IT201600121963A1 - CELLULOSE SACCARIFICATION, PROCEDURE OF FRACTION OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS AND PROCEDURE OF CELLULOSE HYDROLYSIS - Google Patents

CELLULOSE SACCARIFICATION, PROCEDURE OF FRACTION OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS AND PROCEDURE OF CELLULOSE HYDROLYSIS

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IT201600121963A1
IT201600121963A1 IT102016000121963A IT201600121963A IT201600121963A1 IT 201600121963 A1 IT201600121963 A1 IT 201600121963A1 IT 102016000121963 A IT102016000121963 A IT 102016000121963A IT 201600121963 A IT201600121963 A IT 201600121963A IT 201600121963 A1 IT201600121963 A1 IT 201600121963A1
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Stefano Cavalli
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Description

TITOLO: SACCARIFICAZIONE DI CELLULOSA, PROCEDIMENTO DI FRAZIONAMENTO DI BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA E PROCEDIMENTO DI IDROLISI DI CELLULOSA TITLE: CELLULOSE SACCARIFICATION, LIGNOCELLULOSIC BIOMASS FRACTION PROCESS AND CELLULOSE HYDROLYSIS PROCEDURE

CAMPO DELLA TECNICA FIELD OF TECHNIQUE

L’invenzione riguarda la produzione di zuccheri di base (glucosio) che trovano applicazione, per esempio, nella fermentazione e produzione di (bio)etanolo, per la sintesi di prodotti chimici e per la polimerizzazione e produzione di fibre. L’invenzione riguarda in particolare l’isolamento di cellulosa da materiale lignocellulosico tramite un procedimento di frazionamento e propone un procedimento di idrolisi della cellulosa così isolata. Nella loro combinazione i due procedimenti permettono la saccarificazione di materiale lignocellulosico. The invention concerns the production of basic sugars (glucose) which find application, for example, in the fermentation and production of (bio) ethanol, for the synthesis of chemicals and for the polymerization and production of fibers. The invention relates in particular to the isolation of cellulose from lignocellulosic material through a fractionation process and proposes a process of hydrolysis of the cellulose thus isolated. In their combination, the two processes allow the saccharification of lignocellulosic material.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Materiali cellulosici esistono in una grande varietà in natura. Un tale materiale noto naturale è, per esempio, il legno. È essenzialmente composto di cellulosa (un materiale composto essenzialmente di glucosio), emicellulosa (un materiale prevalentemente composto da pentosi ed esosi) e lignina (una sostanza polimerica con anelli aromatici con gruppi metossilici). L’utilizzo di legno avviene, per esempio, per la produzione di calore, come materiale costruttivo, per la produzione di carta, ma è possibile anche un utilizzo puramente chimico. Metodi chimici che separano i suddetti componenti del legno e che trasformano la cellulosa in glucosio sono noti da tempo, ma presentano diversi svantaggi. Due principi tradizionali sono il trattamento con acidi concentrati e il trattamento con acido diluito. Nel primo caso si riscontrano grandi perdite di glucosio, e nel secondo caso l’estrazione della cellulosa è incompleta. Metodi enzimatici o microbiologici portano spesso direttamente a etanolo senza la possibilità di isolare il glucosio, oppure chiedono l’impiego di microorganismi o enzimi differenti. Cellulosic materials exist in a great variety in nature. One such known natural material is, for example, wood. It is essentially composed of cellulose (a material composed essentially of glucose), hemicellulose (a material mainly composed of pentoses and hexoses) and lignin (a polymeric substance with aromatic rings with methoxyl groups). The use of wood occurs, for example, for the production of heat, as a construction material, for the production of paper, but a purely chemical use is also possible. Chemical methods that separate the aforementioned wood components and transform cellulose into glucose have long been known, but have several disadvantages. Two traditional principles are concentrated acid treatment and dilute acid treatment. In the first case there are large losses of glucose, and in the second case the extraction of the cellulose is incomplete. Enzymatic or microbiological methods often lead directly to ethanol without the possibility of isolating glucose, or require the use of different microorganisms or enzymes.

La frazione cellulosica, oltre a essere depolimerizzata al fine di renderla più aggredibile dal processo di idrolisi per la trasformazione in monomeri di glucosio, deve ovviamente essere separata dell’involucro di emicellulosa-lignina, in modo da aumentare la superficie accessibile per la trasformazione in zuccheri. Inoltre deve essere parzialmente destrutturata in un relativo pretrattamento. Diversi metodi di pretrattamento atti a ovviare questo problema si possono trovare nella letteratura scientifica o già applicati industrialmente. Essi comprendono: la fresatura (milling), irradiazioni, trattamenti a microonde, esplosione di vapore (steam explosion), esplosione di fibre di ammonio (ammonia fiber explosion, AFEX), l’uso di CO2supercritica e la sua esplosione, idrolisi alcalina, un trattamento con acqua liquida calda (liquid hot water LHW), l’impiego di solventi organici, l’ossidazione umida, ozonolisi, l’idrolisi con acido diluito o concentrato e pretrattamenti biologici. Tutti questi procedimenti non sono soddisfacenti dal punto di vista del frazionamento del legno, della resa in cellulosa o in gucosio, dell’aspetto economico-ambientale che tiene conto della valorizzazione di tutte le parti della biomassa, come sottoprodotti e scarti alimentari. The cellulosic fraction, in addition to being depolymerized in order to make it more attackable by the hydrolysis process for the transformation into glucose monomers, must obviously be separated from the hemicellulose-lignin envelope, in order to increase the accessible surface for the transformation into sugars. . Furthermore, it must be partially destructured in a corresponding pre-treatment. Different pretreatment methods aimed at obviating this problem can be found in the scientific literature or already applied industrially. They include: milling, irradiation, microwave treatments, steam explosion, ammonium fiber explosion (AFEX), the use of supercritical CO2 and its explosion, alkaline hydrolysis, a treatment with liquid hot water LHW, the use of organic solvents, wet oxidation, ozonolysis, hydrolysis with dilute or concentrated acid and biological pretreatments. All these procedures are unsatisfactory from the point of view of the splitting of wood, the yield in cellulose or gucose, the economic and environmental aspect that takes into account the enhancement of all parts of the biomass, such as by-products and food waste.

Attualmente, per la produzione di biocarburanti, prodotti farmaceutici e cosmetici, polimeri e pigmenti, l’industria chimica utilizza prodotti di base dell’industria agroalimentare (zuccheri, amidi, fibre ecc.) che sono però competitivi anche nel mercato Food e Feed. C’è una concreta necessità di sviluppare nuove tecnologie per la produzione di polimeri, biocarburanti e prodotti farmaceutici e cosmetici, che valorizzino al meglio gli scarti non commestibili dell’industria agroalimentare, in termini sia ambientali che economici. L’attuale produzione di bioetanolo utilizza una tecnologia basata sull’idrolisi enzimatica. Pur essendo la tecnologia più sostenibile essa presenta forti limiti: lunghi tempi di reazione, produzione discontinua, perdita di carboidrati e formazione di inibitori per la crescita enzimatica, dovuti all’incompatibilità del processo enzimatico con il trattamento della lignocellulosa, la cui struttura compatta rende impegnativo il processo di solubilizzazione e idrolisi enzimatica. Currently, for the production of biofuels, pharmaceutical and cosmetic products, polymers and pigments, the chemical industry uses basic products from the agri-food industry (sugars, starches, fibers, etc.) which are, however, also competitive in the Food and Feed market. There is a concrete need to develop new technologies for the production of polymers, biofuels and pharmaceutical and cosmetic products, which make the most of the inedible waste from the agri-food industry, in both environmental and economic terms. The current production of bioethanol uses a technology based on enzymatic hydrolysis. Although it is the most sustainable technology, it has strong limitations: long reaction times, discontinuous production, loss of carbohydrates and the formation of enzymatic growth inhibitors, due to the incompatibility of the enzymatic process with the treatment of lignocellulose, whose compact structure makes it challenging. the process of solubilization and enzymatic hydrolysis.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE EXHIBITION OF THE INVENTION

L’invenzione si pone lo scopo di proporre un procedimento adeguato che è in grado di produrre una cellulosa a elevata purezza già con un certo grado di decristallizzazione, in modo da rendere più facile il processo di formazione della cellulosa nanofibrillata o NFC (nanofibrillated cellulose) da materiale lignocellulosico, cioè da legno. Un ulteriore scopo è proporre un procedimento di frazionamento che permetta di estrarre dal materiale lignocellulosico, oltre alla cellulosa, anche l’emicellulosa e la lignina e separare quest’ultime dalla cellulosa prima della fase di idrolisi, in modo da aumentarne l’efficienza. Ulteriore scopo dell’invenzione è trovare un procedimento efficace ed economicamente sostenibile per la saccarificazione di materiali lignocellulosici provenienti da colture non alimentari o di scarto. The purpose of the invention is to propose an adequate process that is capable of producing a high purity cellulose already with a certain degree of decrystallization, so as to make the formation process of nanofibrillated cellulose or NFC (nanofibrillated cellulose) easier. from lignocellulosic material, i.e. from wood. A further purpose is to propose a fractionation process that allows the extraction of hemicellulose and lignin from the lignocellulosic material, in addition to cellulose, and separates the latter from the cellulose before the hydrolysis phase, in order to increase its efficiency. A further purpose of the invention is to find an effective and economically sustainable process for the saccharification of lignocellulosic materials from non-food or waste crops.

C’è una concreta necessità di sviluppare nuove tecnologie per la produzione dei suddetti prodotti che non siano in competizione con l’industria alimentare, e che valorizzino al meglio gli scarti non commestibili dell’industria agroalimentare, in termini sia ambientali che economici. Scopo ulteriore dell’invenzione è proporre procedimenti di frazionamento del legno e di idrolisi della cellulosa ricavata dal frazionamento che non ricorre all’utilizzo di enzimi. L’invenzione si pone poi l’obiettivo di proporre procedimenti di frazionamento e idrolisi che minimizzino la degenerazione a sostanze non sfruttabili o inibitorie dei processi di fermentazione alcolica e che contemporaneamente siano economicamente sostenibili, ossia veloci, scalabili e a basso impatto ambientale ed energetico, cioè tenendo conto dei seguenti fattori tecnologici: bilancio energetico, riciclo dei reagenti, corrosione, i fattori ambientali e il costo del capitale iniziale e di gestione. There is a concrete need to develop new technologies for the production of the aforementioned products that are not in competition with the food industry, and that make the most of the inedible waste of the agri-food industry, in both environmental and economic terms. A further purpose of the invention is to propose procedures for splitting wood and hydrolysis of cellulose obtained from splitting that does not resort to the use of enzymes. The invention then aims to propose fractionation and hydrolysis processes that minimize the degeneration to non-exploitable or inhibitory substances of alcoholic fermentation processes and that at the same time are economically sustainable, i.e. fast, scalable and with low environmental and energy impact, i.e. taking into account the following technological factors: energy balance, reagent recycling, corrosion, environmental factors and the cost of initial and operating capital.

Lo scopo viene raggiunto da un procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica che comprende le seguenti fasi: The purpose is achieved by a fractionation process of lignocellulosic biomass which includes the following phases:

(i) una delignificazione in ambiente basico della biomassa lignocellulosica; e (ii) un trattamento di bleaching con un ossidante in ambiente basico del solido risultante dalla fase (i). (i) a delignification of the lignocellulosic biomass in a basic environment; and (ii) a bleaching treatment with an oxidant in a basic environment of the solid resulting from step (i).

La combinazione delle fasi (i) e (ii) permette ottenere come fase solida la cellulosa, mentre lignina ed emicellulosa si trovano nelle fasi liquide prodotte durante la delignificazione e il bleaching. Inoltre, i processi proposti sono processi delicati che praticamente non risultano in una distruzione della cellulosa. The combination of phases (i) and (ii) allows to obtain cellulose as a solid phase, while lignin and hemicellulose are found in the liquid phases produced during delignification and bleaching. Furthermore, the proposed processes are delicate processes which practically do not result in a destruction of the cellulose.

Sostanze di partenza come biomassa lignocellulosica possono derivare, per esempio da scarti dell’agricoltura, da rifiuti forestali, segatura. Starting substances such as lignocellulosic biomass can derive, for example, from agricultural waste, forest waste, sawdust.

In una variante preferita dell’invenzione, la fase (i) comprende le seguenti fasi: In a preferred variant of the invention, step (i) includes the following steps:

(i-1) triturazione e opzionalmente vagliatura di biomassa lignocellulosica; (i-1) shredding and optionally screening of lignocellulosic biomass;

(i-2) sospensione della biomassa tritata in acqua e realizzazione di un ambiente basico, preferibilmente aggiungendo idrossido di sodio NaOH in una concentrazione da 1 a 3 % in peso, più preferibilmente una concentrazione di circa 3% in peso, per ottenere la delignificazione in ambiente basico; (i-2) suspension of the chopped biomass in water and making a basic environment, preferably by adding sodium hydroxide NaOH in a concentration of 1 to 3% by weight, more preferably a concentration of about 3% by weight, to obtain the delignification in a basic environment;

(i-3) separazione delle fasi solida e liquida ottenute nella fase (i-2), preferibilmente tramite filtrazione, ottenendo una prima fase solida e una prima fase liquida. (i-3) separation of the solid and liquid phases obtained in phase (i-2), preferably by filtration, obtaining a first solid phase and a first liquid phase.

Un tritato molto omogeneo (fase (i)) favorisce la cinetica di reazione nelle fasi successive. L’idrossido di sodio si è rivelato un reagente particolarmente idoneo per la fase di pretrattamento mirata all’isolamento di una cellulosa chimicamente purificata CPC (chemically purified cellulose). Altri reagenti basici idonei sono, per esempio, idrossidi o ossidi basici, in particolare idrossidi alcalini. A very homogeneous mince (phase (i)) favors the reaction kinetics in the subsequent phases. Sodium hydroxide has proved to be a particularly suitable reagent for the pre-treatment phase aimed at isolating a chemically purified cellulose CPC (chemically purified cellulose). Other suitable basic reagents are, for example, basic hydroxides or oxides, in particular alkali hydroxides.

La separazione in fase (i-3) può avvenire con altri metodi oltre alla filtrazione, come per esempio una centrifuga. La persona esperta del ramo trova con le sue conoscenza generali facilmente alternative alla filtrazione per separare il solido dal liquido. Phase separation (i-3) can take place by other methods besides filtration, such as a centrifuge. The person skilled in the art easily finds alternatives to filtration to separate the solid from the liquid with his general knowledge.

La delignificazione vantaggiosamente avviene a temperature > 50°C, preferibilmente a una temperatura attorno a 70°C. Come tempi di reazione sono spesso sufficienti 30 min, ma per completare il processo sono preferibili tempi di circa due ore. The delignification advantageously takes place at temperatures> 50 ° C, preferably at a temperature of around 70 ° C. Reaction times are often sufficient 30 minutes, but times of about two hours are preferable to complete the process.

In una variante molto vantaggiosa dell’invenzione, il primo solido della fase (i-3) viene sottoposto nella fase (ii) al trattamento di bleaching con un ossidante in ambiente basico in cui il primo solido viene disperso in una soluzione di perossido di idrogeno H2O2 in ambiente basico, preferibilmente alcalino, in cui la percentuale in peso del H2O2corrisponde a 1 – 2 % e il pH viene regolato a 11,0 a 11,6, preferibilmente a circa 11,5-11,6. Ipotizzabili sono altri ossidanti, come i perossoacidi organici (per esempio: acido peracetico), ma l’idrossido di idrogeno è particolarmente adatto anche per attivare la cellulosa con una parziale disgregazione in oligomeri che facilita successivamente la sua idrolisi. Il processo del bleaching dipende dal pH. Nel punto di pH ottimale di 11,5-11,6 si avrà la massima concentrazione dei radicali HO<·>. Il bleaching vantaggiosamente avviene a temperature > 50°C, preferibilmente a una temperatura attorno a 70°C. Come tempi di reazione sono spesso sufficienti 30 min, ma per completare il processo sono preferibili tempi di circa due ore. In caso di bleaching incompleto, lo stesso verrà ripetuto sul materiale non trasformato. In a very advantageous variant of the invention, the first solid of phase (i-3) is subjected in phase (ii) to the bleaching treatment with an oxidant in a basic environment in which the first solid is dispersed in a hydrogen peroxide solution H2O2 in a basic environment, preferably alkaline, in which the percentage by weight of the H2O2 corresponds to 1 - 2% and the pH is adjusted to 11.0 to 11.6, preferably to about 11.5-11.6. Other oxidants are conceivable, such as organic peroxo acids (for example: peracetic acid), but hydrogen hydroxide is also particularly suitable for activating cellulose with a partial breakdown into oligomers which subsequently facilitates its hydrolysis. The bleaching process depends on the pH. At the optimum pH point of 11.5-11.6 you will have the maximum concentration of the HO <·> radicals. Bleaching advantageously takes place at temperatures> 50 ° C, preferably at a temperature of around 70 ° C. Reaction times are often sufficient 30 minutes, but times of about two hours are preferable to complete the process. In case of incomplete bleaching, the same will be repeated on the untransformed material.

Mentre la delignificazione separa già gran parte della lignina dalla cellulosa, il bleaching separa l’emicellulosa dalla cellulosa e in più cambia la struttura cristallina della cellulosa e inizia a sfibrarla e spezzarla in catene corte. While delignification already separates a large part of the lignin from the cellulose, bleaching separates the hemicellulose from the cellulose and in addition changes the crystalline structure of the cellulose and begins to weaken it and break it into short chains.

Per trasformare la cellulosa in una forma idonea all’idrolisi, in una variante preferita dell’invenzione, la fase (ii) è seguita da una fase (iii) di separazione della miscela ottenuta nella fase (ii) in una seconda fase solida e una seconda fase liquida, e To transform the cellulose into a form suitable for hydrolysis, in a preferred variant of the invention, step (ii) is followed by a step (iii) of separating the mixture obtained in step (ii) into a second solid phase and a second liquid phase, e

da una fase (iv) in cui detto secondo solido viene trasformato tramite disgregazione, preferibilmente in una dispersione in acqua, in cellulosa nanofibrillata. by a step (iv) in which said second solid is transformed by disintegration, preferably in a dispersion in water, into nanofibrillated cellulose.

La cellulosa nanofibrillata, è caratterizzata da larghezze o diametri di fibra < 100 nm, solitamente tra 1 e 15 nm, spesso inferiori a 10 nm. Tali dimensioni possono essre determinati, per esempio con microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope) o altre tecniche di microscopia o diffrazione note all’esperto. Nano-fibrillated cellulose is characterized by fiber widths or diameters <100 nm, usually between 1 and 15 nm, often less than 10 nm. These dimensions can be determined, for example with a scanning electron microscope (SEM, Scanning Electron Microscope) or other microscopy or diffraction techniques known to the expert.

La disgregazione può avvenire con tanti tipi di disgregatori disponibili sul mercato, come per esempio frullatori, omogeneizzatori, disgregatori a ultrasuoni. Disruption can occur with many types of disrupters available on the market, such as blenders, homogenizers, ultrasonic disrupters.

Preferibilmente, la prima e/o la seconda fase liquida viene/vengono acidificata/e, preferibilmente a un pH < 2, più preferibilmente a un pH di circa 1,5, per provocare la precipitazione di lignina e la lignina viene separata, preferibilmente tramite centrifuga, rispettivamente da una terza e/o quarta fase liquida. La lignina trova applicazione nell’industria zoo-farmaceutica, come antibiotico naturale per polli o anche come combustibile. Preferably, the first and / or second liquid phase is / are acidified, preferably at a pH <2, more preferably at a pH of about 1.5, to cause precipitation of lignin and the lignin is separated, preferably by centrifuge, respectively from a third and / or fourth liquid phase. Lignin is used in the zoo-pharmaceutical industry, as a natural antibiotic for chickens or even as a fuel.

L’acidificazione avviene preferibilmente con acidi inorganici o minerali, preferibilmente con acido solforico H2SO4oppure acido cloridrico HCl. Acidification takes place preferably with inorganic or mineral acids, preferably with sulfuric acid H2SO4 or hydrochloric acid HCl.

Il recupero della lignina viene quindi condotto facendola precipitare in ambiente acido. Il pH è una variabile di grande influenza sulla precipitazione della lignina dal liquido nero prodotto dal processo alcalino. Si ha un aumento della massa della lignina precipitata diminuendo il pH sotto la neutralità, in particolare attorno a 1,5 si può vantaggiosamente ottenere un recupero quasi totale. Il recupero della lignina non è solo interessante dal punto di vista ambientale, ma anche da un punto di vista economico, perché può essere riutilizzato per ottenere diversi prodotti chimici di interesse commerciale. The recovery of the lignin is then carried out by causing it to precipitate in an acid environment. The pH is a variable of great influence on the precipitation of lignin from the black liquid produced by the alkaline process. There is an increase in the mass of the precipitated lignin by decreasing the pH below neutrality, in particular around 1.5, an almost total recovery can be advantageously obtained. The recovery of lignin is not only interesting from an environmental point of view, but also from an economic point of view, because it can be reused to obtain various chemical products of commercial interest.

Per integrare il frazionamento, in una variante preferita dell’invenzione, il pH della terza e/o della quarta fase liquida viene alzato, preferibilmente a circa 5,5, e viene aggiunto un solvente meno polare dell’acqua, preferibilmente etanolo, per far precipitare l’emicellulosa che opzionalmente viene separata. L’innalzamento del pH vantaggiosamente avviene con NaOH, ipotizzabili sono altre basi, come idrossidi, ossidi basici, in particolare idrossidi alcalini. È possibile utilizzare anche ammoniaca. Si ottiene così la terza componente del legno, l’emicellulosa che è un composto importante per la produzione di carta (rende la carta per esempio opaca) oppure come composto di base per la produzione di furfurali o furani dalle pentosi. Alternative all’etanolo sono altri tensioattivi neutri non ionici, come per esempio gli alcoli grassi. To integrate the fractionation, in a preferred variant of the invention, the pH of the third and / or fourth liquid phase is raised, preferably to about 5.5, and a less polar solvent than water, preferably ethanol, is added to make precipitate the hemicellulose which is optionally separated. The raising of the pH advantageously occurs with NaOH, other bases are conceivable, such as hydroxides, basic oxides, in particular alkaline hydroxides. Ammonia can also be used. The third component of wood is thus obtained, the hemicellulose which is an important compound for the production of paper (it makes the paper opaque for example) or as a basic compound for the production of furfurals or furans from pentoses. Alternatives to ethanol are other neutral non-ionic surfactants, such as fatty alcohols.

La cellulosa nanofibrillata, in particolare quella ottenuta secondo il procedimento di frazionamento secondo l’invenzione, può essere sottoposta a un’idrolisi. The nanofibrillated cellulose, in particular that obtained according to the fractionation process according to the invention, can be subjected to hydrolysis.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione riguarda un procedimento di idrolisi di cellulosa che comprende la fase di sospensione della cellulosa, preferibilmente la cellulosa nanofibrillata ottenuta secondo l’invenzione, insieme a un materiale solido insolubile in acqua contenente gruppi acidi, preferibilmente una resina a scambio ionico acida, in un solvente acquoso, preferibilmente acqua, che risulta nell’idrolisi della cellulosa trasformandosi in glucosio. L’uso di “acidi solidi”, come in particolare resine a scambio ionico, come resine a scambio ionico portatrici di protoni H<+>, permettono la catalisi dell’idrolisi su una grande superficie e localizzata in punti definiti sul catalizzatore acido e sulla cellulosa in interazione con il catalizzatore. Molto adatta è, per esempio, una resina a base di stirene divinilbenzene con gruppi –SO3H come Amberlyst 15<®>. Il catalizzatore funziona come una membrana protonica in una trasformazione elettrochimica. Il meccanismo di reazione supposto è costituito dall’assorbimento dei glucani tramite interazione di van der Waals sul catalizzatore e successiva idrolisi tramite i gruppi superficiali –SO3H. A further aspect of the invention relates to a cellulose hydrolysis process which comprises the cellulose suspension phase, preferably the nanofibrillated cellulose obtained according to the invention, together with a water-insoluble solid material containing acid groups, preferably an ion exchange resin acid, in an aqueous solvent, preferably water, which results in the hydrolysis of cellulose turning into glucose. The use of "solid acids", such as in particular ion exchange resins, such as ion exchange resins carrying protons H <+>, allow the catalysis of hydrolysis on a large surface and localized in defined points on the acid catalyst and on the cellulose in interaction with the catalyst. Very suitable is, for example, a resin based on styrene divinylbenzene with –SO3H groups such as Amberlyst 15 <®>. The catalyst functions as a proton membrane in an electrochemical transformation. The supposed reaction mechanism is constituted by the absorption of glucans through the interaction of van der Waals on the catalyst and subsequent hydrolysis through the surface groups - SO3H.

L’utilizzo di questi catalizzatori solidi determina un significativo miglioramento dell’efficienza e della sostenibilità dell’idrolisi. I principali vantaggi comprendono la riciclabilità del catalizzatore, i mezzi di reazione non corrosivi e quindi meno danni al reattore, senza la necessità di neutralizzare gli acidi o le basi e, di conseguenza, la formazione di sale non associato, la facilità di separazione del prodotto, inoltre riduzione degli inquinanti. Vantaggiosamente, l’idrolisi avviene sotto pressione a temperature attorno a 120°C. Un reattore idoneo è un autoclave oppure un digestore acido, cioè una bomba per la digestione acida presente sul mercato nell'industria dello sbiancamento della carta (processo Kraft). The use of these solid catalysts determines a significant improvement in the efficiency and sustainability of hydrolysis. The main advantages include the recyclability of the catalyst, the non-corrosive reaction media and therefore less damage to the reactor, without the need to neutralize acids or bases and, consequently, the formation of unassociated salt, the ease of separation of the product , moreover, reduction of pollutants. Advantageously, hydrolysis occurs under pressure at temperatures around 120 ° C. A suitable reactor is an autoclave or an acid digester, i.e. an acid digestion bomb present on the market in the paper bleaching industry (Kraft process).

Molto vantaggiosamente, il materiale solido insolubile in acqua contenente gruppi acidi viene separato dalla soluzione di idrolisi, rigenerato e re-introdotto nel processo di idrolisi. L’acido utilizzato nell’idrolisi non produce scarti acidi. Very advantageously, the water-insoluble solid material containing acid groups is separated from the hydrolysis solution, regenerated and re-introduced into the hydrolysis process. The acid used in hydrolysis does not produce acid waste.

Un ultimo aspetto dell’invenzione riguarda un procedimento di saccarificazione di biomassa lignocellulosica che combina i procedimenti di frazionamento e di idrolisi secondo l’invenzione e comprende A final aspect of the invention relates to a lignocellulosic biomass saccharification process that combines the fractionation and hydrolysis processes according to the invention and includes

(a) il frazionamento della biomassa lignocellulosica secondo l’invenzione ottenendo una cellulosa nanofibrillata; e (a) the fractionation of the lignocellulosic biomass according to the invention, obtaining a nanofibrillated cellulose; And

(b) l’idrolisi della cellulosa secondo l’invenzione della cellulosa nanofibrillata. (b) the hydrolysis of cellulose according to the invention of nanofibrillated cellulose.

Rispetto a procedimenti tradizionali di saccarificazione che comportano un deterioramento o una perdita della cellulosa fino al 90 % (pretrattamenti con acidi concentrati) o del 20-30 % nel caso di trattamenti con acidi diluiti, il procedimento proposto risulta in una perdita molto inferiore, soltanto del 2-3 % sul totale di cellulosa, emicellulosa e lignina. Compared to traditional saccharification processes that involve a deterioration or loss of cellulose up to 90% (pretreatments with concentrated acids) or 20-30% in the case of treatments with diluted acids, the proposed procedure results in a much lower loss, only 2-3% of the total cellulose, hemicellulose and lignin.

I procedimenti proposti hanno diversi vantaggi: la separazione della biomassa lignocellulosica in cellulosa, emicellulosa e lignina; un coefficiente degenerativo basso della cellulosa, una trasformazione della cellulosa in una forma facilmente idrolizzabile, l’utilizzo di pochi reagenti, l’evitamento di enzimi e tempi di reazione brevi. The proposed processes have several advantages: the separation of the lignocellulosic biomass into cellulose, hemicellulose and lignin; a low degenerative coefficient of cellulose, a transformation of cellulose into an easily hydrolyzable form, the use of few reagents, the avoidance of enzymes and short reaction times.

Riassumendo, il procedimento di frazionamento secondo l’invenzione fornisce una fase di pretrattamento che consiste nell’isolamento della cellulosa chimicamente purificata e nel contemporaneo recupero della lignina e dell’emicellulosa, come nella solubilizzazione e depolimerizzazione della cellulosa (parziale disgregazione in oligomeri) prima della fase di idrolisi e poi l’ottimizzazione dell’idrolisi attraverso l’utilizzo di materiali solidi portatori di gruppi acidi. In summary, the fractionation process according to the invention provides a pretreatment step which consists in the isolation of the chemically purified cellulose and in the simultaneous recovery of the lignin and hemicellulose, as in the solubilization and depolymerization of the cellulose (partial disintegration into oligomers) before the hydrolysis phase and then the optimization of hydrolysis through the use of solid materials carrying acid groups.

Il procedimento secondo l’invenzione ha permesso di ottenere, con la scelta di opportuni reagenti, il frazionamento della fonte legnosa e l’isolamento di cellulosa chimicamente purificata, lignina ed emicellulosa. Inoltre, si è ottenuta l’attivazione della cellulosa trasformandola in una cellulosa nanofibrillata. Il particolare procedimento di frazionamento che ha portato a un elevato grado di cristallizzazione della cellulosa, ha facilitato la realizzazione della cellulosa nanofibrillata tramite l’utilizzo di un semplice disgregatore. La soluzioni alcalina utilizzi tata per la delignificazione ha per promosso la rottura dei legami esteri tra la lignina e i carboidrati e la sua frammentazione e dissoluzione. Di conseguenza, c’era una grande efficienza di rimozione della lignina. Inoltre, le soluzioni alcaline hanno l’effetto di rigonfiare la biomassa, alterando il grado di cristallinità della cellulosa. Quest’ultimo aspetto potrebbe portare all’effetto collaterale della solubilizzazione parziale dell’emicellulosa, in quanto l’emicellulosa viene generalmente definita un polisaccaride a basso peso molecolare e quindi solubile, che può essere estratto dai tessuti lignocellulosici dall’acqua o da soluzioni alcaline. Questo è un problema in quanto la cellulosa recuperata in questa fase di delignificazione è ancora in parte legata alla lignina, una soluzione si è trovata riducendo la concentrazione della base (per esempio: NaOH dal 3% all’1% in peso). Recuperando l’emicellulosa solamente nella fase di bleaching, si potrà avere un solido di un colore più bianco, conseguenza di un contenuto inferiore di lignina associata, rispetto a quella ottenuta nella fase di delignificazione alcalina. Durante la de lignificazione alcalina si è riscontrato anche che tale fase non ha portato a una dissoluzione completa della lignina; questo è dovuto al fatto che la lignina possiede due tipologie di legame all’interno della struttura lignocellulosica. Legami esteri suscettibili alle soluzioni alcaline e legami eteri che non sono suscettibili. Di conseguenza, è stato opportuno procedere attraverso una fase di ossidazione (bleaching). The process according to the invention made it possible to obtain, with the choice of appropriate reagents, the fractionation of the wood source and the isolation of chemically purified cellulose, lignin and hemicellulose. In addition, the activation of the cellulose was achieved by transforming it into a nanofibrillated cellulose. The particular fractionation process that led to a high degree of crystallization of the cellulose, facilitated the production of nanofibrillated cellulose through the use of a simple disruptor. The alkaline solution used for delignification promoted the breaking of the ester bonds between lignin and carbohydrates and its fragmentation and dissolution. As a result, there was a great lignin removal efficiency. In addition, alkaline solutions have the effect of swelling the biomass, altering the degree of crystallinity of the cellulose. The latter aspect could lead to the side effect of the partial solubilization of hemicellulose, since hemicellulose is generally defined as a low molecular weight and therefore soluble polysaccharide, which can be extracted from lignocellulosic tissues by water or alkaline solutions. This is a problem as the cellulose recovered in this delignification phase is still partially linked to lignin, a solution has been found by reducing the concentration of the base (for example: NaOH from 3% to 1% by weight). By recovering the hemicellulose only in the bleaching phase, it will be possible to have a solid of a whiter color, a consequence of a lower content of associated lignin, compared to that obtained in the alkaline delignification phase. During the alkaline de-lignification it was also found that this phase did not lead to a complete dissolution of the lignin; this is due to the fact that lignin has two types of bonds within the lignocellulosic structure. Ester bonds susceptible to alkaline solutions and ether bonds which are not susceptible. Consequently, it was appropriate to proceed through an oxidation step (bleaching).

La soluzione perossido alcalina, utilizzata nella fase di bleaching, si è dimostrata molto efficace sia per la de lignificazione che per la solubilizzazione dell’emicellulosa dai materiali lignocellulosici, in quanto H2O2è instabile in condizioni alcaline e si decompone facilmente in radicali idrossilici (HO<·>) e radicali superossido (O2<·>). Questi radicali probabilmente causano l’ossidazione della struttura della lignina, per la scissione di alcuni legami tra le unità e, infine, per la dissoluzione di lignina e dell’emicellulosa senza danneggiare quest’ultima, con la possibilità quindi di recuperare quest’ultime allo stato solido, cosa difficile da fare con il trattamento acido. Altri trattamenti noti nell’arte portano o a elevati costi di gestione (processo con solventi organici) oppure a complicate condizioni operative (processo di Kraft). The alkaline peroxide solution, used in the bleaching phase, has proved to be very effective both for the de-lignification and for the solubilization of hemicellulose from lignocellulosic materials, as H2O2 is unstable in alkaline conditions and easily decomposes into hydroxyl radicals (HO <· >) and superoxide radicals (O2 <·>). These radicals probably cause the oxidation of the lignin structure, due to the splitting of some bonds between the units and, finally, to the dissolution of lignin and hemicellulose without damaging the latter, with the possibility therefore of recovering the latter at the solid state, which is difficult to do with acid treatment. Other treatments known in the art lead either to high management costs (process with organic solvents) or to complicated operating conditions (Kraft process).

Durante il trattamento con idrossido di idrogeno alcalino non solo si ha il completamento della dissoluzione della lignina, ma si ha anche una completa dissoluzione dell’emicellulosa, inoltre si ha la conseguenza di una elevata depolimerizzazione/decristallizzazione della cellulosa. During the treatment with alkaline hydrogen hydroxide not only the dissolution of the lignin is completed, but there is also a complete dissolution of the hemicellulose, in addition there is the consequence of a high depolymerization / decrystallization of the cellulose.

Per la disgregazione è preferibile non essiccare la cellulosa chimicamente purificata e parzialmente depolimerizzata isolata nel procedimento di frazionamento, poiché durante l’essiccazione perde la sua struttura disgregata, ciò rende più difficile la sua trasformazione nella cellulosa nanofibrillata. Queste complicazioni sono state ritrovate anche nel tentativo di attivare (disgregare) la cellulosa microcristallina commerciale. For disintegration it is preferable not to dry the chemically purified and partially depolymerized cellulose isolated in the fractionation process, since during drying it loses its disintegrated structure, which makes its transformation into nanofibrillated cellulose more difficult. These complications have also been found in an attempt to activate (break down) commercial microcrystalline cellulose.

Per la produzione di cellulosa nanofibrillata da cellulosa cristallina pura, le tecnologie che si possono utilizzare possono essere: metodo di macino a sfere, macinazione mista o depolimerizzazione meccano-catalitica di cellulosa (macinare la cellulosa e il catalizzatore, per esempio acido solforico, insieme), trattamento di cellulosa (4 % in peso) con NaOH/urea/H2O in un rapporto di 7:12:81 e dispersione a ultrasuoni o con un omogeneizzatore, impiego di microonde. For the production of nanofibrillated cellulose from pure crystalline cellulose, the technologies that can be used can be: ball milling method, mixed grinding or mechano-catalytic depolymerization of cellulose (grinding the cellulose and the catalyst, for example sulfuric acid, together) , treatment of cellulose (4% by weight) with NaOH / urea / H2O in a ratio of 7:12:81 and dispersion by ultrasound or with a homogenizer, use of microwaves.

Come riportato in Tabella 1, che riporta il bilancio di massa delle componenti della biomassa trattata, la cellulosa recuperata è costituita principalmente dalla componente depolimerizzata (93% di cellulosa chimicamente purificata parzialmente depolimerizzata su cellulosa totale). Il bilancio di massa è stato ottenuto isolando, asciugando con bilancia termica e pesando le varie fasi solidi del processo. As reported in Table 1, which shows the mass balance of the components of the treated biomass, the recovered cellulose consists mainly of the depolymerized component (93% of chemically purified cellulose partially depolymerized on total cellulose). The mass balance was obtained by isolating, drying with a thermal balance and weighing the various solid phases of the process.

Tabella 1 Table 1

Componente Massa % in % in peso su cellulosa Component Mass% in% by weight on cellulose

[mg] peso su totale [mg] weight on total

biomassa biomass

iniziale initial

biomassa 1030 ± 1 - -cellulosa cristallina 40 ± 1 3,9 7,4 biomass 1030 ± 1 - crystalline cellulose 40 ± 1 3.9 7.4

cellulosa 498 ± 1 48,3 92,6 cellulose 498 ± 1 48.3 92.6

depolimerizzata depolymerized

cellulosa totale 598 ± 1 52,2 -emicellulosa 262 ± 1 25,4 -lignina 209 ± 1 20,3 -sostanza secca 21 ± 1 2,0 -rimanente total cellulose 598 ± 1 52.2 - hemicellulose 262 ± 1 25.4 - lignin 209 ± 1 20.3 - dry matter 21 ± 1 2.0 - remaining

I procedimenti ideati dall’invenzione per il frazionamento della biomassa e per la produzione di zuccheri si è dimostrato valido per l’obiettivo prefissato, cioè lo sviluppo di una tecnologia atta al trattamento delle biomasse lignocellulosiche a elevata complessità strutturale e che sia al contempo efficace, ossia in grado di frazionare le tre componenti della struttura lignocellulosica e di estrarre la massima quantità e qualità di zuccheri semplici minimizzandone la degenerazione a sostanze non sfruttabili o inibitorie dei processi di fermentazione alcolica. Si tratta di procedimenti economicamente sostenibili, ossia scalabili, e a basso impatto ambientale ed energetico. The procedures devised by the invention for the fractionation of biomass and for the production of sugars proved to be valid for the set objective, that is the development of a technology suitable for the treatment of lignocellulosic biomass with high structural complexity and which is at the same time effective, that is, capable of splitting the three components of the lignocellulosic structure and extracting the maximum quantity and quality of simple sugars, minimizing their degeneration into non-exploitable or inhibitory substances of alcoholic fermentation processes. These are economically sustainable, i.e. scalable, processes with a low environmental and energy impact.

L’isolamento della cellulosa, ignorando l’isolamento di lignina ed emicellulosa, si divide preferibilmente nelle seguenti fasi: The isolation of cellulose, ignoring the isolation of lignin and hemicellulose, is preferably divided into the following phases:

(i) pretrattamento con: (i) pretreatment with:

(i-1) macinazione della biomassa, (i-1) grinding of biomass,

(i-2) delignificazione alcalina con idrossido di sodio NaOH, (i-2) alkaline delignification with sodium hydroxide NaOH,

(i-3) bleaching con perossido di idrogeno H2O2 in ambiente basico, (i-3) bleaching with hydrogen peroxide H2O2 in a basic environment,

(i-4) recupero e solubilizzazione/depolimerizzazione della cellulosa chimicamente purificata formando la cellulosa nanofibrillata (i-4) recovery and solubilization / depolymerization of chemically purified cellulose forming nanofibrillated cellulose

(ii) idrolisi con “acidi solidi” della cellulosa nanofibrillata. (ii) hydrolysis of nanofibrillated cellulose with “solid acids”.

La base per il procedimento di idrolisi è la solubilità della cellulosa. La cellulosa nativa non è solubile, in quanto ha una struttura altamente cristallina stabilizzata da una forte rete di legami a idrogeno intra- e intermolecolari. La Tabella 2 evince la solubilità del glucosio e dei polimeri cellulosici. The basis for the hydrolysis process is the solubility of cellulose. Native cellulose is not soluble, as it has a highly crystalline structure stabilized by a strong network of intra- and intermolecular hydrogen bonds. Table 2 shows the solubility of glucose and cellulosic polymers.

Tabella 2 Table 2

Zucchero/cellulosa Solubilità in acqua [g/l] a 25°C Sugar / cellulose Solubility in water [g / l] at 25 ° C

glucosio 909 glucose 909

cellobiosio 120 cellobiose 120

Oligosaccaridi (nanocellulosa, 3-10 unità) solubili Soluble oligosaccharides (nanocellulose, 3-10 units)

polisaccaridi (microcellulosa) insolubili insoluble polysaccharides (microcellulose)

Dalla tabella si evince che il grado di polimerizzazione ha una notevole influenza sulle efficienze di idrolisi della cellulosa. Secondo la letteratura è possibile depolimerizzare/solubilizzare la cellulosa cristallina attraverso l’utilizzo di solventi acidi o basici, capaci di dissolvere la cellulosa senza modificare chimicamente le molecole costituenti (denominate come solventi non derivatizzanti); oppure attraverso l’utilizzo di microonde o di bombe per la digestione in acido o base diluite. In questo modo, già arrivando alla formazione della nanocellulosa, si potrà avere un notevole incremento dell’efficienza. Commercialmente si possono trovare due classi generali di nanomateriali di cellulosa, che sono la nanocellulosa cristallina e la cellulosa nanofibrillata NFC che si presenta a livello nanometrico come una rete di filamenti (catene di glucano) altamente intrecciate, mentre le cellulosi cristalline si presentano come delle aste altamente rigide. La tipologia di nanocellulosa che meglio si adatta all’obiettivo dell’invenzione è la cellulosa nanofibrillata. I vantaggi che si ottengono sono una maggiore produzione di glucosio dovuta alla minore presenza dei legami a idrogeno. L’invenzione è riuscita a proporre un procedimento che produce cellulosa nanofibrillata attraverso condizioni operative moderate che portano a minori costi iniziali e di gestione rispetto ai metodi standard. The table shows that the degree of polymerization has a significant influence on the hydrolysis efficiencies of cellulose. According to the literature, it is possible to depolymerize / solubilize crystalline cellulose through the use of acidic or basic solvents, capable of dissolving the cellulose without chemically modifying the constituent molecules (referred to as non-derivatizing solvents); or through the use of microwaves or bombs for digestion in dilute acid or base. In this way, already arriving at the formation of the nanocellulose, it will be possible to have a significant increase in efficiency. Commercially, two general classes of cellulose nanomaterials can be found, which are crystalline nanocellulose and NFC nanofibrillated cellulose which appears at the nanometer level as a network of highly intertwined filaments (glucan chains), while crystalline celluloses appear as rods. highly rigid. The type of nanocellulose that best suits the aim of the invention is nanofibrillated cellulose. The advantages obtained are a greater production of glucose due to the lower presence of hydrogen bonds. The invention has succeeded in proposing a process that produces nanofibrillated cellulose through moderate operating conditions that lead to lower initial and management costs than standard methods.

Gli scopi e i vantaggi detti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di un preferito esempio di esecuzione dell'invenzione data a titolo indicativo, ma non limitativo. The aforementioned purposes and advantages will be better highlighted during the description of a preferred embodiment of the invention given by way of example, but not of limitation.

Varianti dell’invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. La descrizione del preferito esempio di esecuzione del procedimento secondo l’invenzione viene data a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento agli allegati disegni. Variants of the invention are the subject of dependent claims. The description of the preferred example of execution of the procedure according to the invention is given by way of non-limiting example with reference to the attached drawings.

BREVE DESCRIZIONE DEL DISEGNO BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

La fig.1 illustra in un diagramma a blocchi un esempio esecutivo per la saccarificazione di materiale lignocellulosico che comprende il procedimento di pretrattamentofrazionamento del materiale lignocellulosico e l’idrolisi della cellulosa isolata in questo procedimento di frazionamento. Fig. 1 illustrates in a block diagram an executive example for the saccharification of lignocellulosic material which includes the pretreatment and fractionation process of the lignocellulosic material and the hydrolysis of the isolated cellulose in this fractionation process.

DESCRIZIONE DI UN PREFERITO ESEMPIO DI ESECUZIONE DESCRIPTION OF A FAVORITE EXAMPLE OF EXECUTION

La figura 1 illustra in un diagramma a blocchi un esempio esecutivo per la saccarificazione di materiale lignocellulosico che comprende un procedimento di pretrattamento-frazionamento del materiale lignocellulosico A e un procedimento di trasformazione di cellulosa nanofibrillata isolata in glucosio B attraverso idrolisi. Il pretrattamento-frazionamento A porta all’isolamento di cellulosa purificata e nanofibrillata, di emicellulosa e di lignina. Il frazionamento comprende sul ramo che porta alla frazione di cellulosa due sotto-procedimenti, e in particolare la delignificazione alcalina A-1 e il bleaching ossidativo A-2. Figure 1 illustrates in a block diagram an executive example for the saccharification of lignocellulosic material which comprises a pretreatment-fractionation process of the lignocellulosic material A and a process of transformation of isolated nanofibrillated cellulose into glucose B through hydrolysis. The pretreatment-fractionation A leads to the isolation of purified and nanofibrillated cellulose, hemicellulose and lignin. The fractionation comprises on the branch leading to the cellulose fraction two sub-processes, and in particular the alkaline delignification A-1 and the oxidative bleaching A-2.

Fase A: Isolamento della cellulosa chimicamente purificata e recupero della lignina e dell’emicellulosa Phase A: Isolation of chemically purified cellulose and recovery of lignin and hemicellulose

In partenza c’è il materiale legnoso tritato e vagliato (biomassa lignocellulosica) 2 a cui viene aggiunto idrossido di sodio NaOH 4. Nello specifico, la massa tritata viene trattata con una soluzione di idrossido di sodio NaOH al 3% in peso (p/p) per due ore a 70°C sotto agitazione magnetica (30 ml di acqua, ca.1 g di materiale tritato, 0,93 g di NaOH). Questo trattamento di delignificazione alcalina 6 ha lo scopo di rimuovere la lignina. Al termine del trattamento alcalino, la soluzione diventa di colore marrone scuro per la solubilizzazione della lignina in ambiente basico. Alla fine della fase di delignificazione alcalina, si nota anche la presenza di un residuo cellulosico cristallino biancastro, costituito principalmente da carboidrati. Si procede alla filtrazione 8, al livello di laboratorio per esempio con un filtro Büchner. Segue la fase dell’isolamento della cellulosa chimicamente purificata: At the start there is the crushed and screened woody material (lignocellulosic biomass) 2 to which sodium hydroxide NaOH 4 is added. Specifically, the chopped mass is treated with a solution of sodium hydroxide NaOH at 3% by weight (w / p) for two hours at 70 ° C under magnetic stirring (30 ml of water, approx. 1 g of minced material, 0.93 g of NaOH). This alkaline delignification treatment 6 aims to remove the lignin. At the end of the alkaline treatment, the solution becomes dark brown due to the solubilization of the lignin in a basic environment. At the end of the alkaline delignification phase, the presence of a whitish crystalline cellulosic residue, consisting mainly of carbohydrates, is also noted. Filtration 8 is carried out, at the laboratory level for example with a Büchner filter. The phase of isolating the chemically purified cellulose follows:

Il residuo solido 10, una cellulosa cristallina, si presenta di colore marroncino, imputabile a una delignificazione incompleta. Per portare a completamento la delignificazione non è sufficiente aumentare i tempi di reazione o la temperatura, ma si è rivelato opportuno procedere con una fase di bleaching 12 attraverso l’utilizzo di un ossidante alcalino 14. L’ossidante preferito è il<perossido di idrogeno H>2<O>2<in ambiente basico (alcaline hydrogen peroxide, AHP).>The solid residue 10, a crystalline cellulose, is brownish in color, attributable to incomplete delignification. To complete the delignification it is not sufficient to increase the reaction times or the temperature, but it has proved appropriate to proceed with a bleaching step 12 through the use of an alkaline oxidant 14. The preferred oxidant is <hydrogen peroxide H> 2 <O> 2 <in a basic environment (alkaline hydrogen peroxide, AHP).>

Di conseguenza, si procede dissolvendo 1,6 ml di H2O2(a 130 volumi, titolo 35 g/100 g) concentrato in 30 ml di acqua deionizzata e si porta il pH a un valore di 11,5 tramite una soluzione 5M di idrossido di sodio NaOH. In questa soluzione viene disperso il residuo solido cellulosico 10 ottenuto nella fase precedente. Con la fase di bleaching 12, si riesce a sbiancare completamente la cellulosa, conseguenza del completamento della dissoluzione della lignina. Inoltre, si ottiene un’ulteriore depolimerizzazione della cellulosa, cioè una cellulosa parzialmente depolimerizzata che grazie alla sua idrofilia è finemente dispersa nell’acqua. Rimane una piccola parte (7%) di un residuo cellulosico cristallino non depolimerizzato che viene separato tramite decantazione 16. La cellulosa cristallina viene riprocessata, inserendola nel processo al punto 6, allo scopo di diminuire il suo grado di cristallizzazione. Si procede con la filtrazione 18 della dispersione che fornisce un solido 20 e un filtrato 22. Le due tipologie di cellulosa rappresentano una cellulosa chimicamente purificata (CPC) da emicellulosa e lignina, che si suddivide in una cellulosa chimicamente purificata depolimerizzata parzialmente (CPC-DP) 20 e in una cellulosa chimicamente purificata cristallina CPC-C 16. Consequently, 1.6 ml of H2O2 (at 130 volumes, title 35 g / 100 g) concentrated in 30 ml of deionized water is dissolved and the pH is brought to a value of 11.5 using a 5M solution of hydroxide of sodium NaOH. The solid cellulosic residue 10 obtained in the previous step is dispersed in this solution. With the bleaching phase 12, it is possible to completely whiten the cellulose, a consequence of the completion of the dissolution of the lignin. In addition, a further depolymerization of the cellulose is obtained, that is, a partially depolymerized cellulose which, thanks to its hydrophilicity, is finely dispersed in the water. A small part (7%) of a non-depolymerized crystalline cellulose residue remains which is separated by decantation 16. The crystalline cellulose is reprocessed, inserting it into the process in step 6, in order to decrease its degree of crystallization. The dispersion is filtered 18 which provides a solid 20 and a filtrate 22. The two types of cellulose represent a chemically purified cellulose (CPC) from hemicellulose and lignin, which is divided into a partially depolymerized chemically purified cellulose (CPC-DP ) 20 and in a chemically purified crystalline cellulose CPC-C 16.

Riassumendo, il recupero della cellulosa chimicamente purificata si compone in due fasi: In summary, the recovery of chemically purified cellulose consists of two phases:

(a) la delignificazione con NaOH al 3 % (p/p) a 70°C per 2 ore; e (a) delignification with 3% (w / w) NaOH at 70 ° C for 2 hours; And

(b) il bleaching con 2% (p/p) di H2O2/NaOH a pH 11,5 per 2 ore a 70°C. (b) bleaching with 2% (w / w) of H2O2 / NaOH at pH 11.5 for 2 hours at 70 ° C.

Con il suddetto procedimento si riesce a recuperare completamente la cellulosa, costituita principalmente dalla componente depolimerizzata (93% sulla cellulosa totale) e da 7% di cellulosa cristallina. La cellulosa parzialmente depolimerizzata viene sottoposta a una fase di produzione di cellulosa nanofibrillata NFC: With the above procedure it is possible to completely recover the cellulose, consisting mainly of the depolymerized component (93% of the total cellulose) and 7% of crystalline cellulose. The partially depolymerized cellulose is subjected to an NFC nanofibrillated cellulose production step:

La cellulosa chimicamente purificata 20 ottenuta dopo la fase di bleaching 12 viene dispersa in acqua 24 e viene solubilizzata/depolimerizzata ulteriormente tramite un semplice disgregatore 26. Il risultato è la realizzazione di una dispersione/sospensione di nanofibrille di cellulosa in acqua 28. The chemically purified cellulose 20 obtained after the bleaching step 12 is dispersed in water 24 and is further solubilized / depolymerized by means of a simple disintegrator 26. The result is the realization of a dispersion / suspension of cellulose nanofibrils in water 28.

Il filtrato 30 della filtrazione 8 dopo la delignificazione alcalina 6 e il filtrato 22 della filtrazione 18 dopo il bleaching 12 servono poi al The filtrate 30 of filtration 8 after alkaline delignification 6 and filtrate 22 of filtration 18 after bleaching 12 are then used for

recupero della lignina e dell’emicellulosa: recovery of lignin and hemicellulose:

I filtrati dalla delignificazione alcalina (filtrato marrone) 30 e della fase del bleaching (filtrato trasparente giallognolo) 22 vengono ulteriormente trattati e inizialmente concentrati (al volume iniziale di reazione) per rendere più facile la precipitazione della lignina e dell’emicellulosa. Le soluzioni risultanti sono rispettivamente costituite da monomeri di lignina, di emicellulosa e in piccola misura da prodotti di derivazione degli zuccheri. Il colore delle soluzioni è dovuto principalmente alla presenza dei monomeri di lignina più o meno concentrati (colore più o meno marrone). The filtrates from the alkaline delignification (brown filtrate) 30 and from the bleaching phase (yellowish transparent filtrate) 22 are further treated and initially concentrated (to the initial reaction volume) to make it easier for the precipitation of lignin and hemicellulose. The resulting solutions are respectively constituted by monomers of lignin, hemicellulose and to a small extent by derivative products of sugars. The color of the solutions is mainly due to the presence of more or less concentrated lignin monomers (more or less brown color).

La soluzione residua dalla fase di delignificazione alcalina 30 viene trattata con una soluzione di acido cloridrico HCl 32 per far precipitare la lignina 34 fino a pH = 1,5 e sottoposta a centrifuga 36 per recuperare agevolmente il precipitato, la lignina 37 (che può essere essiccata con bilancia termica). In alternativa all’acido cloridrico, si potrebbe utilizzare, per esempio, anche l’acido solforico H2SO4. The residual solution from the alkaline delignification step 30 is treated with a solution of hydrochloric acid HCl 32 to precipitate the lignin 34 up to pH = 1.5 and subjected to centrifuge 36 to easily recover the precipitate, the lignin 37 (which can be dried with thermal balance). As an alternative to hydrochloric acid, for example, sulfuric acid H2SO4 could also be used.

La soluzione risultante dalla fase di bleaching 12 viene acidificata 38 fino a pH = 1,5 e centrifugata 40, risulta una quantità irrilevante di lignina (< 1 mg) 42. The solution resulting from the bleaching step 12 is acidified 38 to pH = 1.5 and centrifuged 40, resulting in an insignificant amount of lignin (<1 mg) 42.

Per il recupero dell’emicellulosa, si procede concentrando ulteriormente le soluzioni deliberate 39 e 43 dai precipitati 37 e 42 e si porta il pH a un valore di 5,5 utilizzando una soluzione 5 M di idrossido di sodio, nei passi rispettivamente 44 e 46. Il risultato è una diminuzione della solubilità dell’emicellulosa che rendeva le soluzioni torbide. Dalle sospensioni ottenute viene fatto precipitare con due volumi di etanolo (95% v/v), cioè aggiungendo un volume di etanolo che corrisponde al doppio del volume della sospensione, nei passi 48 e 50, l’emicellulosa viene poi separata tramite centrifuga 49, 51. Le soluzioni restanti 56 e 58 non contengono materiale cellulosico in quantità significative, ma sono costituite da monomeri di lignina, di emicellulosa e in piccola misura da prodotti di derivazione degli zuccheri. Il colore delle soluzioni è dovuto principalmente dalla presenza di monomeri di lignina più o meno concentrati. Colori più scuri di soluzioni sono dovuti a una maggiore concentrazione di monomeri di lignina. For the recovery of the hemicellulose, the deliberate solutions 39 and 43 are further concentrated from the precipitates 37 and 42 and the pH is brought to a value of 5.5 using a 5 M sodium hydroxide solution, in steps 44 and 46 respectively The result is a decrease in the solubility of the hemicellulose which made the solutions cloudy. From the suspensions obtained it is precipitated with two volumes of ethanol (95% v / v), i.e. by adding a volume of ethanol that corresponds to double the volume of the suspension, in steps 48 and 50, the hemicellulose is then separated by centrifuge 49, 51. The remaining solutions 56 and 58 do not contain cellulosic material in significant quantities, but are made up of monomers of lignin, of hemicellulose and to a small extent of derivative products of sugars. The color of the solutions is mainly due to the presence of more or less concentrated lignin monomers. Darker colors of solutions are due to a higher concentration of lignin monomers.

L’emicellulosa recuperata 52, 54 viene essiccata con bilancia termica. L’emicellulosa viene recuperata con una maggiore quantità dal filtrato 30 della fase di delignificazione alcalina. L’emicellulosa recuperata si presenta di colorazione marroncina a causa del contenuto di lignina associata caratteristica del precipitato di emicellulosa recuperato dalla fase di delignificazione. Le soluzioni restanti 56 e 58, dopo la rimozione delle tre componenti lignina, cellulosa chimicamente purificata ed emicellulosa, sono costituite principalmente dalla lignina acido solubile rappresentata da molecole a basso peso molecolare o derivati idrofilici della lignina che determinano la colorazione giallastra della soluzione, con una maggiore concentrazione nella soluzione 58 risultante dal processo alcalino di delignificazione. Tale colorazione giallastra non è imputabile alla decomposizione della cellulosa, ciò è stato verificato sperimentalmente applicando la fase di bleaching sulla cellulosa cristallina commerciale e riscontrando nessuna variazione di colorazione della soluzione. The recovered hemicellulose 52, 54 is dried with a thermal balance. The hemicellulose is recovered with a greater amount from the filtrate 30 of the alkaline delignification step. The recovered hemicellulose has a brownish color due to the associated lignin content characteristic of the hemicellulose precipitate recovered from the delignification phase. The remaining solutions 56 and 58, after the removal of the three lignin components, chemically purified cellulose and hemicellulose, consist mainly of soluble acid lignin represented by low molecular weight molecules or hydrophilic derivatives of lignin which determine the yellowish color of the solution, with a higher concentration in solution 58 resulting from the alkaline delignification process. This yellowish color is not attributable to the decomposition of the cellulose, this has been experimentally verified by applying the bleaching step on the commercial crystalline cellulose and noting any variation in the color of the solution.

Riassumendo, il recupero della lignina viene realizzato facendo precipitare quest’ultima a pH = 1,5 (32, 38g), il recupero dell’emicellulosa, invece, viene realizzato portando la relativa soluzione a un pH = 5,5 (46, 46) e aggiungendo due volumi di etanolo (48, 50) in modo da favorirne la precipitazione. Infine, si aggiunge l’ultima fase della saccarificazione del legno, e precisamente la In summary, the recovery of the lignin is achieved by precipitating the latter at pH = 1.5 (32, 38g), the recovery of the hemicellulose, on the other hand, is achieved by bringing the relative solution to a pH = 5.5 (46, 46 ) and adding two volumes of ethanol (48, 50) in order to favor its precipitation. Finally, the last phase of wood saccharification is added, namely the

fase di sintesi di glucosio dalla cellulosa nanofibrillata: phase of glucose synthesis from nanofibrillated cellulose:

La cellulosa nanofibrillata 28 viene trasferita in un autoclave e sottoposta a 120°C a una idrolisi 60 in presenza di una resina a scambio ionico acida (Amberlyst 15®) (catalizzatore acido) dove dopo separazione del solido, la resina può essere recuperata, riciclata e reintrodotta 62 nel processo di idrolisi 60 che produce dalla cellulosa zuccheri in forma di glucosio 64. The nano-fibrillated cellulose 28 is transferred to an autoclave and subjected to a hydrolysis 60 at 120 ° C in the presence of an acid ion exchange resin (Amberlyst 15®) (acid catalyst) where after separation of the solid, the resin can be recovered, recycled and reintroduced 62 in the hydrolysis process 60 which produces sugars in the form of glucose from cellulose 64.

L’idrolisi è stata condotta sperimentalmente caricando il tubetto di reazione con 100 mg di cellulosa nanofibrillata, 100 mg di catalizzatore e 1 ml di acqua. Dopo omogeneizzazione, il reattore viene posto in un autoclave in modo da portare la temperatura di reazione a 120°C. La presenza di glucosio viene riscontrata già dopo un’ora di reazione, e dopo cinque ore non si riscontra più nessun aumento della resa di glucosio. Al termine della prima esecuzione di reazione (dopo cinque ore), il catalizzatore solido viene filtrato e separato dal residuo di cellulosa e viene rigenerato prima del suo riutilizzo. Dopodiché il catalizzatore viene reinserito nel tubetto di reazione insieme al residuo di cellulosa e in seguito si riconduce la reazione per altre cinque ore a 120°C. The hydrolysis was carried out experimentally by loading the reaction tube with 100 mg of nanofibrillated cellulose, 100 mg of catalyst and 1 ml of water. After homogenization, the reactor is placed in an autoclave so as to bring the reaction temperature to 120 ° C. The presence of glucose is already detected after one hour of reaction, and after five hours there is no longer any increase in glucose yield. At the end of the first execution of the reaction (after five hours), the solid catalyst is filtered and separated from the cellulose residue and is regenerated before its reuse. Then the catalyst is reinserted into the reaction tube together with the cellulose residue and the reaction is then carried out again for another five hours at 120 ° C.

Questo modo operativo reiterato porta a una quasi completa conversione della cellulosa nanofibrillata in glucosio con una irrilevante formazione di prodotti indesiderati. La sospensione diventa chiara e trasparente. Anche il processo del bleaching 12 può essere ripetuto sul solido ottenuto per completare la separazione dell’emicellulosa. This repeated operating mode leads to an almost complete conversion of the nanofibrillated cellulose into glucose with an insignificant formation of unwanted products. The suspension becomes clear and transparent. The bleaching process 12 can also be repeated on the solid obtained to complete the separation of the hemicellulose.

L’invenzione ha quindi raggiunto tutti gli obiettivi posti. L’invenzione, tra l’altro, ha fornito un procedimento per la produzione di zuccheri da materiale lignocellulosico in grado di offrire la massima quantità di zuccheri estraibile a elevata purezza, cioè senza sostanze non sfruttabili o inibitorie per i processi di fermentazione alcolica e questo in un processo veloce, scalabile e a basso impatto ambientale ed energetico. Con l’invenzione si è in grado di degradare ovvero separare la lignina e l’emicellulosa dalla cellulosa senza danneggiare alcun componente, grazie ad un trattamento chimico selettivo e poco invasivo. È stata minimizzata la degenerazione a sostanze non sfruttabili o inibitorie dei processi di fermentazione alcolica, questo anche grazie all’utilizzo dei protoni catalitici. In ogni fase del procedimento sono ottenibili breve tempi di reazione. In più, si è riusciti a proporre un procedimento utile a eliminare la produzione di scarti di lavorazione tossici ad elevato impatto. The invention has therefore achieved all the objectives set. The invention, among other things, has provided a process for the production of sugars from lignocellulosic material capable of offering the maximum quantity of high purity extractable sugars, i.e. without non-exploitable or inhibitory substances for the alcoholic fermentation processes and this in a fast, scalable and low environmental and energy impact process. With the invention it is possible to degrade or separate the lignin and hemicellulose from the cellulose without damaging any component, thanks to a selective and minimally invasive chemical treatment. Degeneration to non-exploitable or inhibitory substances of alcoholic fermentation processes has been minimized, also thanks to the use of catalytic protons. Short reaction times are achievable in each step of the process. In addition, it has been possible to propose a process useful for eliminating the production of high-impact toxic processing waste.

In fase esecutiva, ai procedimenti di frazionamento, idrolisi e saccarificazione, oggetto dell’invenzione, potranno essere apportate ulteriori modifiche o varianti esecutive non descritte. Qualora tali modifiche o tali varianti dovessero rientrare nell’ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto. In the executive phase, further modifications or executive variants not described may be made to the fractionation, hydrolysis and saccharification processes, object of the invention. Should such modifications or variations fall within the scope of the following claims, they must all be considered protected by this patent.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) comprendente le seguenti fasi: (i) delignificazione in ambiente basico della biomassa lignocellulosica (A-1, 6); e (ii) trattamento di bleaching (A-2, 12) con un ossidante in ambiente basico (14) del solido (10) risultante dalla fase (i). CLAIMS 1) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) comprising the following phases: (i) delignification of the lignocellulosic biomass in a basic environment (A-1, 6); and (ii) bleaching treatment (A-2, 12) with an oxidant in a basic environment (14) of the solid (10) resulting from step (i). 2) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la fase (i) comprende le seguenti fasi: (i-1) triturazione e opzionalmente vagliatura di biomassa lignocellulosica; (i-2) sospensione della biomassa tritata (2) in acqua e realizzazione di un ambiente basico (4), preferibilmente aggiungendo idrossido di sodio NaOH in una concentrazione da 1 a 3 % in peso, più preferibilmente una concentrazione di circa 3% in peso, per ottenere la delignificazione in ambiente basico (6); (i-3) separazione (8) delle fasi solida e liquida ottenute nella fase (i-2), preferibilmente tramite filtrazione, ottenendo una prima fase solida (10) e una prima fase liquida (30). 2) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) according to claim 1 characterized in that step (i) comprises the following steps: (i-1) shredding and optionally screening of lignocellulosic biomass; (i-2) suspension of the chopped biomass (2) in water and making a basic environment (4), preferably by adding sodium hydroxide NaOH in a concentration of 1 to 3% by weight, more preferably a concentration of about 3% in weight, to obtain delignification in a basic environment (6); (i-3) separation (8) of the solid and liquid phases obtained in phase (i-2), preferably by filtration, obtaining a first solid phase (10) and a first liquid phase (30). 3) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detto primo solido (10) della fase (i-3) viene sottoposto nella fase (ii) al trattamento di bleaching (12) con un ossidante in ambiente basico (14) in cui il primo solido (10) viene disperso in una soluzione di perossido di idrogeno H2O2in ambiente basico (14), preferibilmente alcalino, in cui la percentuale in peso del H2O2 corrisponde a 1 – 2 % e il pH viene regolato a 11,0 a 11,6. 3) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) according to claim 2 characterized in that said first solid (10) of phase (i-3) is subjected in phase (ii) to the bleaching treatment (12) with an oxidant in basic environment (14) in which the first solid (10) is dispersed in a solution of hydrogen peroxide H2O2 in a basic environment (14), preferably alkaline, in which the percentage by weight of H2O2 corresponds to 1 - 2% and the pH is adjusted to 11.0 to 11.6. 4) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta fase (ii) è seguita da una fase (iii) di separazione (18) della miscela ottenuta nella fase (ii) in una seconda fase solida (20) e una seconda fase liquida (22), e da una fase (iv) in cui detto secondo solido (20) viene trasformato tramite disgregazione (26), preferibilmente in una dispersione in acqua (24), in cellulosa nanofibrillata (28). 4) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) according to any one of the preceding claims characterized in that said step (ii) is followed by a step (iii) of separation (18) of the mixture obtained in step (ii) in a second solid phase (20) and a second liquid phase (22), and a phase (iv) wherein said second solid (20) is transformed by disintegration (26), preferably in a dispersion in water (24), into nanofibrillated cellulose (28). 5) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4 caratterizzato dal fatto che detta prima (30) e/o detta seconda fase liquida (22) viene/vengono acidificata/e (32, 38), preferibilmente a un pH < 2, più preferibilmente a un pH di circa 1,5, per provocare la precipitazione di lignina (34, 40) e che detta lignina viene separata (37, 42), preferibilmente tramite centrifuga, rispettivamente da una terza (39) e/o quarta fase liquida (43). 5) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) according to any one of claims 2 to 4 characterized in that said first (30) and / or said second liquid phase (22) is / are acidified (32, 38) , preferably at a pH <2, more preferably at a pH of about 1.5, to cause the precipitation of lignin (34, 40) and that said lignin is separated (37, 42), preferably by centrifuge, respectively from a third (39) and / or fourth liquid phase (43). 6) Procedimento di frazionamento di biomassa lignocellulosica (A) secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che il pH di detta terza (39) e/o detta quarta (43) fase liquida viene alzato (44, 46), preferibilmente a circa 5,5, e che viene aggiunto un solvente meno polare dell’acqua (48, 50), preferibilmente etanolo, per far precipitare l’emicellulosa (52, 54) che opzionalmente viene separata (49, 51). 6) Process of fractionation of lignocellulosic biomass (A) according to claim 5 characterized in that the pH of said third (39) and / or said fourth (43) liquid phase is raised (44, 46), preferably to about 5, 5, and that a less polar solvent than water (48, 50), preferably ethanol, is added to precipitate the hemicellulose (52, 54) which is optionally separated (49, 51). 7) Procedimento di idrolisi di cellulosa (B) comprendente la fase di sospensione della cellulosa, preferibilmente la cellulosa nanofibrillata ottenuta secondo la rivendicazione 4, insieme a un materiale solido insolubile in acqua contenente gruppi acidi, preferibilmente una resina a scambio ionico acida, in un solvente acquoso, preferibilmente acqua, che risulta nell’idrolisi della cellulosa (60) trasformandosi in glucosio (64). 7) Cellulose hydrolysis process (B) comprising the suspension phase of the cellulose, preferably the nanofibrillated cellulose obtained according to claim 4, together with a water-insoluble solid material containing acid groups, preferably an acid ion exchange resin, in a aqueous solvent, preferably water, which results in the hydrolysis of cellulose (60) transforming into glucose (64). 8) Procedimento di idrolisi di cellulosa secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che detto materiale solido insolubile in acqua contenente gruppi acidi viene separato dalla soluzione di idrolisi, rigenerato e re-introdotto (62) nel processo di idrolisi. 8) Cellulose hydrolysis process according to claim 7 characterized in that said water-insoluble solid material containing acid groups is separated from the hydrolysis solution, regenerated and re-introduced (62) in the hydrolysis process. 9) Procedimento di saccarificazione di biomassa lignocellulosica comprendente (a) il frazionamento della biomassa lignocellulosica (A) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6; e (b) l’idrolisi della cellulosa (B) secondo la rivendicazione 7 o 8. 9) Process of saccharification of lignocellulosic biomass comprising (a) fractionation of the lignocellulosic biomass (A) according to any one of claims 4 to 6; And (b) the hydrolysis of cellulose (B) according to claim 7 or 8. 10) Uso del glucosio (64) ottenuto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4, 7 o 8 per la fermentazione alcolica o la produzione di polimeri.10) Use of the glucose (64) obtained according to any one of claims 4, 7 or 8 for alcoholic fermentation or the production of polymers.
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