BRPI0607344A2 - processo e aparelho para a conversço de biomassa celulàsica em aÇécares fermentÁveis - Google Patents

Abstract

PROCESSO E APARELHO PARA A CONVERSçO DE BIOMASSA CELULàSICA EM AÇéCARES FERMENTÁVEIS. A invenção é dirigida a um processo para a conversão de biomassa celulósica, em particular de biomassa contendo lignocelulose, em açúcares fermentáveis. Invenção é adicionalmente dirigida a um aparelho adequado para a execução de tais processos. De acordo com a invenção, a biomassa é convertida em açúcares fermentáveis através do contato, em um reator, da referida biomassa com um ácido, ao mesmo tempo em que um gás inerte, capaz de absorver água, é passado através do referido reator, pelo que o pH no referido reator pode ser controlado.

Description

"PROCESSO E APARELHO PARA A CONVERSÃO DE BIOMASSA CELULÓSICA EM AÇÚCARES FERMENTÁVEIS"

A invenção é dirigida a um processo para a conversão de biomassa, em particular à conversão de biomassa contendo lignocelulose em açúcares fermentáveis. A invenção é ainda dirigida a um aparelho, adequado para a execução de tais processos.

Os materiais renováveis irão desempenhar uma função cada vez mais importante no futuro. Processos de conversão biológicos serão importantes na produção de produtos valiosos, tais que o etanol, a partir de materiais de partida renováveis, tais que a biomassa. Um gargalo na conversão de biomassa é formado pelo estágio, no qual a liberação de carboidratos a partir de lignocelulose, que é o principal constituinte da biomassa, deve ser executada. De modo a permitir com que biocatalisadores (por exemplo, microorganismos) acessem o material de partida, é necessário para despolimerizar e/ ou descristalizar a lignocelulose.

Uma técnica conhecida para este propósito é o tratamento ácido forte, que é descrito, por exemplo, na US- A 5 562 777, US-A-5 580 389, US-A-5 597 714, US-A-5 620 877, US-A- 5 726 046, US-A- 5 782 982, US-A- 5 820 687, US-A- 6 054 611 e US-A-6 239 198.

A WO-A- 94/23071 descreve um método para a produção de açúcares a partir de materiais contendo celulose e hemicelulose. O método compreende a descristalização e a hidrólise de celulose e hemicelulose com um ácido e a separação do hidrolisado em açúcares e ácido.

A US-A- 4 427 584 descreve um processo gradual para a conversão de a-celulose cristalina a a- celulose amorfa com trióxido de enxofre líquido ou gasoso, de modo a causar a descristalização de a- celulose, seguida pela hidrólise das fibras tratadas para a produção de açúcares.

As técnicas conhecidas para a conversão de materiais celulósicos em produtos fermentáveis requerem, de modo usual, a presença deum dispositivo de agitação mecânica, de modo a que seja obtida a mistura suficiente do material celulósico e do ácido forte. Na prática, isto conduz, muitas vezes, a complicações, devido à combinação de partes móveis e de ácido forte, o que dá origem a problemas de corrosão. Os materiais celulósicos também requerem, de modo geral, tratamento prévio mecânico, de modo a que seja obtido o tamanho de partícula requerido (usualmente 10 mm em diâmetro, ou menos ), e conteúdo de água (em geral inferior a 10%).

Além disso, as técnicas conhecidas requerem o corte em fatias ou a moagem de materiais celulósicos a um tamanho de partícula não maior do que malha 10, de modo a superar a dificuldade de prover um bom contato entre o ácido forte e o material celulósico. Este pequeno tamanho de partícula é também requerido, de modo a permitir a suspensão dos materiais celulósicos em uma corrente de ar quente.

Além disso, um aparelho de evaporação separado é necessário para produzir o ácido concentrado. Isto resulta em custos de investimento adicionais.

Além disso, as técnicas conhecidas referidas requerem uma quantidade de ácido considerável, que é subseqüentemente neutralizada usando uma quantidade de base apropriada. Isto conduz a quantidade derejeito consideráveis, tais que o gesso, que é requerido que seja descartado, e isto incorre em custos.

A presente invenção busca superar estes problemas associados com as técnicas da arte anterior, assim como outros problemas, que tornar-se-ão evidentes a seguir.

Foi verificado que este objetivo precisa ser satisfeito atravésdo provimento de um processo, no qual um leito compactado ou monte de biomassa é colocado em contato com um ácido, e com um gás como a fase contínua. Durante este processo, a biomassa é rompida a um tamanho de partícula de 10 mm ou maior. De modo preferido, o contato é executado pelocontato simultâneo da biomassa com um ácido e simultaneamente com um gás. A biomassa pode ser misturada com um material inerte, com uma grande superfície específica, tal que anéis de Pall de plástico, de modo a garantir a resistência estrutural requerida da biomassa compactada e assegurar uma boa distribuição de gás e líquido. Deste modo, em um aspecto, a presente invenção é dirigida a um processo para a conversão de biomassa em açúcares fermentáveis, que compreende contatar, em um reator, a referida biomassa com um ácido, ao mesmo tempo em que uma corrente gasosa é passada através do referido reator, em que o referido gás é um gás inerte, que é capazde absorver água, deste modo alternando, de modo efetivo, o pH no reator.

Pela passagem da corrente gasosa através do reator, a evaporação de água a partir da solução ácida pode ser alterada e a concentração de ácido e, deste modo, o pH e o conteúdo de umidade podem ser controlados de modo efetivo. Em adição, a corrente gasosa auxilia a prover uma distribuição homogênea de ácido em todo o reator, sem requerer dispositivos de agitação mecânicos. O ácido usado pode ser qualquer ácido forte, conhecido na arte como sendo adequado para este propósito, tal que o ácido clorídrico, o ácido fosfórico, o ácido fluorídrico e o ácido sulfurico. O ácido sulfurico é o mais preferido, porque ele pode ser removido através do uso de processos biológicos. Além disso, o ácido sulfurico pode ser empregado sob a forma de trióxido de enxofre (gasoso), que é adicionado à fase aquosa presente no reator.

Após a biomassa ter sido carregada no reator, o ácido é adicionado, por exemplo através de sua pulverização a partir do topo do reator. De modo opcional ou alternativo, SO3 é adicionado. Se desejado, água pode ser adicionada, de tal modo que uma fase aquosa tendo a concentração de ácido desejada, seja obtida. Subseqüentemente, o gás é alimentado, de modo preferido a partir do fundo do reator. O ácido usado no reator pode ser novamente circulado de volta ao interior do reator, dependendo do grau dedespolimerização da biomassa. Além disso, a corrente gasosa é circulada. A taxa de fluxo do gás pode ser ajustada, de tal modo que o pH da solução, que pode ser monitorado de modo constante, por exemplo por meio de eletrodos de pH, seja mantido no nível desejado. De modo preferido, a concentração do ácido é controlada em de 70-75%, em peso, com base no peso do ácido (expresso como kg de H2SO4 por kg de material celulósico seco) e água presente no reator.

Deste modo, a despolimerização pode ser executada em uma concentração de ácido alta e mais ou menos constante. Como resultado, a lignocelulose é convertida em uma suspensão viscosa, que flui de modo descendente para o fundo do reator, onde ela pode ser coletada. Após um período de tempo suficiente, o produto contendo celulose despolimerizada e hemicelulose pode ser removido a partir do reator e alimentado a um estágio de processamento subseqüente, opcionalmente após um estágio de peneiração, de modo a remover as partes não- convertidas grossas. O processo de despolimerização é executado, de modo geral, em um processo de batelada. Ele pode ser também executado em um modo semicontínuo; a biomassa é alimentada ao interior do reator, ao mesmo tempo em que o gás e o ácido são circulados, até que o volume de material não- convertido seja tal, que a sua remoção a partir do reator seja requerida.

Outra vantagem do processo da presente invenção, é a de que o material não- convertido, que é freqüentemente formado através da contaminação da alimentação da biomassa (tal que areia ou peças de plástico), permanece no reator, e pode ser então removido a partir do mesmo de modo relativamente fácil após a reação ser completada.

O consumo de ácido do processo da presente invenção é minimizado. Além disso, grandes peças de biomassa, tais que grumos grandes de madeira, podem ser convertidas de modo efetivo. Como a concentração de ácido e o conteúdo de umidade podem ser controlados de modo relativamentefácil através do processo da presente invenção, o tipo de alimentação que pode ser usado pode variar amplamente em conteúdo de água, o que auxilia à versatilidade do processo.

O gás, que é usado para a passagem através do reator, pode, em princípio, ser qualquer gás, que seja capaz de absorver água em uma quantidade suficiente. O gás é inerte com relação ao processo de tratamento ácido, isto é, não interfere com o processo de tratamento ácido. De modo preferido, este gás compreende C02 (de modo típico mais do que 90% em volume, por exemplo mais do que 99%, em volume), devido ao fato de que o CO2 pode ser obtido a partir de um estágio de fermentação subseqüente, no qual a biomassa, que é convertida através do tratamento ácido, é convertida, por exemplo, a etanol. Outra vantagem do CO2 é a de que ele auxilia a suprimir a formação de produtos indesejáveis, em particular de produtos de oxidação. Outros gases adequados incluem nitrogênio (N2) e ar. Deste modo, a corrente gasosa compreende, de modo preferido, um componente selecionado a partir do grupo, que consiste de C02, nitrogênio, ar, e combinações dos mesmos. Devido ao baixo pH no reator, o ar será também mais ou menos inerte com relação aos conteúdos do reator.

Tendo em vista a economia do processo, é preferido circular a corrente de gás. Isto envolve a remoção de água a partir da corrente gasosa antes que ela seja novamente alimentada ao reator. A água pode ser removida através do uso de técnicas conhecidas, tais que o resfriamento a uma temperatura suficientemente baixa. Foi verificado que uma temperatura de cerca de 0-4°C proporciona um gás que seja suficientemente seco. Bons resultados são obtidos com uma temperatura de cerca de 2°C.

O ácido usado no reator é, de modo preferido, o ácido sulfürico. Este pode ser alimentado como H2SO4 (por exemplo, 90%, em peso, ou mais) ao reator, mas é também possível que o ácido sulfürico seja formado in situ, através da adição de gás de trióxido de enxofre ao reator, o quefornece o ácido sulfürico quando dissolvido em água : S03 + H20 ->• H2S04. O trióxido de enxofre pode ser obtido a partir de um estágio de processo diferente, no qual os compostos de enxofre são queimados, usando oxigênio ou ar. De modo preferido, um tal composto de enxofre é sulfeto de hidrogênio, que pode ser obtido a partir de um estágio de redução de sulfato, que pode ser empregado de modo a remover os compostos de enxofre a partir dos produtos.

Em uma modalidade típica, a velocidade do gás através do leito é mantida relativamente baixa (por exemplo, abaixo de 0,5 m/s), de tal modo que a queda de pressão através do leito é limitada (por exemplo, a cerca de 50 mm de H20).

A pressão no reator pode ser atmosférica, ou ligeiramente mais alta.

A temperatura no reator é, de modo preferido, de 60-100°C, de modo mais preferido de 75- 85°C, pois isto já prove uma taxa adequada de reação, enquanto que, ao mesmo tempo, a evaporação excessiva de água é evitada.

A quantidade de ácido é baixa. De modo preferido inferior a 2 kg de ácido por kg de matéria seca estão presentes, de modo mais preferido de 1,2- 1,4 kg de H2S04 por kg de matéria seca. As técnicas da arte antecedente para o tratamento de biomassa com ácidos fortes empregam, de modo geral, muito mais ácido do que 2 kg de ácido por kg de material seco.

No processo da presente invenção, a concentração do ácido é controlada, de modo preferido, em de 70-75%, em peso, com base no peso do ácido (expresso como kg de H2S04 por kg de matéria seca) e água presente no referido reator.

É possível obter uma boa conversão química quando o período de tempo de residência dos conteúdos do reator é ajustado para 10 a 14 horas, de modo preferido de cerca de 12 horas.Um aparelho para executar o processo da presente invenção compreende, de modo típico, um vaso de reator de batelada não- agitado, que pode, de modo conveniente, ser construído de concreto (que é barato e robusto), que seja provido, sobre o seu interior, com um forro resistente a ácido, tal que um forro de Teflon™ ou um forro de PVC.O reator é ainda provido com um dispositivo de entrada de gás e um dispositivo de saída de gás, do mesmo modo que com dispositivos para a alimentação de ácido, de modo particular com um ou mais bocais de pulverização para a distribuição da solução ácida. O equipamento pode ainda compreender um aquecedor para o aquecimento da corrente de entrada de gás, antes que ele entre no reator. Durante a operação, a lignocelulose é despolimerizada e forma uma suspensão. A suspensão é movida para baixo e é coletada na parte de fundo do reator. O aparelho para a execução da invenção pode ainda compreender uma bomba para bombear a suspensão a partir do reator. Ele pode ainda compreender uma ou mais peneiras para remover as partes grossas da corrente de produto.

O produto obtido a partir do processo da presente invenção pode ainda ser processo em estágios subseqüentes. De modo típico, isto envolve a adição de água, que efetua a hidrólise da celulose despolimerizada e da hemicelulose em açúcares oligoméricos ou monoméricos. Neste estágio, a lignina pode ser precipitada e pode ser filtrada em um estágio de filtração. O carbonato e o bicarbonato, que estão presentes na solução, são convertidos em CO2, que pode ser coletado no topo do reator, em que este estágio é executado. Esta corrente de C02 pode ser usada para a passagem através do reator, onde a biomassa é hidrolisada para açúcares monoméricos ou oligoméricos.

Claims (14)

1. Processo para a conversão de biomassa celulósica em açúcares fermentáveis, caracterizado pelo fato de compreender contatar um leito compactado ou um monte da referida biomassa em um reator com um ácido, ao mesmo tempo em que uma corrente gasosa é passada através do referido reator, em que o referido gás é um gás inerte, que é capaz de absorver água, deste modo alterando, de modo efetivo, o pH no reator.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido gás compreende C02, ar, nitrogênio, ou combinações dos mesmos, de modo preferido > 90 %, em volume, de CO2.

3. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que a referida corrente gasosa é circulada.

4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que a referida corrente gasosa é resfriada, através do qual a água é condensada a partir do mesmo, e uma corrente gasosa seca é obtida, que é subseqüentemente alimentada ao referido reator.

5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que a referida biomassa contém grumos grandes ou partículas ásperas, com um tamanho de partícula médio igual a, ou maior do que 10 mm.

6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que a temperatura no referido reator é de 60-100°C, de modo preferido de 75-85°C.

7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a concentração do ácido é controlada em de 70-75%, em peso, com base no peso do ácido e da água presentes no referido reator.

8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que o período de tempo de residência noreferido reator é de 10 a 14 horas, de modo preferido de cerca de 12 horas.

9. Processo de acordo com qualquer das reivindicações prévias, caracterizado pelo fato de que o referido ácido é o ácido sulfunco.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado 5 pelo fato de que pelo menos parte do referido ácido sulfurico é obtido atravésda alimentação de SO3 ao referido reator.

11. Processo de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que 1-2 kg de H2SO4 por kg de matéria seca estão presentes, de modo preferido 1,2-1,4 kg de H2SO4 kg de matéria seca.

12. Aparelho para a conversão de biomassa celulósica emaçúcares fermentáveis, caracterizado pelo fato de compreender um vaso de reator de batelada não-agitado, no qual um leito compactado ou monte da referida biomassa é colocado em contato com um ácido, que é provido sobre o interior e um revestimento resistente a ácido, e adicionalmente provido comum dispositivo de entrada de gás e com um dispositivo de saída de gás, assim como com dispositivos para a alimentação de ácido.

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que é construído de concreto.

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o referido meio para a alimentação de ácidocompreende um ou mais bocais de pulverização.