	16,05	14,60**	0,18	3,33	7,99	11,15
36	16,00	17,90	16,90	19,45	17,80**	0,21	2,85	8,37	16,10
48	15,75	16,70	19,30	22,15	27,00**	0,54	1,47	7,54	15,60
72	14,85	15,35	18,55	21,30	28,50**	0,78	0,51	4,47	12,90
24 horas pós- adição	--	--	--	--	24,80**	--	--	--	--
48 horas pós- adição	--	--	--	--	23,60**	--	--	--	--

* Análise do experimento #3.

* * Todos os resultados baseados em análise de um frasco.

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Tabela 64. Resultados de etanol para a Amostra G132-10

Tempo da amostra	Concentração de etanol (g/L)
Xilose a 0%	Xilose a 10%	Xilose a 25%	Xilose a 50%	Xilose a 100%	0% de Açúcares*	10% de Açúcares*	25% de Açúcares*	50% de Açúcares*
0	0,09	0,08	0,08	0,08	0,08	0,05	0,05	0,05	0,06
6	0,14	0,13	0,14	0,14	0,13	0,11	0,12	0,11	0,12
12	1,01	0,96	1,00	0,87	1,14	0,48	1,60	1,79	1,71
24	15,90	15,70	16,30	16,05	14,60	0,13	3,96	8,54	11,10
36	15,10	17,45	16,80	18,75	22,15	0,09	3,02	8,69	16,55
48	15,95	16,90	19,25	21,10	24,00	0,07	2,05	8,10	16,50
72	13,50	15,80	18,55	21,25	26,55	0,09	0,11	5,55	14,15
24 horas pós-adição	--	--	--	--	24,95	--	--	--	--
48 horas pós-adição	--	--	--	--	24,20	--	--	--	--

* Análise do experimento #3.

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Tabela 65. Resultados de etanol para a Amostra G132-100

Tempo da amostra	Concentração de etanol (g/L)
Xilose a 0%	Xilose a 10%	Xilose a 25%	Xilose a 50%	Xilose a 100%	0% de Açúcares*	10% de Açúcares*	25% de Açúcares*	50% de Açúcares*
0	0,04	0,04	0,04	0,04	0,05	0,05	0,05	0,05	0,06
6	0,07	0,07	0,08	0,08	0,07	0,04	0,05	0,05	0,06
12	0,60	0,56	0,67	0,58	0,71	0,13	1,37	1,48	1,44
24	13,05	14,45	14,90	13,95	12,05	0,03	3,67	7,62	10,55
36	15,10	17,10	18,25	18,20	19,25	0,01	3,09	8,73	16,10
48	14,40	17,00	19,35	22,55	24,45	0,01	1,91	7,76	15,85
72	14,70	15,40	18,45	22,10	27,55	0,03	0,01	5,08	14,30
24 horas pós-adição	--	--	--	--	25,20	--	--	--	--
48 horas pós-adição	--	--	--	--	24,60	--	--	--	--

* Análise do experimento #3.

221/265

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222/265 [00577] Amostras foram tomadas a 72 horas de incubação para contagens de células (veja Tabelas 66-67). Amostras apropriadamente diluídas foram misturadas com azul de tripano a 0,05% e carregadas em um hemocitômetro Neubauer. As células foram contadas sob ampliação de 40 X.

Resultados [00578] Um frasco de cultura foi usado para inocular todos os frascos de teste dos Experimentos #1 e #2. A densidade óptica (600 nm) do frasco de cultura foi medida como sendo de 5,14 e a concentração de células era de 4,65 x 10⁸ células/mL (Tabelas 65-66). Portanto, a concentração inicial de células nos frascos de teste era de aproximadamente 4,65 x 10⁶ células/mL.

[00579] Um segundo frasco de cultura foi usado para inocular os frascos do Experimento #3. A densidade óptica (600 nm) do frasco de cultura era de 5,78 e a concentração de células era de 3,75 x 10⁸ células/mL. Portanto, a concentração inicial de células nos frascos de teste era de aproximadamente 3,75 x 10⁶ células/mL.

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Tabela 66. Contagens de célula no tempo de incubação de 72 horas

Amostra	Concentração de células ( x 108/mL)
Xilose a 0%	Xilose a 10%	Xilose a 25%	Xilose a 50%	Xilose a 100%	0% de Açúca- res*	10% de Açúca- res*	25% de Açúca- res*	50% de Açúca- res*
A132-10	0,37	0,63	3,72	4,92	4,05	0,26	0,22	0,26	1,54
A132-100	0,99	1,07	0,99	0,78	1,97	0,03*	0,33	0,44	1,81
G132-10	0,95	4,50	2,67	2,67	3,82	0,01*	0,17	0,49	1,92
G132-100	6,53	4,02	4,84	4,47	5,29	0,01*	0,33	0,89	2,22

* As amostras estavam pesadamente contaminadas após 72 horas de crescimento. Isso é esperado porque a Pichia não cresce bem sem açúcar adicionado e contaminantes (das amostras não estéreis) eram capazes de crescimento excessivo de Pichia.

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Tabela 67. Contagens de célula no tempo de incubação de 48 horas pósadição (Xilose e Glicose a 100%)

Amostra	Concentração de células ( x 108/mL)
A132-10	10,17
A132-100	3,38
G132-10	3,94
G132-100	6,53

Exemplo 31 - Testagem de toxicidade de amostras lignocelulósicas contra P. stipitis e S. cerevisiae Sumário [00580] T rinta e sete amostras foram analisadas com relação à toxicidade contra duas culturas que produzem etanol, Saccharomyces cerevesiae e Pichia stipitis. Nesse estudo, glicose foi adicionada às amostras de forma a distinguir entre privação das culturas e toxicidade das amostras.

Tabela 68. Condições para testagem de toxicidade

Variável	Organismo
Saccharomyces cere- visiae ATCC 24858	Pichia stipitis NRRL Y-7124
Inoculação Volume (mL)	0.5-1 (alvo 6-7 x 105 células/mL)	1 (alvo 3-4 x 106 células/mL)
Repetição do teste	Frascos únicos
Temperatura de incubação (± 1°C)	25°C	25°C
Velocidade do agitador (rpm)	200	125
Tipo de recipiente	Frasco de Erlenmeyer de 500 mL	Frasco de Erlenme- yer de 250 mL

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 298/343

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Volume do meio	100 mL	100 mL
Tempo total de incubação (horas)	72	72
Análise de etanol (horas)	0, 6, 12, 24, 36, 48, 72	0, 6, 12, 24, 36, 48, 72
Contagens de células (horas)	24, 72	24, 72
pH	0 horas	0 horas

Protocolo [00581] Um sumário do protocolo usado é listado na Tabela 68. Uma descrição dos produtos químicos usados na testagem de toxicidade é listada na Tabela 69. Dois frascos de controle (sem amostra adicionada) foram obtidos para cada micro-organismo para cada semana de testagem. Um total de 82 frascos foi analisado.

[00582] Durante os experimentos, nenhum etanol ou células apareceu nos frascos de P. stipitis contendo amostras C, C-1e, C-5e e C-10e nas primeiras 24 horas de incubação. De modo a confirmar os resultados, o teste foi repetido. O segundo teste confirmou alguma inibição de crescimento de P. stipitis quando as amostras C, C1E, C5E e C10E foram adicionadas aos frascos.

Tabela 69. Produtos químicos e materiais usados para testagem de toxicidade

Componente do meio	Fabricante	Referência #	Lote #
Uréia	ScholAR Chemistry	9472706	AD-7284- 43
Base de nitrogênio de levedo	Becton Dickinson	291940	7128171
Peptona	Becton Dickinson	211677	4303198

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Xilose	Alfa Aesar	A10643	10130919
Glicose	Sigma	G-5400	107H0245
Extrato de levedo	Becton Dickinson	288620	4026828
Caldo YM	Becton Dickinson	271120	6278265

Tabela 70. Componentes YSI usados no estudo de toxicidade Componente Catálogo #

Membrana de etanol YSI 2786

Padrão de etanol YSI (3,2 g/L) 2790 Tampão de etanol YSI 2787

Amostras de teste [00583] Sete amostras de teste (todas com a designação C) foram crescidas usando um moedor de café adequado para pequenas amostras. As amostras foram trituradas até um tamanho de partícula consistente (entre as amostras) a olho nu. A amostra número C-100e foi facilmente triturada a um pequeno tamanho de partícula.

[00584] Todas as amostras foram adicionadas aos frascos em uma concentração de 50 gramas por litro, com exceção das seis amostras P (25 gramas por litro). Essas amostras eram de cor branca a acinzentada e visualmente fofas e os frascos não foram apropriadamente misturadas (sem líquido livre suficiente) na concentração de 50 gramas por litro. Amostras S dissolveram facilmente e puderam ser futuramente adicionadas aos frascos em uma maior concentração. As Amostras A e G puderam ser adicionadas a 100 gramas por litro no futuro.

[00585] Testagem foi realizada usando os dois micro-organismos, conforme descrito abaixo.

Saccharomyces cerevisiae ATCC 24858 (American Type Culture Collection) [00586] Um banco de célula de trabalho de S. cerevisiae ATCC 24858 foi preparado a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da American Type Culture Collection. Criofrascos contendo cultura de S. cereviPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 300/343

227/265 siae em glicerol a 15% v/v são armazenados a -75°C. Um a parte do material do banco de células de trabalho foi colocada sobre um Caldo de Mofo de Levedo (YM) + 20 g/L agar (pH 5.0) e incubada a 30°C durante 2 dias. Um frasco de Erlenmeyer de 250 mL contendo 50 mL de meio (20 g/L de glicose, 3 g/L extrato de levedo e 5,0 g/L de peptona, pH de 5,0) foi inoculado com uma colônia da lâmina YM e incubado durante 24 horas a 25°C e 200 rpm. Após 23 horas de crescimento, a a mostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (Coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) com uma OD de 9-15 e coloração de Gram pura teve de ser usado para inoculação dos frascos de crescimento. Após 23 horas de crescimento, o frasco de cultura tinham uma baixa OD (5,14) e contagem celular (1,35 x 10⁸ células/mL). De nota, a colônia tomada da lâmina de cultura era menor do que o usual. Portanto, 0,5 mL de material de cultura (em oposição ao 0,1 mL planejado) foram adicionados a cada vaso com levedo.

[00587] Os vasos de teste eram frascos de Erlenmeyer de 500 mL contendo 100 mL do meio estéril descrito acima. Todos os frascos foram submetidos à autoclave a 121°C e 15 psi antes da ad ição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alteraria o teor das amostras. As amostras de teste foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 0,5 -1,0 mL (0,5-1,0% v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados conforme descrito acima durante 72 horas.

Pichia stipitis (ARS Culture Collection) [00588] Um banco de células de trabalho de P. stipitis NRRL Y-7124 foi preparado a partir de uma cultura liofilizada reidratada obtida da ARS Culture Collection. Criofrascos contendo cultura de P. stipitis em glicerol a

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228/265

15% v/v são armazenados a -75°C. Uma parte do material do banco de células descongelado foi colocada sobre um Caldo de Mofo de Levedo (YM) + 20 g/L agar (pH de 5,0) e incubada a 30°C du rante 2 dias. As lâminas foram mantidas durante até 5 dias a 4°C antes de uso. Um frasco de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL de meio (40 g/L de glicose,

1,7 g/L de base de nitrogênio de levedo, 2,27 g/L de uréia, 6,56 g/L de peptona, 40 g/L de xilose, pH de 5,0) foi inoculado com uma colônia e incubado durante 24 horas a 25°C e 125 rpm. Após 23 h oras de crescimento, a amostra foi tomada e analisada com relação à densidade óptica (600 nm em um espectrofotômetro de UV) e pureza (coloração de Gram). Baseado nesses resultados, um frasco (denominado o Frasco de Cultura) em uma densidade óptica de 5-9 e com uma coloração de Gram pura foi usado para inocular todos os frascos de teste.

[00589] Os vasos de teste eram frascos de Erlenmeyer de 250 mL contendo 100 mL do meio estéril descrito acima. Todos os frascos foram submetidos à autoclave vazios a 121°C e 15 psi e esterilizados em filtro com meio (filtro de 0,22 pm) adicionado aos frascos antes da adição dos materiais de teste. Os materiais de teste não foram esterilizados, uma vez que autoclave alteraria o teor das amostras e esterilização em filtro não é apropriada para esterilização de sólidos. As amostras de teste foram adicionadas no momento de inoculação (ao invés de antes) para reduzir a possibilidade de contaminação. Além das amostras de teste, 1 mL (1% v/v) de material do frasco de cultura foi adicionado a cada frasco. Os frascos foram incubados conforme descrito acima durante 72 horas. Análise [00590] Amostras foram tomadas dos frascos de cultura exatamente antes de inoculação e cada frasco de teste a 24 e 72 horas e analisadas com relação à concentração de células usando contagens diretas. Amostras apropriadamente diluídas de S. cerevisiae e P. stipitis foram misturadas com azul de tripano a 0,05%, carregadas em um hemocitômetro

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Neubauer. As células foram contadas sob ampliação de 40 X.

[00591] Amostras foram tomadas de cada frasco a 0, 6, 12, 24, 36, 48 e 72 horas e analisadas com relação à concentração de etanol usando o analisador YSI Biochem baseado no ensaio de dehidrogenase de álcool (YSI, Interscience). As amostras foram centrifugadas a 14.000 rpm durante 20 minutos e o sobrenadante armazenado a -20°C. As amostras foram diluídas para 0-3,2 g/L de etanol antes de análise. Um padrão de 2,0 g/L de etanol foi analisado aproximadamente a cada30 amostras para assegurar que a integridade da membrana fosse mantida durante análise. Cálculos [00592] Os cálculos a seguir foram usados para comparar as contagens de células e a concentração de etanol nos frascos de controle. desempenho % = (concentração de etanol no frasco de teste/etanol no controle)*100% de células = (número de células no frasco de teste/número de células no frasco de controle)*100

Resultados [00593] O frasco de cultura de S. cerevisiae tinha uma densidade óptica (600 nm) de 5,14 e uma concentração de células de 1,35 x 10⁸ células/mL. 0,5 mL de material do frasco de cultura foi adicionado a cada um dos frascos de teste. Portanto, a concentração inicial de células em cada frasco era de 6,75 x 10⁵/mL. Durante a segunda semana de testagem, o frasco de cultura de S. cerevisiae tinha uma densidade óptica (600 nm) de 4,87 e uma concentração de células de 3,15 x 10⁷ células/mL. Um mL de material do frasco de cultura foi adicionado a cada um dos frascos de cultura. Portanto, a concentração inicial de células em cada frasco era de 6,30 x 10⁵/mL. O pH dos frascos com S. cerevisiae no tempo de 0 horas na amostra é apresentada na Tabela 71. O pH dos conteúdos do frasco estava dentro do pH ótimo para crescimento de S. cerevisiae (pH de 4-6). Nenhum ajuste de pH foi requerido.

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Tabela 71. pH de frascos com S. cerevisiae no tempo 0 hora na amostra

Número da amostra	pH	Número da amostra	pH
P	5,04	C	5,46
P1E	4,99	C1E	5,54
P5E	5,04	C5E	5,50
P10E	4,98	C10E	5,33
P50E	4,67	C30E	5,12
P100E	4,43	C50E	4,90
G	5,45	C100E	4,66
G1E	5,47	ST	5,11
G5E	5,46	ST1E	5,06
G10E	5,39	ST5E	4,96
G50E	5,07	ST10E	4,94
A	5,72	ST30E	5,68
A1E	5,69	ST50E	4,48
A5E	5,62	ST100E	4,23
A10E	5,61	control A	5,02
A50E	5,74	control B	5,04
S*	5,10
S1E	5,08
S5E	5,07
S10E	5,04
S30E	4,84
S50E	4,57
S100E	4,33

* S refere-se à sacarose * C refere-se a milho * ST refere-se a amido [00594] A concentração de etanol e desempenho nos frascos com S.

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231/265 cerevisiae são apresentadas nas Tabelas 72 e 73. As maiores concentrações de etanol foram produzidas pela série S.

Tabela 72. Concentração de etanol em frascos com S. cerevisiae

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L) nos seguintes tempos (horas)
0	6	12	24	36	48	72
P	0,02	0,04	0,38	5,87	7,86	5,41	1,04
P1E	0,03	0,03	0,28	5,10	8,03	5,46	0,58
P5E	0,03	0,04	0,57	8,84	6,38	3,40	0,04
P10E	0,06	0,05	0,65	6,63	7,66	5,57	1,40
P50E	0,04	0,03	0,26	2,80	5,85	8,59	5,68
P100E	0,04	0,02	0,12	3,64	8,26	7,51	3,03
G	0,04	0,04	0,57	10,20	8,24	6,66	2,84
G1E	0,04	0,05	0,46	10,20	9,24	6,94	2,84
G5E	0,11	0,11	0,44	10,00	8,7	6,36	0,88
G10E	0,05	0,04	0,40	9,97	8,41	5,79	0,11
G50E	0,05	0,05	0,48	9,72	8,33	6,13	2,38
A	0,29	0,38	0,48	8,43	8,76	7,09	4,66
A1E	0,34	0,44	0,79	9,66	8,9	7,18	2,64
A5E	0,55	0,45	0,99	9,44	8,96	7,56	3,80
A10E	0,55	0,55	0,93	9,58	8,33	6,28	1,40
A50E	0,22	0,08	0,38	9,38	8,01	5,99	0,98
S	0,03	0,03	0,39	5,73	7,06	10,10	15,90
S1E	0,05	0,06	0,31	7,24	9,52	12,10	14,90
S5E	0,02	0,05	0,34	5,87	7,68	11,90	19,00
S10E	0,03	0,04	0,35	5,88	7,72	11,50	19,30
S30E	0,03	0,05	0,09	5,94	7,97	11,20	20,40
S50E*	0,13	0,19	0,47	5,46	7,96	13,00	18,30
S100E	0,11	0,10	0,21	7,00	10,6	13,80	12,70

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232/265

C	0,01	0,04	0,32	8,47	7,57	5,48	6,40
C1E	0,00	0,06	0,37	8,93	7,86	5,99	1,37
C5E	0,03	0,05	0,48	9,32	7,92	5,69	1,41

Tabela 72. -continuação-

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L) nos seguintes tempos (horas)
0	6	12	24	36	48	72
C10E	0,02	0,04	0,52	9,14	7,67	5,34	0,35
C30E	0,02	0,05	0,28	9,15	8,15	5,84	2,47
C50E	0,03	0,06	0,44	9,31	7,79	5,78	1,79
C100E	0,03	0,06	0,58	9,06	6,85	5,95	1,09
ST	0,02	0,05	0,99	8,54	6,69	5,09	0,42
ST1E	0,03	0,04	0,70	8,87	7,29	4,81	1,04
ST5E	0,02	0,04	0,52	8,61	7,16	4,97	0,85
ST10E	0,02	0,05	0,33	8,97	7,05	5,26	0,68
ST30E	0,03	0,04	0,71	8,47	6,96	4,89	0,21
ST50E	0,04	0,07	0,34	8,46	8,19	7,04	3,20
ST100E	0,03	0,10	0,30	9,30	8,62	7,29	4,23
controle A	0,01	0,07	0,85	5,92	8,18	7,81	6,26
controle B	0,01	0,04	0,27	4,86	6,43	8,01	6,75
controle A*	0,04	0,21	1,36	5,19	7,31	7,55	5,16
controle B*	0,03	0,20	1,18	5,16	5,96	7,62	5,32

* analisado na semana 2

Veja Tabela 72 para chave do Número da Amostra Tabela 73. Desempenho nos frascos com S. cerevisiae

Número da amostra	Desempenho (%) nos seguintes tempos (horas)
24	36	48	72
P	108,9	107,6	68,4	16,0
P1E	94,6	109,9	69,0	8,9

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 306/343

233/265

P5E	164,0	87,3	43,0	0,6
P10E	123,0	104,9	70,4	21,5
P50E	51,9	80,1	108,6	87,3
P100E	67,5	113,1	94,9	46,5
G	189,2	112,8	84,2	43,6
G1E	189,2	126,5	87,7	43,6
G5E	185,5	119,1	80,4	13,5
G10E	185,0	115,1	73,2	1,7

Tabela 73. -continuação-

Número da amostra	Desempenho (%) nos seguintes tempos (horas)
24	36	48	72
G50E	180,3	114,0	77,5	36,6
A	156,4	119,9	89,6	71,6
A1E	179,2	121,8	90,8	40,6
A5E	175,1	122,7	95,6	58,4
A10E	177,7	114,0	79,4	21,5
A50E	174,0	109,7	75,7	15,1
S	106,3	96,6	127,7	244,2
S1E	134,3	130,3	153,0	228,9
S5E	108,9	105,1	150,4	291,9
S10E	109,1	105,7	145,4	296,5
S30E	110,2	109,1	141,6	313,4
S50E*	105,5	119,9	171,3	349,2
S100E	129,9	145,1	174,5	195,1
C	157,1	103,6	69,3	98,3
C1E	165,7	107,6	75,7	21,0
C5E	172,9	108,4	71,9	21,7
C10E	169,6	105,0	67,5	5,4

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 307/343

234/265

C30E	169,8	111,6	73,8	37,9
C50E	172,7	106,6	73,1	27,5
C100E	168,1	93,8	75,2	16,7
ST	158,4	91,6	64,3	6,5
ST1E	164,6	99,8	60,8	16,0
ST5E	159,7	98,0	62,8	13,1
ST10E	166,4	96,5	66,5	10,4
ST30E	157,1	95,3	61,8	3,2
ST50E	157,0	112,1	89,0	49,2
ST100E	172,5	118,0	92,2	65,0
controle A	109,8	112,0	98,7	96,2
controle B	90,2	88,0	101,3	103,7
controle A*	100,3	110,1	99,5	98,5
controle B*	99,7	89,8	100,4	101,5

* analisado na semana 2 [00595] A concentração de células e % de células nos frascos com S. cerevisiae são apresentadas na Tabela 74. Altas contagens de célula foram observadas em todos os frascos; contudo, nem todas as células pareciam produzir etanol.

Tabela 74. Contagens de S. cerevisiae e % de células

Número da amostra	Contagem de células (células x 108/ mL)	% de células (contagem/controle de contagem) *100
24 horas	72 horas	24 horas	72 horas
P	0,62	0,96	97,7	139,0
P1E	0,35	1,18	54,1	170,9
P5E	1,13	1,93	177,3	279,5
P10E	0,59	1,42	91,8	205,6
P50E	0,32	1,40	49,4	202,8

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 308/343

235/265

P100E	0,45	1,94	70,6	281,0
G	0,74	3,48	116,5	504,0
G1E	0,68	3,65	107,1	528,6
G5E	0,62	3,87	96,5	560,5
G10E	0,70	2,73	109,5	395,4
G50E	0,46	2,10	71,8	304,1
A	0,55	3,53	86,0	511,2
A1E	0,83	3,45	130,7	499,6
A5E	0,67	3,53	104,8	511,2
A10E	0,53	1,95	83,6	282,4
A50E	0,66	1,62	103,5	234,6
S	0,44	1,11	69,5	160,8
S1E	0,44	1,10	68,2	159,3
S5E	0,23	0,99	36,5	143,4
S10E	0,39	0,73	61,2	105,4
S30E	0,31	0,71	48,3	102,1
S50E*	0,44	0,90	86,5	196,5
S100E	0,53	0,84	82,4	121,7
C	0,45	1,81	70,6	262,1

Tabela 74. -continuação-

Número da amostra	Contagem de células (células x 108/ mL)	% de células (contagem/controle de contagem) *100
24 horas	72 horas	24 horas	72 horas
C1E	0,71	2,40	110,6	347,6
C5E	0,53	2,33	83,6	337,4
C10E	0,77	1,55	120,0	224,5
C30E	0,75	1,80	117,6	260,7
C50E	0,64	1,70	100,1	246,2

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 309/343

236/265

C100E	0,81	1,51	127,1	218,7
ST	0,75	1,75	117,6	253,4
ST1E	0,57	1,36	89,4	197,0
ST5E	0,58	1,49	90,7	215,8
ST10E	0,61	1,32	95,4	191,2
ST30E	0,59	0,60	91,8	86,9
ST50E	0,59	1,30	91,8	188,3
ST100E	0,41	1,24	63,5	179,6
controle A	0,81	0,79	127,1	114,1
controle B	0,47	0,59	72,9	85,9
controle A*	0,66	0,42	131,2	91,7
controle B*	0,35	0,50	69,0	108,1
[00596] O	frasco de cu	tura de P. stipitis tinha uma densidade óptica

(600 nm) de 5,01 e uma concentração de células de 3,30 x 10⁸ células/mL. Um mL de material do frasco de cultura foi adicionado a cada um dos frascos de teste. Portanto, a concentração inicial de células em cada frasco era de 3,30 x 10⁶/mL. Durante a segunda semana de testagem, o frasco de cultura de P. stipitis tinha uma densidade óptica (600 nm) de

5,45 e uma concentração de células de 3,83 x 10⁸ células/mL. Um mL de material do frasco de cultura foi adicionado a cada um dos frascos de teste. Portanto, a concentração inicial de células em cada frasco era de 3,83 x 10⁶/mL. O pH dos frascos com P. stipitis em um tempo de 0 horas da amostra é apresentado na Tabela 75. O pH dos conteúdos do frasco estava dentro do pH ótimo para crescimento de P. stipitis (pH de 4-7). Nenhum ajuste de pH foi requerido.

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 310/343

237/265

Tabela 75. pH de frascos com P. stipitis no tempo de 0 horas da Amostra

Número da amostra	pH	Número da amostra	pH
P	4,91	C	5,36
P1E	4,87	C1E	5,30
P5E	4,90	C5E	5,29
P10E	4,78	C10E	5,06
P50E	4,46	C30E	4,89
P100E	4,24	C50E	4,70
G	5,45	C100E	4,59
G1E	5,43	ST	4,93
G5E	5,48	ST1E	4,90
G10E	5,32	ST5E	4,81
G50E	4,99	ST10E	4,83
A	5,69	ST30E	4,91
A1E	5,66	ST50E	4,24
A5E	5,60	ST100E	4,07
A10E	5,58	controle A	4,93
A50E	5,69	controle B	4,91
S	5,00
S1E	4,94
S5E	4,86
S10E	4,78
S30E	4,51
S50E	4,27
S100E	4,08
[00597] A concenl	ração de etanol e desempenho nos frascos com P.

stipitis são apresentados na Tabela 76 e 77. As maiores concentrações de etanol eram as séries G e A. Os frascos C-30e, C-50e e C-100e tamPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 311/343

238/265 bém continham altas concentrações de etanol. A concentração de células e % de células nos frascos com P. stipitis são apresentadas na Tabela 78. Baixas concentrações de células foram observadas nos frascos com as designações S. Baixas contagens de célula foram também observadas em frascos contendo amostras C, C1E, C5E e C10E no tempo de 24 horas na amostra.

Tabela 76. Concentração de etanol em frascos com P. stipitis

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L) nos seguintes tempos (horas)
0	6	12	24	36	48	72
P	0,01	0,05	0,26	4,98	8,57	14,10	17,00
P1E	0,02	0,03	0,04	4,24	9,03	12,40	17,30
P5E	0,02	0,03	0,42	6,72	12,40	15,60	18,60
P10E	0,02	0,02	0,01	1,38	8,69	13,00	17,00
P50E	0,01	0,02	0,02	0,03	3,77	10,50	16,90
P100E	0,02	0,03	0,02	3,75	10,50	15,60	18,80
G	0,02	0,08	0,20	10,80	17,70	19,40	25,40
G1E	0,04	0,12	0,50	12,20	19,60	23,80	28,60
G5E	0,07	0,14	0,73	12,50	19,10	24,50	27,50
G10E	0,04	0,19	0,42	10,20	19,10	22,90	28,20
G50E	0,05	0,22	0,25	8,73	18,40	22,20	28,00
A	0,13	0,28	0,82	16,10	19,40	19,30	18,60
A1E	0,22	0,59	1,08	16,10	22,40	27,60	27,70
A5E	0,32	0,43	0,43	10,60	22,10	27,10	28,10
A10E	0,33	0,61	1,15	14,90	22,00	27,10	27,90
A50E	0,30	0,10	0,47	13,40	20,20	24,80	27,10
S	0,01	0,01	0,26	3,68	7,50	10,20	13,30
S1E	0,02	0,02	0,22	4,98	9,22	11,60	14,20
S5E	0,02	0,02	0,19	4,25	8,50	11,70	14,70

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 312/343

239/265

S10E	0,03	0,02	0,17	2,98	8,87	11,90	14,70
S30E	0,08	0,05	0,03	2,96	8,73	12,60	16,50
S50E	0,08	0,05	0,04	2,24	6,13	7,95	12,50
S100E	0,11	0,10	0,08	3,36	7,82	10,50	13,90
c*	0,02	0,03	0,05	0,23	1,66	2,68	6,57

Tabela 76. -continuação-

Número da amostra	Concentração de etanol (g/L) nos seguintes tempos (horas)
0	6	12	24	36	48	72
C1E*	0,03	0,03	0,03	0,07	0,95	1,85	10,20
C5E*	0,03	0,02	0,04	0,05	0,37	1,59	4,80
C10E*	0,03	0,04	0,04	0,05	3,91	15,20	28,30
C30E	0,01	0,03	0,60	12,30	21,20	26,00	27,20
C50E	0,02	0,02	0,45	12,30	19,50	23,80	29,20
C100E	0,05	0,04	0,38	11,40	18,70	22,90	27,70
ST	0,03	0,03	0,37	6,69	10,70	13,50	10,90
ST1E	0,01	0,00	0,48	5,24	9,37	12,50	15,70
ST5E	0,02	0,03	0,29	5,45	10,10	11,90	14,70
ST10E	0,02	0,02	0,42	5,60	9,44	12,20	14,90
ST30E	0,05	0,04	0,73	5,70	9,50	12,10	15,20
ST50E	0,02	0,05	0,19	5,16	9,47	12,70	15,20
ST100E*	0,07	0,15	0,11	4,98	10,70	15,40	18,80
controle A	0,02	0,03	0,37	4,05	7,50	9,24	11,50
controle B	0,02	0,02	0,30	4,22	7,44	9,44	11,50
controle A*	0,02	0,05	0,69	4,86	8,69	11,10	16,40
controle B*	0,02	0,05	0,74	5,96	10,80	13,00	14,00

* analisado na semana 2

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 313/343

240/265

Tabela 77. Performance in P. stipitis frascos

Número da amostra	Desempenho (%) nos seguintes tempos (horas)
24	36	48	72
P	120,3	114,7	151,0	147,8
P1E	102,4	120,9	132,8	150,4
P5E	162,3	166,0	167,0	161,7
P10E	33,3	116,3	139,2	147,8
P50E	0,7	50,5	112,4	147,0
P100E	90,6	140,6	167,0	163,5

Tabela 77. -continuação-

Número da amostra	Desempenho (%) nos seguintes tempos (horas)
24	36	48	72
G	260,9	236,9	207,7	220,9
G1E	294,7	262,4	254,8	248,7
G5E	301,9	255,7	262,3	239,1
G10E	246,4	255,7	245,2	245,2
G50E	210,9	246,3	237,7	243,5
A	388,9	259,7	206,6	161,7
A1E	388,9	299,9	295,5	240,9
A5E	256,0	295,9	290,1	244,3
A10E	359,9	294,5	290,1	242,6
A50E	323,7	270,4	265,5	235,7
S	88,9	100,4	109,2	115,7
S1E	120,3	123,4	124,2	123,5
S5E	102,7	113,8	125,3	127,8
S10E	72,0	118,7	127,4	127,8
S30E	71,5	116,9	134,9	143,5
S50E	54,1	82,1	85,1	108,7

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 314/343

241/265

S100E	81,2	104,7	112,4	120,9
c*	4,2	17,0	22,2	43,2
C1E*	1,4	9,7	15,4	67,1
C5E*	0,9	3,8	13,2	31,6
C10E*	0,9	40,1	126,1	246,1
C30E	297,1	283,8	278,4	236,5
C50E	297,1	261,0	254,8	253,9
C100E	275,4	250,3	245,2	240,9
ST	161,6	143,2	144,5	94,8
ST1E	126,6	125,4	133,8	136,5
ST5E	131,6	135,2	127,4	127,8
ST10E	135,3	126,4	130,6	129,6

Tabela 77. -continuação-

Número da amostra	Desempenho (%) nos seguintes tempos (horas)
24	36	48	72
ST30E	137,7	127,2	129,6	132,2
ST50E	124,6	126,8	136,0	132,2
ST100E*	120,3	109,7	127,8	123,7
controle A	97,8	100,4	98,9	100,0
controle B	101,9	99,6	101,1	100,0
controle A*	89,8	89,1	92,1	107,9
controle B*	110,2	110,8	107,9	92,1

*analisado na semana 2

Tabela 78. Contagens de células de P. stipitis e % de células

Número da amostra	Contagem de célula (células x 108/ mL)	% de células (contagem/ controle de contagem) *100
24 horas	72 horas	24 horas	72 horas
P	2,78	11,00	80,6	148,0

Petição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 315/343

242/265

P1E	2,10	7,20	60,9	96,9
P5E	2,93	9,68	84,9	130,3
P10E	1,42	7,73	41,2	104,0
P50E	0,33	8,63	9,6	116,2
P100E	1,58	8,25	45,8	111,0
G	1,50	14,20	43,5	191,1
G1E	3,90	8,10	113,0	109,0
G5E	2,93	6,45	84,9	86,8
G10E	4,35	13,30	126,1	179,0
G50E	3,75	11,60	108,7	156,1
A	7,43	8,55	215,4	115,1
A1E	4,13	9,53	119,7	128,3
A5E	3,68	9,75	106,7	131,2
A10E	4,50	7,50	130,4	100,9

Tabela 78. -continuação-

Número da amostra	Contagem de célula (células x 108/ mL)	% de células (contagem/ controle de contagem) *100
24 horas	72 horas	24 horas	72 horas
A50E	6,23	5,33	180,6	71,7
S	3,53	5,55	102,3	74,7
S1E	3,00	3,30	87,0	44,4
S5E	3,68	3,00	106,7	40,4
S10E	1,73	5,78	50,1	77,8
S30E	2,55	5,48	73,9	73,8
S50E	2,63	6,15	76,2	82,8
S100E	2,25	4,43	65,2	59,6
C*	0,00	0,26	0,00	7,2

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243/265

C1E*	0,00	0,36	0,00	9,9
C5E*	0,00	0,08	0,00	2,1
C10E*	0,00	5,85	0,00	160,7
C30E	5,78	4,20	167,5	56,5
C50E	3,40	7,35	98,6	98,9
C100E	1,98	6,60	57,4	88,8
ST	2,55	7,65	73,9	103,0
ST1E	2,00	8,70	58,0	117,1
ST5E	1,85	6,75	53,6	90,8
ST10E	1,83	5,40	53,0	72,7
ST30E	2,78	6,15	80,6	82,8
ST50E	1,33	3,45	38,6	46,4
ST100E*	4,35	3,83	59,8	105,2
controle	3,60	7,13	104,3	96,0
A
Controle	3,30	7,73	95,7	104,0
B
controle	7,50	3,23	103,0	88,7
A*
controle	7,05	4,05	96,8	111,3
B*

* analisado na semana 2

Sumário dos Resultados de Toxicidade Celular

Zymomonas mobilis [00598] Conforme mostrado na figura 42, números de célula elevados (por exemplo, maior do que o controle) foram observados em amostras Os números de célula na presença de todas as outras amostras eram comparáveis ao controle. Essa observação indica que os substratos não eram tóxicos para Z. mobilis durante até 24 horas após cultura.

[00599] No ponto de tempo de 36 horas, uma diminuição nos números

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244/265 de células (por exemplo, em virtude de uma perda de células ou morte celular) foi observada para todas as amostras, incluindo o controle. A maior diminuição nos números de célula foi observada para aquelas amostras contendo P-132-10, G-132-10. A provável causa desse efeito é comum a todas as amostras, incluindo o controle. Assim, a causa desse efeito não é os substratos de teste, uma vez que esses variam em cada amostra e não estão presentes no controle. Possíveis explicações para essa observação incluem condições de cultura inapropriadas (por exemplo, temperatura, composições do meio) ou concentrações de etanol na amostra.

[00600] Conforme mostrado na Figura 43, todas as células produziram quantidades comparáveis de etanol (por exemplo, 5-10 g/L) em cada ponto de tempo, a despeito do substrato. Consistente com os dados de número de células apresentados na figura 42, a concentração de etanol em cada amostra teve um pico no ponto de tempo de 24 horas. Em contraste aos dados de número de células, a concentração de etanol não diminui em subsequentes pontos de tempo. Isso era esperado, uma vez que o etanol não foi removido do sistema. Além disso, esses dados sugerem que a produção de etanol nessas amostras podem ter resultado da fermentação de glicose no meio de cultura. Nenhum dos substratos testados parecia aumentar a produção de etanol.

[00601] Juntos, as Figuras 42 e 43 sugeriram que concentrações de etanol acima de cerca de 6 g/L podem ser tóxicas para Z. mobilis. Esses dados também são apresentados como um percentual normalizado contra o controle, conforme mostrado na Figura 44.

Pichia stipitis [00602] Conforme mostrado na Figura 45, os números de célula eram comparáveis ao controle. Além disso, embora números de célula ligeiramente reduzidos estivessem presentes em amostras contendo G-132 e

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245/265

WS-132, números de células reduzidos não foram observados para G132-10, G-132-100, A-132-10 ou A-132-100. Assim, é improvável que os substratos G ou A sejam tóxicos. Antes, é provável que os números de célula reduzidos observados para G-132 e WS-132 tenham sido causados por uma anomalia experimental ou pela presença de substrato não processado que impede de alguma forma o crescimento celular. Em geral, esses dados sugerem é provável que a glicose presente em amostras de controle e experimentais seja suficiente para promover crescimento ótimo de P. stipitis e que a presença de um substrato adicional na amostra não aumenta essa taxa de crescimento. Esses resultados também sugerem que nenhuma das amostras é tóxica em P. stipitis.

[00603] Conforme mostrado na Figura 46, a despeito dos números de célula similares reportados na Figura 46, produção de etanol grandemente aumentada foi observada em todas as amostras contendo um substrato experimental. As concentrações de etanol aumentaram com o tempo para cada um dos três pontos de tempo testados. A maior concentração de etanol foi observada para A-132-10 no ponto de tempo de 48 horas (por exemplo, aproximadamente 26,0 g/L). Comparando as concentrações de substrato com os maiores níveis de produção de etanol com os dados de número de células na Figura 46, pode ser observado que P. stipitis não parece ser sensível à concentrações crescentes de etanol. Além disso, a produção de etanol não parece estar relacionada ao número de células, mas antes, parece estar relacionada ao tipo de substrato presente na amostra.

[00604] Juntos, os resultados apresentados nas Figuras 45 e 46 sugeriram que os substratos experimentais não promovem o crescimento de P. stipitis, contudo, eles aumentam grandemente a quantidade de etanol produzida por esse tipo de célula. Esses dados são também apresentados como um percentual normalizado contra o controle, conforme mostrado na Figura 47.

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246/265

Saccharomyces cerevisiae [00605] Conforme mostrado na Figura 48, G-132-100, A-132, A-13210, A-132-100 e WS-132 promoveram números de célula ligeiramente elevados comparado com o controle. Nenhuma redução significativa no número de células foi observado para qualqueramostra. Esses resultados sugerem que nenhuma das amostras é tóxica em S. cerevisiae.

[00606] Conforme mostrado na Figura 49, produção aumentada de etanol foi observada em células tratadas com cada tipo comparado com o controle. Comparação dessas amostras contendo a maior quantidade de etanol com os dados do número de células apresentados na Figura 48 sugere que concentrações de etanol acima de 5 g/L podem ter tido um efeito adverso sobre os números de células. Contudo, essa observação não é o caso para todas as amostras.

[00607] Esses dados são também apresentados como um percentual normalizado contra o controle, conforme mostrado na Figura 50.

[00608] Em conclusão, nenhuma das amostras testadas parecia ser tóxica em Z. mobilis, P. stipitis ou S. cerevisiae. Além disso, P. stipitis parecia ser o mais eficiente dos três tipos de célula para a produção de etanol a partir dos substratos experimentais testados.

Exemplo 32 - Produção de álcool usando pré-tratamento de irradiaçãosonicação [00609] O tamanho ótimo para fábricas de conversão de biomassa é afetado por fatores incluindo a economia de escala e o tipo e disponibilidade de biomassa usada como estoque de alimentação. Aumento de tamanho da fábrica tende a aumentar a economia de escala associada a processos na fábrica. Contudo, aumento de tamanho da fábrica também tende a aumentar os custos (por exemplo, custos de transporte) por unidade de matéria prima de biomassa. Estudos analisando esses fatores sugerem que o tamanho apropriado para fábricas de conversão de bioPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 320/343

247/265 massa podem oscilar de 2000 a 10.000 toneladas de matéria prima de biomassa seco por dia. A fábrica descrita abaixo é dimensionada para processar 2000 toneladas de matéria prima de biomassa seco por dia. [00610] A figura 39 mostra um processo esquemático de um sistema de conversão de biomassa configurado para processar switchgrass. O sub-sistema de preparo de armazenamento processes estoque de alimentação de biomassa bruto para remover objetos estranhos e proporciona partículas de tamanho consistente para processamento adicional. O sub-sistema pré-tratamento altera a estrutura molecular (por exemplo, reduz o peso molecular médio e a cristalinidade) da matéria prima de biomassa por meio de irradiação da matéria prima de biomassa, mistura da matéria prima de biomassa irradiado com água para formar uma pasta e aplicação de energia ultra-sônica à pasta. Irradiação e sonicação convertem os componentes celulósicos e lignocelulósicos da matéria prima de biomassa em materiais fermentáveis. O sub-sistema de processo primário fermenta a glicose e outros açúcares de baixo peso presentes após pré-tratamento para formar álcoois.

Preparo de Alimentação [00611 ] A taxa de alimentação padrão selecionada para a fábrica é de 2.000 toneladas secas por dia de biomassa de switchgrass. A alimentação padrão é switchgrass picado e/ou cisalhado.

[00612] Estoque de alimentação de biomassa na forma de fardos de switchgrass é recebido pela fábrica. Em alguns casos, os fardos de switchgrass são embalados com uma rede plástica para assegurar que eles não desmancham quando manipulados e também podem ser embalados em filme plástico para proteger os fardos das condições do tempo. Os fardos são quadrados ou redondos. Os fardos são recebidos na fábrica do armazenamento fora do local sobre grandes trailers de caminhão. À medida que os caminhões são recebidos, eles são pesados e descarregados por empilhadeiras. Alguns fardos são enviados para armazenaPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 321/343

248/265 mento no local, enquanto outros são levados diretamente para transportadores.

[00613] Uma vez que switchgrass está disponível apenas periodicamente, armazenamento a longo prazo é requerido a fim de proporcionar alimentação para a fábrica anualmente. Armazenamento a longo prazo provavelmente consistirá de 400-500 acres de fileiras de fardos empilhados descobertas em um local (ou múltiplos locais) razoavelmente próximas da fábrica de etanol. Armazenamento a curto prazo no local é proporcionado equivalente a 72 horas de produção em uma área de armazenamento externa. Fardos e vias de acesso circundantes, bem como os transportadores estão sobre uma laje de concreto. A laje de concreto é usada em virtude do volume de tráfego requerido para distribuir a grande quantidade de matéria prima de biomassa requerida. A laje de concreto minimizará a quantidade de água parada na área de armazenamento, bem como reduzirá a exposição da matéria prima de biomassa à sujeira. O material armazenado fornece um suprimento a curto prazo para fins de semana, feriados e quando distribuição direta normal de material no processo é interrompida.

[00614] Os fardos são descarregados por empilhadeiras e são colocados diretamente sobre transportadores de fardo ou para a área de armazenamento de curto prazo. Os fardos são também levados para armazenamento a curto prazo por empilhadeiras e carregados sobre os transportadores de fardo.

[00615] Fardos trafegam para uma de duas estações de desembalagem de fardo. Fardos desembalados são decompostos usando uma barra de dispersão e, então, descarregados sobre um transportador, o qual passa um separador magnético para remover metal antes de picar. Um ímã de ferro de contenção é proporcionado para capturar o metal magnético solto e uma tela de peneiramento remove o material estranho e superdimensionado grosseiro acima de múltiplas bandejas de picadorPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 322/343

249/265 cisalhador, as quais reduzem a matéria prima de biomassa o tamanho apropriado para pré-tratamento. As bandejas de picador-cisalhador incluem picadores e cortadores de faca giratória. Os picadores reduzem o tamanho da matéria prima de biomassa bruto e alimentam o material resultante aos cortadores de faca giratória. Os cortadores de faca giratória cisalham concorrentemente a matéria prima de biomassa e peneiram o material resultante. Finalmente, a matéria prima de biomassa é transportado para o sub-sistema pré-tratamento.

[00616] T rês silos de armazenamento são proporcionados para limitar tempo ocioso global do sistema em virtude de manutenção requerida e/ou paralisações de equipamento do sub-sistema de preparo de armazenamento. Cada silo pode conter aproximadamente 55.000 pés cúbicos de matéria prima de biomassa (~3 horas de operação da fábrica). Pré-tratamento [00617] Uma correia transportadora transporta a matéria prima de biomassa do sub-sistema de preparo de armazenamento 110 para o subsistema pré-tratamento 114. Conforme mostrado na figura 40, no subsistema pré-tratamento 114, a matéria prima de biomassa é irradiado usando emissores de feixe de elétrons, misturado com água para formar uma pasta e submetido à aplicação de energia ultra-sônica. Conforme discutido acima, irradiação da matéria prima de biomassa altera a estrutura molecular (por exemplo, reduz a recalcitrância, o peso molecular médio e a cristalinidade) da matéria prima de biomassa. Mistura da matéria prima de biomassa irradiado em uma pasta e aplicação de energia ultrasônica à pasta alteram adicionalmente a estrutura molecular da matéria prima de biomassa. Aplicação de radiação e sonicação em sequência pode ter efeitos sinergísticos pelo fato de que a combinação de técnicas parece obter maiores alterações da estrutura molecular (por exemplo, reduz a recalcitrância, o peso molecular médio e a cristalinidade) do que qualquer técnica possa obter o mesmo isoladamente de modo eficiente.

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250/265

Sem desejar estar preso à teoria, além de reduzir a polimerização da matéria prima de biomassa mediante ruptura das ligações intramoleculares entre segmentos de componentes celulósicos e lignocelulósicos da matéria prima de biomassa, a irradiação pode tornar a estrutura física global da matéria prima de biomassa mais frágil. Após a matéria prima de biomassa frágil ser misturado em uma pasta, a aplicação de energia ultrasônica altera adicionalmente a estrutura molecular (por exemplo, reduz o peso molecular médio e a cristalinidade) e também pode reduzir o tamanho das partículas de matéria prima de biomassa.

Irradiação de feixe de elétrons [00618] A correia transportadora 491 que transporta a matéria prima de biomassa para o sub-sistema pré-tratamento distribui a matéria prima de biomassa em múltiplas correntes de alimentação (por exemplo, 50 correntes de alimentação) cada uma levando a emissores de feixe de elétrons 492 distintos. Nessa modalidade, a matéria prima de biomassa é irradiado enquanto ele está seco. Cada corrente de alimentação é transportada sobre uma correia transportadora distinta para um emissor de feixe de elétrons associado. Cada correia transportadora de alimentação de irradiação pode ter aproximadamente um metro de largura. Antes de atingir o emissor de feixe de elétrons, uma vibração localizada é induzida em cada correia transportadora para distribuir uniformemente a matéria prima de biomassa seco sobre a largura seccional transversal da correia transportadora.

[00619] O emissor de feixe de elétrons 492 (por exemplo, dispositivos de irradiação de feixe de elétrons comercialmente disponíveis da Titan Corporation, San Diego, CA) são configurados para aplicar uma dose de elétrons de 100 quilo-Gray aplicada em uma potência de 300 kW. Os emissores de feixe de elétrons são dispositivos de feixe de varredura com uma largura de varredura de 1 metro para corresponder à largura da correia transportadora. Em algumas modalidades, emissores de feixe de eléPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 324/343

251/265 trons com grandes larguras de feixe fixo são usados. Fatores, incluindo largura do feixe/correia, dose desejada, densidade da matéria prima de biomassa e potência aplicada, orientam o número de emissores de feixe de elétrons requerido para que a fábrica processe 2.000 toneladas por dia de alimentação seca.

Sonicação [00620] O estoque de alimentação de biomassa irradiado é misturado com água para formar uma pasta antes que energia ultra-sônica seja aplicada. Pode haver um sistema de sonicação distinto associado a cada corrente de alimentação de feixe de elétrons ou várias correntes de feixe de elétrons podem ser agregadas como alimentação para um único sistema de sonicação.

[00621] Em cada sistema de sonicação, a matéria prima de biomassa irradiado é alimentado a um reservatório 1214 através de uma primeira entrada 1232 e água é alimentada no reservatório 1214 através da segunda entrada 1234. Válvulas apropriadas (manuais ou automáticas) controlam o fluxo de matéria prima de biomassa e o fluxo de água para produzir uma proporção desejada de matéria prima de biomassa para água (por exemplo, material celulósico a 10%, peso em volume). Cada reservatório 1214 inclui um misturador 1240 para agitar os conteúdos do volume 1236 e dispersar a matéria prima de biomassa por toda a água.

[00622] Em cada sistema de sonicação, a pasta é bombeada (por exemplo, usando uma bomba de turbilhonamento com propulsor em recesso 1218) do reservatório 1214 para e através de uma célula de fluxo 1224 incluindo um transdutor ultra-sônico 1226. Em algumas modalidades, a bomba 1218 é configurada para agitar a pasta 1216 de modo que a mistura de matéria prima de biomassa e água seja substancialmente uniforme na entrada 1220 da célula de fluxo 1224. Por exemplo, a bomba 1218 pode agitar a pasta 1216 para criar um fluxo turbulento que persiste através da tubulação entre a primeira bomba e a entrada 1220 da célula

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252/265 de fluxo 1224.

[00623] Dentro da célula de fluxo 1224, o transdutor ultra-sônico 1226 transmite energia ultra-sônica para a pasta 1216 à medida que a pasta flui através da célula de fluxo 1224. O transdutor ultra-sônico 1226 converte energia elétrica em energia mecânica de alta frequência (por exemplo, energia ultra-sônica), a qual é, então, distribuída à pasta através do amplificador de voltagem 48. Transdutores ultra-sônicos estão comercialmente disponíveis (por exemplo, da Hielscher USA, Inc. de Ringmadeira, New Jersey) que são capazes de distribuir uma potência contínua de 16 quilowatts.

[00624] A energia ultra-sônica que trafega através do amplificador de voltagem 1248 no volume do reator 1244 cria uma série de compressões e rarefações na corrente de processo1216 com uma intensidade suficiente para criar cavitação na corrente de processo1216. Cavitação desagrega os componentes da matéria prima de biomassa incluindo, por exemplo, material celulósico e lignocelulósico disperso na corrente de processo 1216 (por exemplo, pasta). Cavitação também produz radicais livres na água da corrente de processo 1216 (por exemplo, pasta). Esses radicais livres atuam para decompor adicionalmente o material celulósico na corrente de processo 1216. Em geral, cerca de 250 MJ/m³ de energia ultrasônica são aplicados para processar a corrente 1216 contendo fragmentos de lascas de álamo. Outros níveis de energia ultra-sônica (entre cerca de 5 e cerca de 4000 MJ/m³, por exemplo, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 ou 3000) podem ser aplicados a outros matérias primas de biomassa. Após exposição à energia ultra-sônica no volume do reator 1244, a corrente de processo1216 sai da célula de fluxo 24 através da saída 1222.

[00625] A célula de fluxo 1224 também inclui um permutador de calor 1246 em comunicação térmica com pelo menos uma porção do volume do reator 1244. Fluido de resfriamento 1248 (por exemplo, água) flui para

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253/265 o permutador de calor 1246 e absorve o calor gerado quando a corrente de processo1216 (por exemplo, pasta) é submetida a sonicação no volume do reator 1244. Em algumas modalidades, o fluxo de fluido de resfriamento 1248 para o permutador de calor 1246 é controlado para manter uma temperatura aproximadamente constante no volume do reator 1244. Além disso ou alternativamente, a temperatura de fluido de resfriamento 1248 que flui para o permutador de calor 1246 é controlada para manter uma temperatura aproximadamente constante no volume do reator 1244. [00626] A saída 1242 da célula de fluxo 1224 está disposta próximo da parte inferior do reservatório 1214 para induzir à alimentação por gravidade da corrente de processo 1216 (por exemplo, pasta) para fora do reservatório 1214 em direção à entrada de uma segunda bomba 1230 a qual bombeia corrente de processo1216 (por exemplo, pasta) em direção ao sub-sistema de processo primário.

[00627] Sistemas de sonicação podem incluir um único trajeto de fluxo (conforme descrito acima) ou múltiplos trajetos de fluxo paralelos cada um com uma unidade de sonicação individual associada. Múltiplas unidades de sonicação também podem estar dispostas em série para aumentar a quantidade de energia sônica aplicada à pasta.

Processos Primários [00628] Um filtro do tipo tambor giratório a vácuo remove os sólidos da pasta antes de fermentação. O líquido do filtro é bombeado frio antes de entrar nos fermentadores. Os sólidos filtrados são passados para o subsistema pós-processamento para processamento adicional.

[00629] Os tanques de fermentação são grandes vasos de aço inoxidável de baixa pressão com agitadores de baixa velocidade e fundo cônico. Tanques de fermentação com múltiplos primeiros estágios podem ser dispostos em série. A temperatura nos tanques de fermentação de primeiro estágio é controlada em 30 graus centígrados usando permutadores de calor externos. Levedo é adicionado ao tanque de fermentação de

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254/265 primeiro estágio na parte superior de cada série de tanques e transporta o mesmo através dos outros tanques na série.

[00630] Fermentação de segundo consiste de dois fermentadores contínuos em série. Ambos os fermentadores são continuamente agitados com misturadores mecânicos de baixa velocidade. A temperatura é controlada com água resfriada em permutadores externos com recirculação contínua. Bombas de recirculação são do tipo com cavidade progressiva em virtude da alta concentração de sólidos.

[00631] Gás de escapamento dos tanques de fermentação e fermentadores são combinados e lavados em uma coluna de água contracorrente antes de serem liberados para a atmosfera. O gás de escapamento é lavado para recuperar etanol ao invés de controlar emissões de ar.

Pós-Processamento

Destilação [00632] Destilação e adsorção em peneira molecular são usadas para recuperar etanol da levedura de fermentação bruta e produzir etanol a 99,5%. A destilação é realizada em duas colunas - a primeira, denominada a coluna de levedura, remove o CO₂ dissolvido e a maioria da água e a segunda concentra o etanol para uma composição quase azeotrópica. [00633] Toda a água da mistura quase azeotrópica é removida por meio de adsorção de peneira molecular em fase vapor. Regeneração das colunas de adsorção requer que uma mistura aquosa de etanol seja reciclada à destilação para recuperação.

[00634] Ventilações de fermentação (contendo principalmente CO₂, mas também um pouco de etanol), bem como a ventilação da coluna de levedura são purificadas em um purificador de água, recuperando quase todo o etanol. O efluente do purificador é alimentado à primeira coluna de destilação junto com a levedura de fermentação.

[00635] A parte inferior da primeira destilação contém todos os sólidos

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255/265 insolúveis e dissolvidos não convertidos. Os sólidos insolúveis são desidratados por um filtro de pressão e enviados a um combustor. O líquido do filtro de pressão que não é reciclado é concentrado em um evaporador de efeito múltiplo usando calor residual da destilação. O xarope concentrado do evaporador é misturado com os sólidos que são enviados ao combustor e o condensado evaporado é usado como água de reciclagem relativamente limpa para o processo.

[00636] Em virtude do fato de que a quantidade de água de vinhaça que pode ser reciclada ser limitada, um evaporador é incluído no processo. A quantidade total de água de um filtro de pressão que é diretamente reciclada é configurada a 25%. Sais orgânicos, tais como acetato ou lactato de amônio, componentes da água de maceração não utilizados pelo organismo ou compostos inorgânicos na biomassa se encontram nessa corrente. Reciclagem de muito desse material pode resultar em níveis de resistência iônica e pressão osmótica que pode ser prejudicial à eficiência do organismo de fermentação. Para a água que não é reciclada, o evaporador concentra os sólidos dissolvidos em um xarope que pode ser enviado ao combustor, minimizando a carga para tratamento de água residual.

Tratamento de águas residuais [00637] A seção de tratamento de águas residuais trata a água de processo para reutilização a fim de reduzir os requisitos de água de composição da fábrica. A água residual é inicialmente separada para remover grandes partículas, as quais são coletadas em um depósito alimentador e enviadas para um aterro. A separação é seguida por digestão anaeróbica e aeróbica para digerir a matéria orgânica na corrente. Digestão anaeróbica produz uma corrente de biogás que é rica em metano, a qual é alimentada ao combustor. Digestão aeróbica produz uma corrente de água relativamente clara para reutilização no processo, bem como um sedimento que é primariamente composto de massa celular. O sedimento é

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256/265 também queimado no combustor. Esse esquema de separação / digestão anaeróbica / digestão aeróbica é padrão dentro da indústria de etanol atual e unidades na faixa de 1 -5 milhões de galões por dia podem ser obtidas como unidades off-the-shelf dos vendedores.

Combustor, Caldeira e Turbo-gerador [00638] A finalidade do sub-sistema de combustor, boiler e turbogerador é queimar várias correntes de subproduto para geração de vapor e eletricidade. Por exemplo, um pouco de lignina, celulose e hemicelulose permanece não convertida através do pré-tratamento e processos primários. A maioria da água residual do processo é concentrada até um xarope em sólidos solúveis. Digestão anaeróbica da água residual restante produz um biogás com alto teor de metano. Digestão aeróbica produz uma pequena quantidade de biomassa residual (sedimento). Queima dessas correntes de subproduto para gerar vapor e eletricidade permite que a fábrica seja auto-suficiente em energia, reduz os custos de descarte de resíduos sólidos e gera recursos adicionais através de venda da eletricidade em excesso.

[00639] Três correntes de combustível primárias (sólidos de pósdestilado, biogás e xarope do evaporador) são alimentados a um combustor de leito fluidizado em circulação. A pequena quantidade de biomassa residual (sedimento) de tratamento de águas residuais é também enviada ao combustor. Um ventilador move o ar para a câmara de combustão. Água tratada entra no circuito do permutador de calor no combustor e é evaporada e superaquecida para 510°C (9501³ ) e vapor a 86 atm (1265 psia). Gás combustível do combustor pré-aquece o ar de combustão na entrada e, então, entra em um alojamento para remover partículas, as quais são aterradas. O gás é liberado através de uma chaminé. [00640] Uma turbina e gerador com múltiplos estágios são usados para gerar eletricidade. Vapor é extraído da turbina em três diferente condições para injeção no reator pré-tratamento e permuta de calor em destiPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 330/343

257/265 lação e evaporação. O vapor restante é condensado com água de resfriamento e retornado para o sistema de água de alimentação da caldeira junto com condensado dos vários permutadores de calor no processo. Água de poço tratada é usada como composição para substituir o vapor usado na injeção direta.

OUTRAS MODALIDADES [00641] Uma série de modalidades da invenção foram descritas. Todavia, deve ser entendido que várias modificações podem ser feitas sem se desviar do espírito e escopo da invenção.

[00642] Em algumas modalidades, doses relativamente baixas de radiação, opcionalmente, combinadas com energia acústica, por exemplo, ultrassom, são utilizadas para reticular, enxertar ou de outro modo aumentar o peso molecular de um material contendo carboidrato sintético ou natural, tal como qualquer um daqueles materiais em qualquer forma (por exemplo, forma fibrosa) descritos aqui, por exemplo, materiais celulósicos ou lignocelulósicos cisalhados ou não cisalhados, tal como celulose. A reticulação, enxertagem ou de outro modo aumento do peso molecular do material contendo carboidrato sintético ou natural pode ser realizada de uma maneirum controleada e predeterminada mediante seleção do tipo ou tipos de radiação empregada (por exemplo, e-feixe e ultraviolet ou e-feixe e gama) e/ou dose ou número de doses de radiação aplicada. [00643] T al material tendo peso molecular aumentado pode ser útil na fabricação de um composto, tal como um composto de fibra-resina, tendo propriedades mecânicas aprimoradas, tais como resistência à abrasão, resistência à compressão, resistência à fratura, resistência ao impacto, resistência à curvatura, módulo de tensão, módulo de flexão e alongamento à ruptura. Reticulação, enxertagem ou de outro modo aumento do peso molecular de um material selecionado pode aprimorar a estabilidade térmica do material com relação ao material tratado. Aumento da estabilidade térmica do material selecionado pode permitir que o mesmo seja

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258/265 processado em maiores temperaturas sem degradação. Além disso, tratamento dos materiais com radiação pode esterilizar os materiais, o que pode reduzir sua tendência à decomposição, por exemplo, enquanto em um composto. A reticulação, enxertagem ou de outro modo aumento do peso molecular de um material contendo carboidrato natural ou sintético pode ser realizada de uma maneira controlada e predeterminada para uma aplicação particular a fim de conferir propriedades ótimas, tal como resistência, mediante seleção do tipo ou tipos de radiação empregada e/ou dose ou doses de radiação aplicadas.

[00644] Quando usada, a combinação de radiação, por exemplo, radiação em baixa dose e energia acústica, por exemplo, energia sônica ou ultra-sônica, pode aprimorar a produção de material e/ou minimizar o uso de energia.

[00645] A resina pode ser qualquer resina termoplástica, de termocura, elastomérica, adesiva ou misturas dessas resinas. Resinas adequadas incluem qualquer resina ou mistura de resinas descritas aqui. [00646] Além da resina isoladamente, o material tendo o peso molecular aumentado pode ser combinado, misturado ou adicionado a outros materiais, tais como metais, ligas de metal, cerâmicas (por exemplo, cimento), lignina, aditivos orgânicos e inorgânicos, elastômeros, asfaltos, vidro ou misturas de qualquer um desses e/ou resinas. Quando adicionados ao cimento, cimento reforçados de fibra podem ser produzidos tendo propriedades mecânicas aprimoradas, tais como as propriedades descritas aqui, por exemplo, resistência à compressão e/ou resistência à fratura.

[00647] Reticulação, enxertagem ou de outro modo aumento do peso molecular de um material contendo carboidrato natural ou sintético utilizando radiação podem proporcionar materiais úteis em muitas formas e para muitas aplicações. Por exemplo, o material contendo carboidrato pode estar na forma de um produto de papel, tal como papel, polpa de

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259/265 papel ou efluente de papel, papelão em partícula, laminados de madeira serrada cortados, por exemplo, tapumes, ou compensado, madeira serrada, por exemplo, pinho, álamo, carvalho ou mesmo madeira serrada balsa. Tratamento de papel, papelão em partícula, laminados ou madeira serrada pode aumentar suas propriedades mecânicas, tal como sua resistência. Por exemplo, tratamento de madeira serrada de pinho com radiação pode dotar um material estrutural de alta resistência.

[00648] Quando papel é feito usando radiação, radiação pode ser utilizada em qualquer ponto em sua fabricação. Por exemplo, a polpa pode ser irradiada, uma pré-forma de fibra prensada pode ser irradiada ou o papel acabado em si pode ser irradiado. Em algumas modalidades, radiação é aplicada em mais de um ponto durante o processo de fabricação. [00649] Por exemplo, um material fibroso que inclui um primeiro material celulósico e/ou lignocelulósico tendo um primeiro peso molecular pode ser irradiado de uma maneira a fim de proporcionar um segundo material celulósico e/ou lignocelulósico tendo um segundo peso molecular maior do que o primeiro peso molecular. Por exemplo, se radiação gama é utilizada como a fonte de radiação, uma dose de cerca de 0,2 Mrad a cerca de 10 Mrad, por exemplo, de cerca de 0,5 Mrad a cerca de 7,5 Mrad ou de cerca de 2,0 Mrad a cerca de 5,0 Mrad, pode ser aplicada. Se radiação de feixe de elétrons é utilizada, uma dose menor pode ser utilizada (com relação à radiação gama), tal como uma dose de cerca de 0,1 Mrad a cerca de 5 Mrad, por exemplo, entre cerca de 0,2 Mrad a cerca de 3 Mrad ou entre cerca de 0,25 Mrad e cerca de 2,5 Mrad.

[00650] Após a dose de radiação relativamente baixa, o segundo material celulósico ou lignocelulósico pode ser combinado com um material, tal como uma resina e transformado em um composto, por exemplo, peso molecular moldagem por compressão, moldagem por injeção ou extrusão. A formação de compostos de resina-fibra é descrita no documento WO 2006/102543. Uma vez que os compostos são formados, eles podem

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260/265 ser irradiados para aumentar adicionalmente o peso molecular do material contendo carboidrato enquanto no composto.

[00651] Alternativamente, um material fibroso que inclui um primeiro material celulósico e/ou lignocelulósico tendo um primeiro peso molecular pode ser combinado com um material, tal como uma resina, para proporcionar um composto e, então, o composto pode ser irradiado com uma dose relativamente baixa de radiação de modo a proporcionar um segundo material celulósico e/ou lignocelulósico tendo um segundo peso molecular maior do que o primeiro peso molecular. Por exemplo, se radiação gama é utilizada como a fonte de radiação, uma dose de cerca de 1 Mrad a cerca de 10 Mrad pode ser aplicada. Uso dessa abordagem aumenta o peso molecular do material enquanto ele está com uma matriz, tal como uma matriz de resina. Em algumas modalidades, a resina é uma resina reticulável e, como tal, sua reticulação como o material contendo carboidrato aumenta o peso molecular, o que pode conferir um efeito sinergístico para proporcionar propriedades mecânicas máximas a um composto. Por exemplo, tais compostos podem ter excelente desempenho em baixa temperatura, por exemplo, tendo uma tendência reduzida de rachar e/ou fraturar em baixas temperaturas, por exemplo, temperaturas abaixo de 0°C, por exemplo, abaixo de -10°C, -20°C, -40°C, -5 0°C, -60°C ou mesmo abaixo de -100°C e/ou excelente desempenho em al tas temperaturas, por exemplo, capaz de manter suas propriedades mecânicas vantajosas em uma temperatura relativamente alta, por exemplo, em temperaturas acima de 100°C, por exemplo, acima de 125°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 400°C ou mesmo acima de 500°C. Além disso, t ais compostos podem ter excelente resistência química, por exemplo, resistência ao intumescimento em um solvente, por exemplo, um solvente de hidrogênio, resistência a ataque químico, por exemplo, por ácidos fortes, bases fortes, oxidantes fortes (por exemplo, cloro ou alvejante) ou agentes de redução (por exemplo, metais ativos, tais como sódio e potássio).

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261/265 [00652] Em algumas modalidades, a resina ou outro material de matriz não reticula durante irradiação. Em algumas modalidades, radiação adicional é aplicada enquanto o material contendo carboidrato está dentro da matriz para aumentar adicionalmente o peso molecular do material contendo carboidrato. Em algumas modalidades, a radiação faz com que ligações se formem entre a matriz e o material contendo carboidrato. [00653] Em algumas modalidades, o material contendo carboidrato está na forma de fibras. Em tais modalidades, quando as fibras são utilizadas em um composto, as fibras podem ser aleatoriamente orientada dentro da matriz. Em outras modalidades, as fibras podem ser substancialmente orientadas, tal como em uma, duas, três ou quatro direções. Se desejado, as fibras podem ser contínuas ou distintas.

[00654] Qualquer um dos aditivos a seguir podem ser adicionados aos materiais fibrosos, materiais fibrosos densificados ou quaisquer outros materiais e compostos descritos aqui. Aditivos, por exemplo, na forma de um sólido, um líquido ou um gás, podem ser adicionados, por exemplo, à combinação de um material fibroso e resina. Aditivos incluem enchedores, tais como carbonato de cálcio, grafita, volastonita, mica, vidro, fibra de vidro, sílica e talco; retardantes de chama inorgânicos, tais como trihidrato de alumínio ou hidróxido de magnésio; retardantes de chama orgânicos, tais como compostos orgânicos clorados ou brominados; resíduos de construção triturados; borracha de pneu triturada; fibras de carbono; ou fibras ou pós metálicos (por exemplo, alumínio, aço inoxidável). Esses aditivos podem reforçar, prolongar ou alterar propriedades elétricas, mecânicas ou de compatibilidade.

[00655] Outros aditivos incluem lignina, fragrâncias, agentes de acoplamento, compatibilizantes, por exemplo, polipropileno maleado, auxiliares de processamento, lubrificantes, por exemplo, polietileno fluorado, plastificantes, antioxidantes, opacificantes, estabilizantes de calor, colorantes, agentes de espumação, modificadores de impacto, polímeros, por

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262/265 exemplo, polímeros degradáveis, foto-estabilizantes, biocidas, agentes anti-estática, por exemplo, estearatos ou aminas de ácido graxo etoxiladas. Compostos anti-estática adequados incluem negros-de-carvão condutivos, fibras de carbono, enchedores metálicos, compostos catiônicos, por exemplo, compostos de amônio quaternário, por exemplo, cloreto de N-(3-cloro-2-hidroxipropil)-trimetilamônio, alcanolamidas e aminas. Polímeros degradáveis representativos incluem poli-hidroxi ácidos, por exemplo, polilactídeos, poliglicolídeos e copolímeros de ácido láctico e ácido glicólico, ácido (poli)hidroxibutírico, ácido (poli)hidroxivalérico, (poli)[lactídeo-co-e-caprolactona], (poli)[glicolídeo-co-e-caprolactona], policarbonatos, (poli)aminoácidos, (poli)hidroxialcanoatos, polianidridos, poliortoésteres e misturas desses polímeros.

[00656] Conforme descrito, quando aditivos são incluídos, eles podem estar presentes em quantidades, calculadas sobre uma base em peso seco, de abaixo de 1 por cento a tão alto quanto 80 por cento, baseado no peso total do material fibroso. Mais tipicamente, quantidades oscilam de entre cerca de 0,5 por cento a cerca de 50 por cento em peso, por exemplo, 5 por cento, 10 por cento, 20 por cento, 30, por cento ou mais, por exemplo, 40 por cento.

[00657] Quaisquer aditivos descritos aqui podem ser encapsulados, por exemplo, secos por pulverização ou microencapsulados, por exemplo, para proteger os aditivos do calor ou umidade durante manipulação. [00658] Os materiais fibrosos, materiais fibrosos densificados, resinas ou aditivos pode ser tingidos. Por exemplo, o material fibroso pode ser tingido antes de combinação com a resina e composição para formar compostos. Em algumas modalidades, esse tingimento pode ajudar a disfarçar ou esconder o material fibroso, especialmente grandes aglomerações do material fibroso, em partes moldadas ou extrudadas, quando isso é desejado. Tais aglomerações grandes, quando presentes em concentrações relativamente altas, podem se mostrar como flocos nas superfíPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 336/343

263/265 cies das partes moldadas ou extrudadas.

[00659] Por exemplo, o material fibroso desejado pode ser corado usando um corante ácido, corante direto ou um corante reativo. Tais corantes estão disponíveis da Spectra Dyes, Kearny, NJ ou Keystone Aniline Corporation, Chicago, IL. Exemplos específicos de corantes incluem SPECTRA® LIGHT YELLOW 2G, SPECTRACID® YELLOW 4GL CONC 200, SPECTRANYL® RHODAMINA 8, SPECTRANYL®NEUTRAL RED B, SPECTRAMINA® BENZOPERPURINE, SPECTRADIAZO® BLACK OB, SPECTRAMINA® TURQUOISE G e SPECTRAMINA® GREY LVL 200%, cada um estando disponível da Spectra Dyes.

[00660] Em algumas modalidades, concentrados de resina colorida contendo pigmentos são misturados com os corantes. Quando tais misturas são, então, compostas com o material fibroso desejado, o material fibroso pode ser corado in-situ durante a composição. Concentrados coloridos estão disponíveis da Clariant.

[00661] Pode ser vantajoso adicionar um aroma ou fragrância aos materiais fibrosos ou compostos fibrosos densificados. Por exemplo, pode ser vantajoso que os compostos tenham um cheiro e/ou sejam semelhantes à madeira natural, por exemplo, cedro. Por exemplo, a fragrância, por exemplo, fragrância de madeira natural, pode ser composta na resina usada para fazer o composto. Em algumas implementações, a fragrância é composta diretamente na resina como um óleo. Por exemplo, o óleo pode ser composto na resina usando um moinho de rolos, um misturador Banbury® ou uma extrusora, por exemplo, uma extrusora rosca dupla com roscas de contra-rotação. Um exemplo de um misturador Banbury^® é o misturador F-Series Banbury®, fabricado pela Farrel. Um exemplo de uma extrusora rosca dupla é o WP ZSK 50 MEGAcompunder™, fabricado pela Krupp Werner & Pfleiderer. Após composição, a resina aromatizada pode ser adicionada ao material fibroso e extrudada ou moldada. Altemativamente, lotes mestre de resinas cheias de fragrância estão comercialmenPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 337/343

264/265 te disponíveis da International Flavors and Fragrances, sob o nome comercial PolyIff® ou da RTP Company. Em algumas modalidades, a quantidade de fragrância no composto está entre cerca de 0,005 % em peso e cerca de 10 % em peso, por exemplo, entre cerca de 0,1 % e cerca de 5 % ou 0,25 % e cerca de 2,5 %.

[00662] Outras fragrâncias de madeira naturais incluem madeira verde ou madeira vermelha. Outras fragrâncias incluem hortelã-pimenta, cereja, morango, ameixa, lima, hortelã, canela, anis, coentro, bergamota, pimenta preta, cânfora, camomila, citronela, eucalipto, pinho, pinheiro, gerânio, gengibre, toranja, jasmim, junípero, lavanda, limão, mandarina, marjoram, almíscar, mirra, laranja, patchouli, rosa, alecrim, sálvia, sândalo, árvore do chá, tomilho, mentol, ylang ylang, baunilha, new car ou misturas dessas fragrâncias. Em algumas modalidades, a quantidade de fragrância na combinação material fibroso-fragrância está entre cerca de 0,005% em peso e cerca de 20% em peso, por exemplo, entre cerca de 0,1 % e cerca de 5 % ou 0,25 % e cerca de 2,5 %.

[00663] Embora materiais fibrosos tenham sido descritos, tais como materiais celulósicos e lignocelulósicos, outros enchedores podem ser usados para fabricação dos compostos. Por exemplo, enchedores inorgânicos, tais como carbonato de cálcio (por exemplo, carbonato de cálcio precipitado ou carbonato de cálcio natural), argila aragonita, argilas ortorômbicas, argila calcita, argilas romboédricas, caulim, argila, argila bentonita, fosfato de di-cálcio, fosfato de tri-cálcio, pirofosfato de cálcio, metafosfato de sódio insolúvel, carbonato de cálcio precipitado, ortofosfato de magnésio, fosfato de trimagnésio, hidroxiapatitas, apatitas sintéticas, alumina, xerogel de sílica, complexos de alumino-silicato de metal, silicatos de sódio alumínio, silicato de zircônio, dióxido de silício ou combinações dos aditivos inorgânicos podem ser usadas. Os enchedores podem ter, por exemplo, um tamanho de partícula de mais de 1 mícron, por exemplo, mais de 2 mícrons, 5 mícrons, 10 mícrons, 25 mícrons ou mesPetição 870170006532, de 30/01/2017, pág. 338/343

265/265 mo mais de 35 mícrons.

[00664] Enchedores em escala de nanômetro também podem ser usados isoladamente ou em combinação com materiais fibrosos de qualquer tamanho e/ou formato. Os enchedores podem estar na forma, por exemplo, de uma partícula, uma lâmina ou uma fibra. Por exemplo, argilas com tamanho de nanômetro, nanotubos de carbono e silício e nanofios de silício e carbono podem ser usados. O enchedor pode ter uma dimensão transversal de menos de 1000 nm, por exemplo, menos de 900 nm, 800 nm, 750 nm, 600 nm, 500 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, menos de 100 nm ou mesmo menos de 50 nm.

[00665] Em algumas modalidades, a nano-argila é uma montmorilonita. Tais argilas estão disponíveis da Nanocor, Inc. e Southern Clay Products e foram descritos nas Patentes U.S. N^os 6.849.680 e 6.737.464. As argilas podem ter a superfície tratada antes de mistura, por exemplo, uma resina ou um material fibroso. Por exemplo, a argila pode ter a superfície tratada de modo que sua superfície seja de natureza iônica, por exemplo, catiônica ou aniônica.

[00666] Enchedores em escala de nanômetro agregados ou aglomerados ou enchedores em escala de nanômetro que são montados em estruturas supramoleculares, por exemplo, estruturas supramoleculares auto-montados também podem ser usados. Os enchedores agregados ou supramolecular podem ser de estrutura aberta ou fechada e podem ter uma variedade de formatos, por exemplo, gaiola, tubo ou esférico. [00667] Consequentemente, outras modalidades estão dentro do escopo das reivindicações a seguir.

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Claims (15)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método caracterizado pelo fato de que compreende: fermentação de um açúcar de baixo peso molecular utilizando um micro-organismo de fermentação, na presença de biomassa fibrosa oxidada, a um outro produto que não açúcar, e em que o método compreende produção da biomassa fibrosa oxidada utilizando radiação ionizante em um ambiente de oxidação, sonicação em um ambiente de oxidação, ou pirólise oxidativa, antes de mistura com o um açúcar de baixo peso molecular.
2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa foi submetida à radiação ionizante e resfriada ou dissipada.
3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa fibrosa foi oxidada por radiação ionizante.
4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dosagem total de radiação é entre 1,0 Mrad e 6,0 Mrad, ou é de pelo menos cerca de 5 Mrad, por exemplo, em que a radiação entrega uma dose de radiação de 10 Mrad a 150 Mrad.
5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa fibrosa compreende carboxilato ou grupos de ácido carboxílico para anexação pelo micro-organismo e em que os grupos foram introduzidos por dissipação seguindo a radiação ionizante.
6. 6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto é um ácido orgânico tal como um ácido orgânico selecionado do grupo consistindo em ácido butírico, ácido lático, ácido acético, ácido propiônico, e ácido succínico, preferencialmente em que o ácido orgânico é ácido butírico ou em que o ácido orgânico é ácido lático.
7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o produto é um álcool, tal como metanol, etanol, propanol, isopropanol, ou butanol.

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8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o micro-organismo é uma bactéria ou em que a biomassa fibrosa foi oxidada por irradiação com radiação ionizante.
9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a irradiação é realizada usando um feixe de partículas.
10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa fibrosa compreende um material celulósico ou lignocelulósico, ou em que a biomassa fibrosa é selecionada do grupo consistindo em papel, produtos de papel, resíduos de papel, madeira, papelão em partículas, pó de serragem, resíduos agrícolas, esgoto, silagem, grasses, cascas de arroz, bagaço, algodão, juta, cânhamo, linho, bambu, sisal, abacá, palha, sabugos de milho, palha de milho, switchgrass, alfafa, feno, cascas de arroz, pêlo de coco, algodão, algas marinhas, algas e misturas dos mesmos.
11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa é derivada de uma matéria prima de biomassa que tem fibras internas, e em que a matéria prima de biomassa foi cisalhada para até um ponto de modo que suas fibras internas são substancialmente expostas.
12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa tem uma porosidade maior do que 70 por cento, ou em que o método compreende ainda recuperação do material de biomassa após a fermentação, e reuso do material.
13. 13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda preparar fisicamente a biomassa, por exemplo, por cisalhamento ou por redução de tamanho da biomassa por trituração com pedra, rasgo ou dilaceramento mecânico, trituração a pino ou moagem por atrito a ar.
14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a irradiação foi realizada sob um ambiente de oxidação,

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    3/3 em que o ambiente é uma corrente de ar ou oxigênio.
15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa compreende fibras que foram combinadas com uma resina para formar um compósito.

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