BRPI1014812B1 - PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE UM RESÍDUO CONTENDO OLIGOSSACARíDEOS, DE ÁLCOOL E DE OLIGOSSACARÍDEOS A PARTIR DE MATERIAL CELULÓSlCO - Google Patents

PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE UM RESÍDUO CONTENDO OLIGOSSACARíDEOS, DE ÁLCOOL E DE OLIGOSSACARÍDEOS A PARTIR DE MATERIAL CELULÓSlCO Download PDF

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Description

(54) Título: PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE UM RESÍDUO CONTENDO OLIGOSSACARÍDEOS, DE ÁLCOOL E DE OLIGOSSACARÍDEOS A PARTIR DE MATERIAL CELULÓSLCO (51) lnt.CI.: C13K 1/02; C12P 7/10 (30) Prioridade Unionista: 07/05/2009 OB 09 07879.1 (73) Titular(es): WEYLAND AS (72) Inventor(es): KARL RAGNAR WEYDAHL
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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE UM RESÍDUO CONTENDO OLIGOSSACARÍDEOS, DE ÁLCOOL E DE OLIGOSSACARÍDEOS A PARTIR DE MATERIAL CELULÓSICO.
A presente invenção refere-se a aperfeiçoamentos em e relacionados a processos para a produção de alcoóis a partir de material celulósico, em particular palha de arroz, e a aparelhos para uso nesses processos.
Alcoóis, como etanol e butanol, produzidos pela fermentação de açúcares a partir de refugos ou biomassa, estão se tornando rapidamente uma importante alternativa a hidrocarbonetos, como gás natural e petróleo. Embora o foco atual seja na produção de etanol a partir de sementes de plantas, por exemplo, milho, a magnitude da demanda por biocombustíveis ameaça uma redução na área de terras devotadas à produção de alimentos, e uma alternativa desejável a sementes de plantas como material de partida é um material vegetal que não seja sementes, por exemplo, grama, madeira, papel, palha de milho, palha e outros. Nesse caso, o álcool é produzido primeiro degradando-se a celulose e hemicelulose (por razões de conveniência, ambas serão aqui chamadas simplesmente de celulose) em açúcares fermentáveis. Isso pode ser feito com enzimas, mas é conseguido mais eficiente e economicamente por hidrólise com ácidos fortes, por exemplo, ácidos minerais, como ácido sulfúrico e clorídrico. Entretanto, para produção comercial em grande escala de etanol dessa maneira, uma grande parte do ácido usado tem de ser recuperada e reciclada.
No WO 02/02826, cujo conteúdo é aqui incorporado por referência, os inventores propuseram um processo de produção de álcool em que o ácido forte era recuperado por contato do hidrolisado com um solvente de extração orgânico, por exemplo, metil etil cetona, com separação da lignina sólida e açúcares precipitados para fornecer uma solução ácida compreendendo água, solvente de extração, ácido e alguns açúcares dissolvidos. O solvente de extração na solução ácida era, então, evaporado sob vácuo, para ser reciclado e para deixar uma solução aquosa de ácido e açúcar, que era adicionalmente evaporada para fornecer uma mistura concentrada de ácido/açúcar, novamente para reciclagem.
Para operação contínua, o solvente de extração é alimentado à
2/20 base de uma coluna de separação por contrafluxo, e o solvente de extração contendo ácido é removido por cima da coluna, ao passo que o hidrolisado é alimentado por cima da coluna, e uma suspensão compreendendo lignina e oligossacarídeos não dissolvidos é removida da base. Foi descoberto agora que a recuperação dos oligossacarídeos é intensificada se o solvente de extração for introduzido no hidrolisado em pelo menos dois pontos no trajeto de fluxo do oligossacarídeo através de um separador, e se a remoção do solvente de extração contendo ácido do separador, por exemplo, para recuperação e reutilização do solvente de extração, for efetuada em um ponto do trajeto de fluxo entre os pontos de introdução de solvente de extração.
Assim, vista de um aspecto, a invenção apresenta um processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por pelo menos duas entradas de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a remoção do dito solvente de extração do dito separador através da dita saída de descarga ocorre a jusante de pelo menos uma das ditas entradas de solvente de extração e a montante da pelo menos outra das ditas entradas de solvente de extração.
De maneira particularmente desejável, o processo envolve um atraso de tempo de pelo menos 10 segundos, mais preferivelmente pelo menos 20 segundos, particularmente pelo menos 30 segundos, mais particularmente pelo menos 60 segundos, por exemplo, até 120 segundos, entre o ponto de contato mais inicial entre o hidrolisado e o solvente de extração e aquele em que o solvente de extração atinge a saída de descarga de solvente de extração. Expresso dessa maneira, a invenção apresenta, em um aspecto adicional, um processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de material celulósico, em que o dito material celuló3/20 sico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas de modo que o tempo de fluxo da dita entrada de hidrolisado até a dita saída de descarga de solvente de extração seja de pelo menos 10 segundos.
Os atrasos de tempo para fluidos que fluam através do separador podem ser prontamente calculados para a maioria dos aparelhos ou condições operacionais. Entretanto, também pode ser determinado experimentalmente por injeção de um bolo de um material detectável, por exemplo, um corante solúvel, no hidrolisado e/ou no solvente de extração antes de entrar(em) no separador, e detecção da passagem do marcador para fora do separador no solvente de extração descarregado. Deve-se entender que esse bolo de marcador pode não atingir a descarga simultaneamente, e que se deve usar a média ou, mais genericamente, moda. O atraso de tempo será particularmente ampliado quando houver anteparos ou agitadores entre o ponto de entrada do marcador e a descarga do solvente de extração.
Em uma modalidade particularmente preferida, o solvente de extração é removido em pelo menos duas saídas localizadas entre as entradas, com o solvente removido em uma dessas saídas sendo devolvido ao separador através de uma das entradas de solvente. Assim, na direção de fluxo de oligossacarídeos, a ordem de entrada e saída de solvente poderia ser primeira entrada, primeira saída, segunda saída, então, segunda entrada ou, mais preferivelmente, segunda entrada, segunda saída, primeira saída, então, primeira entrada, isto é, em que a segunda saída é a saída pela qual o solvente de extração contendo ácido é descarregado do separador, por exemplo, para recuperação e reutilização do solvente.
Como um efeito do solvente de extração é remover ácido do hi4/20 drolisado e deixar um resíduo não dissolvido (que em geral não contém oligossacarídeos e lignina), o resíduo em geral é mais prontamente removido pela base do separador, com o solvente de extração sendo descarregado pelo ou próximo ao topo do fluido que flui através do separador, e o separador terá, mais convenientemente, a forma de colunas substancialmente verticais conectadas em série, com o hidrolisado sendo alimentado na parte superior da primeira coluna, e o resíduo sendo descarregado pela base da coluna final. Nesse formato, as entradas de solvente de extração serão mais convenientemente posicionadas no ou próximo ao topo da primeira coluna e próximo à base da coluna final, e as saídas de solvente de extração serão mais convenientemente posicionadas no ou próximo ao topo da coluna final e próximo à base da primeira coluna. Entretanto, o uso de colunas verticais é preferido, em vez de requerido - o separador poderia, por exemplo, ter a forma de um tubo com partes inclinadas para cima e para baixo alternadas, com a remoção do resíduo sendo na parte para baixo final, e as saídas de solvente estando posicionadas no topo das dobras superiores no tubo.
Onde o solvente de extração contendo ácido é removido do separador, o separador é formado, de preferência, de modo que se minimize o carreamento de resíduo pelo solvente descarregado. Assim, por exemplo, em uma modalidade, a saída de descarga pode estar no topo da segunda coluna ou de uma subsequente, onde o fluxo de hidrolisado para essa coluna ocorre mais abaixo na coluna. Alternativamente e de preferência, a saída de descarga pode estar em uma seção do separador afastada do trajeto de fluxo principal do oligossacarídeo. Nesse caso, por exemplo, o separador pode compreender dois cilindros concêntricos, com o trajeto de fluxo de oligossacarídeos sendo através do topo do cilindro interno, saindo pela base do cilindro interno e entrando no cilindro externo e, então, saindo através da base do cilindro externo. A descarga do solvente de extração pode ser, então, para fora do cilindro externo em uma posição acima da base do cilindro interno. Evidentemente, os cilindros não precisam ser coaxiais, e seu formato preciso não é crítico. Esse arranjo é particularmente adequado para a primeira coluna de um separador de múltplas colunas.
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O separador contém, de preferência, um misturador para assegurar uma misturação completa do solvente de extração com o hidrolisado. O misturador pode ser ativo, por exemplo, um agitador, ou passivo, por exemplo, placas, aletas ou anteparos. Em geral, prefere-se o uso de misturadores passivos. Quando o separador contém mais de uma coluna, cada uma possui, de preferência, um misturador.
O separador é, de preferência, fechado, para evitar a saída de fluido, exceto através das saídas de resíduo e de solvente.
O separador, se compreender colunas verticais, possui, de preferência, anteparos ou placas para aumentar o tempo de permanência nas colunas. A área dessas placas/anteparos aumenta, de preferência, na direção do fluxo. Quando o separador tem anteparos ou placas sobre as quais possa ocorre acúmulo de resíduos, deixa-se, de preferência, um vão entre o anteparo/placa e a parede do separador para reduzir a possibilidade dessa ocorrência. Da mesma forma, é preferível instalar um misturador ativo para varrer qualquer resíduo que se deposite nessas placas/anteparos.
Para assegurar uma misturação completa do solvente de extração com o hidrolisado, o separador possui, de preferência, uma ou mais bombas para bombear o solvente ou hidrolisado no separador ou para transferência solvente e/ou hidrolisado entre colunas de um separador de múltiplas colunas. Evidentemente, o separador de ser construído para suportar as pressões, temperaturas e substâncias químicas usadas.
A descarga de resíduo pode ser contínua ou, mais preferivelmente, por bateladas. Portanto, separador tem, de preferência, uma unidade de coleta de resíduos isoláveí e evacuável, por exempio, como uma parte da base da coluna final de um separador de múltiplas colunas.
O separador faz parte, de preferência, de um sistema maior, no quai também se possa efetuar a hidróiise ácida.
Assim, vista de um aspecto, a invenção apresenta aparelhos para produção de oligossacarídeos a partir de material celulósico, os ditos aparelhos compreendendo um reator de hidróiise ácida e um separador com um trajeto de fluxo de oligossacarídeos através dele, o dito separador possuin6/20 do: uma entrada de hidrolisado instalada para receber o hidrolisado do dito reator; pelo menos duas entradas de solvente de extração para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extração para remoção de solvente de extração contendo ácido, em que a dita saída de descarga de solvente de extração está a jusante no dito trajeto de fluxo de pelo menos uma das entradas de solvente de extração e a montante no trajeto de fluxo da pelo menos outra das ditas entradas de solvente de extração.
O reator pode operar por bateladas ou, mais preferivelmente, de maneira contínua. Para operação contínua, tem convenientemente a forma de um conduto com orifícios de entrada de material celulósico e de ácido em uma extremidade e um orifício de saída de hidrolisado na outra. Nesse formato, está equipado, de preferência, com um acionamento de parafuso para mover a massa de reação da entrada para a saída, com um tempo de permanência suficiente para a reação de hidrólise tenha sido realizada. Pode-se usar um reator convencional.
Além do separador e da etapa de extração de solvente, os componentes de aparelho e as etapas de processo restantes para a conversão do material celulósico em álcool podem ser convencionais; entretanto, serão aqui descritas versões exemplificativas.
Além disso, deve-se notar que a realização da transformação de material celulósico em álcool pode ser dividida entre dois ou mais locais, por exemplo, com a produção de resíduo contendo oligossacarídeos em um local e a produção de álcool e extração em outro.
Assim, vista de um aspecto adicional, a invenção apresenta um processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por pelo menos duas entradas de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do
7/20 dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a remoção do dito solvente de extração do dito separador através da dita saída de descarga ocorre a jusante de pelo menos uma das ditas entradas de solvente de extração e a montante da pelo menos outra das ditas entradas de solvente de extração. Em um aspecto adicional, a invenção também apresenta um processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por pelo menos duas entradas de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas de modo que o tempo de fluxo da dita entrada de hidrolisado até a dita saída de descarga de solvente de extração seja de pelo menos 10 segundos.
Mais particularmente, o processo global compreende genericamente as seguintes etapas:
(i) hidrólise do material celulósico com um ácido aquoso para produzir um hidrolisado;
(ii) extração do ácido e água do hidrolisado com um solvente de extração, para fornecer (a) uma primeira solução ácida aquosa contendo o solvente de extração e (b) um resíduo contendo oligossacarídeos;
(iii) submissão do resíduo a uma reação de divagem de oligossacarídeos, para fornecer uma solução aquosa de açúcares fermentáveis;
(iv) fermentação dos açúcares fermentáveis e destilação de álcool da mistura fermentada resultante;
(v) evaporação do solvente de extração da primeira solução, para fornecer (a) uma segunda solução ácida aquosa e (b) solvente de extra8/20 ção gasoso;
(vi) opcionalmente, mas de preferência, condensação do solvente de extração gasoso para reciclagem e, opcionalmente, mas de preferência, (vii) concentração da segunda solução ácida aquosa para reciclagem.
A etapa de extração, etapa (ii), pode ser efetuada sob pressão ambiente ou elevada, por exemplo, de 100 a 1.000 kPa (1 a 10 bar), de preferência de 100 a 600 kPa (1 a 6 bar). Em geral, é efetuada a temperatura elevada, por exemplo, de 30 a 70°C, de preferência de 40 a 60°C, particularmente de 50 a 55°C. De preferência, a etapa de extração é realizada a uma temperatura com uma diferença de até 15°C com relação à da etapa (i), particularmente de até 10°C, e a uma pressão com uma diferença de até 100 kPa (1 bar) com relação à da etapa (i), particularmente de até 50 kPa (0,5 bar).
A etapa de evaporação, etapa (v), também pode ser realizada à pressão ambiente ou elevada, por exemplo, de até 800 kPa (8 bar), de preferência de 100 a 500 kPa (1 a 5 bar), e a uma temperatura de 25 a 60°C, de preferência de 40 a 55°C. Entretanto, a combinação de temperatura e pressão será uma em que o solvente de extração seja gasoso. De preferência, a etapa de evaporação é realizada a uma temperatura com uma diferença de até 15°C com relação à da etapa (ii), particularmente de até 10°C. Da mesma forma, a etapa de evaporação é realizada, de preferência, a uma pressão com uma diferença de até 500 kPa (5 bar) com relação à da etapa (ii), particularmente de até 300 kPa (3 bar). Assim, é preferível realizar a etapa (ii) sob pressão elevada, e a etapa (v) sob uma pressão menor.
A etapa de condensação, etapa (vi), é efetuada, de preferência, a uma temperatura na faixa de 0 a 60°C, particularmente de 20 a 55°C, e à pressão ambiente ou elevada, por exemplo, até 1.000 kPa (10 bar), particuiarmente até 600 kPa (6 bar). Entretanto, a combinação de temperatura e pressão deve ser uma em que o solvente de extração seja líquido. De preferência, a etapa de condensação é efetuada a uma temperatura com uma
9/20 diferença de até 15°C com relação à da etapa (ii), particularmente de até 10°C, e a uma pressão com uma diferença de até 100 kPa (1 bar) com relação à da etapa (ii), particularmente de até 50 kPa (0,5 bar). O resfriamento para efetuar a condensação é efetuado, de preferência, usando-se água do ambiente local, por exemplo, de um rio, um lago ou, particularmente, do mar.
O solvente de extração condensado fornecido pela etapa (vi) pode, evidentemente, conter água; entretanto, o teor de água em geral não será tão alto que impeça a precipitação de oligossacarídeos na etapa (ii). Caso desejado, o solvente de extração reciclado pode ser combinação com solvente de extração fresco para a etapa (ii).
O solvente de extração pode ser um único composto solvente ou uma combinação de pelo menos dois compostos. Os compostos serão tipicamente solventes orgânicos pelo menos parcialmente miscíveis com água, convenientemente solventes selecionados de alcoóis, éteres e cetonas com até oito carbonos por molécula; entretanto, podem-se usar outros solventes orgânicos pelo menos parcialmente miscíveis com água. De preferência, os compostos não são aqueles que sejam altamente tóxicos para leveduras ou bactérias, pois parte do solvente de extração pode ser transportada para a etapa de fermentação. Exemplos de compostos preferidos incluem metil etil cetona, acetona, metanol, etanol, n-propanol e isopropanol.
O ácido usado no processo da invenção pode ser qualquer ácido forte, mas em geral será um ácido inorgânico, como ácido fosfórico ou sulfúrico. Prefere-se o uso de ácido sulfúrico; o uso de ácido clorídrico em geral não é preferido. O uso de uma mistura de ácidos sulfúrico e fosfórico, por exemplo, em uma razão em volume de 1:1 a 4:1, particularmente uma razão em volume de cerca de 2:1, é particularmente preferido.
A solução ácida contactada com o material de partida celulósico corresponde, de preferência, a uma razão em peso de ácido:água de 1:1 a 4:1, particularmente de cerca de 3:1. Podem-se usar soluções ácidas com os pHs convencionalmente usados na hidrólise com ácidos fortes de materiais celulósicos. Deve-se notar que o ácido e a água podem ser adicionados separadamente, ou que o ácido inicial adicionado pode ser diluído ou concen10/20 trado para fornecer o equilíbrio ácido:água desejado.
A hidrólise ácida pode ser realizada de maneira convencional. Tipicamente, a hidrólise, que é exotérmica, será realizada em base contínua, sob resfriamento, por exemplo, resfriamento com água, para manter a mistura de hidrólise de 50 a 55°C. A razão de solução ácida:material celulósico é tipicamente de 2:1 a 4:1 em peso, e a duração da hidrólise será genericamente de 1 a 4, particularmente de cerca de 2, horas. Dessa maneira, a celulose é degradada para produzir oligossacarídeos que possam ser precipitados pelo solvente de extração para fornecer uma suspensão de iignina/açúcares.
O resíduo de suspensão do separador pode ser lavado com solvente de extração, caso desejado, pode ser drenado de líquidos, caso desejado, e pode ser secado, caso desejado. Alternativamente, pode ser usado diretamente para a etapa de clivagem de oligossacarídeos após a adição de água para pôr os açúcares em solução. A reação de clivagem de oligossacarídeos pode ser enzimaticamente efetuada ou, alternativamente de preferência, por hidrólise ácida. Na prática, o resíduo de ácido retido na suspensão não lavada é adequado para que a clivagem de oligossacarídeos proceda mediante essa segunda etapa de hidrólise ácida. Alternativamente, pode-se adicionar mais ácido, por exemplo, para levar o teor de ácido da solução de açúcar até cerca de 0,1 a 5% em peso, particularmente de 0,5 a 2% em peso, particularmente 1% em peso. A adição de um excesso de ácido é indesejável, pois, após uma segunda hidrólise ácida, o hidrolisado resultante tem de ser neutralizado a um pH adequado para os micro-organismos responsáveis pela fermentação (em geral, leveduras). Essa segunda hidrólise pode ser efetuada sob condições convencionais para hidrólise ácida fraca de oligossacarídeos, por exemplo, uma temperatura de cerca de 140°C, uma pressão de 500 - 600 kPa (5-6 bar) e uma duração de cerca de duas horas.
Antes da fermentação, os açúcares fermentáveis em solução aquosa são, de preferência, filtrados para recuperar qualquer lignina. Ela é, de preferência, lavada para recuperar quaisquer açúcares carreados para fermentação e comprimida para uso como um combustível, por exemplo,
11/20 para fornecer energia para uma ou mais das etapas no processo global de produção de álcool.
O material celulósico bruto pode ser qualquer material celulósico conveniente, por exemplo, grama, palha, madeira (por exemplo, serragem ou aparas de madeira), papel, palha de milho e outros. O uso de palha de arroz é particularmente preferido.
Quando o material celulósico bruto é palha de arroz, a mistura de lignina/açúcares conterá partículas finas de sílica. Essas podem ser recuperadas por filtração, por exemplo, usando-se malhas de diferentes tamanhos para lignina e sílica, ou podem ser recuperadas do resíduo da combustão da lignina. Essas partículas de sílica são úteis, por exemplo, como aditivos de tintas, auxiliares para a compressão de substâncias farmacêuticas ou veículos para catalisadores (por exemplo, para a polimerização de olefinas), e sua coleta e uso formam aspectos adicionais da presente invenção.
O micro-organismo usado na etapa de fermentação pode ser qualquer micro-organismo capaz de converter açúcares fermentáveis em álcool, por exemplo, levedo de cerveja. De preferência, entretanto, usa-se uma levedura ou mistura de leveduras que possa transformar as pentoses fornecidas pela hidrólise da holocelulose, assim como as hexoses fornecidas pela hidrólise da celulose. Essas leveduras são comercialmente disponíveis. Quando a fermentação é realizada usando-se micro-organismos diferentes do levedo de cerveja (por exemplo, C. beijerinckii BA101), podem-se produzir alcoóis diferentes do etanol, em particular butanol, e esses também podem ser usados como biocombustíveis. A invenção cobre a produção desses outros alcoóis.
Pode-se realizar a destilação de maneira convencional.
Os açúcares produzidos usando-se a invenção podem ser fermentados ou respirados por fermento de pão ou outras leveduras para fornecer muitos compostos biológicos produzidos diferentes, como glicerol, acetona, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido butírico, ácido lático, ácido acético), hidrogênio, metano, biopolímeros, proteína de célula única (SCP), antibióticos e outras substâncias farmacêuticas. Proteínas, enzimas ou ou12/20 tros compostos específicos também poderíam ser extraídos de células cultivadas com os açúcares. Além disso, os açúcares podem ser transformados em produtos finais desejados por meios químicos e físicos, em vez de biológicos, por exemplo, ebulição em refluxo de xilose para fornecer furfural. A invenção, portanto, também cobre a produção de todos esses outros compostos produzidos, além de alcoóis.
O aparelho usado nos processos da invenção tipicamente compreende: um reator de hidrólise; um primeiro separador instalado para receber o hidrolisado do dito reator e para descarregar uma suspensão de oligossacarídeos; um segundo separador instalado para receber uma mistura de solvente de extração/água do dito primeiro separador e para descarregar uma solução ácida aquosa; um reservatório de ácido instalado para suprir ácido ao dito reator; um reservatório de solvente de extração instalado para suprir um solvente de extração orgânico ao dito primeiro separador; e um condensador instalado para receber o dito solvente de extração gasoso do dito segundo separador e para descarregar o dito solvente de extração em forma líquida para reciclagem.
O aparelho também compreende, de preferência, componentes para reciclagem do ácido e do solvente de extração e para alimentar material celulósico ao reator. Convenientemente, também compreende componentes para a manipulação a jusante da suspensão de oligossacarídeos, por exemplo, reatores de hidrólise adicionais, reservatórios para uma base para neutralizar o ácido residual, fermentadores e unidades de destilação.
Para permitir uma operação contínua do processo quando as etapas individuais são realizadas por bateladas, as unidades individuais dentro do aparelho podem ser duplicadas, isto é, com essas unidades em paralelo, de modo que uma possa estar em operação, enquanto a outra está sendo carregada/descarregada. Esse é particularmente o caso para as etapas de segunda hidrólise ácida, fermentação, destilação e separação de lignina.
A recuperação de oligossacarídeos também pode ser aumentada por dois processos alternativos que formam aspectos adicionais da pre13/20 sente invenção. Em um primeiro desses aspectos, a invenção apresenta um processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas acima da dita entrada de solvente de extração, a dita entrada de hidrolisado está posicionada na ou abaixo da dita saída de descarga de solvente de extração, e o dito separador tem uma área de seção transversal interna na dita entrada de hidrolisado ou entre a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração que é maior que a média entre a dita entrada de solvente de extração e a dita saída de descarga de solvente de extração. No segundo desses dois aspectos adicionais, a invenção apresenta um processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado está posicionada no dito separador abaixo de pelo menos 10% do trajeto de fluxo do solvente de extração da dita entrada de solvente de extração até a dita saída de descarga de solvente de extração. Nesse contexto, porcentagem do trajeto de fluxo significa uma porcentagem de tempo. Isso pode ser teoricamente calculado ou pode ser experimentalmente determinado usando-se um marcador, conforme acima discutido.
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Vista altemativamente, em um aspecto adicional, a invenção apresenta um processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas acima da dita entrada de solvente de extração, a dita entrada de hidrolisado está posicionada na ou abaixo da dita saída de descarga de solvente de extração, e o dito separador tem uma área de seção transversal interna na dita entrada de hidrolisado ou entre a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração que é maior que a média entre a dita entrada de solvente de extração e a dita saída de descarga de solvente de extração. Da mesma forma, em outro aspecto, a invenção apresenta um processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, em que o dito material celulósico é submetido a hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado está posicionada no dito separador abaixo de pelo menos 10% do trajeto de fluxo do solvente de extração da dita entrada de solvente de extração até a dita saída de descarga de solvente de extração.
O próprio aparelho utilizável para realizar esses dois aspectos adicionais da invenção forma aspectos adicionais da invenção. Assim, vista
15/20 de outro aspecto, a invenção apresenta um aparelho para a produção de oligossacarídeos a partir de um material celulósico, o dito aparelho compreendendo um reator de hidrólise ácida e um separador com um trajeto de fluxo de oligossacarídeos através dele, o dito separador possuindo: uma entrada de hidrolisado instalada para receber hidrolisado do dito reator; uma entrada de solvente de extração para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extração para remoção de solvente de extração contendo ácido, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas acima da dita entrada de solvente de extração, a dita entrada de hidrolisado está posicionada na ou abaixo da dita saída de descarga de solvente de extração, e o dito separador tem uma área de seção transversal interna na dita entrada de hidrolisado ou entre a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração que é maior que a média entre a dita entrada de solvente de extração e a dita saída de descarga de solvente de extração. Vista ainda de outro aspecto acionai, a invenção apresenta um aparelho para a produção de oligossacarídeos a partir de um material celulósico, o dito aparelho compreendendo um reator de hidrólise ácida e um separador com um trajeto de fluxo de oligossacarídeos através dele, o dito separador possuindo: uma entrada de hidrolisado instalada para receber hidrolisado do dito reator; uma entrada de solvente de extração para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extração para remoção de solvente de extração contendo ácido, em que a entrada de hidrolisado está posicionada no dito separador abaixo de pelo menos 10% do trajeto de fluxo do solvente de extração da dita entrada de solvente de extração até a dita saída de descarga de solvente de extração.
No primeiro desses dois aspectos adicionais, o efeito do separador de área de seção transversal não uniforme é o de criar uma região de velocidade de fluxo reduzida para o solvente de extração na entrada de hi16/20 drolisado ou entre esta e a saída de solvente. Dessa maneira, deixa-se que as partículas de sacarídeos cresçam até um nível em que a gravidade impeça que sejam carreadas com o solvente ao sair do separador. Essa seção transversal não uniforme pode ser conseguida de inúmeras maneiras, por exemplo, dando-se ao separador um formato cônico invertido ou instalando uma extensão lateral para a qual se abra a entrada de hidrolisado. Entretanto, é particularmente preferido fazer isso dando ao separador a forma de dois cilindros coaxiais unidos, com o superior possuindo um diâmetro maior, em geral, qualquer redução da taxa de fluxo do solvente de extração das proximidades da entrada de hidrolisado até a saída de solvente aumentará a recuperação de sacarídeos; entretanto, a redução da taxa de fluxo com relação à taxa de fluxo média da entrada de solvente até a saída de solvente é, de preferência, de 10 a 90%, particularmente de 30 a 80%.
No segundo dos dois aspectos adicionais, a entrada de solvente está, de preferência, próxima à base do separador (por exemplo, até 10% do comprimento do separador), e a saída de solvente está, de preferência, no ou próximo ao topo do separador, com a entrada de hidrolisado estando em até 50 a 95%, particularmente 65 a 85%, do comprimento do separador a partir de sua base. Caso desejado, os vários aspectos diferentes da invenção podem ser combinados, por exemplo, com a entrada de hidrolisado a uma certa altura do separador na, próximo à ou abaixo da região de velocidade de fluxo reduzida do solvente.
Para esses dois aspectos adicionais, as características do processo e do aparelho anteriormente descritas com relação ao primeiro aspecto podem ser usadas sempre que compatíveis.
Quando desejado, o separador pode compreender mais de um recipiente e, em uma modalidade particularmente preferida, o hidrolisado e o solvente de extração aquoso ácido são alimentados a um primeiro recipiente separador, o solvente de extração aquoso ácido é descarregado desse primeiro recipiente para recuperação do solvente de extração, e o hidrolisado contendo partículas é alimentado por esse primeiro recipiente separador a um segundo recipiente separador, ao qual também se alimenta solvente de
17/20 extração. Desse segundo recipiente, o solvente de extração aquoso ácido é alimentado ao primeiro recipiente, e os sólidos contendo lignina são descarregados. Nesse formato, o primeiro recipiente, que tem, de preferência, um diâmetro maior que o do segundo e que contém, de preferência, um agitador ou outro meio de misturação de fluidos, funciona eficazmente como um primeiro tanque de sedimentação. Caso desejado, os sólidos que sedimentam nesse primeiro recipiente podem ser removidos diretamente, em vez de serem enviados para o segundo recipiente separador.
Modalidades da invenção serão agora adicionalmente descritas com referência aos seguintes Exemplos não limitativos e desenhos anexos, em que:
a figura 1 é um diagrama esquemático de um aparelho de acordo com a invenção;
a figura 2 é um diagrama esquemático de um separador de coluna dupla utilizável para um primeiro processo da invenção;
a figura 3 é um diagrama esquemático de um separador de diâmetro não uniforme utilizável para um processo adicional da invenção;
a figura 4 é um diagrama esquemático de um separador adicional utilizável para um processo da invenção; e a figura 5 é um diagrama esquemático de um separador de diâmetro não uniforme adicional utilizável para um processo adicional da invenção.
Com referência à figura 1, mostra-se um aparelho 1 para a conversão de polpa de madeira em etanol. Palha de arroz 2 é alimentada pela tremonha 3 a um reator de hidrólise 4 contendo um parafuso rotativo operado para assegurar um tempo de permanência para a palha de arroz dentro do reator de cerca de duas horas. O reator possui uma camisa de resfriamento com água para manter a mistura de hidrólise a cerca de 50 - 55°C. Os ácidos sulfúrico e fosfórico e água, em uma razão em peso de 2:1:1, são alimentados ao reator 4 pelos reservatórios 5 e 6, linha de alimentação de água 7 e reservatório de reciclagem de ácido 23. O hidrolisado do reator 4 é alimentado ao topo de uma primeira coluna de separação 8 e pela saída 14
18/20 na base da primeira coluna 8 ao topo de uma segunda coluna de separação em contrafluxo 9, que tem placas internas 10 para retardar o fluxo através dela. Na base da coluna 9, introduz-se um solvente de extração orgânico, por exemplo, metil etil cetona, do reservatório 59. Dentro da coluna 9, a água e o ácido são recolhidos pelo solvente de extração, e a lignina e os oligossacarídeos precipitados são enviados da base da coluna para uma unidade de filtração contínua 61. A mistura de ácido/água/solvente de extração é descarregada do topo da coluna 9 e alimentada ao topo da primeira coluna de separação 8, que está equipada com um misturador 52. A base da coluna 8 tem uma câmara 13 com uma saída 14 em sua base e uma saída de descarga adicional 15 em seu topo, pela qual o solvente de extração é removido para ser enviado a uma terceira coluna de separação 16.
O resíduo sólido da unidade de filtração 61 é enviado para um secador 62, e a mistura de lignina/oligossacarídeos seca é, então, dissolvida em água e enviada para um segundo reator de hidrólise 63. O líquido da unidade de filtração 61 é enviado para a coluna de separação 16.
No segundo reator 63, efetua-se uma hidrólise ácida adicional a 140°C durante duas horas a 500 - 600 kPa (5-6 bar). O hidrolisado é filtrado na unidade de filtração 64 para remover lignina (que é comprimida e queimada para fornecer energia para o aparelho todo). A solução restante de açúcares fermentáveis é neutralizada com carbonato de cálcio na unidade de neutralização 65 antes de ser enviada para a unidade de fermentação 66, onde se adiciona levedo de cerveja, e se deixa que a fermentação ocorra. A mistura fermentada é, então, alimentada à unidade de destilação 67, onde o etanol é destilado pela linha 68.
O ácido/água/solvente de extração na coluna de separação 16 é despressurizado para fazer com que o solvente de extração evapore. O solvente de extração gasoso é levado da coluna de separação 16 para um condensador 20, onde a pressão é suficientemente aumentada para liquefazer o solvente de extração, e o solvente de extração líquido é reciclado pela linha 21 para o reservatório 59. O ácido aquoso restante é alimentado da coluna de separação 16 para a unidade de evaporador 22, onde a água é removida
19/20 sob vácuo. O ácido restante, contendo algum açúcar dissolvido, é reciclado para o reservatório 23.
Com referência à figura 2, mostra em maiores detalhes o separador mostrado na figura 1, incluindo as bombas 28 e 29 usadas para transferir hidrolisado e a bomba 30 usada para injetar solvente de extração.
Com referência à figura 3, mostra-se um separador 31 com a entrada de hidrolisado 32, entrada de solvente de extração 33, saída de descarga de solvente de extração 34 e saída de descarga de resíduo 35. O separador tem a forma de dois cilindros verticais unidos 36 e 37, dos quais o mais alto tem um diâmetro maior para reduzir a velocidade de fluxo do solvente antes de ser atingida a saída de solvente. Dentro do separador, há placas 10 instaladas, como na figura 1.
Com referência à figura 4, mostra-se um separador 38 com a entrada de hidrolisado 39, entrada de solvente de extração 40, saída de descarga de solvente de extração 41 e saída de descarga de resíduo 42. O separador é genericamente cilíndrico, com a entrada de hidrolisado posicionada suficientemente mais baixa que a saída de solvente, para permitir que ocorra o crescimento de partículas de sacarídeos e que ocorra a precipitação de sacarídeos na zona entre a entrada de hidrolisado e a saída de solvente. Dentro do separador, há placas 10 instaladas como na figura 1.
Com referência à figura 5, mostra-se um separador 43 compreendendo um tanque de sedimentação 44 e uma coluna separadora 45, o primeiro equipado com um agitador 46, e a segunda com placas 47. O tanque de sedimentação 44 recebe hidrolisado através da entrada de hidrolisado 48 e solvente de extração de ácido aquoso da coluna separadora pelo conduto 49. O hidrolisado e o solvente de extração são misturador pelo agitador 46, causando alguma precipitação de sólidos. Os sólidos e o hidrolisado são transferidos do tanque de sedimentação 44 pelo conduto 50 usandose a bomba 51. Solvente de extração fresco (ou reciclado) é alimentado à base da coluna 45 através da entrada 52, e o solvente de extração aquoso ácido é descarregado do topo da coluna 45 pelo conduto 49 no tanque de sedimentação 44, de onde o solvente de extração aquoso ácido é descarre20/20 gado pela saída 53 para recuperação do solvente de extração. Os sólidos, isto é, açúcares e lignina, são descarregados da base da coluna 45 pela saída 54.
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Claims (12)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que o dito solvente de extração é introduzido no dito separador por pelo menos duas entradas de solvente de extração e a remoção do dito solvente de extração contendo ácido a partir do dito separador pela dita saída de descarga ocorre a jusante de pelo menos uma da dita entrada de solvente de extração e a montante da pelo menos outra da dita entrada de solvente de extração.
  2. 2. Processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico usando o processo, como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda submeter o resíduo contendo oligossacarídeo a uma reação de divagem de oligossacarídeo para fornecer uma solução aquosa de açúcares fermentáveis, e fermentar os açúcares fermentáveis para produzir álcool.
  3. 3. Aparelho para produção de oligossacarídeos a partir de material celulósico, caracterizado pelo fato de que compreende um reator de hidrólise ácida (4) e um separador (8, 9, 31, 38) com um trajeto de fluxo de oligossacarídeos através dele, o dito separador (8, 9, 31, 38) possuindo: uma entrada de hidrolisado (28, 32) instalada para receber o hidrolisado do dito reator (4); uma entrada de solvente de extração para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo (35) para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extração (15, 34) para remoção de solvente de extração contendo ácido, em que o dito separador (8, 9, 31, 38) tem pelo menos duas entradas
    2/5 de solvente de extração para introdução do dito solvente de extração e, em que a dita saída de descarga de solvente de extração (15, 34) está a jusante no dito trajeto de fluxo de pelo menos uma da dita entrada de solvente de extração e a montante no trajeto de fluxo da pelo menos outra da dita entrada de solvente de extração.
  4. 4. Processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que o dito solvente de extração é introduzido no dito separador por pelo menos duas entradas de solvente de extração e a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas de modo que o tempo de fluxo da dita entrada de hidrolisado até a dita saída de descarga de solvente de extração seja de pelo menos 10 segundos.
  5. 5. Processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de material celulósico, caracterizado pelo fato de que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas de modo que o tempo de fluxo da dita entrada de hidrolisado até a dita saída de descarga de solvente de extração seja de pelo menos 10 segundos.
    3/5
  6. 6. Processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico usando o processo, como definido na reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda submeter o resíduo contendo oligossacarídeo a uma reação de divagem de oligossacarídeo para fornecer uma solução aquosa de açúcares fermentáveis, e fermentar os açúcares fermentáveis para produzir álcool.
  7. 7. Processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração estão posicionadas acima da dita entrada de solvente de extração, a dita entrada de hidrolisado está posicionada na ou abaixo da dita saída de descarga de solvente de extração, e o dito separador tem uma área de seção transversal interna que é maior na dita entrada de hidrolisado ou entre a dita entrada de hidrolisado e a dita saída de descarga de solvente de extração do que a média entre a dita entrada de solvente de extração e a dita saída de descarga de solvente de extração.
  8. 8. Processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico usando o processo, como definido na reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda submeter o resíduo contendo oligossacarídeo a uma reação de divagem de oligossacarídeo para fornecer uma solução aquosa de açúcares fermentáveis, e fermentar os açúcares fermentáveis para produzir álcool.
  9. 9. Aparelho para a produção de oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que compreende um reator de hidrólise ácida (4) e um separador (31) com um trajeto de fluxo de oligossa4/5 carídeos através dele, o dito separador (31) possuindo: uma entrada de hidrolisado (32) instalada para receber hidrolisado do dito reator (4); uma entrada de solvente de extração (33) para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo (35) para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extração (34) para remoção do solvente de extração contendo ácido, em que a dita entrada de hidrolisado (32) e a dita saída de descarga de solvente de extração (34) estão posicionadas acima da dita entrada de solvente de extração (33), a dita entrada de hidrolisado (32) está posicionada na ou abaixo da dita saída de descarga de solvente de extração (34), e o dito separador (31) tem uma área de seção transversal interna que é maior na dita entrada de hidrolisado (32) ou entre a dita entrada de hidrolisado (32) e a dita saída de descarga de solvente de extração (34) do que a média entre a dita entrada de solvente de extração (33) e a dita saída de descarga de solvente de extração (34).
  10. 10. Processo para a produção de um resíduo contendo oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que o dito material celulósico é submetido à hidrólise ácida para fornecer um hidrolisado aquoso, o dito hidrolisado é introduzido em um separador por uma entrada de hidrolisado, um solvente de extração é introduzido no dito separador por uma entrada de solvente de extração, um resíduo contendo oligossacarídeos é removido do dito separador por uma saída de descarga de resíduo, e o solvente de extração contendo ácido é removido do dito separador por uma saída de descarga de solvente de extração, em que a dita entrada de hidrolisado está posicionada no dito separador abaixo de pelo menos 10% do trajeto de fluxo do solvente de extração da dita entrada de solvente de extração até a dita saída de descarga de solvente de extração.
  11. 11. Processo para a produção de álcool a partir de um material celulósico usando o processo, como definido na reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda submeter o resíduo contendo oligossacarídeo a uma reação de divagem de oligossacarídeo para fornecer uma solução aquosa de açúcares fermentáveis, e fermentar os açúcares
    5/5 fermentáveis para produzir álcool.
  12. 12. Aparelho para a produção de oligossacarídeos a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que compreende um reator de hidrólise ácida (4) e um separador (38) com um trajeto de fluxo de oligossa5 carídeos através dele, o dito separador (38) possuindo; uma entrada de hidrolisado (39) instalada para receber hidrolisado do dito reator (4); uma entrada de solvente de extração (40) para introdução de um solvente de extração; uma saída de descarga de resíduo (42) para remoção de um resíduo contendo oligossacarídeos; e uma saída de descarga de solvente de extrato ção (41) para remoção do solvente de extração contendo ácido, em que a dita entrada de hidrolisado (39) está posicionada no dito separador (38) abaixo de pelo menos 10% do trajeto de fluxo do solvente de extração da dita entrada de solvente de extração (40) até a dita saída de descarga de solvente de extração (41).
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