BRPI0909297B1

BRPI0909297B1 - Método de e sistema para fracionamento de biomassa lignocelulósica

Info

Publication number: BRPI0909297B1
Application number: BRPI0909297-8A
Authority: BR
Inventors: Y.-H. Percival Zhang
Original assignee: Virginia Tech Intellectual Properties, Inc
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2019-07-02
Also published as: AU2009223302B2; JP5965431B2; JP5551091B2; JP2011515082A; EP2254913A4; EP3205672A1; ZA201006622B; CN103819688B; PT2254913T; CN102027021A; NO2254913T3; HK1198447A1; US20090229599A1; US8900369B2; RU2509778C2; ES2643992T3; DK2254913T3; US8663392B2; WO2009114843A1; EP2254913A1

Abstract

método de e sistema para fracionamento de biomassa lignocelulósica a presente invenção, cujas modalidades superam a bem conhecida recalcitrância de biomassa lignocelulósica em uma maneira economicamente viável, provê um processo e um sistema para o fracionamento eficiente de biomassa lignocelulósica em celulose, hemicelulose e lignina. a celulose e hemicelulose assim obtidas são altamente amorfas e podem ser prontamente convertidas em misturas altamente concentradas de açúcares formados por cinco ou seis carbonos usando métodos conhecidos. rendimentos típicos de açúcares excedem 100 g de açúcar por litro de solução de açúcar. outros produtos, tais como álcoois, podem ser facilmente preparados de acordo com os métodos da presente invenção. as condições moderadas de processo e baixas razões solvente/sólido de algumas modalidades da presente invenção requerem custos relativamente baixos de processamento e capital.

Description

“MÉTODO DE E SISTEMA PARA FRACIONAMENTO DE BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA”

REFERÊNCIA CRUZADA COM OS PEDIDOS RELACIONADOS [001] Este pedido se baseia em e reivindica o benefício da data de depósito do pedido provisório de patente americano No. 61/036,813, depositado em 14 de março de 2008, cuja divulgação inteira é incorporada aqui por referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da Invenção [002] A presente invenção é relacionada com o campo de fontes de energia alternativa e meio para extração de energia a partir destas fontes. Mais particularmente, a presente invenção é relacionada à degradação biológica e bioquímica de material vegetal, incluindo lignocelulose, para a produção de energia para uso em atividades humanas.

Descrição da técnica relacionada [003] A produção de produtos derivados biológicos e bioenergia a partir de lignocelulose renovável é de importância para o desenvolvimento sustentável da sociedade humana industrial em face do esgotamento das fontes naturais, especialmente combustíveis fósseis, e o acúmulo resultante do dióxido de carbono atmosférico (CO2). Além disso, o desenvolvimento de tecnologias para a conversão eficaz de resíduos agrícolas e florestais em açúcares fermentáveis oferece um excelente potencial de benefício ao interesse nacional americano. Adicionalmente, a produção destes biocombustíveis de segunda geração, tais como etanol celulósico a partir de biomassa lignocelulósica renovável, bem como biocombustíveis de terceira geração, tais como hidrogênio e eletricidade, conduzirão à revolução bioindustrial necessária para a transição de uma economia baseada em combustíveis fósseis em uma economia baseada em carboidrato sustentável. O uso de biocombustíveis irá oferecer diversos benefícios, incluindo a redução das emissões dos gases do efeito estufa, diminuição da competição com

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2/37 restrições de abastecimento de alimentos, aumento no desenvolvimento econômico rural, e aumento na segurança de energia nacional. No entanto, desafios tecnológicos importantes nesta área incluem encontrar novas tecnologias para produção de energia e reduzir os custos das tecnologias de conversão de biomassa (principalmente lignocelulose) em produtos industriais biológicos desejados e bioenergia.

[004] Biomassa lignocelulósica, tal como resíduos agrícolas e florestais, rejeitos sólidos industriais e municipais, e plantas bioenergéticas arbóreas e herbáceas é um composto natural complexo consistindo principalmente de três biopolímeros: celulose, hemiceluloses e lignina. A lignocelulose tipicamente contém celulose (cerca de 35 a 50 % em peso), hemicelulose (cerca de 15 a 35 %) e lignina (cerca de 5 a 30 %), dependendo da sua origem. Moléculas de celulose natural ocorrem em fibrilas elementares de celulose intimamente associadas com outros polissacarídeos estruturais, tais como hemicelulose, lignina e pectina.

[005] A produção eficiente de custo competitivo de açúcares fermentáveis a partir de biomassa recalcitrante permanece o maior obstáculo para biorefinarias emergentes de etanol celulósico. A sacarificação de biomassa via conversão biológica envolve duas etapas principais: fracionamento ou pré-tratamento lignocelulósico seguido de hidrólise enzimática de celulose (e possivelmente hemicelulose) para produzir açúcares fermentáveis. Os altos custos de processamento deste processo de conversão e a margem reduzida entre os custos de matéria-prima e preços de açúcar são obstáculos importantes para a comercialização.

[006] Um dos desafios tecnológicos mais importantes é superar a recalcitrância dos materiais lignocelulósicos naturais para permitir que a hidrólise enzimática produza açúcares fermentáveis. O pré-tratamento lignocelulósico é possivelmente a etapa mais cara. Algumas estimativas estabelecem o custo em cerca de 40 % dos custos totais de processamento. Além disso, a recalcitrância afeta o custo da maioria das outras operações

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3/37 envolvendo decomposição de lignocelulose, incluindo a redução no tamanho da lignocelulose antes do pré-tratamento. O pré-tratamento de materiais lignocelulósicos é assim fortemente associado com custos posteriores, incluindo taxa de hidrólise enzimática, carga de enzima, consumo de energia com mistura, concentração de produto, desintoxicação se forem gerados inibidores, purificação de produto, geração de energia, demandas de tratamento de resíduos, e outras variáveis de processo.

[007] Acredita-se que a recalcitrância da biomassa celulósica em enzimas é atribuída a 1) ligações complicadas entre diversos polissacarídeos principais, incluindo celulose, hemicelulose, e lignina, com ações restritas de hidrólise de celulases, hemicelulases e lacases; e 2) as propriedades inerentes do material celulósico, que inclui baixa acessibilidade de substrato para celulases, um alto grau de polimerização (DP), e baixa solubilidade de fragmentos de celulose em água. O pré-tratamento de materiais lignocelulósicos foi assim reconhecido como uma etapa importante na melhora do rendimento total dos produtos destes materiais.

[008] Todos os tratamentos lignocelulósicos podem ser divididos em quatro categorias principais: 1) métodos físicos, incluindo moagem seca (lascamento, moagem com esferas, trituração), moagem úmida, irradiação, microonda, e reagentes de expansão (por exemplo, ZnCl2); 2) métodos químicos, incluindo ácidos diluídos (por exemplo, H₂SO₄, H₃PO₄, HCL, ácido acético, ácido fórmico/HCL), bases alcalinas (por exemplo, NaOH, cal, amônia, amina), organosolv, agentes oxidantes (por exemplo O3, NO, H2O2, NaClO2), solventes celulósicos (por exemplo, cadoxen), DMAc/LiCl, e H2SO4 concentrado; 3)métodos físico-químicos, incluindo explosão a vapor com ou sem catálise, explosão por CO2, explosão ou expansão de fibra com amônia (AFEX), água quente com fluxo passante, extrações por fluido supercrítico (por exemplo, CO2, CO2/H2O, CO2/SO2, NH3, H2O); e 4) métodos biológicos (por exemplo, fungos de degradação branca).

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4/37 [009] Recentemente, um Consórcio de Refino de Biomassa para Fundamentos Aplicados e Inovação (CAFI) assumiu o primeiro projeto coordenado para desenvolver informação comparativa no desempenho de opções de pré-tratamento dominantes. O consórcio concluiu que os melhores pré-tratamentos incluídos eram: ácido diluído, pré-tratamento com fluxo passante, explosão de fibra com amônia, percolação de reciclo de amônia (ARP), e pré-tratamento com cal. Além disso, dois outros pré-tratamentos possíveis têm sido intensamente investigados na Europa e no Canadá: explosão a vapor com ou sem SO₂ impregnado, e organosolv. Condições típicas para pré-tratamento da biomassa são apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1: Tecnologias e condições reacionais representativas para pré-tratamento lignocelulósico.

Tecnologia de pré-tratamento	Produto químico usado	Temperatura (°C)	Pressão em MPa absolutas	Tempos reacionais, min.
Ácido sulfúrico diluído: co- corrente	0,5-3,0 % de ácido sulfúrico	130-200	0,3-1,5	2-30
Pré-tratamento com fluxo passante	0,0-0,1 % de ácido sulfúrico	190-200	2,0-2,4	12-24
Pré-tratamento de água com pH controlado	Água ou vinhaça	160-190	0,6-1,4	10-30
AFEX	100 % (1:1) amônia anídrica	70-90	1,5-2,0	<5
ARP	10-15 % em peso de	150-170	0,9-1,7	10-20

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	amônia
Cal	0,05-0,15 g de Ca(OH)2/g de biomassa	70-130	0,1-0,6	1-6 horas

[0010] Embora tenham sido realizados esforços de pré-tratamento lignocelulósico intensivo durante as últimas décadas, tecnologias dominantes atuais, incluindo ácido diluído, SO₂, pH controlado, AFEX, ARP, fluxo passante, organosolv, e pré-tratamento com cal, não foram ainda comercializados em larga escala devido aos altos custos de processamento e grandes riscos de investimento. Porém quase todos os pré-tratamentos intensivamente estudados partilham uma ou mais das desvantagens comuns: 1) condições de prétratamento difíceis (exceto AFEX), resultando na degradação de açúcares e formação de inibidores; 2) digestibilidade de celulose baixa ou moderada por causa da presença de hemicelulose e lignina residual; 3) exigência de alta carga de celulase; 4) lenta taxa de hidrólise uma vez que uma fração significativa de lignocelulose pré-tratada permanece cristalina; 5) grande utilidade/ consumo de energia; 6) enorme investimento de capital devido à economia de escala; e 7) menos co-utilização de outros componentes principais de lignocelulose, exceto organosolv.

[0011] O pré-tratamento com ácido diluído (DA), tipicamente ácido sulfúrico (diluído), é o método de pré-tratamento mais investigado. Conduzido em temperaturas relativamente altas (por exemplo, 150-200 °C) e pressões (por exemplo, 0,83-1,38 MPa [120-200 psia]), o pré-tratamento DA solubiliza hemicelulose ácido-lábel e com isso quebra o composto lignocelulósico ligado por ligações covalentes, pontes de hidrogênio e forças de van der Waals. Como resultado, a lignina condensada permanece na superfície da celulose cristalina seguida de DA, impedindo potencialmente a hidrólise enzimática subsequente.

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6/37 [0012] A polpação organosolv oferece benefícios benignos ao ambiente, menores capitais de investimento, utilização de subproduto, e menores custos de transporte de matéria-prima, se comparada com a polpação Kraft. O prétratamento organosolv foi desenvolvido a partir da polpação organosolv, e foi sendo estudada para a produção de açúcares fermentáveis após a hidrólise enzimática já na década de 1980. Em geral, pré-tratamentos organosolv usam uma mistura de solvente de extração de lignina contendo catalisadores tais como ácidos ou bases, e solventes orgânicos/ água (tal como, etanol e metanol) para extrair lignina em digestores de alta pressão e de alta temperatura.

[0013] Atualmente, o processo Lignol está sendo desenvolvido como parte de uma biorefinaria de lignocelulose comercial no Canadá. Neste processo, a etapa de extração de lignina é realizada a cerca de 180-200 °C e cerca de 2,76 MPa (400 psi) por uma mistura de etanol/ água na faixa de cerca de 50:50 (p/p) mais cerca de 1 % de H₂SO₄ por 30-90 minutos. Após o prétratamento organosolv, um líquido negro contendo lignina livre de enxofre, furfural, açúcares de hemicelulose, e outras substâncias químicas naturais tais como ácido acético, é adicionalmente processado para: 1) precipitar e recuperar a lignina pela diluição do líquido negro com um vapor aquoso, seguido de filtração, lavagem e secagem; 2) recuperar e reciclar o etanol por flashing do líquido negro quente e condensação dos vapores, destilação do filtrado e lavagens da precipitação de lignina; 3) recuperação do ácido acético, furfural, e extrativos da coluna de destilação, e xilose separada da vinhaça; e 4) conversão dos oligossacarídeos de hemicelulose em açúcares que podem ser fermentados para produzir mais etanol ou outros produtos de alto valor. Uma análise econômica realizada pela Lignol Innovations Co. sugere que faturamentos de subprodutos múltiplos, particularmente frações de xilose, etanol e lignina, garantem uma excelente economia para uma usina pequena (cerca de 100 toneladas por dia), que é um vigésimo da entrada de uma biorefinaria de lignocelulose típica.

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7/37 [0014] A sacarificação de lignocelulose por ácidos concentrados é outro método de pré-tratamento comum. A dissolução e hidrólise da celulose nativa em ácido sulfúrico concentrado, seguida pela diluição com água, foram relatadas na literatura já em 1883. A sacarificação industrial de madeira envolve muitos problemas técnicos e econômicos, tais como, equipamento ácido-resistente, recuperação ácida, e produções finais de açúcar. Estes problemas ainda não foram resolvidos apesar dos inúmeros processos comerciais que foram desenvolvidos na Alemanha, Suíça, Japão, Estados Unidos, e na antiga União Soviética, desde o começo do século passado. As tecnologias comercialmente testadas são o processo Scholler-Tornesch em 1926, aplicando ácido sulfúrico diluído (H₂SO₄ 0,4 %); o processo BergiusRheinau em 1937, aplicando o ácido clorídrico super concentrado (HCl 41 %); e o processo do ácido sulfúrico concentrado desenvolvido em 1948, usando uma membrana para separar açúcar e ácido. Nos Estados Unidos, o processo Madison foi desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial como um sistema contínuo, ao invés de descontínuo, baseado no princípio do processo SchollerTornesch. Os processos que usam ácidos concentrados apresentam a vantagem de baixa temperatura de reação, mas os custos de equipamentos resistentes à corrosão são muito altos. Os principais problemas técnicos na aplicação de ácido sulfúrico concentrado são separação ácida de sólido/ açúcar solúvel, recuperação ácida, e reconcentração ácida.

[0015] Recentemente, foi desenvolvido um processo chamado fracionamento de lignocelulose baseado em solvente celulósico e solvente orgânico (COSLIF). Um solvente de celulose (tal como, ácido fosfórico concentrado ou líquido iônico) permite que a estrutura cristalina da celulose seja quebrada. Este tipo de pré-tratamento também pode ser realizado em baixas temperaturas (por exemplo, a cerca de 50 °C) e em pressão atmosférica, o que minimiza a degradação de açúcar. Etapas subsequentes de lavagem são usadas para fracionar biomassa; uma primeira lavagem com um solvente orgânico para remover lignina, e uma segunda lavagem com água

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8/37 para remover fragmentos de hemicelulose parcialmente hidrolisada (e potencialmente celulose). O método COSLIF produz celulose amorfa altamente reativa, que pode ser enzimaticamente hidrolisada rapidamente e em alto rendimento de digestibilidade de glicana.

[0016] COSLIF pode ser visto como uma tecnologia híbrida para prétratamento de biomassa baseado em solvente celulósico, sacarificação ácida concentrada, e organosolv. Quando comparado com outras tecnologias para pré-tratamento de biomassa baseadas em solvente celulósico, esta nova tecnologia envolve tecnologia de remoção de lignina e reciclagem eficiente de solvente. Quando comparada ao organosolv, esta tecnologia pode ser conduzida em temperaturas mais baixas, a degradação de hemicelulose é minimizada (furfural minimizado como um produto principal), os materiais celulósicos amorfos resultantes são mais reativos do que aqueles do organosolv, e uma combinação diferente de solventes é usada. Diferente da sacarificação ácida concentrada, o ácido fosfórico concentrado é usado para hidrólise limitada, resultando em polissacarídeos de cadeia longa que são insolúveis nos solventes. Portanto, a separação de açúcar com ácido fosfórico concentrado é uma separação sólido/líquido. Mas na sacarificação com ácido concentrado, a separação açúcar/ácido é uma separação líquido/líquido. COSLIF também difere da maioria das tecnologias de pré-tratamento de biomassa (tais como, ácido diluído, AFEX, água quente, explosão a vapor, etc.) pelo fato de o processo COSLIF pode gerar celulose amorfa que pode ser hidrolisada facilmente e rapidamente, e pode ser usada para isolar componentes lignocelulósicos, tal como lignina.

[0017] Uma tecnologia dominante para pré-tratamento de lignocelulose é revelada no pedido de patente internacional N°. PCT/US2006/011411 (publicação N° WO2007/111605), que é incorporado aqui em sua totalidade por referência. Nas modalidades, o pedido de patente ensina um método que inclui: adição de um primeiro solvente ao material lignocelulósico para dissolver a celulose e a hemicelulose; adição de um segundo solvente para precipitar

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9/37 hemicelulose e celulose amorfa e para solubilizar parcialmente lignina; separação da celulose e hemicelulose a partir da lignina; separação da hemicelulose a partir da celulose; recuperação dos produtos; e reciclagem do primeiro solvente e do segundo solvente. O método desta invenção inclui, dessa forma, a separação de celulose contendo glicose a partir de hemicelulose misturada contendo açúcar. Também inclui múltiplos solventes orgânicos para fracionamento de celulose, lignocelulose, lignina e ácido acético, bem como múltiplos dispositivos mecânicos ou eletromecânicos para separação de sólidos (tal como celulose) a partir de líquidos (tais como solventes orgânicos).

RESUMO DA INVENÇÃO [0018] A presente invenção provê uma solução para as dificuldades das tecnologias atualmente disponíveis. A invenção provê um novo método para conversão de material vegetal, incluindo material contendo celulose, hemicelulose, e lignocelulose, para fontes de energia utilizáveis, tais como carboidratos, etanol e hidrogênio. Em geral, a invenção provê um novo prétratamento lignocelulósico para superar efetivamente as desvantagens das tecnologias comercialmente disponíveis atualmente. A presente invenção permite a melhor conversão do material vegetal em fontes de energia utilizável pelo fato de, entre outras coisas, 1) expandir o uso de ácido concentrado para todos os solventes celulósicos (um uso que inesperadamente provê aspectos vantajosos), e 2) uso de um super solvente de celulose (tal como, ácido polifosfórico, ou uma mistura de ácido fosfórico concentrado e P₂O₅, ou vapor de P₂O₅, ou uma mistura de H₃PO₄/P₂O₅) para diminuir o volume de uso de solvente. A presente invenção também melhora a conversão de material vegetal em carboidratos utilizáveis, os quais podem ser convertidos em, entre outras coisas, fontes de energia por, entre outras coisas, 1) uso de um solvente de fase única para precipitar tanto celulose e quanto hemicelulose em suas formas amorfas e solubilizar lignina, e 2) esgotamento de pelo menos

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10/37 hemicelulose e celulose amorfa usando vapor em temperatura baixa sob pressões atmosféricas ou abaixo de atmosféricas.

[0019] A presente invenção representa uma melhoria em relação a tecnologias atualmente conhecidas, e inclui melhorias a certos aspectos das tecnologias dominantes anteriores, como revelado no documento WO 2007/111605. Dentre as melhorias, nas modalidades, a presente invenção elimina a separação de açúcares C5 e C6, especialmente pela eliminação da etapa de separação de celulose a partir de hemicelulose e seus intermediários da hidrólise. Outras melhorias providas pelas modalidades da invenção incluem a redução do número de solventes orgânicos usados para produzir produtos finais para uso em produção de energia, redução do consumo de água por aspersão de vapor para remover solventes orgânicos. Além disso, em modalidades, o presente processo provê uma eficiência melhorada para a remoção de lignina. O presente processo poderia ser assim aplicado em madeira macia eliminando uma etapa de concentração de açúcar que é usualmente realizada após a hidrólise de celulose amorfa. As melhorias providas pela presente invenção provêem uma melhoria surpreendente na produção de açúcares a partir de materiais lignocelulósicos. Ou seja, um processo de acordo com a presente invenção pode produzir níveis excepcionalmente elevados de uma solução de açúcar C5 e C6 (mais de 100 gramas de açúcar por litro). Este título é inesperadamente superior do que um título típico da divulgação anterior WO 2007/111605, que produz soluções de açúcar tendo cerca de 25 g/L.

[0020] Vantagens adicionais realizadas pela presente invenção incluem, nas modalidades, uma redução no investimento de capital inicial requerido por (i) simplificar uma coluna de destilação de fracionamento de dois solventes orgânicos em um sistema de destilação flash simples ou com várias bandejas que recupera somente um solvente orgânico, (ii) reduzir o número de etapas de lavagem, e (iii) simplificar um processo de reciclagem de um solvente de celulose. Vantagens adicionais realizadas pelas modalidades da presente

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11/37 invenção incluem uma redução na dependência econômica em lucros potenciais para subprodutos (ácido acético e/ou lignina) para tornar o processo economicamente viável, e uma redução no consumo de energia requerido para a redução de partícula de lignocelulose.

[0021] Consequentemente, em um aspecto, a invenção provê um método de pré-tratamento de lignocelulose para degradação em compostos úteis para produção de energia. Em geral, o método compreende: digerir lignocelulose com polifosfato; precipitar celulose e hemicelulose com um solvente ou uma mistura de solventes; lavar a celulose e hemicelulose precipitadas com um solvente; e esgotamento do precipitado lavado para remover o solvente. O método pode também incluir redução bruta de material no tamanho de partícula de lignocelulose antes da degradação da lignocelulose com polifosfato. Em modalidades, o método é um método de degradação da lignocelulose em um ou mais componentes de subunidade (por exemplo, celulose, hemicelulose, e lignina) ou em um ou mais componentes pequenos (tais como açúcares) que podem servir como fontes de energia. Em outras modalidades, o método é um método de produzir celulose, hemicelulose, lignina, ou combinação de dois ou todos os três destes.

[0022] O método de pré-tratamento pode incluir etapas metodológicas adicionais para prover um método de produção de um ou mais compostos que servem como fontes de energia. Em particular, o método pode ser um método de produção de um ou mais açúcares, incluindo, mas não limitado a açúcares C5 e C6, tais como glicose, xilose, manose e galactose. Em geral, o método de produção de uma fonte de energia a partir de lignocelulose compreende: digerir lignocelulose com polifosfato, precipitar celulose e hemicelulose com um solvente ou uma mistura de solventes, lavar a celulose e hemicelulose precipitadas com um solvente; extrair o precipitado lavado para remover o solvente; e expor o precipitado a uma ou mais enzimas degradantes de celulose ou hemicelulose sob condições que permitem degradação enzimática da celulose, hemicelulose, ou ambas. O método pode, em modalidades, incluir

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12/37 a separação ou purificação de produtos de degradação, tais como um ou mais açúcares, a partir de reagentes.

[0023] Em outro aspecto, a presente invenção provê um sistema para pré-tratamento de lignocelulose. Em geral, o sistema compreende pelo menos um recipiente, vaso, etc. para digerir lignocelulose, para misturar e precipitar celulose e hemicelulose e para extrair lignina, para lavar celulose e/ou hemicelulose precipitada, e para esgotamento de solvente da celulose e/ou hemicelulose precipitada. Preferivelmente, o sistema compreende um recipiente, vaso, etc. separado para cada uma das ações diferentes descritas. Em modalidades, o sistema pode ainda compreender um dispositivo para reduzir o tamanho do material lignocelulósico para um tamanho que seja vantajoso para a degradação do material lignocelulósico em celulose e/ou hemicelulose. Em modalidades, o sistema é um sistema para degradação de lignocelulose. Em outras modalidades, o sistema é um sistema para produção de celulose, hemicelulose, lignina ou uma combinação de dois ou todos os três destes a partir da lignocelulose.

[0024] Em modalidades, o sistema ainda compreende pelo menos um recipiente, vaso, etc. para separação de lignina. Por exemplo, o sistema pode compreender uma coluna de destilação que é capaz de separar lignina de solventes orgânicos e polifosfato. Em algumas modalidades, o sistema compreende um forno para a separação de polifosfato de outras substâncias. Nestas modalidades, o polifosfato pode ser reutilizado em degradações subsequentes de lignocelulose usando o sistema.

[0025] Ainda em outras modalidades adicionais do sistema, um recipiente, um vaso, etc. é incluído para a hidrólise de celulose e/ou hemicelulose em compostos pequenos (tais como açúcares) que podem servir como fontes de energia. Por exemplo, o sistema pode compreender um tanque de hidrólise no qual a celulose e/ou a hemicelulose pode ser enzimaticamente degradada em açúcares.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

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13/37 [0026] Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório, ilustram modalidades exemplificativas do sistema da invenção, e juntos com o relatório escrito, servem para explicar certos princípios da invenção.

[0027] A figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em lignina e uma mistura de celulose e hemicelulose ou ambos.

[0028] A figura 2 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em uma mistura de açúcares C5 e C6, etanol e lignina.

[0029] A figura 3 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em lignina e uma mistura de celulose e hemicelulose ou ambos.

[0030] A figura 4 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em uma mistura de alta concentração de açúcares C6 e C5, etanol e lignina.

[0031] A figura 5 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em lignina e uma mistura de celulose e hemicelulose ou ambos.

[0032] A figura 6 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a degradação de lignocelulose em uma mistura de açúcares C6 e C5 e lignina.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE DIVERSOS ASPECTOS DA INVENÇÃO [0033] Será feita referência em detalhes a diversas modalidades exemplificativas da invenção, exemplos das quais são ilustrados nos desenhos anexos. Deve ser compreendido que a descrição detalhada a seguir não é uma limitação da invenção, mas ao invés disso, é provida para fornecer ao leitor uma melhor compreensão de certos aspectos e características detalhadas da invenção.

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14/37 [0034] Tecnologias atualmente conhecidas para a conversão de material vegetal em fontes de energia utilizáveis possuem algumas limitações. Dentre estas limitações estão: a celulose amorfa encontrada na fase aquosa de composições conhecidas para a produção de fontes de energia possui uma baixa concentração de açúcar (cerca de 20-25 g de açúcar/L). Dessa forma, é desejável reconcentrar a solução diluída de açúcar em uma solução com concentração elevada em açúcar (>100 g de açúcar/L) antes da fermentação;

2) os mercados para alguns subprodutos não estão ainda disponíveis ou, se estão, tal como no caso da lignina, grandes quantidades de subprodutos de alta qualidade (tais como lignina) não são produzidos; portanto, poderia ser difícil consumir lignina e vender lignina a preços decentes antes de um mercado robusto de lignina seja desenvolvido; 3) a tecnologia disponível recentemente requer um alto investimento de capital para a coluna de destilação para separar ácido acético e acetona, que são usadas nos sistemas atualmente conhecidos; e 4) os altos custos de processamento possíveis para separação de solvente orgânico e reciclagem. O presente método e sistema dirige-se a estas limitações e provê um meio mais robusto para conversão comercial de material vegetal em fontes de energia utilizáveis.

[0035] Em relação à primeira limitação mencionada acima, o processo presentemente discutido inclui a remoção do solvente orgânico de uma mistura de hemicelulose e celulose amorfa que surge após a lavagem do solvente orgânico pelo esgotamento, preferivelmente através do uso de vapor para evaporar o solvente orgânico. Por exemplo, no presente método e sistema, o segundo lavador dos sistemas anteriores pode ser substituído por um ou mais esgotadores ou secadores a vácuo. O uso de tais secadores ou esgotadores produz um produto que é hemicelulose ou celulose amorfa hidratada, que pode ser decomposta, tal como por hidrólise por enzimas (tais como celulases para degradar hemicelulose), ácidos, microorganismos ou combinações destes. Tipicamente, a composição de celulose/hemicelulose resultante do esgotamento com vapor contém cerca de 20-30 % de teor sólido, que é bem

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15/37 adequado para hidrólise direta por enzimas, ácidos e/ou microorganismos para produzir soluções de açúcar altamente concentradas. Dessa forma, de acordo com a presente invenção, após a hidrólise, podem ser obtidas soluções de açúcar altamente concentradas. Em modalidades preferidas, alguma quantidade de solvente orgânico residual de carboidratos amorfos (tais como, etanol, butanol, acetona) é reciclada na etapa de hidrólise ou mesmo após a etapa de fermentação. Diferente das configurações previamente conhecidas, o presente sistema e método pode produzir um fluxo misto contendo tanto pentoses quanto hexoses ao invés de duas corrente separadas de pentoses e hexoses.

[0036] Em relação à segunda limitação mencionada acima relativa aos processos atualmente disponíveis, o presente processo e sistema inclui, em modalidades, a queima da mistura de H₃PO₄/lignina/extrativo para regenerar P₂O₅ ou ácido superfosfórico. Nestas modalidades, a lignina é usada como um combustível, semelhante ao processo na indústria do papel.

[0037] Em relação à terceira limitação discutida acima, nas modalidades, o presente sistema e processo substitui uma coluna de destilação e fracionamento cara por uma coluna de destilação simples ou um sistema flash. Essa substituição pode cortar o investimento inicial total, possivelmente em até 30 % ou mais.

[0038] Em relação à quarta limitação mencionada acima, as novas configurações reveladas aqui podem reduzir consideravelmente o custo de processamento, com menos volume de reciclagem de solvente orgânico e um processo de recuperação mais simples.

[0039] Em um aspecto, a presente invenção provê um método de prétratamento de lignocelulose para a degradação em componentes utilizáveis em produção de energia. Em geral, o método compreende: digestão da lignocelulose com polifosfato; precipitar celulose e hemicelulose com um primeiro solvente ou uma mistura de solventes; lavagem da hemicelulose e

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16/37 celulose precipitada com um segundo solvente; e esgotamento do precipitado lavado para remover o solvente.

[0040] De acordo com o método, a digestão de lignocelulose compreende a combinação de polifosfato (isto é, solvente de super celulose, ácido superfosfórico) com lignocelulose. A lignocelulose pode ser provida em um estado purificado, semipurificado ou não-purificado. Por exemplo, pode ser provido como uma composição simples ou complexa compreendendo lignocelulose como uma porção sólida substancial da composição. A composição pode compreender outro material biológico e um ou mais solventes, tal como água. A etapa de digestão ainda compreende permitir que a lignocelulose e o polifosfato permaneçam em contato sob condições em que o polifosfato decompõe ou dissolve a lignocelulose em seus componentes de subunidades celulose, hemicelulose e lignina. Preferivelmente a digestão é realizada de modo que pelo menos 50 %, mais preferivelmente pelo menos 90 % e mais preferivelmente substancialmente toda celulose e hemicelulose presentes sejam dissolvidas.

[0041] De acordo com o presente método, a hemicelulose e celulose dissolvida são então precipitadas com um primeiro solvente ou uma mistura dos primeiros solventes. A precipitação ocorre como um resultado da combinação da composição de lignocelulose digerida com um ou mais solventes sob condições que permitam a precipitação de pelo menos alguma celulose e/ou hemicelulose. Preferivelmente pelo menos 50 %, mais preferivelmente pelo menos 90 %, e mais preferivelmente substancialmente toda a celulose amorfa e hemicelulose dissolvida são precipitadas durante esta etapa.

[0042] A etapa de precipitação de celulose e/ou hemicelulose inclui ainda a dissolução e/ou extração da lignina presente na composição. Preferivelmente pelo menos 20 % e mais preferivelmente pelo menos 50 %, e mais preferivelmente substancialmente toda a lignina é separada da celulose e hemicelulose nesta etapa.

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17/37 [0043] De acordo com o método, o primeiro solvente pode ser qualquer solvente ou combinação de solventes que for adequada para a precipitação de celulose, hemicelulose ou ambos, e para dissolução da lignina. Preferivelmente, o primeiro solvente compreende um ou mais dos seguintes: metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, acetona, propanal, 1-butanol, 2butanol, butanal, butanona (metil etil cetona), í-butanol, e água. Em modalidades preferidas, o solvente compreende etanol, um butanol, acetona, água, ou uma combinação de dois ou mais destes. Solventes adicionais incluem, mas não são limitados a CO2 ou misturas de CO2 e um ou mais solventes listados acima, ou solventes com características similares para a separação de carboidratos oligoméricos em poliméricos a partir de lignina, ácido acético e ácido (poli)fosfórico.

[0044] O método da invenção ainda compreende a lavagem da hemicelulose e celulose precipitada com um segundo solvente ou combinação de solventes. O segundo solvente pode ser qualquer solvente ou combinação de solventes que for adequada para lavar a celulose e/ou hemicelulose. Preferivelmente o solvente é um solvente adequado para a remoção de ácido fosfórico da celulose e/ou hemicelulose. Em modalidades preferidas, o segundo solvente é um solvente, ou uma mistura de dois ou mais dos solventes listados acima como primeiros solventes preferidos. Em algumas modalidades preferidas, o solvente compreende etanol, butanol, acetona, água, ou uma combinação de dois ou mais destes.

[0045] A etapa de lavagem resulta na separação de hemicelulose e celulose amorfa de substancialmente toda a lignina e ácido fosfórico presente nas composições de precipitação e digestão. A lignina, ácido fosfórico, e outros componentes não celulósicos e hemicelulósicos podem ser adicionalmente processados em certas modalidades, como descrito em mais detalhes abaixo.

[0046] A hemicelulose e celulose amorfa lavada é então separada do solvente remanescente por qualquer meio adequado. Por exemplo, o precipitado lavado pode ser exposto ao vácuo, calor, arraste de gás, vapor ou

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18/37 uma combinação destes para evaporar o solvente do precipitado. Preferivelmente, vapor, mais preferivelmente vapor em baixa temperatura sozinho ou em combinação com vácuo, é usado para evaporar o solvente do precipitado. Quando preparado com processos frequentemente usados, que se baseiam em uma ou mais etapas de lavagem usando água, o presente método provê uma maneira rápida, eficaz e barata de remover o primeiro/segundo solvente do precipitado. Uma redução no uso de água não somente reduz os custos para realização deste método, como também provê um produto de alta qualidade. Mais especificamente, o uso de lavagens com água requer múltiplas lavagens e resulta em um produto que possui um teor de água extremamente alto, que deve tipicamente ser removido antes que o produto possa ser provido em uma forma utilizável. No entanto, de acordo com o presente método, pequenas quantidades de água na forma de vapor podem ser usadas para evaporar solventes e prover um produto utilizável. Pelo fato de pequenas quantidades de vapor serem requeridas, menos água é usada no processo, e são obtidas economias dos custos. Além disso, o produto esgotado que é produzido possui um teor de sólido significativamente superior do que o alcançado pelos métodos anteriores, que permite o uso imediato em reações de processamento adicionais. Dessa forma, o tempo de preparação do produto é reduzido assim como a necessidade de equipamento e manuseio da celulose e hemicelulose.

[0047] A combinação resultante de celulose amorfa hidratada e hemicelulose amorfa é adequada para qualquer finalidade. Nas modalidades, discutidas em detalhes abaixo, o produto hidratado é usado como uma fonte de reações de fermentações e/ou hidrolíticas para produzir composições concentradas de açúcar e/ou solventes orgânicos. Vantajosamente, o uso de vapor para remover o solvente da celulose e hemicelulose resulta em um produto que possui um teor de água detectável e até mesmo substancial, que é preferido para tratamento subsequente da celulose e hemicelulose. Onde o vapor é usado como um agente de remoção no processo de esgotamento, a

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19/37 hemicelulose e celulose amorfa seca obviamente não está em um estado seco por causa da presença de água. No entanto, para conveniência da discussão, esse produto é referido aqui como “seco”. De fato, em modalidades preferidas, a hemicelulose e celulose podem conter uma quantidade significativa de água, por exemplo, pelo menos 50 % em peso, pelo menos 60 % em peso, pelo menos 70 % em peso, pelo menos 75 % em peso, ou pelo menos 80 % em peso de água, com a celulose e/ou hemicelulose compondo a maior parte da, se não toda, porção remanescente.

[0048] Além das etapas recitadas acima, o método de pré-tratamento de lignocelulose pode compreender etapas relativas ao pré-processamento de matérias-primas e pós-processamento de substâncias não-celulósicas e nãohemicelulósicas. Por exemplo, antes da digestão, o material lignocelulósico pode ser tratado de várias maneiras para prover uma redução bruta no tamanho de partícula de lignocelulose. Além disso, em modalidades, antes de digestão do material lignocelulósico, que pode ser, por exemplo, madeira dura, madeira macia, papel reciclado, papel usado, podas de florestas, resíduos de polpa e papel, palha de milho, palha de trigo, palha de arroz, bagaço de canade-açúcar ou switchgrass podem ser lavados, podem ter seu teor de umidade alterado, ou podem ser condicionados em qualquer outra forma desejada. Em modalidades preferidas, o material lignocelulósico é ajustado para possuir um teor de umidade de cerca de 5 a 30 %, mais preferivelmente cerca de 10 a 20 % e mais preferivelmente cerca de 15 %. Antes de entrar no digestor, a biomassa lignocelulósica com um teor de proteína e/ou açúcar altamente solúvel pode ser pré-extraída por um solvente (tal como água quente) para remover aqueles extrativos (açúcares e proteínas).

[0049] Outra etapa opcional no processo de pré-tratamento é uma etapa de separação entre a lavagem da hemicelulose e celulose amorfa e o esgotamento do produto lavado. A etapa de separação pode ser realizada por qualquer meio adequado, incluindo, mas não limitado a técnicas de separação líquido/sólido conhecidas, tais como filtração e centrifugação.

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20/37 [0050] Ainda outra etapa adicional para o método é a captura e a reutilização do(s) solvente(s) liberado(s), tipicamente por evaporação/volatilização, durante o esgotamento. Vantajosamente, o(s) solvente(s) pode(m) ser capturado(s) nesta etapa e reutilizado(s) como solvente(s) para precipitação e lavagem da celulose e/ou hemicelulose.

[0051] Em algumas modalidades, a lignina, ácido fosfórico, solvente(s), e outras substâncias removidas durante a etapa de lavagem são adicionalmente processadas para prover subprodutos. Por exemplo, a solução de lavagem pode ser submetida a uma coluna de destilação para separar componentes com base nas suas propriedades físicas (por exemplo, volatilidade). Da mesma forma, a solução de lavagem pode ser submetida a qualquer uma de uma variedade de técnicas de separação líquido/sólido, tais como filtração e centrifugação, para separar substâncias com base no tamanho, peso, densidade, etc. Em modalidades preferidas, a lignina é removida de outros componentes e capturada como um subproduto altamente purificado. Em modalidades altamente preferidas, a solução de lavagem é primeiramente submetida a um processo de destilação para remover e capturar um ou mais solventes (por exemplo, etanol), e a fração não solvente submetida a uma ou mais técnicas de separação líquido/sólido para separar lignina das substâncias remanescentes.

[0052] A solução de lavagem, ou os componentes da solução de lavagem remanescentes após a destilação e/ou separação líquido/sólido, podem, em modalidades, ser aquecidos em altas temperaturas para produzir subprodutos. Por exemplo, a solução de lavagem após ser submetida à destilação e separação líquido/sólido, pode ser aquecida em um forno ou outras operações unitárias similar (por exemplo, oxidação úmida) para produzir subprodutos, tais como cinzas e ácido polifosfórico. Assim como o solvente opcionalmente recuperado da etapa de esgotamento e do processo de destilação opcional, o ácido polifosfórico pode ser reutilizado no método, melhorando assim a eficiência de custo do método em geral.

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21/37 [0053] Deve ser notado aqui que os métodos anteriores neste campo tecnológico usam colunas de destilação fracionadas caras com elevado número de bandejas para separar componentes voláteis (tais como solventes, moléculas de carbono de cadeia curta não-solventes, etc.). Embora o uso dessas colunas seja compreendido pela presente invenção, foi descoberto que o uso de uma coluna de destilação simples provê separação adequada e produção e acúmulo de subproduto.

[0054] Além das etapas do método mencionadas acima, com ou sem as etapas opcionais, a invenção provê etapas adicionais, que resultam em um método de produção de um ou mais componentes que servem como fontes de energia. Por exemplo, o método pode ser um método de produção de açúcares, solventes, tais como álcoois, ou ambos. Em geral, o método de produção de compostos que servem como fontes de energia compreende: digestão da lignocelulose com polifosfato; precipitação da celulose e hemicelulose com um primeiro solvente ou uma mistura de solventes; lavagem da hemicelulose e celulose precipitada com um segundo solvente; esgotamento do precipitado lavado para remover o solvente; e hidrólise ou de outra forma de decomposição da celulose e/ou hemicelulose em componentes de subunidade. Em modalidades preferidas, o método de pré-tratamento descrito acima é usado para produzir celulose amorfa relativamente seca e hemicelulose amorfa para uso no método de produção de compostos como fontes de energia. Aquelas celulose e hemicelulose relativamente secas são expostas a condições que decompõem a celulose e a hemicelulose em compostos mais simples. As condições podem ser quaisquer condições adequadas para atingir o objetivo. Por exemplo, a celulose e hemicelulose podem ser expostas a ácido sólido ou solúvel, a uma ou mais enzimas, a um ou mais microorganismos, ou a uma combinação de agentes de decomposição. Em modalidades exemplificativas, a celulose/hemicelulose é exposta a uma ou mais enzimas degradantes de celulose ou hemicelulose (por exemplo,

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22/37 celulase) sob condições que permitem degradação enzimática da celulose, hemicelulose, ou ambas.

[0055] O método pode, em modalidades, incluir a separação ou purificação de produtos de degradação, tais como um ou mais açúcares, a partir de reagentes. Por exemplo, técnicas conhecidas de separação líquido/sólido podem ser usadas para separar açúcares (tais como glicose, galactose, manose) a partir de celulose e hemicelulose, bem como a partir de enzimas e/ou outras substâncias presentes na composição de reação de degradação. Vantajosamente, quando a celulose e hemicelulose destiladas a vapor são usadas como reagentes, os reagentes estão presentes em uma quantidade de cerca de 20 % a 30 % do teor de sólido. Devido pelo menos em parte a este elevado teor de sólido, concentrações muito altas de açúcar, da ordem de 100 gramas de açúcar por litro, podem ser atingidas.

[0056] Deve-se observar que, enquanto a produção de açúcares é uma modalidade preferida, a produção de outros produtos também é compreendida pela presente invenção. Por exemplo, condições de reação de hidrólise podem ser estabelecidas de modo que a celulose e a hemicelulose sejam convertidas predominantemente ou completamente em etanol como um produto final desejado. Dessa forma, em modalidades exemplificativas, um ou mais microorganismos, que são capazes de degradar celulose e/ou hemicelulose e são capazes de fermentar açúcares em álcoois (tal como etanol) podem ser combinados com a celulose e a hemicelulose sob condições que permitam degradação da celulose e hemicelulose e fermentação dos açúcares resultantes em álcool. O álcool produzido pelo(s) microorganismo(s) pode então ser capturado para uso como uma fonte de energia (tal como para acionar motores de combustão interna). Alternativamente, o álcool pode ser usado para qualquer finalidade adequada, incluindo o uso nos presentes métodos como um solvente para precipitação e lavagem.

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23/37 [0057] Como será evidente para aqueles versados na técnica, o método pode compreender uma ou mais etapas adicionais, que podem ser incluídas para melhorar o custo-benefício do método. Por exemplo, substâncias da reação de hidrólise que não são desejadas para a sua capacidade de produção de energia podem ser removidas, por exemplo, por técnicas de separação de sólido/líquido. Estas substâncias podem então ser purificadas ou ainda tratadas para produzir substâncias úteis. Em modalidades preferidas, o fosfato de cálcio sólido da reação de hidrólise pode ser reagido com ácido sulfúrico para produzir sulfato de cálcio, que é um resíduo, e ácido fosfórico, que pode ser usado como um solvente de celulose.

[0058] Além dos aspectos relativos aos métodos da invenção, a presente invenção provê sistemas para pré-tratamento de lignocelulose, para produção de celulose e/ou hemicelulose, e para a produção de uma ou mais substâncias que podem servir como uma fonte de energia. Em geral, os sistemas da invenção provêem equipamentos, solventes e reagentes para realizar os métodos da invenção. Dessa forma, em modalidades, os sistemas compreendem recipientes para digerir lignocelulose, precipitar e/ou lavar celulose e hemicelulose, e separar hemicelulose e celulose amorfa dos solventes. Em modalidades adicionais, os sistemas compreendem uma ou mais colunas de destilação ou fracionamento/destilação, um ou mais separadores sólido/líquido e um ou mais fornos. Ainda em modalidades adicionais, os sistemas incluem um ou mais recipientes de hidrólise. Mais uma vez, o sistema pode incluir um ou mais recipientes para alterar o tamanho, teor de água, etc. da matéria-prima que é para prover o material lignocelulósico para ser usado. Sistemas de acordo com a presente invenção podem, mas não necessariamente, incluir solventes e reagentes para a produção e separação de produtos e subprodutos.

[0059] Em quaisquer das modalidades discutidas aqui, os recipientes podem em geral ser um tanque de agitação contínua, um reator tubular contínuo, ou um tanque de batelada. Qualquer recipiente pode operar se

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24/37 houver um meio para movimentar materiais sólidos, líquidos e gasosos para dentro e fora do sistema. Os conteúdos do recipiente são preferivelmente misturados até algum ponto, para reduzir as limitações de transferência de massa entre o solvente e a fase sólida, e para aumentar a taxa de aproximação relativa ao equilíbrio de fase. Materiais de construção são escolhidos com base no solvente escolhido e condições de processo, e na flexibilidade desejada do recipiente particular. Em geral, recipientes especiais não são necessários devido às condições moderadas de processo para praticar esta invenção.

[0060] Outras considerações e parâmetros gerais para sistemas e métodos para pré-tratamento de lignocelulose e produção de açúcares e outras fontes de energia são discutidos no documento WO 2007/111605, que é incorporado em sua totalidade aqui por referência.

[0061] Fazendo agora referência às figuras, a figura 1 descreve um diagrama mostrando uma modalidade de um sistema e processo para a conversão de matéria vegetal em fontes de energia utilizável. A presente discussão se refere à prática de um método de acordo com a invenção usando aquela modalidade do sistema.

[0062] Matérias-primas contendo 1,2 kg de biomassa contendo lignocelulose com 15 % de umidade possuindo um tamanho médio de partícula inferior a 0,5 cm, são colocadas 1 em um digestor 3 e 3 litros de um super solvente de celulose (SCS) são adicionados 2. Deve ser notado que o SCS é preferivelmente polifosfato ou ácido polifosfórico. Além disso, embora a lignocelulose úmida com tamanho de partícula pequeno ou 0,5 cm seja discutida aqui, as matérias-primas podem ser lignocelulose úmida de qualquer tamanho, incluindo, mas não limitado, a escala de 2,5 cm ou menor. O SCS neste exemplo é polifosfato (poli-P₂O₅) usado em uma concentração de 85 %, que é adicionada na forma de vapor ou gotículas finas de ácido fosfórico superconcentrado (por exemplo, P2O5 > 70 %). São adicionados cerca de 6 kg de polifosfato. A combinação é bem misturada no digestor 3. O tempo reacional varia de vários minutos até horas. A mistura de água e ácido é um processo

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25/37 exotérmico, uma temperatura relativamente alta (tal como 50 °C até 120 °C) foi encontrada como sendo apropriada para dissolução de celulose. Ao mesmo tempo, as condições favorecem a hidrólise parcial de celulose e hemicelulose. A razão de lignocelulose (peso seco) para P₂O₅ é aproximadamente de 1:6, embora a razão possa ser qualquer razão adequada, tal como uma razão de 1:1 a 1:10, tal como 1:1 até 1:5. Quando testada, a lignocelulose dissolvida pareceu um gel.

[0063] Após a lignocelulose ser digerida no digestor 3, a mistura é transferida 4 para um tanque de precipitação 5, é primeiramente adicionada água 6 para precipitar a celulose e hemicelulose dissolvente. Um solvente altamente volátil (HVS), etanol, é adicionado 6 em uma concentração de 80 % em uma quantidade de 10 litros para precipitar mais celulose e hemicelulose, bem como para solubilizar lignina. Alternativas ao etanol nesta etapa incluem outros solventes, tais como acetona e metanol. Além disso, CO₂ pode se usado para dissolver mais lignina sob alta pressão. Uma outra opção é adicionar uma mistura de água e o solvente altamente volátil.

[0064] Após a precipitação, a mistura é transferida 7 para um lavador 8. No lavador 8, o HVC adicional (neste caso, o etanol) é usado 9 para lavar a celulose e hemicelulose precipitada e remover solvente líquido eficazmente. Dependendo da eficiência da lavagem, qualquer quantidade entre 10 a 20 litros de aproximadamente 80 % de etanol é usada para lavar a mistura. O lavador que é um separador sólido/líquido, é uma centrífuga ou dispositivo de lavagem em contra-corrente. No entanto, em outras modalidades, pode ser qualquer um de uma variedade de dispositivos habituais de filtração, tais como filtros de correia de pressão, e screen drivers, para nomear alguns. Após a separação sólido/líquido, a fase líquida é removida 14. A fase líquida inclui algum solvente, ácido fosfórico, e lignina. Em corridas típicas, a composição líquida compreendia 99 % de H3PO4 e ainda continha aproximadamente 50 % da lignina inicial da biomassa. Ela ainda continha etanol e água.

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26/37 [0065] A fase sólida após a lavagem contém celulose e hemicelulose amorfa mais etanol. Em análises típicas, a fase sólida continha 0,40 kg de celulose e 0,2 kg de hemicelulose e um peso total de 2,3 kg. Esta composição é transferida 10 para um esgotador 11. No presente exemplo, dióxido de carbono é usado 12 para arrastar gás e secar a celulose e hemicelulose, e para remover o etanol 13. Em modalidades alternativas, vácuo, ou calor, ou vapor poderiam ser usados ao invés de dióxido de carbono. Em análises de testes usando vapor, a quantidade de etanol removido foi 1,29 kg, representando uma eficiência de remoção de 95 %. O resíduo obtido é hemicelulose e celulose amorfa quase seca, que é removida 15 do esgotador 11.

[0066] A figura 2 retrata um diagrama exibindo uma modalidade de um sistema e processo para a conversão de matéria vegetal em fontes de energia utilizável. A presente discussão se refere à prática de um método de acordo com a invenção usando aquela modalidade do sistema. Deve-se notar que esta modalidade inclui o sistema e método discutidos acima em relação à figura 1, mas também inclui etapas de métodos e componentes de sistema adicionais.

[0067] No sistema e processo de acordo com a figura 2, a hemicelulose e celulose amorfa relativamente seca possuindo um teor de umidade de 75 % é transferida 15 para um tanque de hidrólise 16. As enzimas celulase e hemicelulase são adicionadas 17, e o pH da composição ajustado para um valor adequado pela adição de base alcalina 18 (carbonato de cálcio). Ao completar a degradação da celulose e hemicelulose pelas enzimas, são obtidos açúcares altamente concentrados 19. Foi verificado que a concentração de açúcares dependia da razão de fase sólidaIsolução de enzima. O tempo de hidrólise poderia variar de diversas horas a diversos dias, dependendo da carga da enzima e das propriedades da enzima. Durante a etapa de hidrólise, é possível remover uma pequena quantidade de solvente residual altamente volátil.

[0068] Também como uma parte do sistema e método retratados na figura 2, um flasher 20 é incluído. No flasher, o solvente altamente volátil

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27/37 (etanol neste exemplo) é separado 21 a partir de outros componentes de fração líquida de lavadores. Uma pequena quantidade de ácido acético permanece tipicamente na fase líquida, particularmente onde é preferido não usar um alto vácuo ou alta temperatura para sua separação para economizar em custo de processamento e reduzir o investimento de capital. A fase líquida residual contém ácido fosfórico, lignina dissolvida em solvente, extrativos de lignocelulose, ácido acético, e uma pequena quantidade de carboidrato. Para economizar custos de investimento de capital e custos de processamento, a fase líquida é transferida 22 para um forno 23 e queimada diretamente no forno 23 usando energia armazenada na lignina. Em análises típicas, antes da queima, o resíduo contém aproximadamente 0,08 kg de lignina. A cinza (principalmente P₂O₅, retratada na figura como SCS) é capturada 24 e pode ser usada para a próxima etapa do pré-tratamento.

[0069] Fazendo agora referência à figura 3, é descrita esquematicamente uma outra modalidade do sistema e método da invenção para produzir celulose e hemicelulose a partir de lignocelulose. Como mostrado na figura 3, matériasprimas contendo lignocelulose são introduzidos 1 no digestor 3. As matériasprimas têm um tamanho aproximado de 0,5 cm ou menos em sua direção mais longa e um teor de umidade de cerca de 15 %. Polifosfato é adicionado 2 ao digestor 3 e os materiais lignocelulósicos são bem misturados e permitidos a serem digeridos, produzindo uma lama contendo principalmente celulose, hemicelulose e lignina como produtos biológicos. O material digerido é transferido 4 para um tanque de precipitação 5. Durante a transferência, uma mistura de etanol:água 80:20 (vol/vol) é adicionada 6 à mistura. No tanque de precipitação 5, são precipitados celulose e hemicelulose, e a lignina é dissolvida. A mistura é então transferida 7 para um lavador 8, ao qual é adicionado etanol:água 80:20 adicional 9. As frações sólida e líquida são separadas: a fração líquida é coletada 14. A fração sólida é transferida 10 para um esgotador 11. No esgotador 11, vapor de baixa temperatura é exposto 12 ao material sólido para evaporar o solvente de etanol. O etanol evaporado (com

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28/37 vapor/água) é removido 13 do esgotador 11 e coletado no tanque de retenção de solvente 27.

[0070] O material sólido esgotado é transferido 15 para um secador helicoidal 28 onde o etanol adicional é capturado e removido 29 para o tanque de retenção de solvente 27. A massa seca de celulose e hemicelulose do secador helicoidal 28 é coletada 30.

[0071] A figura 4 retrata um diagrama mostrando ainda uma outra modalidade de um sistema e processo para a conversão de material vegetal em fontes de energia utilizável. A presente discussão se refere à prática de um método de acordo com a invenção usando aquela modalidade do sistema. Deve-se notar que esta modalidade inclui o sistema e métodos discutidos acima em relação à figura 3, mas também inclui etapas de método e componentes de sistema adicionais.

[0072] Como mostrado na figura 4, matérias-primas contendo lignocelulose são introduzidas 25 no cortador 26, onde as matérias-primas são reduzidas em tamanho para aproximadamente 0,5 cm ou menos em sua direção mais longa. Nesta etapa, as matérias-primas podem ser adicionalmente tratadas, por exemplo, por lavagem para remover alguns extrativos lignocelulósicos (tais como proteínas e alguns açúcares solúveis), para prover materiais lignocelulósicos enriquecidos para processamento adicional. Após a ação do cortador 26, os materiais lignocelulósicos, que tipicamente possuem teor de umidade de cerca de 15 %, são transferidos 1 para o digestor 3. Polifosfato é adicionado 2 ao digestor 3 e os materiais lignocelulósicos são bem misturados e deixados digerir, produzindo principalmente celulose, hemicelulose e lignina como produtos biológicos. O material digerido é transferido 4 para um tanque de precipitação 5. Durante a transferência, uma mistura de etanol:água 80:20 (v/v) é adicionada 6 à mistura do tanque de retenção de solvente 27. No tanque precipitação 5, celulose e hemicelulose são precipitadas, e a lignina é dissolvida. A mistura é então transferida 7 para o lavador 8, ao qual é adicionado etanol:água 80:20 adicional 9 do tanque de

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29/37 retenção de solvente 27. As frações sólida e líquida são separadas: a fração líquida é transferida 14 para a coluna de destilação/fracionamento 20, enquanto que a fração sólida é transferida 10 para o esgotador 11. No esgotador 11, vapor de baixa temperatura é exposto 12 ao material sólido para evaporar o solvente de etanol. Etanol evaporado (com vapor/água) é removido 13 do esgotador 11 e coletado no tanque de retenção de solvente 27.

[0073] O material sólido esgotado é transferido 15 para o secador helicoidal 28 onde o etanol adicional é capturado e removido 29 para o tanque de retenção de solvente 27. A massa seca de celulose e hemicelulose do secador helicoidal 28 é transferida 30 para o tanque de hidrólise 16. São adicionadas celulase e hemicelulase 17 para digerir enzimaticamente a celulose e hemicelulose, e o pH é ajustado com base alcalina 18 para permitir a atividade enzimática ótima. Após a hidrólise, a mistura é transferida 31 para um separador sólido/líquido 32. O separador sólido/líquido neste exemplo é uma centrífuga, mas qualquer separador adequado poderia ser usado. Na fase líquida, açúcares em altas concentrações (superiores a 30 g/l) são obtidos 33. Em algumas bateladas, uma porção da solução de alta concentração de açúcar é reintroduzida 34 no tanque de hidrólise. Os açúcares solúveis podem ser misturados com a celulose e hemicelulose amorfas secas para hidrólise novamente para uma solução de açúcar de maior concentração, ou podem ser usados diretamente para fermentação.

[0074] Em certas configurações do sistema e método, o sistema é usado primeiramente para a produção de açúcares para uso como uma fonte de combustível. Em outras configurações, o sistema e método são configurados para produzir um ou mais álcoois. O tanque de hidrólise e seus componentes posem ser modificados para alcançar o objetivo de produção desejado. Por exemplo, onde os açúcares são desejados, o tanque de hidrólise pode incluir ácidos ou enzimas que são capazes de degradar celulose e hemicelulose em seus componentes constituintes de açúcar. Onde um álcool (tal como etanol) é desejado, o tanque de hidrólise pode conter microorganismos que podem

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30/37 degradar celulose e hemicelulose no álcool. Nessas modalidades, o álcool pode ser capturado. Nas modalidades descritas na figura 4, a produção de ambos os açúcares e etanol é descrita. Na figura, o etanol produzido a partir do tanque de hidrólise é capturado e removido 35 para o tanque de retenção de solvente 27. Evidentemente, o álcool produzido pode ser removido para outro recipiente e usado para outras finalidades.

[0075] O separador sólido/líquido 32 também produz uma fase sólida, que é transferida 36 ao reator 37. No reator 37, o ácido sulfúrico e o fosfato de cálcio sólido são adicionados à fase sólida e deixados reagir. Após a reação, são produzidos o sulfato de cálcio sólido e o ácido fosfórico.

[0076] Fazendo referência agora à fase líquida produzida como um resultado da lavagem no lavador 8, a fase líquida contém principalmente etanol, ácido fosfórico, e lignina. A fase líquida é transferida 14 para a coluna de fracionamento/ destilação 20. A coluna de fracionamento/destilação 20 separa ácido acético 38 e etanol 21 dos outros componentes. Tipicamente, o etanol recuperado foi uma solução a 85 %. Os componentes remanescentes da fase líquida de lavagem são transferidos 39 para um separador sólido/líquido 23, onde a lignina é separada 40. Os componentes remanescentes da solução de lavagem são transferidos 22 para o forno 24 e queimados para produzir cinza e polifosfato, que pode ser usado em bateladas subsequentes de degradação.

[0077] A figura 5 descreve uma outra modalidade exemplificativa do sistema e método da presente invenção para degradar materiais lignocelulósicos em celulose e hemicelulose. Como mostrado na figura, matérias-primas são adicionadas 1 ao digestor 3. Polifosfato também é adicionado 2 ao digestor 3, e os materiais são bem misturados e a lignocelulose é deixada degradar em celulose, hemicelulose e lignina. Mais especificamente, no digestor 3, o material lignocelulósico é bem misturado com vapor de P2O5 ou finas gotículas de ácido fosfórico super concentrado com uma concentração final de P₂O₅ de 83 %. Embora uma concentração de 83 %

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31/37 seja usada neste exemplo, deve-se notar que qualquer concentração adequada pode ser usada, tal como 70 % ou maior, 75 % ou maior, ou 80 % ou maior. O calor liberado pela mistura de água e ácido polifosfórico ou ácido fosfórico, ou misturas destes, é usado para acelerar a dissolução de biomassa. A temperatura pode variar de 40 °C a até 120 °C, e é preferivelmente de 45 °C a 100 °C, mais preferivelmente de 47 °C a 90 °C, e mais preferivelmente de 50 °C a 85 °C. O tempo reacional pode variar de diversos minutos a até diversas horas, mas é preferivelmente de 30 a 240 minutos, mais preferivelmente de 45 a 180 minutos, e mais preferivelmente de 60 a 120 minutos. Tipicamente, a biomassa dissolvida parecia uma lama.

[0078] O material digerido é então transferido 4 para um tanque de precipitação 5, ao qual uma solução de cerca de 80 % de etanol é adicionada 6 a partir do tanque de retenção de solvente 27. A mistura é mantida por uma período suficiente de tempo para precipitar celulose e hemicelulose e solubilizar lignina. A mistura é então transferida 7 para um lavador 8, e a mistura é lavada com etanol 80 % 9 do tanque de retenção de solvente 27. O precipitado lavado é então transferido 41 para o separador sólido/líquido 42, que neste caso é uma centrífuga de tambor, para remover da lama a maior parte do solvente livre e outras substâncias na solução de lavagem. A fração líquida é removida 14' e pode ser combinada com a fração líquida de lavagem removida em 14. Em outras modalidades, outros equipamentos mecânicos (tal como, secador helicoidal) podem ser usados neste ponto. O teor de sólido resultante do processo e equipamento variou de 5 a 20 %. É preferível alcançar um teor de sólido de 8 % ou mais, mais preferivelmente 10 % ou mais, e mais preferivelmente de 15 % ou mais. Na figura, o tanque de precipitação 5 e o lavador 8 são inclusos dentro de uma única caixa, indicada por uma linha tracejada. Isso é para indicar que, em algumas modalidades, um reator de única unidade pode implementar ambas as funções. Nessas modalidades, o tanque de precipitação 5 e o lavador são uma única unidade.

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32/37 [0079] A lama é transferida 10 para o esgotador 11 e o etanol extraído usando vapor de baixa temperatura 12. Etanol volatilizado é liberado 13 como vapor de etanol (mais vapor), e coletado no tanque de retenção de solvente 27. No esgotador 11, a lama contendo celulose amorfa, hemicelulose, lignina nãodissolvida residual, mais uma pequena quantidade de ácido fosfórico no solvente orgânico (tal como etanol) é esgotada por vapor de baixa temperatura sob pressão atmosférica ou reduzida. A lama possui tipicamente um teor de sólido de 5 a 20 %. É preferido que a lama tenha um teor de sólido de 5 a 20 %, preferivelmente 8 % ou mais, mais preferivelmente 10 % ou mais, e mais preferivelmente 15 % ou mais. Em análises típicas, a lama tinha um teor total de açúcar de 40 % a 90 % baseado em peso sólido. Preferivelmente, o teor de açúcar é 60 % ou mais, mais preferivelmente 65 % ou mais, e mais preferivelmente 80 5 ou mais. Nesta operação unitária, é usado vapor de baixa temperatura (cerca de 60 °C a 120 °C). Independentemente do equipamento utilizado, a lama úmida de biomassa é seca como partículas sólidas em um secador leito fluidizado ou secador por aspersão. O calor (tal como, do vapor) é usado para vaporizar a maior parte do solvente orgânico (tal como 80 a 99 % do etanol). Após esta operação, a biomassa seca tipicamente possui um teor sólido de 10 a 40 %. É preferido que, nesta etapa, a biomassa tenha um teor sólido de 20 % ou mais, mais preferivelmente 25 % ou mais, e mais preferivelmente 30 % ou mais, com água mais algum solvente orgânico remanescente (tal como 5 % de solvente orgânico inicial). A celulose/hemicelulose seca é removida 15 do esgotador 11 para uso posterior.

[0080] A figura 6 descreve um diagrama exibindo ainda uma outra modalidade de um sistema e processo para a conversão de matéria vegetal em fontes de energia utilizável. A presente discussão é relacionada à prática de um método de acordo com a invenção usando aquela modalidade do sistema. Deve-se notar que esta modalidade inclui o sistema e método discutidos acima em relação à figura 5, mas também inclui etapas do método e componentes do sistema adicionais. Como mostrado na figura 6, matérias-primas contendo

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33/37 lignocelulose são introduzidas 25 no cortador 26, onde as matérias-primas são reduzidas em tamanho para aproximadamente 0,5 cm ou menos em sua direção mais longa. Nesta etapa, as matérias-primas podem ser adicionalmente tratadas, por exemplo por lavagem, para prover materiais lignocelulósicos enriquecidos para processamento adicional. Como em outras modalidades nas quais o cortador é usado, o cortador (fresa) reduz o tamanho da partícula de biomassa em menos de 2,54 cm. O teor de umidade da biomassa pode variar de cerca de 5 a 50 %. Nesta modalidade, antes da próxima etapa, a umidade da biomassa é estabelecida em um valor fixo (10 a 30 %). Em modalidades preferidas, o teor de umidade é estabelecido em 15 %. A partícula extra-seca de biomassa pode ser misturada com água para o teor de umidade desejado. Após sofrer a ação do cortador 26, os materiais lignocelulósicos, que preferivelmente têm cerca de 15 % de teor de umidade, são transferidos 1 para um digestor 3. É adicionado polifosfato 2 ao digestor 3 e os materiais lignocelulósicos são bem misturados e deixados digerir produzindo principalmente celulose, hemicelulose, e lignina como produtos biológicos. O material digerido é transferido 4 para um tanque de precipitação 5. Durante a transferência, uma mistura de etanol:água 80:20 (v/v) é adicionada 6 à mistura do tanque de retenção de solvente 27. No tanque de precipitação 5, celulose e hemicelulose são precipitadas, e a lignina é dissolvida. A mistura é então transferida 7 para um lavador 8, ao qual etanol:água 80:20 (v/v) é adicionado 9 do tanque de retenção de solvente 27. A solução de lavagem líquida é capturada e transferida 14 para a coluna de destilação 20. A lama da fase sólida da etapa de lavagem é transferida 41 para um separador sólido/líquido 42, que neste caso é uma centrífuga em tambor, para remover da lama a maior parte do solvente livre e outras substâncias na solução de lavagem. A fração líquida é removida 14' e também combinada com a fração líquida de lavagem removida em 14 ou aplicada diretamente à coluna de destilação 20. No esgotador 11, vapor de baixa temperatura é exposto 12 ao material sólido para

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34/37 evaporar o solvente de etanol. Etanol evaporado (com vapor/água) é removido 13 do extrator 11 e coletado no tanque de retenção de solvente 27.

[0081] O material sólido extraído é transferido 15 para o tanque de hidrólise 16. São adicionadas celulase e hemicelulase 17 para digerir enzimaticamente a celulose e a hemicelulose e o pH é ajustado com base alcalina 18 para permitir uma atividade enzimática ótima. Como em outras modalidades, no tanque de hidrólise, alguma quantidade de base alcalina (tal como cal ou carbonato de cálcio) é usada para ajustar o pH para melhorar a atividade enzimática, tal como ajustando para o pH ótimo da enzima. Celulase e/ou hemicelulase, ou enzimas duplamente funcionais podem ser usadas para hidrolisar celulose amorfa mais hemicelulose em açúcares solúveis, respectivamente. O processo de hidrólise pode ser realizado como um modo de batelada alimentada, ou seja, mais materiais amorfos úmidos com um teor de sólido de mais de 20 % podem ser adicionados lentamente de maneira gradativa (para melhor mistura) ao invés de adicionado de uma vez no início. Uma solução de alta concentração de açúcares pode ser obtida após hidrólise com diversas bateladas de adição de celulose amorfa úmida, sendo mais de 100 g de hexoses e pentoses solúveis por litro. Além disso, soluções de açúcar de alta concentração podem ser misturadas com celulose amorfa para sacarificação simultânea e co-fermentação (SSCF) ou bioprocessamento consolidado (CBP). A corrente de sólidos contendo celulose, Ca3(PO4)2 e lignina remanescente pode ser queimada para remover quaisquer orgânicos. As cinzas contendo Ca3(PO4)2 podem ser regeneradas em ácido fosfórico concentrado pela adição de ácido sulfúrico concentrado. Alguma pequena quantidade do solvente orgânico (tal como etanol) pode ser reciclada durante a etapa de hidrólise por vácuo ou esgotamento ou ser reciclada após fermentação de açúcar em etanol.

[0082] Após a hidrólise, a mistura é transferida 31 para um separador sólido/líquido 32. O separador sólido/líquido 32 neste exemplo é uma centrífuga, mas qualquer separador adequado poderia ser usado. Na fase

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35/37 líquida, são obtidos açúcares em concentrações muito altas (maiores que 100 g/L) 33. Em algumas bateladas, uma porção da solução de açúcar de alta concentração é reintroduzida 34 no tanque de hidrólise. Nestas modalidades, o uso da solução de açúcar substitui a água na celulose sólida para uma solução de açúcar mais elevada.

[0083] Em certas configurações do sistema e método, o sistema é usado primariamente para a produção de açúcares para uso como fonte de combustível. Em outras configurações, o sistema e método são configurados para produzir um ou mais álcoois. O tanque de hidrólise e seus componentes podem ser modificados para alcançar o objetivo de produção desejado. Por exemplo, onde os açúcares são desejados, o tanque de hidrólise pode incluir ácidos ou enzimas que são capazes de degradar celulose e hemicelulose em componentes constituintes de açúcar. Onde um álcool (tal como etanol) é desejado, o tanque de hidrólise pode conter microorganismos que podem degradar a celulose e a hemicelulose em álcool ou outros produtos. Nessas modalidades, o álcool pode ser capturado. Na modalidade descrita na figura 6, é descrita a produção de ambos os açúcares e de etanol. Na figura, o etanol produzido a partir do tanque de hidrólise é capturado e removido 35 para o tanque de retenção de solvente 27. Evidentemente, o álcool produzido pode ser removido para outro recipiente e usado para outras finalidades.

[0084] O separador sólido/líquido 32 também produz uma fase sólida, que é transferida 36 ao reator 37. No reator 37 são adicionados ácido sulfúrico e fosfato de cálcio à fase sólida e deixados reagir. Após a reação, são produzidos sulfato de cálcio sólido e ácido fosfórico.

[0085] Voltando agora para a fase líquida produzida como um resultado da lavagem no lavador 8, a fase líquida contém principalmente etanol, ácido fosfórico e lignina. A fase líquida é transferida 14 para a coluna de destilação 20. A coluna de destilação 20 separa etanol 21 de outros componentes. O etanol recuperado é de tipicamente cerca de 80 % em concentração. Observase que, nesta modalidade, não é requerida uma coluna de

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36/37 destilação/fracionamento, que melhora o custo-benefício do processo sem reduzir significativamente o rendimento em produto e subprodutos. Uma coluna de destilação pode ser usada em todas as modalidades, e dessa forma pode ser substituída pela coluna de destilação/fracionamento em quaisquer das modalidades exemplificativas precedentes. Na coluna de destilação, o solvente orgânico (tal como etanol) é reciclado por uma coluna de destilação de várias bandejas. A concentração do etanol condensado da coluna pode variar de 50 a 95 %, preferivelmente 50 %, mais preferivelmente 70 %, e mais preferivelmente 80 %. Após ou durante a remoção do solvente orgânico, a lignina precipita no fundo da coluna de destilação, que pode ser separada do ácido fosfórico aquoso. A fase líquida remanescente contém principalmente ácido fosfórico, alguma lignina e extrativos orgânicos de biomassa.

[0086] Os componentes remanescentes da fase líquida de lavagem são transferidos 39 para um separador sólido/líquido 23, onde a lignina é separada 40. O ácido fosfórico na lignina sólida é removido com água ou solvente orgânico.

[0087] Os componentes remanescentes da solução de lavagem são transferidos 22 para o forno 24 e queimados para produzir cinza e polifosfato, que podem ser usados em bateladas subsequentes de degradação. No forno, a fase líquida remanescente contendo principalmente ácido fosfórico, alguma lignina e extrativos orgânicos de biomassa podem ser regenerados em vapor de P₂O₅, ácido polifosfórico, ou uma mistura destes. O termo “forno” inclui oxidação úmida. Para diminuir os custos de processamento e o tamanho do forno, somente uma fração do ácido fosfórico será completamente oxidada em P₂O₅. A fração de ácido fosfórico que passa pelo forno 24 pode variar de 1 a 100 % e é preferivelmente de 15 % ou mais, mais preferivelmente de 20 % ou mais, e mais preferivelmente de 25 % ou mais. Quando o ácido fosfórico contém elevados extrativos orgânicos, pode ser convertido em P2O5 de alta pureza. P₂O₅ pode ser sublimado; as cinzas sem P₂O₅ podem ser separadas como um fertilizante de plantas. O P₂O₅ sublimado pode ser misturado com

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37/37 água para formar ácido polifosfórico, ácido fosfórico concentrado, ou ser usado para pré-tratar biomassa úmida, por exemplo, diretamente no digestor 3.

[0088] Dentre diversos usos, o presente processo e sistema são adequados para madeira dura e materiais herbáceos. Se for aplicada em madeira macia, o processo e sistema podem ser modificados em diversos pontos: 1) durante a etapa de digestão, podem ser adicionados alguns catalisadores, por exemplo, SO₂; 2) durante a etapa de lavagem, mais lignina poderia ser eliminada pelo uso de solventes de alta temperatura que podem dissolver mais lignina; 3) antes da etapa de hidrólise, mais lignina poderia ser removida pela adição de alguns reagentes de oxidação, tais como H₂O₂, O₃, O₂altamente concentrado, NO, etc. Em resumo, o processo descrito acima é muito mais simples que as tecnologias atualmente conhecidas, incluindo, mas limitadas aos relatórios de patentes prévios PCT/US2006/011411, PCT/US2006/030894, US 4,058,011, WO 9606207, SU 134 839 6A1 (Grinshpan DD, Tsygankova NG, Kaputskii FN), DE 3 035 084 (US 4,839,113), e US 6,139,959. Embora os lucros totais requeridos sejam muitas vezes bem menores do que para tecnologias mais recentes (porém maiores do que outros pré-tratamentos), o novo projeto reduz extremamente o investimento de capital e os custos de processamento bem como produz altas concentrações de celulose e hemicelulose, além de hidrolisatos de açúcar, que são adequados para fermentações de etanol, entre outras coisas.

[0089] Será aparente para aqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na prática da presente invenção e na construção do presente sistema sem divergir do escopo ou espírito da invenção. Outras modalidades da invenção serão aparentes para aqueles versados na técnica a partir da consideração do relatório e prática da invenção. Pretende-se que o relatório e os exemplos sejam considerados somente como exemplificativos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de fracionamento de biomassa lignocelulósica e de produção de açúcares a partir de lignocelulose compreendendo:

digerir lignocelulose com ácido polifosfórico;

coprecipitar celulose e hemicelulose e solubilizar lignina com um primeiro solvente;

separar a lignina solubilizada da celulose e hemicelulose precipitadas; remover o primeiro solvente da celulose e hemicelulose precipitadas pela exposição da celulose, hemicelulose e solvente ao vapor, vácuo, ou uma combinação destes, caracterizado pelo fato de o processo fornecer uma primeira mistura de celulose amorfa hidratada e hemicelulose amorfa hidratada; e hidrolisar a primeira mistura para produzir uma composição compreendendo um ou mais açúcares, que resulta em uma segunda mistura de pentoses e hexoses
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira mistura submetida à hidrólise tem uma razão de celulose amorfa hidratada para hemicelulose amorfa hidratada que é a mesma que a primeira mistura.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro solvente compreender etanol em uma concentração de aproximadamente 80 %.
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o primeiro solvente compreender adicionalmente CO₂, SO₂, O₃, ou misturas de dois ou de todos os três destes.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro solvente ser o único solvente usado.

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6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a composição compreender açúcares em uma concentração de pelo menos 30 gramas por litro.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a composição compreender açúcares em uma concentração de pelo menos 50 gramas por litro.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a composição compreender açúcares em uma concentração de pelo menos 100 gramas por litro.
9. Sistema para fracionamento de biomassa lignocelulósica, o sistema compreendendo os seguintes recipientes separados:

um tanque de precipitação para a precipitação de celulose e hemicelulose em sólidos, e para a solubilização de lignina em um líquido;

um lavador em comunicação operável com o tanque de precipitação para lavagem dos sólidos e do líquido para obter celulose e hemicelulose precipitadas; e um extrator em comunicação operável com o lavador para remoção do solvente da celulose e hemicelulose precipitadas, caracterizado pelo fato de os recipientes serem de um tipo e configuração tal que durante o uso a celulose e hemicelulose são mantidas juntas para precipitação, lavagem e remoção.
10. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda um digestor para a digestão de matérias-primas compreendendo lignocelulose em partículas possuindo um tamanho de cerca de 0,5 cm ou menos, em que uma conexão operável entre o digestor e o tanque de precipitação é configurada tal que durante o uso as partículas são transferidas do digestor para o tanque de precipitação.
11. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda um tanque de hidrólise para hidrolisar a celulose e hemicelulose precipitadas, em que uma conexão operável direta entre o

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3/3 extrator e o tanque de hidrólise é configurada tal que durante o uso a celulose e hemicelulose são transferidas do extrator para o tanque de hidrólise.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 9, compreendendo ainda uma coluna de destilação para separação dos componentes de uma solução de lavagem do lavador, caracterizado pelo fato de uma conexão operável entre a coluna de destilação e o lavador é configurada para que durante o uso os componentes da solução de lavagem sejam transferidos do lavador para a coluna de destilação.
13. Sistema de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender ainda um forno e um separador sólido-líquido, em que uma conexão operável entre a coluna de destilação e o separador sólidolíquido, e entre o separador sólido-líquido e o forno são configurados para que durante o uso a solução de lavagem seja transferida da coluna de destilação para o separador sólido-líquido para o forno.