WO2011063484A1 - Processo de tratamento de biomassa vegetal - Google Patents

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WO2011063484A1
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biomass
treatment
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catalytic
bagasse
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PCT/BR2010/000397
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Enrique Macedo Baudel
José Augusto TRAVASSIS RIOS TOMÉ
Dionísio Fabiano PEGORETTI
Dionísio MORELLI FILJO
Oswaldo Godoy Neto
Jaime Finguerut
Célia Maria ARAÚJO GALVÃO
Liliane Pires Andrade
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Centro De Tecnologia Canavieira - Ctc
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Definitions

  • the present invention relates to an energy efficient process for the treatment of plant biomass, in particular sugar cane, for the production of carbohydrates, ethanol and related products, by means of physicochemical and extraction techniques. biomass milling, so as to significantly reduce the energy consumption during the extraction of the juice present in this biomass.
  • the treated biomass is obtained by the technique regarding the present invention, when subjected to a saccharification process and sequenced fermentation allows for the increased ethanol production compared to the conventional process (1st generation ethanol) from the sugar cane.
  • This technique can also be used for enzyme production, feed and products of industrial interest from the processing of carbohydrates, lignin and ethanol (1 st and 2 nd generation) from plant biomass.
  • Sugarcane belongs to the Poaceae family and can reach 2.5m to 4.5m in height, contains 11% to 17% sucrose by weight and 11 to 15% fiber (lignocellulosic material) by weight. The cane is cut by the stem and transported by truck to the plant.
  • the cane is unloaded on a feed table and washed with water, or dry to remove dirt, debris and straw, this step is called cane reception.
  • the cane After reception, the cane goes to the preparation stage, which occurs in a device (mincer) consisting of knives that rotate at high rotation (500-1200 rpm).
  • the cane is cut into small and short pieces (tails), constituting a compact and uniform layer, which in turn is sent to the defibrator.
  • the purpose of this equipment is to promote high sugarcane disintegration in order to facilitate the extraction of sugars in the milling step.
  • the defibrator is made up of high speed rotating hammers (500-1500 RPM), coupled to a metal plate, in which the cane is forced through a narrow space ranging from 10-25 mm, so that the sugarcane cells are "opened” and thus prepared for the subsequent milling (extraction) step.
  • the extraction step consists of milling the cane through sets of rolls (suits).
  • Each milling suit is usually made up of four rollers in which the cane is pressed (crushed) under high pressure to extract the sugars.
  • a typical extraction unit has between four (4) and seven (7) milling suits.
  • Grinding rollers are driven by electric motors, steam turbines or hydraulic systems.
  • the milling step typically consumes between 40-60% of all energy required for the production process, featuring an operation with high energy demand.
  • the mixed extract broth which is constituted by broth obtained from the milling step 2 addition of broths produced in the adjacent stages, as well as the water added in the milling step.
  • This broth though has a smaller sucrose content and purity, compared to the primary juice, it can also be used in the production of ethanol 1st generation, as well as mixed juice to the primary sugar production.
  • the cellulosic matrix is organized into associated fibers by hydrogen bridges and van der Waals bonds, forming a rigid molecular structure (micro-fibrils) with diameters from 10 to 30 nm.
  • micro-fibrils a rigid molecular structure
  • the high crystallinity of cellulose makes it very difficult to convert it into fermentable sugars by hydrolysis.
  • Sugars in turn, are converted to ethanol.
  • cellulosic ethanol production processes require a pre-treatment of biomass (pretreatment), in order to "open" the cellulosic matrix to the action of hydrolysis agents, in particular enzymes.
  • the regions of low crystallinity (amorphous) in the microfibrils are susceptible to enzymatic action, eliminating pretreatment of biomass.
  • Pretreatment of a lignocellulosic biomass is one of the most relevant direct cost operating steps and considerably influences the costs of the previous and subsequent process steps.
  • pretreatment relates to raw material preparation operations (milling, impregnation) as well as hydrolysis (acid or enzymatic) of cellulose (loading and consumption of enzymes or acids, reaction rates). products inhibiting enzymatic hydrolysis and alcoholic fermentation, saccharide concentrations of the hydrolysates produced, purification of intermediate products, waste treatment, mechanical agitation and energy generation.
  • perfect integration between the various operations should be sought.
  • the performance of a pretreatment technique should be assessed for its influence on the costs associated with the preceding and subsequent steps, as well as on operating, raw material and capital costs.
  • pre-treatment itself should be very efficient in terms of yield, selectivity, functionality (ensuring pulp accessibility to hydrolytic agents), operational simplicity, industrial safety and hygiene and environmental attributes, while consisting of reduced consumption of chemical inputs. , energy and utilities.
  • an efficient pretreatment of sugarcane bagasse for ethanol production should at the same time produce a cellulose pulp with high accessibility and fiber reactivity to acid or enzymatic hydrolytic agents (digestibility), ensuring adequate pentose recovery, and limit the generation of inhibitory compounds to the microorganisms used in fermentation and enzymes.
  • aspects associated with the use of low cost catalysts, recycling of High value-added inputs and by-products generation from lignin characterize eco-efficient pretreatment systems.
  • Pretreatment physicochemical processes using dilute acid, high pressure steam or hot water make it possible to selectively remove hemicelluloses, producing high pentose and low lignin saccharide (prehydrolyzed) solutions.
  • Alkaline processes tend to promote greater dissolution of lignin and less solubilization or fragmentation of hemicelluloses.
  • Steam Treatmenf often referred to as Steam Explosion, is one of the most commonly used methods for transforming ligno-cellulosic plant biomass from the Masonite process used in the production of agglomerates. wooden.
  • a lignocellulosic material is heated to relatively high temperatures with saturated steam, followed by sudden decompression of the equipment, a brown slurry is produced resulting from biomass fragmentation. After washing the material, separating the liquid and adding adhesives, the wood chipboard is produced.
  • some companies have used sugarcane bagasse in the production of agglomerates for the furniture industry.
  • Steam pretreatment acts chemically and physically in the transformation of lignocellulose, with chemical reactions as the dominant parameter.
  • the biomass is treated with saturated steam at 160-240 ° C (about 6-34 bar) for a reaction time of 1-15 minutes. After this time, system decompression occurs and material is collected in a flash tank or blow tank.
  • hydrolysis of hemicelluloses occurs, in addition to the splitting of some connections between cellulose and lignin.
  • the structure of biomass becomes more susceptible to penetration by water, acids and enzymes, so that the hydrolytic potential of cellulose is increased. Carbohydrates released from hemicelluloses may undergo thermal degradation, while partial lignin fragmentation and dragging to the hydrolyzate may occur.
  • the degradation compounds produced may have an inhibitory effect on subsequent operations.
  • Hydrolysis in steam treatments may be catalyzed by organic acids (eg acetic acid) formed by the cleavage of functional groups present in hemicelluloses.
  • organic acids eg acetic acid
  • self-hydrolysis of hemicelluloses is observed, characterizing a self-catalytic process.
  • Acid (SO 2 and H2SO4) and Lewis acid (FeC, ZnCl 2 ) catalysts can be used, resulting in increased recovery of hemicellulosic sugars, as well as facilitating the hydrolysis of cellulose present in the pretreated pulp in later stages.
  • Pretreatment of biomasses with high content of highly acetylated hemicelluloses, such as bagasse requires minimal amounts of acid catalysts.
  • Hot Watet also called non-catalytic solvolysis or aquasolv, utilizes compressed water in contact with the biomass for 1-15 minutes at temperatures between 170 and 230 ° C. At these temperatures, water promotes the split of carbohydrate hemiacetyl bonds, releasing acids during hydrolysis to biomass. In this process, there is no need to reduce the size of the biomass particles, which tend to break in contact with water during the "cooking" process. Approximately 40-60% of the biomass is dissolved in the process, with cellulose removal ranging from 4-22%. Over 90% of hemicelluloses are recovered when acid is used as a catalyst for the hydrolysis of the produced liquid, but reduced saccharide concentrations of 0.5-6.0 g / L are obtained.
  • Flow-through and batch-countercurrent and co-current reactor configurations can be used.
  • hot water passes through a fixed bed of biomass, promoting the hydrolysis of ligno-cellulosic components, which are transported out of the reactor.
  • Large amounts of lignin 35-60%) are removed in this process.
  • lignin 35-60% are removed in this process.
  • it is required the use of special separation systems in order to obtain adequate recovery of hemicelluloses.
  • high fiber reactivity cellulosic pulps are produced, as well as the hydrolyzate produced in the hydrolysis of these pulps only have adequate fermentability. in ethanol.
  • the use of acid catalysts makes the "Hot Water" method similar to dilute acid pretreatment.
  • the "Hot Water” process has major disadvantages compared to the "Steam Explosion” system. Low solids loading (1-8%) should be used due to inhibitor formation in the hydrolysates produced using solids concentrations greater than 10%.
  • the amount of water used in the "Hot Water” process is generally much higher than that used in the "Steam Explosion” process, producing very dilute hydrolysates, which tends to cause operational problems in subsequent stages of the integrated system. It is noteworthy that in the case of the use of hydrolysates as molasses diluting agent in fermentative systems using pentose-converting microorganisms, such problem acquires less magnitude and relevance.
  • the diluted acid hydrolysis process has been used industrially in furfural production, constituting a potentially interesting technological option in the pretreatment of lignocellulosic biomass. Basically, there is removal of hemicelluloses, producing pulps with high fiber reactivity.
  • sulfuric acid is used as the hydrolytic agent, although other acids (e.g. nitric, hydrochloric and phosphoric) may be used.
  • the mixture (acid and biomass solution) can be heated indirectly in the reactor or directly by steam injection, in which case it is relatively similar to the "Steam Explosion” system.
  • Acid is added to the liquid by percolating through the fixed biomass bed, sprayed onto the mass, or further mixed with the biomass by mechanical stirring.
  • the use of sulfuric acid has some disadvantages associated with corrosion of equipment, as well as the need to neutralize the liquid (hydrolyzate) produced, in addition to the formation of fermentation inhibitors. It is noteworthy that, due to the relative ease of removal of bagasse hemicelluloses, dilute acid processes can be conducted under relatively low process conditions. (160-170 ° C), with reduced formation of these inhibitors, while reactive fiber pulps are obtained. Dilute acid hydrolysis processes require low ash and other impurities due to their buffering effect, resulting in high acid consumption. Washing biomass prior to pretreatment is necessary to prevent this problem.
  • Dilute acid pretreatment processes in flow-through reactors use H 2 SO 4 in concentrations of the order of 0.05% -0.07%, much lower than those used in batch systems (0.7 -3.0%).
  • Moderate temperatures 140-170 ° C
  • more severe conditions 180-200 ° C
  • About 30% -50% of lignin is extracted, while approximately 80% -95% of hemicelluloses (mostly in the form of monomers) are recovered.
  • the pretreated pulp presents high fiber reactivity, with enzymatic digestibility of 90%.
  • the process demands complex equipment configurations, as well as high hydromodule as well as high water and energy consumption.
  • Alkaline pretreatment processes generally use moderate operating conditions in terms of temperatures and pressures compared to acidic systems.
  • the main effect of pretreatment is the removal of lignin from biomass, promoting greater fiber reactivity.
  • Alkali usually soda or lime
  • a split of lignin-carbohydrate bonds is evidenced, in addition to fragmentation of lignin structure.
  • pretreatment may be conducted at room temperature, but it requires high reaction times, on the order of hours or even days. Unlike acid systems, an important limitation associated with alkaline processes is the need to recover alkalis to ensure proper economicality of the process.
  • alkaline processes promote intense delignification of biomass, such systems should preferably be used for the pretreatment of low lignin (eg agro-industrial waste) materials to minimize the amount of lignin present in the hydrolyzate.
  • Alkaline pretreatment techniques for ethanol production have only been tested at laboratory scale and pilot units.
  • Pre-treatment of bagasse using lime hydroxide has advantages in terms of reagent cost, process safety and the possibility of recovering alkali as calcium carbonate by reaction with the carbon dioxide produced in the step. of alcoholic fermentation.
  • the carbonate may then be converted to hydroxide by conventional industry established techniques.
  • oxygen or air such as Wet Alkaline Oxidation
  • such processes produce high lignin hydrolysates, requiring the use of lignin-carbohydrate separation systems to recover hemicelluloses.
  • Wet Alkaline Oxidation is the treatment of biomass with water and oxygen at temperatures above 120 ° C.
  • a variation of the method is to use H2O2 as an oxidant ("Wet Alkaline Peroxide Oxidation") with reaction times of 2-8 hours at temperatures between 30 ° C-70 ° C.
  • Sodium carbonate, lime or sodium hydroxide is generally used as the hydrolysis and delignification agent.
  • Oxidative alkaline pretreatments produce pulps with high fiber reactivity due to the accessibility of the cellulosic matrix to enzymes.
  • lignin is oxidized and solubilized during these processes, so that it cannot be used as a fuel, compromising the energy efficiency of the overall system.
  • formation of some fermentation inhibitors occurs. (eg organic and phenolic acids) in the hydrolysates produced, compromising the subsequent steps.
  • the AFEX Ammonia Fiber Explosion
  • the AFEX consists of the alkaline version of the "Steam Explosion” pretreatment process. Basically, there is increased reactivity of the cellulosic fraction due to its "swelling", combined with hemicelluloses hydrolysis and fiber disintegration.
  • the biomass is subjected to the action of liquid ammonia (2kg / kg biomass) at 160-180 ° C under pressure of 9-17 bar for a period of 10-20 minutes. Then the system pressure is quickly released and the "exploded" material is collected in the flash tan.
  • the advantages of this method include high fiber reactivity, minimal generation of fermentation inhibiting compounds, and ammonia recovery.
  • AFEX does not promote a high solubilization of hemicelluloses, as is the case in acidic processes, allowing them to be recovered in the hydrolysates produced.
  • the SHFEX Sodium Hydroxide Fiber Explosion
  • Pretreatment systems using C0 2 as a hydrolysis agent can be considered as potentially interesting long-term technological options for sugarcane bagasse pretreatment.
  • CO 2 produced in the alcoholic fermentation step.
  • CO 2 converts to "in situ" carbonic acid, so that the hydrolysis of hemicelluloses is substantially increased.
  • This method is more economically efficient than the AFEX process and does not produce the fermentation inhibitors generated in the steam pretreatment.
  • pretreatment with CO 2 has been less efficient than the others with respect to the production of pulps with high fiber reactivity.
  • the pretreatment of bagasse impregnated with 0.05% H2SO4 using supercritical CO2 promotes adequate recovery of 82% hemicelluloses, but pretreated pulp tends to present enzymatic digestibility of only 50%.
  • US 4,326,063 describes an integrated process for the production of ethanol, wherein sugarcane is cut and ground to produce a fiber mass and juice, which is then enzymatically digested, to transform the fiber content into fermentable sugar. Then the digestion product is separated into fibrous residue and liquid fraction with sugars.
  • This fibrous residue is subjected to a second enzymatic digestion combined with fermentation, thereby generating a new fibrous residue and a new partially fermented liquid fraction, which are then separated.
  • liquid fractions are then pooled and fermented to produce ethanol, which is then recovered.
  • This double digestion of sugarcane is the key factor in generating process economy, as it ensures that much of the fermentable material is extracted from sugarcane and that this bagasse is burned to generate energy in the process.
  • 5,037,663 describes a process for increasing the chemical and biological reactivity of cellulose and / or hemicellulose in animal feed. Such a process involves contacting the material in a pressurized container with a volatile agent such as ammonia that has a vapor pressure greater than atmospheric pressure at ambient temperatures. Contact is maintained long enough for the agent to swell the cellulose of the material. The pressure is then rapidly reduced to atmospheric pressure, causing the agent to boil and material to explode.
  • a volatile agent such as ammonia that has a vapor pressure greater than atmospheric pressure at ambient temperatures.
  • the present invention differs from these documents in that it provides energy savings by utilizing a biomass milling step, especially sugar cane, with a smaller number of suits, not fully depleting the sugarcane juice, and subjecting that cane from the sugarcane. grinding to a less severe chemical treatment.
  • US 5,266,120 describes a chemical pretreatment process of beet slices, where they are placed in a row and soaked with a cold calcium monosaccharate solution for the purpose of fixing the compound. in said slices.
  • the document provides a circulation system where by-products formed by decomposition of calcium compound and subsequent reaction with sugar beets are avoided.
  • the present invention differs from these documents in that it constitutes an integrated biomass treatment process which consists of a mechanical step (defibration and grinding) thereof associated with a subsequent physicochemical treatment of the lignocellulosic material produced.
  • sugarcane processing in juice preparation and extraction systems characterizes an operational stage in which there is a significant energy consumption within the overall energy balance of the integrated production system (sugar and ethanol).
  • the use of a broth extraction system containing a smaller series of stations (preparation and suits) enhances the achievement of significant energy savings, characterizing an eco-efficient system.
  • the simplification of the extraction process tends to produce fibrous fractions (bagasse) containing higher sucrose contents.
  • bagasse pretreatment processes conducted under severe conditions tends to considerably increase the degradation of sucrose and other carbohydrates present in the biomass, resulting in loss of yield and ethanolic yield.
  • severe conditions e.g. high temperatures and pressures
  • moderate conditions reduced severity
  • the reduction in energy demand results in less bagasse burned in the boiler for steam and energy production, increasing the availability of this biomass for the production of cellulosic ethanol and other products of industrial interest.
  • the present invention provides a more energy efficient and less costly process for treating plant biomass capable of increasing the availability of sugars and taking advantage of biomass much more advantageously compared to prior art treatments.
  • An object of the present invention is a process of treating plant biomass comprising the steps of:
  • Figures 1-8 describe the various potential chemical and biochemical pathways concerning the integrated systems discussed in the present invention.
  • Figures 1-4 describe routes in which defibration and grinding are used, while Figures 5-8 describe routes in which defibration is used only.
  • physicochemical (pre-treatment) and biochemical (enzymatic hydrolysis and fermentation) techniques which enhance for example, the production of carbohydrates (sucrose, glucose and xylose), enzymes, ethanol , and 1 to 2 generation, as well as derivatives of carbohydrates (eg organic acids, polyols and glycols).
  • Figure 9 shows the ethanol yield in different combinations of enzymatic hydrolyzate.
  • Fig.10 Characteristic Profile 1, smooth ramp and sudden decompression.
  • Fig.11 Characteristic Profile 2, intense ramp and sudden decompression.
  • Fig.12 Characteristic Profile 3, intermediate ramp and mild decompression.
  • Fig.13 Characteristic Profile 4, intermediate ramp and sudden decompression.
  • Fig.14 Conversions obtained in the enzymatic reactivity assays of pretreated bagasse under different severity levels, mild ramp and sudden decompression.
  • Fig.15 Composition of pretreated bagasse under different operating conditions with gentle ramp and sudden decompression.
  • Fig.16 Percentage of xylans versus conversions obtained in pretreated bagasse enzymatic reactivity assays under different severity levels and operating conditions with mild ramp and sudden decompression.
  • Fig.17 Composition of pretreated bagasse under different severity levels and operating conditions with intense ramp and sudden decompression.
  • Fig.18 Enzymatic conversions of pretreated bagasse under different severity levels with intense ramp and sudden decompression.
  • Fig.19 Compositions of pre-steamed marcs produced under different severities and heating ramps (mild and intense) with sudden decompression.
  • Fig.20 Enzymatic conversions of cellulose in steam pretreated bagasse under different severities and heating ramps (mild and intense) with sudden decompression.
  • Fig.21 Composition of pretreated bagasse under different severity levels and operating conditions with intermediate ramp and gentle decompression.
  • Fig.22 Enzymatic conversions of pretreated bagasse under different severity levels with intermediate ramp and mild decompression.
  • Fig.23 Pre-treated bagasse composition under different severity levels and operating conditions with intermediate ramp, sudden decompression and 50% head space.
  • Fig.24 Enzymatic conversions of pretreated bagasse under different severity levels and operating conditions with characteristic intermediate ramp profile, sudden decompression with 50% head space.
  • Fig.25 Conversions of cellulose to glucose under different process conditions. Enzymatic hydrolysis of bagasse pretreated with steam.
  • Fig.27 Yield of enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse by WEX process (catalytic and non-catalytic) under different temperature conditions (195 - 215 ° C), reaction time (4 - 16 min), catalyst charge (0 - 1.6 g / 100 g dry bagasse). Values expressed as conversion of cellulose to glucose.
  • lignocellulosic Plant Biomass includes any type of plant, namely: herbaceous biomass; cultivars such as C4 plants - belonging to the genera Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, and combinations thereof; sugar cane, including bagasse (derived from milling and / or diffuser, diffuser bagasse being preferred); cereal straws such as wheat, rice, rye, barley, oats, corn and the like (eg switchgrass elephant grass); wood; banana tree stalks and stalks; cactus plants and combinations thereof.
  • lignocellulosic materials may further comprise cardboard, sawdust, newspaper and similar agroindustrial or municipal waste.
  • Vegetable biomasses of different origins may have particular differences although they have relatively similar overall chemical composition. Some variations in composition between different species and within the same species are due to environmental and genetic variability, in addition to the location of plant tissue in different parts of the plant. Typically, approximately 35-50% consists of cellulose, 20-35% hemicelluloses and about 20-30% lignin, while the remainder consists of smaller amounts of ash, soluble phenolic compounds and fatty acids, as well as other constituents, called extractives.
  • Cellulose and plant tissue hemicelluloses consist of structural carbohydrates (e.g., glycans, xylans, mananas) and are generally referred to as the saccharide fraction. Lignin is the phenolic fraction of plant biomass.
  • the present invention is the development of an extraction system associated with a pretreatment process conducted under moderate conditions (reduced severity). Basically, it is understood a process of treatment of plant biomass through a sugarcane defibration step, followed by the extraction of sugar-rich broth from the plant biomass by milling or diffusion, complemented by (pre) treatment of the defibrated and extracted plant biomass ( bagasse) with chemical agents in the context of subsequent saccharification (carbohydrate production) and carbohydrate fermentation processes available through, for example, for the production of ethanol second generation, and other products derived from chemical and biochemical transformation of the carbohydrates produced.
  • the process comprises the steps of:
  • sugarcane biomass is introduced into a knife or knife mill (mincer), or similar equipment, so that a substantial increase in the exposed area (contact surface) of the biomass occurs maximizing water impregnation.
  • Suitable defibration provides adequate imbibition of sugarcane, which promotes therefore greater efficiency and extract the juice yield during the milling step, increasing the sugar and ethanol 1 generation.
  • the defibrated and treated cane is then introduced into an extraction assembly composed of a maximum of three (3) roller sets (suits), preferably two (2) roller assemblies, in which the defibrated cane is milled in the presence of water. soaking, producing a liquid fraction (juice) and a solid fraction (sugarcane bagasse).
  • bagasse to moderate pretreatment (reduced severity) to provide the carbohydrates present in the cellulose and hemicellulose fractions, in particular glucose and xylose, in the context of subsequent conversions (eg purification, hydrogenation, fermentation) for production purposes.
  • ethanol second generation (cellulose) and other products for example.
  • moderate process conditions eg temperature, pressure, reaction time
  • chemical agents eg ammonia, ammonium hydroxide, sulfur dioxide
  • shredded cane and / or bagasse suit 2 are examples concerning the treatment of various biomass (shredded cane and / or bagasse suit 2) using catalyst systems (eg , alkaline pre-treatment with ammonia or ammonium hydroxide), and processes non- catalytic and self-catalytic agents employing steam or water as chemical agents.
  • catalyst systems eg , alkaline pre-treatment with ammonia or ammonium hydroxide
  • non- catalytic and self-catalytic agents employing steam or water as chemical agents.
  • the products resulting from the treatment process can be used in various processes such as enzyme production, enzymatic hydrolysis, fermentation, among others, some examples being cited below.
  • the severity level of biomass treatment according to the present invention is an index that considers the pressure, temperature and reaction time used.
  • the severity level S is equivalent to Log R 0 .
  • the process of obtaining enzymes comprises submerged or semi-solid cultivation in fermenters of a specific microorganism on substrates containing pretreated sugarcane bagasse, for example.
  • the pre-inoculum step is proceeded from the stock in solid medium in test tube, where the spores are suspended in culture medium.
  • a typical composition of a preferred culture medium is pre-treated biomass, a carbohydrate source (eg sucrose, purified sugarcane juice, molasses treated), a source of vegetable protein (eg soy protein) as well as chemical adjuvants and nutrients. such as ammonium sulfate, urea, potassium phosphate, magnesium sulfate, calcium chloride, surfactants, antibiotics and antifoams.
  • the inoculum volume may vary depending on the characteristics of the available equipment and the desired process time.
  • the spore suspension in culture medium is transferred, under total aseptic conditions, from the test tube to the culture flasks and from these to a shaker incubator table.
  • Cultivation conditions generally employ temperatures ranging from 26 ° C to 34 ° C in processes conducted under mechanical agitation ranging from 80 rpm to 160rpm, with aeration rates in the range of 6 vvm to 8 vvm, to ensure oxygen saturation of the 35% order.
  • the process of production of enzymes through fermentation demands a reaction time established according to the enzymatic formulation to be produced. Generally such processes occur between 80 and 160 hours of operating time (loading, reaction time and discharge) considering intermediate pH control and correction operations, sampling and aeration rate control.
  • the fermentation step can be performed after enzymatic hydrolysis via a process known as Separated Hydrolysis and Fermentation (SHF), or concomitantly with hydrolysis, in a process known as Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF). Simultaneous Saccharification and Fermentation).
  • SHF Separated Hydrolysis and Fermentation
  • SSF Simultaneous Saccharification and Fermentation
  • a concentrated saccharide solution ranging from 80 g / L to 820 g / L, preferably from 120 g / L to 200 g / L, may be added to the reaction medium.
  • molasses or sugarcane juice may be added to the reaction medium.
  • the present invention also contemplates the possibility of simultaneously carrying out enzymatic pretreatment of hemicelluloses, enzymatic hydrolysis of cellulose and fermentation simultaneously, characterizing a Consolidated BioProcess (CBP) using the treated biomass as substrate.
  • CBP Consolidated BioProcess
  • a concentrated saccharide solution (booster), preferably molasses and optionally sugar cane juice, is added to the fermenter at the beginning or during the process, but may be operated without addition of saccharide solution.
  • the saccharide solution (booster) has a sugar concentration ranging from 80 g / l to 820 g / l, preferably from 120 g / l to 200 g / l.
  • Example 1 Carbohydrate and ethanol production from sugarcane bagasse produced by unconventional preparation (minced sugarcane or bagasse from 1st or 2nd set of rolls) using AFEX / AHFEX alkaline catalytic pretreatment (Ammonia or Ammonium Hydroxyde Fiber Explosion), enzymatic hydrolysis and ethanolic fermentation.
  • AFEX / AHFEX alkaline pretreatment operation consists of biomass loading (untreated, such as washing, grinding or particle size separation). After loading the batch reactor, the biomass impregnation with the chemical agent (ammonia or ammonium hydroxide) begins during heating.
  • the reaction is left to allow the mixture to "cook" during the operating time (10 -120) minutes, after which the (sudden or controlled) opening of the discharge valve located at the base of the reactor is opened, promoting its decompression, with expulsion of the mass to a cyclone system or collection tank. pretreated material.
  • Table 1 shows the results of an integrated process of production of carbohydrates, ethanol and ethanol 1st generation 2nd generation from chopped sugar cane bagasse and 2 suit the pretreated by AFEX / AHFEX.
  • the Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) technique was used employing cellulolytic enzymes (cellulases), ⁇ -glycosidases and hemicellulases to produce carbohydrates (eg glucose and xylose) from bagasse or chopped sugarcane.
  • molasses was incorporated as a source of total reducing sugars (boosting technique) in order to promote the biochemical conversion reaction of carbohydrates into ethanol.
  • 1G First generation ethanol
  • 2G Second generation ethanol.
  • SSF Simultaneous Saccharification and Fermentation
  • Conv Conventional
  • Example 2 Carbohydrate production from sugarcane bagasse produced under conventional milling using STEX [Steam Explosion] pretreatment in non-catalytic systems
  • the steam pretreatment operation consists of biomass loading (untreated, such as washing, milling or particle size separation).
  • heating is started by injection of saturated steam (20-23 kgf / cm 2 ) in direct contact with the biomass contained in the reactor (see typical operating profile shown in Figure 10) to achieve the operating pressure and temperature (12.0 to 20.0 kgf / cm 2, 160-220 ° C) using a suitable heating ramp.
  • the reaction is then proceeded by leaving the mixture cooking for the reaction time (2-20) minutes, after which the reactor discharge valve is opened, A sudden decompression of the material is carried out, with expulsion of the mass to a cyclone system, where the pretreated material is collected.
  • the following examples relate to steam pretreatment processes using sugarcane bagasse produced by conventional milling, containing approximately 39% cellulose (37-41%), 22% xylans (18 -26%) and 23% acid-insoluble lignin (17-26%).
  • the processes were conducted under stringent levels (log R 0) of between 3 and 16 4.28 (14.0 to 18.5 kgf / cm2 0 - 10 min) in non-catalytic or auto-catalytic systems, using the very water contained in the original bagasse.
  • Table 2 Typical profiles containing ramp type and decompression.
  • the bagasse pretreatment processes result in substrates with high cellulosic contents and high enzymatic reactivity under different process conditions, including reduced pressures of the order of 14 kgf / cm 2 . Maximum reactivity is evidenced for pressure levels of 17 kgf / cm 2 and reaction time of 10 min, characterizing severities close to 4.30. It is observed that for this level of severity a pre-treated bagasse with lower xylan content and high glycan content is produced. Intense and selective xylan removal tends to produce substrates with high accessibility of the enzymes to the cellulosic matrix, resulting in high glucose conversions. It is observed that the use of very severe conditions tends to increase cellulose solubilization and subsequent removal of glycans to the liquid phase, in the form of glucose and degradation products, impairing the overall productive yield.
  • Table 3 Compositions, soluble solids and enzymatic hydrolysis yield of pretreated bagasse under different operating conditions and process severities for mild ramp experiments (1.1 ⁇ 0.5 kgf / cm 2 / min) and sudden decompression. Zero head space and 71 kg / m 3 reactor solids load.
  • Table 4 Compositions, soluble solids and enzymatic hydrolysis yield of pretreated bagasse under different operating conditions and process severity for intense ramp experiments (5.5 ⁇ 1.0 kgf / cm 2 / min) and sudden decompression. Head space: zero. Solids load: 71 kg / m 3 reactor.
  • Table 5 Compositions, soluble solids and enzymatic hydrolysis yield of pretreated bagasse under different operating conditions and process severity for intermediate ramp experiments (2.8 ⁇ 0.5 kgf / cm 2 / min) and mild decompression (11 .0 ⁇ 1.0 kgf / cm 2 ). Head space: zero. Solids load: 71 kg / m 3 reactor.
  • Table 6 Compositions, soluble solids and enzymatic hydrolysis yield of pretreated bagasse under different operating conditions and process severity for intermediate ramp experiments (2.8 ⁇ 1.0 kgf / cm 2 / min) and sudden decompression. Head space: 50%. Solids load: 46 kg / m 3 reactor.
  • Example 3 Carbohydrate production from sugarcane bagasse produced under conventional milling using STEX (Steam Explosion) pretreatment in auto-catalytic systems.
  • Tables 7 and 8 show the composition of the pretreated bagasse in self-catalyzed acetic acid systems from the deacetylation of hemicelluloses (xylans). It is observed that it has significantly higher glycan content and a significantly lower xylan content than that found in the original biomass. This is basically due to the intense and selective removal of hemicelluloses during the process, also evidenced by the acidity of the biomass produced (pH in the range 3-4), as well as the higher xylose content and reduced glucose content in soluble solids.
  • Table 8 and Figure 25 show the conversions of cellulose to glucose obtained by hydrolysis of pretreated bagasse with different enzyme loads, process times and solids loads using cellulase and ⁇ -glycosidase.
  • Example 4 Carbohydrate production from sugarcane bagasse using WEX (Wet or Water Explosion) pretreatment in catalytic and non-catalytic (self-catalytic) systems
  • the WEX Water Explosion or Wet Explosion
  • the WEX pretreatment operation consists of reactor loading with biomass together with reagents. Unlike the STEX process, heating is performed without steam injection into the biomass. In this system, part of the water present in the reaction medium is vaporized, producing steam "inside the chamber” during the period when the operating pressure and temperature are reached through an appropriate heating ramp. Thereafter, the reaction itself proceeds by leaving the mixture cooking for the reaction time. Then, the reactor is discharged by opening the valve, causing a sudden decompression of the equipment, and subsequent sending of the pre-treated biomass to a collection tank.
  • WEX Water Explosion or Wet Explosion
  • ti and 2 refer to the start and end times of the interval, given in min, for an average process interval temperature T, expressed in ° C.
  • Table 10 and Figure 27 present the main productive-operational parameters of the bagasse pretreatment WEX (catalytic and non-catalytic) process, in which the term H refers to the hydromode (liquid-solid ratio), HS refers to refers to the head-space and the term C refers to the catalytic charge employed.
  • H refers to the hydromode (liquid-solid ratio)
  • HS refers to refers to the head-space
  • C refers to the catalytic charge employed.
  • Table 10 Productive-operational parameters of the WEX (catalytic and non-catalytic) bagasse pretreatment process.
  • H Hydro module.
  • HS Headspace.
  • C catalytic charge.

Abstract

A presente invenção se refere a um processo energeticamente eficiente para o tratamento de biomassa vegetal, em especial a cana de açúcar, para a produção de carboidratos e etanol, a partir de técnicas físico-químicas e extração, como configurações mais simples de moagem, minimizando assim o consumo de energia durante a extração do caldo da cana. A biomassa tratada e obtida por esse processo, quando submetida a um processo fermentativo para a produção de etanol, aumenta o rendimento do processo quando comparada com a cana de açúcar tradicional. Ela pode ser utilizada ainda para a produção de enzimas, ração e outros produtos úteis.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
PROCESSO DE TRATAMENTO DE BIOMASSA VEGETAL
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um processo energeticamente eficiente para o tratamento de biomassa vegetal, em especial a cana de açúcar, para a produção de carboidratos, etanol e produtos afins, a partir de técnicas físico- químicas e de extração, adotando-se configurações mais simples de moagem da biomassa, de modo a reduzir significativamente o consumo de energia durante a extração do caldo presente nesta biomassa.
A biomassa tratada e obtida mediante a técnica concernente à presente invenção, quando submetida a um processo sequenciado de sacarificação e fermentação possibilita o incremento da produção de etanol em comparação ao processo convencional (etanol de 1a geração) a partir da cana de açúcar. Tal técnica também pode ser utilizada para a produção de enzimas, ração e produtos de interesse industrial derivados da transformação de carboidratos, da lignina e do etanol (1a e 2a geração) provenientes da biomassa vegetal.
Antecedentes da Invenção
A cana de açúcar pertence à família das Poaceae e pode atingir de 2,5 m a 4,5 m de altura, contém 11% a 17% de sacarose em peso e 11 a 15% de fibra (material lignocelulósico) em peso. A cana é cortada junto ao caule e transportada através de caminhões até a usina.
A cana é descarregada em uma mesa alimentadora e lavada com água , ou a seco para remoção de terra, detritos e palha, esta etapa é chamada de recepção de cana.
Preparo e moagem da cana
Após a recepção, a cana passa para etapa de preparo, a qual ocorre em um equipamento (picador) constituído por facas que giram em alta rotação (500-1200 r.p.m.). A cana é cortada em pedaços pequenos e curtos (toletes), constituindo uma camada compacta e uniforme, a qual, por sua vez, é enviada ao desfibrador. Este equipamento tem a finalidade de promover uma elevada desintegração da cana, com vistas a facilitar a extração dos açúcares na etapa de moagem. Basicamente, o desfibrador é constituído por martelos que giram em alta rotação (500-1500 RPM), acoplados a uma placa metálica, na qual se força a cana a passar por um espaço estreito que varia de 10-25 mm, de modo que as células da cana são "abertas" e, desta forma, preparadas para a etapa subseqúente de moagem (extração).
A etapa de extração consiste na moagem da cana através de conjuntos de rolos (ternos). Cada terno de moagem é geralmente constituído por quatro rolos, nos quais a cana é prensada (esmagada) sob alta pressão para extração dos açúcares. Uma unidade típica de extração possui entre quatro (4) e sete (7) ternos de moagem.
Os rolos de moagem são acionados por motores elétricos, turbinas a vapor ou sistemas hidráulicos. A etapa de moagem consome tipicamente entre 40-60% de toda energia requerida para o processo produtivo, caracterizando uma operação com elevada demanda energética.
Após a 1a etapa de moagem, produz-se uma corrente líquida (caldo primário) com elevado teor de sacarose, a qual é enviada para fabricação de açúcar ou para produção de etanol de 1a geração.
Após a 2a etapa de moagem extrai-se o caldo misto, o qual é constituído pelo caldo obtido da 2a etapa de moagem ademais dos caldos produzidos nas etapas adjacentes, bem como da água adicionada na etapa de moagem. Este caldo, apesar de possui um menor teor e pureza em sacarose, em comparação ao caldo primário, também pode ser utilizado na produção de etanol de 1a geração, bem como misturado ao caldo primário para produção de açúcar.
Atualmente, existe crescente demanda de etanol nos mercados interno e externo, em virtude do emprego como combustível e anti-detonante em motores automotores. O Brasil detém a liderança tecnológica na produção de veículos "flex-fuef que utilizam etanol puro ou misturado com a gasolina. Estimativas indicam um crescimento significativo da demanda interna por etanol, em virtude da substituição total ou parcial da gasolina nos diversos veículos automotores. Tal incremento representa uma pressão no sentido de expansão da área cultivada com cana-de-açúcar para produzir etanol, o que potencializa o surgimento de conflitos associados à ocupação e uso da terra, além de aspectos de natureza ambiental inerentes à cultura canavieira.
Além do seu uso como combustível, o processamento do etanol enquanto matéria-prima vem despertando interesse crescente da indústria química. Enquanto se observa uma crescente alta dos preços do petróleo, combinada ao caráter não-renovável deste recurso, evidencia-se a real factibilidade de se desenvolver plataformas tecnológicas do tipo "bio-refinarias" que utilizam recursos renováveis de elevada disponibilidade e custo relativamente reduzido. Neste contexto, a produção de etanol e outros químicos de alto interesse e aplicabilidade industrial a partir de recursos renováveis tais como o bagaço de cana tem emergido como uma alternativa tecnológica potencialmente atrativa. Particularmente, a produção de etanol a partir da celulose presente no bagaço (etanol celulósico) tem despertado um crescente interesse em virtude dos inúmeros benefícios de ordem económica, estratégica, social e ambiental.
O processo de produção de etanol celulósico a partir do bagaço demanda a transformação da celulose em glicose e subsequente conversão desta pelos microrganismos em bioetanol. Entretanto, a celulose nativa encontra-se muito protegida pela matriz lignina-carboidrato, de modo que a celulose torna-se muito recalcitrante à ação hidrolítica, resultando em processos lentos de conversão da celulose em glicose. Devido à associação da celulose com as hemiceluloses e a lignina, o acesso dos diversos agentes químicos (e.g. ácidos e álcalis) e bioquímicos (e.g. enzimas, microrganismos) utilizados nos processos de produção de etanol celulósico por via fermentativa torna-se bastante restrito. A matriz celulósica se organizada em fibras associadas segundo pontes de hidrogénio e ligações de van der Waals, formando uma estrutura molecular rígida (micro-fibrilas), com diâmetros de 10 a 30 nm. Além disso, a elevada cristalinidade da celulose dificulta sobremaneira a conversão da mesma em açúcares fermentescíveis mediante processos de hidrólise. Os açúcares, a sua vez, são convertidos em etanol. Assim sendo, processos de produção de etanol celulósico demandam um tratamento prévio da biomassa (pré-tratamento), com a finalidade de "abrir" a matriz celulósica à ação dos agentes de hidrólise, em particular as enzimas. As regiões de baixa cristalinidade (amorfas) existentes nas micro-fibrilas são susceptíveis à ação enzimática, dispensando pré-tratamento da biomassa.
O pré-tratamento de uma biomassa lignocelulósica consiste em uma das etapas operacionais mais relevantes em termos de custo direto, além de influenciar consideravelmente os custos das etapas anteriores e subsequentes do processo. Basicamente, o pré-tratamento relaciona-se às operações de preparação de matéria-prima (moagem, impregnação), bem como a hidrólise (ácida ou enzimática) da celulose (carga e consumo de enzimas ou ácidos, taxas de reação), geração de produtos inibidores à hidrólise enzimática e fermentação alcoólica, concentrações sacarídicas dos hidrolisados produzidos, purificação de produtos intermediários, tratamento de resíduos, agitação mecânica e geração de energia. Neste contexto, deve-se buscar perfeita integração entre as diversas operações. O desempenho de uma técnica de pré- tratamento deve ser avaliado em função de sua influência sobre os custos associados às etapas precedentes e subsequentes, bem como sobre os custos operacionais, de matéria-prima e de capital. Deste modo, o pré-tratamento propriamente dito deve ser muito eficiente em termos de rendimento, seletividade, funcionalidade (garantindo acessibilidade da celulose aos agentes hidrolíticos), simplicidade operacional, segurança e higiene industrial e atributos ambientais, enquanto consiste em reduzido consumo de insumos químicos, energia e utilidades. Em termos gerais, um pré-tratamento eficiente do bagaço de cana para a produção de etanol deve ao mesmo tempo produzir uma polpa celulósica com elevada acessibilidade e reatividade da fibra aos agentes hidrolíticos ácidos ou enzimáticos (digestibilidade), garantir adequada recuperação das pentoses, além de limitar a geração de compostos inibidores aos microrganismos usados na fermentação e às enzimas. Adicionalmente, aspectos associados ao uso de catalisadores de baixo custo, reciclagem de insumos e geração de subprodutos de alto valor agregado a partir da lignina caracterizam sistemas de pré-tratamento eco-eficientes.
Embora diversas técnicas de pré-tratamento sejam potencialmente aplicáveis ao bagaço de cana, torna-se particularmente difícil realizar estudos comparativos com base nos dados da literatura em virtude das diferenças nas metodologias de pesquisa, nas características físicas do material, bem como nos métodos de preparação da matéria-prima. Entretanto, salienta-se a importância de se aperfeiçoar o conhecimento acerca das diferenças entre os diversos tipos de pré-tratamento, bem como do efeito de cada processo sobre as demais operações. Tal medida pode facilitar a seleção dos equipamentos e sequências operacionais do sistema integrado, ademais de reduzir riscos associados à implementação do processo em escala industrial, bem como identificar oportunidades de melhoria ao longo do sistema integrado, conduzindo a uma otimização da eficiência operacional e minimizando os custos globais de produção de etanol.
Vários métodos de pré-tratamento de biomassas vegetais ligno- celulósicas têm sido sugeridos ao longo das duas últimas décadas. Estes podem ser divididos em métodos físicos, químicos, biológicos ou combinações destes. Os métodos físicos (e.g. pelletização, moagem) convertem a biomassa em pós finos, incrementando a superfície específica da celulose, de modo que a hidrólise da mesma ocorre com relativa facilidade. A maior desvantagem associada a este método consiste no elevado consumo energético. No caso do bagaço, pode-se considerar que a moagem da cana configura uma operação de pré-tratamento da fibra. A irradiação da fibra celulósica com raios-γ promove uma cisão das ligações β-1 ,4 glicosídicas da celulose. Deste modo, ocorre incremento da superfície específica e redução da cristalinidade da celulose, o que tende a incrementar a taxa de hidrólise da mesma. Este método, entretanto, é considerado como de custo excessivamente elevado para ser implementado em escala industrial. A opção de pré-tratamento da biomassa mediante pirólise demanda a utilização de temperaturas muito elevadas (superiores a 300°C), ocorrendo rápida decomposição da celulose com produção de compostos gasosos e formação de resíduos de alcatrão. Uma hidrólise ácida da fração sólida em condições moderadas converte os fragmentos celulósicos em glicose. Em que pese sua relativa simplicidade operacional, a pirólise da biomassa lignocelulósica apresenta reduzida eficiência global, em função de elevadas perdas sacarídicas, reduzida seletividade em glicose, além da formação de compostos inibidores de fermentação. Os processos físico-químicos de pré-tratamento utilizando ácido diluído, vapor de alta pressão ou água quente possibilitam a remoção seletiva das hemiceluloses, produzindo soluções sacarídicas (pré-hidrolisados) com elevado teor de pentoses e reduzido teor de lignina. Processos alcalinos tendem a promover maior dissolução da lignina e menor solubilização ou fragmentação das hemiceluloses.
Embora muitos métodos de pré-tratamento tenham sido experimentados ao longo dos últimos anos, constata-se a crescente necessidade em desenvolver alternativas tecnológicas eficientes em termos de custo global e competitividade económica. Basicamente, extrações seletivas de componentes não-celulósicos (lignina e hemiceluloses) utilizando-se álcalis ou ácidos têm sido obtidas a custos relativamente razoáveis. Em particular, pré-tratamentos utilizando vapor água, ácido sulfúrico diluído, amónia e hidróxido de cálcio ("lime") têm emergido dentre as opções mais promissoras. A Tabela 1 apresenta algumas condições operacionais empregadas em diferentes pré- tratamentos de biomassas tais como o bagaço de cana e palha de milho.
Existem similaridades entre os principais métodos de pré-tratamento ácido da biomassa ("Hot Watei", "Steam Explosion" e hidrólise com ácido diluído) com vistas à produção de etanol, uma vez que todos os métodos fundamentam na ação combinada da água e do cátion hidrônio (H+), sob diferentes proporções e severidades de processo.
O pré-tratamento com vapor ("Steam Treatmenf), frequentemente denominado "explosão com vapor" ("Steam Explosion") consiste num dos métodos mais utilizados para transformar biomassas vegetais ligno-celulósicas, originando-se do processo Masonite empregado na produção de aglomerados de madeira. Quando um material ligno-celulósico é aquecido a temperaturas relativamente elevadas com vapor saturado, seguido de uma súbita descompressão do equipamento, produz-se uma mistura ("slurry") de cor marrom resultante da fragmentação da biomassa. Após lavagem do material, separação do líquido e adição de adesivos, produz-se o aglomerado de madeira. No Brasil, algumas empresas têm utilizado bagaço de cana na produção de aglomerados para a indústria moveleira.
O pré-tratamento com vapor atua química e fisicamente na transformação da ligno-celulose, tendo-se as reações químicas como parâmetro dominante. A biomassa é tratada com vapor saturado a 160-240°C (cerca de 6-34 bar) durante um tempo reacional entre 1-15 minutos. Após este tempo, ocorre descompressão do sistema e o material é coletado em um tanque de expansão ("flash tank" ou "blow tank"). Durante o tratamento da biomassa com vapor, ocorre hidrólise das hemiceluloses, além da cisão de algumas ligações entre a celulose e a lignina. A estrutura da biomassa torna-se mais susceptível à penetração pela água, ácidos e enzimas, de modo que o potencial hidrolítico da celulose é incrementado. Os carboidratos liberados das hemiceluloses podem sofrer degradação térmica, enquanto pode ocorrer fragmentação parcial da lignina e arraste da mesma para o hidrolisado. Os compostos de degradação produzidos podem exercer efeito inibitório nas operações subseqCientes. A hidrólise nos tratamentos com vapor pode ser catalisada por ácidos orgânicos (e.g. ácido acético) formados pela cisão dos grupos funcionais presentes nas hemiceluloses. Observa-se, neste caso, auto- hidrólise das hemiceluloses, caracterizando processo auto-catalítico. Catalisadores ácidos (SO2 e H2SO4) e ácidos de Lewis (FeC , ZnCI2) podem ser utilizados, resultando-se em um incremento da recuperação de açúcares hemicelulósicos, além de facilitar a hidrólise da celulose presente na polpa pré- tratada em etapas posteriores. O pré-tratamento de biomassas com elevado teor de hemiceluloses altamente acetiladas, como é o caso do bagaço, requer mínimas quantidades de catalisadores ácidos. A utilização destes catalisadores ácidos resulta, portanto, em uma ação similar ao pré-tratamento químico com ácido diluído, porém uma quantidade muito menor de líquido é necessária. Por outro lado, o pré-tratamento com vapor apresenta similaridades com a hidro- termólise ("Hot Watet"), porém maiores cargas de sólidos podem ser utilizadas no pré-tratmento com vapor. Isto é particularmente interessante, visto que resulta em vantagens associadas à maior concentração nos hidrolisados, menor consumo de água e menor geração de efluentes líquidos. O pré- tratamento com vapor pode ser considerado um processo com tecnologia amadurecida, de modo que,, dentre os métodos apresentados, encontra-se mais próximo à comercialização.
A hidrotermólise ("Hot Watet"), também denominada solvólise não- catalítica ou aquasolv, utiliza água comprimida em contato com a biomassa durante 1-15 minutos sob temperaturas entre 170 e 230°C. Nestas temperaturas, a água promove a cisão das ligações hemiacetá liças dos carboidratos, liberando ácidos durante a hidrólise a biomassa. Neste processo, não existe necessidade de se reduzir o tamanho das partículas da biomassa, as quais tendem a romper ao contato com a água durante o processo de "cocção". Aproximadamente 40-60% da biomassa é dissolvida no processo, com remoção de celulose variando entre 4-22%. Acima de 90% das hemiceluloses são recuperadas quando se usa ácido como catalisador da hidrólise do líquido produzido, porém concentrações sacarídicas reduzidas, da ordem de 0,5-6,0 g/L, são obtidas. Configurações de reatores de fluxo ("flow- through") e batelada ("batch") em contra-corrente e co-corrente podem ser utilizadas. Nos reatores de fluxo, a água quente passa por um leito fixo de biomassa, promovendo a hidrólise dos componentes ligno-celulósicos, os quais são transportados para fora do reator. Remove-se grande quantidade de lignina (35-60%) neste processo. Geralmente, devido à solubilização de lignina, demanda-se a utilização de sistemas especiais de separação com vistas a obter adequada recuperação das hemiceluloses. Em geral, polpas celulósicas com elevada reatividade de fibra são produzidas, bem como o hidrolisado produzido na hidrólise destas polpas sói apresentar adequada fermentabilidade em etanol. O emprego de catalisadores ácidos torna o método "Hot Water" semelhante ao pré-tratamento com ácido diluído.
O processo "Hot Water" apresenta desvantagens importantes em relação ao sistema "Steam Explosion". Reduzidas cargas de sólidos (1-8%) devem ser utilizadas, em razão da formação de inibidores nos hidrolisados produzidos ao se utilizar concentrações de sólidos superiores a 10%. A quantidade de água utilizada no processo "Hot Water" geralmente é muito superior àquela empregada no processo "Steam Explosion", produzindo hidrolisados muito diluídos, o que tende a provocar problemas operacionais nas etapas subsequentes do sistema integrado. Vale salientar que, no caso da utilização de hidrolisados como agente de diluição do melaço em sistemas fermentativos utilizando microrganismos que convertem pentoses, tal problema adquire menor magnitude e relevância.
O processo de hidrólise com ácido diluído tem sido utilizado industrialmente na produção de furfural, configurando uma opção tecnológica potencialmente interessante no pré-tratamento de biomassas ligno-celulósicas. Basicamente, ocorre remoção das hemiceluloses, produzindo polpas com elevada reatividade de fibras. Geralmente, utiliza-se ácido sulfúrico como agente hidrolítico, embora outros ácidos (e.g. nítrico, clorídrico e fosfórico) possam ser utilizados.
Basicamente, a mistura (solução do ácido e biomassa) pode ser aquecida indiretamente no reator, ou diretamente por injeção de vapor, apresentando, neste caso, relativa semelhança ao sistema "Steam Explosion". Adiciona-se o ácido ao líquido, percolando através do leito fixo de biomassa, espargido ("spraying") sobre a massa, ou ainda misturado com a biomassa por meio de agitação mecânica. A utilização de ácido sulfúrico apresenta alguns inconvenientes associados à corrosão de equipamentos, bem como a necessidade de neutralização do líquido (hidrolisado) produzido, além da formação de inibidores de fermentação. Vale ressaltar que, em virtude da relativa facilidade de remoção das hemiceluloses do bagaço, os processos com ácido diluído podem ser conduzidos sob condições de processo relativamente moderadas (160-170°C), com reduzida formação deste inibidores, enquanto polpas com fibra reativa são obtidas. Os processos de hidrólise com ácido diluído demandam matéria-prima com reduzido teor de cinzas e outras impurezas, em virtude do efeito tamponante ("buffering") das mesmas, resultando em alto consumo de ácido. A lavagem da biomassa previamente ao pré-tratamento torna-se necessária para prevenir este problema.
Processos de pré-tratamento com ácido diluído em reatores "flow- through" utilizam H2SO4 em concentrações da ordem de 0,05%-0,07%, ou seja, muito inferiores àquelas empregadas nos sistemas em batelada (0,7-3,0%). Temperaturas moderadas (140-170°C) são utilizadas no primeiro estágio para hidrolisar a fração hemicelulósica mais reativa, enquanto no segundo estágio se utilizam condições mais severas (180-200°C), visando hidrolisar as hemiceluloses mais recalcitrantes. Cerca de 30%-50% da lignina são extraídos, enquanto aproximadamente 80%-95% das hemiceluloses (majoritariamente sob a forma de monômeros) são recuperados. A polpa pré-tratada apresenta elevada reatividade de fibra, com digestibilidade enzimática da ordem de 90%. Entretanto, o processo demanda configurações de equipamento complexas, além de elevado hidromódulo, bem como elevado consumo de água e energia.
Os processos alcalinos de pré-tratamento geralmente utilizam condições moderadas de operação, em termos de temperaturas e pressões, em comparação aos sistemas ácidos. O principal efeito do pré-tratamento consiste na remoção da lignina da biomassa, promovendo maior reatividade da fibra. O álcali (geralmente soda ou cal) tende a causar um "inchamento" ("swelling") da biomassa, de modo que a cristalinidade da celulose decresce, enquanto ocorre um incremento da superfície específica de contato e da porosidade da mesma. Evidencia-se uma cisão das ligações lignina-carboidrato, além da fragmentação da estrutura da lignina. Em alguns casos, o pré-tratamento pode ser conduzido à temperatura ambiente, porém demanda tempos reacionais elevados, da ordem de horas ou mesmo dias. Diferentemente dos sistemas ácidos, uma limitação importante associada aos processos alcalinos consiste na necessidade de recuperar os álcalis, de modo a garantir adequada economicidade do processo. Uma vez que os processos alcalinos promovem uma intensa deslignificação da biomassa, tais sistemas devem ser preferencialmente utilizados no pré-tratamento de materiais com reduzido teor de lignina (e.g. resíduos agro-industriais), com vistas à minimização da quantidade da mesma, presente no hidrolisado. As técnicas de pré-tratamento alcalino visando à produção de etanol vêm sendo testadas apenas em escala de laboratório e unidades piloto.
O pré-tratamento do bagaço utilizando hidróxido de cálcio ("lime") apresenta vantagens em termos de custo do reagente, segurança do processo e possibilidade de recuperar o álcali sob a forma de carbonato de cálcio mediante reação com o dióxido de carbono produzido na etapa de fermentação alcoólica. O carbonato pode, em seguida, ser convertido em hidróxido através de técnicas convencionais estabelecidas na indústria. A adição de oxigénio ou ar (a exemplo da "Wet Alkaline Oxidation") tende a promover uma remoção da lignina da ordem de 80%. Entretanto, tais processos produzem hidrolisados com elevado teor de lignina, demandando a utilização de sistemas de separação lignina-carboidrato, de modo a recuperar hemiceluloses.
O processo de oxidação alcalina úmida ("Wet Alkaline Oxidation") consiste no tratamento da biomassa com água e oxigénio a temperaturas superiores a 120°C. Uma variação do método consiste em utilizar H2O2 como oxidante ("Wet Alkaline Peroxide Oxidation") com tempos de reação de 2-8 horas sob temperaturas entre 30°C-70°C. Geralmente, se utiliza carbonato de sódio, hidróxido de cálcio ("lime") ou de sódio como agente de hidrólise e deslignificação.
Pré-tratamentos alcalinos oxidativos produzem polpas com elevada reatividade da fibra, em virtude da acessibilidade da matriz celulósica às enzimas. Entretanto, uma grande quantidade de lignina é oxidada e solubilizada durante estes processos, de modo que a mesma não pode ser utilizada como combustível, comprometendo a eficiência energética do sistema global. Adicionalmente, ocorre formação de alguns inibidores de fermentação (e.g. ácidos orgânicos e fenólicos) nos hidrolisados produzidos, comprometendo as etapas subsequentes.
O processo AFEX ("Ammonia Fibre Explosion") consiste na versão alcalina do processo de pré-tratamento "Steam Explosion". Basicamente, ocorre incremento da reatividade da fração celulósica devido ao "inchamento" da mesma, combinado com hidrólise das hemiceluloses e desintegração da fibra. Submete-se a biomassa à ação da amónia líquida (2kg/kg biomassa) a 160-180°C, sob pressão de 9-17 bar por um período de 10-20 minutos. Em seguida, a pressão do sistema é rapidamente liberada e o material "explodido" é coletado no "flash tan Entre as vantagens deste método, relaciona-se a elevada reatividade da fibra, mínima geração de compostos inibidores de fermentação, além da recuperação da amónia. Entretanto, o AFEX não promove uma elevada solubilização das hemiceluloses, como se verifica nos processos ácidos, possibilitando-se recuperá-las nos hidrolisados produzidos. O processo SHFEX ("Sodium Hydroxide Fiber Explosion") utiliza hidróxido de sódio sob condições semelhantes, porém com vantagens associadas à recuperação do álcali, e maior segurança do processo. Entretanto, ambos processos produzem hidrolisados com elevado teor de lignina, de modo que sistemas de separação lignina-carboidrato e recuperação de álcali são necessários.
Sistemas de pré-tratamento utilizando C02 como agente de hidrólise (e.g "C02 Explosion" e "CO2 supercrítico") podem ser considerados como opções tecnológicas potencialmente interessantes no longo prazo para o pré- tratamento do bagaço de cana-de-açúcar utilizando o CO2 produzido na etapa de fermentação alcoólica. Basicamente, o CO2 se converte em ácido carbónico "in-loco", de modo que a hidrólise das hemiceluloses é substancialmente incrementada. Este método é mais eficiente, do ponto de vista económico, que o processo AFEX, além de não produzir os inibidores de fermentação gerados no pré-tratamento com vapor. Entretanto, o pré-tratamento com CO2 tem sido menos eficiente que os demais, com respeito à produção de polpas com elevada reatividade de fibra. O pré-tratamento do bagaço impregnado com H2SO4 0,05% usando CO2 supercrítico promove adequada recuperação de hemiceluloses da ordem de 82%, porém a polpa pré-tratada tende a apresentar digestibilidade enzimática de apenas 50%.
Com base no descrito acima, diversas soluções foram propostas e protegidas visando economia energética na produção de etanol.
O documento US 4,326,063 descreve um processo integrado para a produção de etanol, onde a cana é cortada e triturada, de forma a produzir uma massa de fibra e suco, que é em seguida digerida enzimaticamente, para transformar o conteúdo das fibras em açúcar fermentável. Em seguida o produto de digestão é separado em resíduo fibroso e fração líquida com açúcares.
Esse resíduo fibroso é submetido a uma segunda digestão enzimática combinada com fermentação, gerando assim um novo resíduo fibroso e uma nova fração líquida parcialmente fermentada, as quais são então separadas.
As frações líquidas são então juntadas e fermentadas para a produção de etanol, que é então recuperado.
Essa dupla digestão da cana é o fator chave para gerar economia do processo, por garantir que grande parte do material fermentável é extraído da cana e que esse bagaço é queimado para gerar energia no processo.
O documento US 4,356, 196, em que alfafa e outros vegetais são tratados com amónia em pressões elevadas, visando aumentar sua digestibilidade e disponibilidade de proteínas. Além disso, a celulose pode ser degradada enzimaticamente para produzir glicose, que será então transformada em etanol por processos convencionais.
O documento 5,037,663 descreve um processo para aumentar a reatividade química e biológica da celulose e/ou hemicelulose em alimentos de animais. Tal processo envolve o contato do material em um recipiente pressurizado com um agente volátil, como amónia, que possui uma pressão de vapor maior que a pressão atmosférica em temperaturas ambientes. O contato é mantido em um período suficiente para o agente inchar a celulose do material. A pressão é então rapidamente reduzida à pressão atmosférica, causando a ebulição do agente e explosão do material.
Tratamentos similares estão descritos no documento US 6,416,621 , US 7,189,306, US 2008/0008783, US 2007/0031953, US 2007/0031918 e US 2007/0031919.
A presente invenção difere destes documento por proporcionar economia de energia por utilizar uma etapa de moagem da biomassa, em especial a cana-de-açúcar, com um número de ternos menor, não exaurindo totalmente o caldo da cana, e submetendo essa cana oriunda da moagem a um tratamento químico menos severo.
Abordando um outro aspecto, o documento US 5,266,120 descreve um processo de pré-tratamento químico de fatias de beterraba, onde as mesmas são colocadas em uma linha e encharcadas com uma solução fria de mono- sacarato de cálcio, com a finalidade de fixar o composto nas ditas fatias. O documento proporciona um sistema de circulação onde os subprodutos formados pela decomposição do composto de cálcio e posterior reação com os açúcares da beterraba são evitados.
O documento US 5,772,775 descreve que, para alcançar um processo eficiente de extração de caldo, deve-se evitar a compactação do leito para prevenir taxas de percolação e expulsão de suco baixas. Dessa forma foi desenvolvido um processo para a extração de caldo compreendendo etapas de deslocamento de ar e deslocamento do caldo do material fibroso por um processo "plug-flow" (reator tubular) e remoção e separação do caldo.
A presente invenção difere destes documentos, uma vez que configura um processo integrado de tratamento da biomassa, o qual consiste de uma etapa mecânica (desfibração e moagem) desta associada a uma subsequente de tratamento físico-químico do material ligno-celulósico produzido.
Conforme citado anteriormente, o processamento da cana-de-açúcar em sistemas de preparo e extração de caldo caracteriza uma etapa operacional em que se verifica um consumo energético significativamente importante dentro do balanço energético global do sistema produtivo integrado (açúcar e etanol). Neste contexto, a utilização de um sistema de extração de caldo contendo uma menor série de estações (preparo e ternos) potencializa a obtenção de uma significativa economia de energia, caracterizando um sistema eco-eficiente. Por outro lado, a simplificação do processo de extração tende a produzir frações fibrosas (bagaço) contendo maiores teores de sacarose.
A utilização de processos de pré-tratamento do bagaço conduzidos sob condições severas (e.g. temperaturas e pressões elevadas) tende a aumentar consideravelmente a degradação da sacarose e demais carboidratos presentes na biomassa, resultando em perda de produção e rendimento etanólico. Neste contexto, o desenvolvimento de um sistema de extração associado a um processo de pré-tratamento conduzido sob condições moderadas (severidade reduzida) potencializa um significativo incremento da eficiência energética do sistema integrado de produção de açúcar e etanol de primeira geração. Por outro lado, a redução da demanda energética resulta em menor quantidade de bagaço queimado na caldeira para produção de vapor e energia, aumentando a disponibilidade desta biomassa para a produção de etanol celulósico e outros produtos de interesse industrial.
Em resumo, com base no exposto até o presente momento, observa-se que o atual estado da técnica não antecipa ou sugere os ensinamentos da presente invenção, a qual preconiza o desenvolvimento de um sistema simplificado de preparo da cana e extração de caldo com menor consumo energético (comparado ao sistema convencional) associado a um processo de pré-tratamento de material lignocelulósico (particularmente bagaço) com vistas à produção de açúcar (e outros carboidratos), etanol de 1a geração, etanol celulósico (2a geração), além de outros produtos com potencial interesse industrial.
Sumário da Invenção
Em um primeiro aspecto, a presente invenção proporciona um processo mais eficiente e energeticamente menos custoso para tratamento de biomassa vegetal, capaz de aumentar, a disponibilidade dos açúcares e aproveitar a biomassa de forma muito mais vantajosa quando comparado com os tratamentos do estado da técnica.
É um objeto da presente invenção um processo de tratamento de biomassa vegetal compreendendo as etapas de:
a) desfibração da biomassa vegetal;
b) extração opcional de parte do caldo por moagem ou difusão, onde a moagem compreende até 3 ternos; e
c) tratamento da biomassa vegetal desfibrada sólida de b) com agentes químicos sob diferentes níveis de severidade (S) compreendido na faixa que vai de 3,16 a 4,28..
É um adicional objeto da presente invenção proceder-se à conversão da biomassa tratada obtida através da técnica descrita acima, onde se processa uma maior quantidade de açúcares redutores totais (ART) em comparação ao processo tradicional (baseado exclusivamente na produção e conversão da sacarose), em virtude da disponibilização dos demais carboidratos presentes na biomassa, particularmente glicose e xilose, provenientes da celulose e das hemiceluloses presentes na fração sólida (bagaço) da biomassa da cana..
Os objetos da presente invenção encontram-se caracterizados através do detalhamento apresentado à continuação.
Breve Descrição das Figuras
As figuras 1-8 descrevem as diversas rotas químicas e bioquímicas potenciais concernentes aos sistemas integrados abordados na presente invenção. As Figuras 1-4 descrevem rotas nas quais se utiliza desfibração e moagem, enquanto as Figuras 5-8 descrevem rotas nas quais se utiliza apenas desfibração. Observa-se uma vasta miríade de produtos e processos que podem ser configurados e produzidos mediante os diferentes arranjos produtivos, bem como do emprego de técnicas de processos físico-químicos (pré-tratamentos) e bioquímicos (hidrólise enzimática e fermentação), os quais potencializam, por exemplo, a produção de carboidratos (sacarose, glicose e xilose), enzimas, etanol de 1a e 2a geração, além de derivados de carboidratos (e.g. ácidos orgânicos, polióis e glicóis). Evidencia-se, também a possibilidade de se proceder a conversões térmicas, químicas e termo-químicas do resíduo sólido (celulignina) produzido no processo integrado, em âmbito de biorefinaria, potencializando-se a geração de energia (mediante combustão), produção de combustíveis líquidos e gasosos (através de. pirólise, gasificação e reações de Fischer-Tropsch), além de especialidades químicas de alto valor agregado (por via de oxidação da lignina e dos carboidratos).
A Figura 9 mostra o rendimento de etanol em diferentes combinações de hidrolisado enzimático.
Fig.10: Perfil Característico 1 , rampa suave e descompressão súbita.
Fig.11 : Perfil Característico 2, rampa intensa e descompressão súbita.
Fig.12: Perfil Característico 3, rampa intermediaria e descompressão suave.
Fig.13: Perfil Característico 4, rampa intermediaria e descompressão súbita.
Fig.14: Conversões obtidas nos ensaios de reatividade enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes níveis de severidade, rampa suave e descompressão súbita.
Fig.15: Composição do bagaço pré-tratado sob diferentes condições operacionais com rampa suave e descompressão súbita.
Fig.16: Percentual de xilanas versus conversões obtidas nos ensaios de reatividade enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes níveis de severidade e condições operacionais com rampa suave e descompressão súbita.
Fig.17: Composição do bagaço pré-tratado sob diferentes níveis de severidade e condições operacionais com rampa intensa e descompressão súbita.
Fig.18: Conversões enzimáticas dos bagaços pré-tratados sob diferentes níveis de severidade com rampa intensa e descompressão súbita. Fig.19: Composições dos bagaços pré-tratados com vapor produzidos sob diferentes severidades e rampas de aquecimento (suave e intensa) com descompressão súbita.
Fig.20: Conversões enzimáticas da celulose nos bagaços pré-tratados com vapor sob diferentes severidades e rampas de aquecimento (suave e intensa) com descompressão súbita.
Fig.21 : Composição do bagaço pré-tratado sob diferentes níveis de severidade e condições operacionais com rampa intermediária e descompressão suave.
Fig.22: Conversões enzimáticas dos bagaços pré-tratados sob diferentes níveis de severidade com rampa intermediária e descompressão suave.
Fig.23: Composição do bagaço pré-tratado sob diferentes níveis de severidade e condições operacionais com rampa intermediária, descompressão súbita e "head space" de 50%.
Fig.24: Conversões enzimáticas dos bagaços pré-tratados sob diferentes níveis de severidade e condições operacionais com perfil característico rampa intermediária, descompressão súbita com "head space" de 50%.
Fig.25. Conversões da celulose em glicose sob diferentes condições de processo. Hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado com vapor.
Fig 26. Perfil característico de processo WEX conduzido a 190°C durante 4 min.
Fig.27 Rendimento da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado através de processo WEX (catalítico e não-catalítico) sob diferentes condições de temperatura (195 - 215°C), tempo reacional (4 - 16 min), carga de catalisador (0 - 1 ,6 g/100 g bagaço seco). Valores expressos em conversão de celulose em glicose.
Descrição Detalhada da Invenção
Os exemplos aqui descritos têm o intuito apenas de exemplificar objetos da invenção, e não de limitar sua aplicação.
Biomassa Vegetal Lignocelulósica A expressão biomassa vegetal lignocelulósica compreende qualquer tipo de planta, a saber: biomassa herbácea; cultivares como plantas C4 - pertencentes aos géneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, e combinações dos mesmos; cana-de-açúcar, incluindo o bagaço (oriundo de moenda e/ou difusor, sendo o bagaço de difusor preferido); palhas de cereais como trigo, arroz, centeio, cevada, aveia, milho e similares (e.g. capim-elefante "switchgrass"); madeira; troncos e talos de bananeira; cactáceas e combinações dos mesmos. Além disso, materiais lignocelulósicos podem ainda compreender papelão, serragem, jornal e resíduos agroindustriais ou municipais similares.
Biomassas vegetais de diferentes origens podem apresentar diferenças particulares embora possuam composição química global relativamente semelhante. Algumas variações na composição entre diferentes espécies e entre uma mesma espécie se devem a variabilidades ambientais e genéticas, ademais da localização do tecido vegetal em diferentes partes da planta. Tipicamente, aproximadamente 35-50% se constitui de celulose, 20-35% de hemiceluloses e cerca de 20-30% de lignina, enquanto o restante consiste em quantidades menores de cinzas, compostos fenólicos solúveis e ácidos graxos, além de outros constituintes, denominados extrativos. A celulose e as hemiceluloses do tecido vegetal se constituem de carboidratos estruturais (e.g. glicanas, xilanas, mananas), sendo geralmente denominadas de fração sacarídica. A lignina se constitui na fração fenólica da biomassa vegetal.
Processo de Pré-Tratamento
A presente invenção consiste no desenvolvimento de um sistema de extração associado a um processo de pré-tratamento conduzido sob condições moderadas (severidade reduzida). Basicamente, compreende-se um processo de tratamento de biomassa vegetal através de uma etapa de desfibração da cana, seguida da extração do caldo rico em açúcares da biomassa vegetal por moagem ou difusão, complementada pelo (pré)tratamento da biomassa vegetal desfibrada e extraída (bagaço) com agentes químicos, no contexto das etapas subsequentes de sacarificação (produção de carboidratos) e conversão dos carboidratos disponibilizados através de processos fermentativos, por exemplo, para a produção de etanol de 2a geração, além de outros produtos derivados da transformação química e bioquímica dos carboidratos produzidos.
Em uma forma preferencial da invenção, o processo compreende as etapas de:
a) desfibração da biomassa vegetal;
b) extração opcional de parte do caldo por moagem ou difusão, onde a moagem compreende até 3 ternos; e
c) tratamento da biomassa vegetal desfibrada sólida de b) com agentes químicos sob diferentes níveis de severidade (S) compreendido na faixa que vai de 3,10 a 4,50.
Desfibração
Durante a etapa de desfibração, a biomassa da cana é introduzida em um moinho de navalhas ou facas (picador), ou equipamento similar, de modo que ocorre um substancial incremento da área exposta (superfície de contato) da biomassa maximizando a impregnação da a água de embebição utilizada na etapa de extração, bem como com os agentes físico-químicos utilizados na etapa de pré-tratamento. A adequada desfibração proporciona adequada embebição da cana, que promove, portanto, maior eficiência e rendimento de extração do caldo durante a etapa de moagem, incrementando a produção de açúcar e etanol de 1 a geração.
Extração
A cana desfibrada e tratada é então introduzida em um conjunto de extração composto por no máximo 3 (três) conjuntos de rolos (ternos), preferencialmente 2 (dois) conjuntos de rolos, nos quais ocorre a moagem da cana desfibrada em presença de água de embebição, produzindo-se uma fração líquida (caldo) e uma fração sólida (bagaço de cana).
Comparativamente ao sistema convencional, que utiliza de 4 a 5 ternos, a configuração simplificada dos equipamentos, aqui evidenciada pelo menor número de rolos (ternos) caracteriza uma substancial redução da demanda energética, em razão da menor necessidade de potência de acionamento dos ternos. Consequentemente, a menor demanda energética resulta em significativa redução da quantidade de bagaço queimado na caldeira (para produção de energia) e, deste modo, aumenta-se a disponibilidade desta biomassa para conversão em açúcares e etanol de 2a geração. A título de exemplo, pode-se obter uma redução de cerca de 60% na demanda energética das operações de extração, representando-se uma economia global de energia (e bagaço processado) potenciàlmente superior a 40%, com a configuração adotada na presente invenção.
Tratamento Moderado
Após as etapas de desfibração e moagem, submete-se a fração sólida
(bagaço) a um pré-tratamento moderado (reduzida severidade) com vistas a disponibilizar os carboidratos presentes nas frações celulose e hemicelulose, em particular glicose e xilose, no contexto das conversões subsequentes (e.g purificação, hidrogenação, fermentação), com vistas á produção de etanol de 2a geração (celulósico) e outros produtos, por exemplo. Em virtude da presença de carboidratos residuais na biomassa (particularmente sacarose proveniente da moagem), demanda-se o emprego de condições moderadas de processo (e.g. temperatura, pressão, tempo reacional), bem como utilização de agentes químicos tais como catalisadores (e.g. amónia, hidróxido de amónio, dióxido de enxofre) com a finalidade de minimizar a degradação sacarídica e, consequentemente, do rendimento produtivo global. Tais medidas possibilitam produzir biomassas pré-tratadas com elevada acessibilidade da celulose aos agentes hidrolíticos utilizados na sacarificação, enquanto a degradação dos carboidratos tende a se processar em nível reduzido.
Na presente invenção, apresentam-se exemplos concernentes ao tratamento das diversas biomassas (cana desfibrada e/ou bagaço do 2o terno) utilizando-se sistemas catalíticos (e.g. pré-tratamento alcalino com amónia ou hidróxido de amónio), além de processos não-catalíticos e auto-catalíticos empregando vapor ou água como agentes químicos. Os produtos resultantes do processo de tratamento podem ser utilizados em diversos processos tais como produção de enzimas, hidrólise enzimática, fermentação, dentre outros, sendo alguns exemplos citados abaixo.
Nível de Severidade (S)
O nível de severidade do tratamento da biomassa de acordo com a presente invenção é um índice que considera a pressão, temperatura e tempo de reação utilizados. Para efeitos da presente invenção, o nível de severidade S é equivalente a Log R0.
Produção de enzimas
O processo de obtenção de enzimas compreende o cultivo submerso ou semi-sólido em fermentadores de um microrganismo específico em substratos contendo bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado, por exemplo. Procede-se à etapa de pré-inóculo a partir do estoque em meio sólido em tubo de ensaio, onde se realiza a suspensão dos esporos em meio de cultivo. Uma composição típica de um meio de cultivo preferencial consiste na biomassa pré-tratada, uma fonte de carboidrato (e.g sacarose, caldo de cana purificado, melaço tratado), uma fonte de proteína vegetal (e.g. proteína de soja) além de adjuvantes químicos e nutrientes tais como sulfato de amónio, uréia, fosfato de potássio, sulfato de magnésio, cloreto de cálcio, surfactantes, antibióticos e anti-espumantes. O volume de inoculo pode variar conforme as características dos equipamentos disponíveis e do tempo de processo desejado.
A suspensão dos esporos em meio de cultivo é transferida, sob condições de total assepsia, do tubo de ensaio aos frascos de cultivo, e destes a uma mesa incubadora com agitação ("shaker"). As condições de cultivo geralmente empregam temperatura variando entre 26 °C e 34°C em processos conduzidos sob agitação mecânica variando entre 80 rpm e 160rpm, com taxas de aeração da ordem de 6 vvm a 8 vvm, de modo a garantir saturação de oxigénio da ordem de 35%.
O processo de produção de enzimas através de fermentação demanda um tempo reacional estabelecido conforme a formulação enzimática que se objetiva produzir. Geralmente tais processos ocorrem entre 80 e 160 horas de tempo operacional (carga, tempo reacional e descarga) considerando-se as operações intermediárias de controle e correção de pH, amostragens e controle da taxa de aeração.
Processo Fermentativo
A etapa de fermentação pode ser realizada após a hidrólise enzimática, via processo conhecido como SHF (Separated Hydrolysis and Fermentation, isto é, Hidrólise e Fermentação Separadas), ou concomitante com a hidrólise, em um processo conhecido como SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation, isto é, Sacarificação e Fermentação Simultâneas). Dependendo da concentração dos açúcares produzidos na hidrólise enzimática, pode-se optar pela adição ao meio reacional de uma solução sacarídica concentrada, variando entre 80 g/L e 820 g/L, preferencialmente entre 120 g/L e 200 g/L (e.g. melaço ou caldo de cana).
A presente invenção também contempla a possibilidade de se realizar simultaneamente o pré-tratamento enzimático das hemiceluloses, a hidrólise enzimática da celulose e a fermentação de maneira simultânea, caracterizando um bioprocesso consolidado (CBP - Consolidated BioProcess) utilizando a biomassa tratada como substrato.
Preferencialmente, adiciona-se uma solução sacarídica concentrada ("booster"), preferencialmente melaço e opcionalmente caldo de cana, ao fermentador no início ou durante o processo, podendo-se, no entanto, operar sem adição solução sacarídica. A solução sacarídica ("booster") apresenta concentração de açúcares variando entre 80 g/L e 820 g/L, preferencialmente entre 120 g/L e 200 g/L.
Exemplo 1. Produção de carboidratos e etanol a partir de bagaço de cana produzido mediante preparo não-convencional (cana picada ou bagaço de proveniente do 1° ou 2° conjunto de rolos) utilizando pré-tratamento catalítico alcalino AFEX/AHFEX (Ammonia ou Ammonium Hydroxyde Fiber Explosion), hidrólise enzimática e fermentação etanólica. A operação de pré-tratamento alcalino AFEX/AHFEX consiste na carga da biomassa (sem tratamento prévio, tal como lavagem, moagem ou separação granulométrica). Após carga do reator descontínuo, inicia-se a impregnação da biomassa com o agente químico (amónia ou hidróxido de amónio) durante o aquecimento. Após atingida a pressão e temperatura operacional (7,0 - 15,0 kgf/cm2, 90-160°C), procede-se à reação deixando-se a mistura em "cozimento" (cooking) durante o tempo operacional (10-120) minutos, após o qual procede- se à abertura (súbita ou controlada) da válvula de descarga localizada na base do reator, promovendo-se uma descompressão do mesmo, com expulsão da massa para um sistema de ciclone ou tanque de coleta do material pré-tratado.
A Tabela 1 apresenta os resultados de um processo integrado de produção de carboidratos, etanol de 1a geração e etanol de 2a geração a partir de cana picada e bagaço de 2o terno pré-tratado por AFEX/AHFEX. Utilizou-se a técnica de Sacarificação e Fermentação Simultâneas (SSF) empregando enzimas celulolíticas (celulases), β-glicosidases e hemicelulases com vistas à produção de carboidratos (e.g. glicose e xilose) a partir do bagaço ou da cana picada. Em alguns casos, procedeu-se á incorporação de melaço como fonte de açúcares redutores totais (técnica de "boosting") com a finalidade de promover a reação de conversão bioquímica dos carboidratos em etanol.
Tabela 1
A B C D E F
Fonte dos açúcares Fibra Fibra Fibra / Fibra / Melaço . Melaço apenas apenas melaço melaço apenas apenas
Tipo de fermentação SSF SSF SSF SSF Conv. Conv.
Biomassa 129.1 129.1 129.1 129.3 0.0 0.0 pré-tratada úmida (g)
Carga de sólidos (%) 1.0 1.0 0.7 0.7 0.0 0.0
Carga de caldo 0.0 0.0 376.7 376.5 113.0 113.0 ou melaço (g)
Celulase 10.8 10.8 10.8 10.8 0.0 0.0
(g/100g biomassa)
β-glicosidase 2.5 2.5 2.5 2.5 0.0 0.0
(g/100g biomassa)
Hemicelulase 0.9 0.9 0.9 0.9 0.0 0.0
(g/100g biomassa)
Inoculo (g) 26.9 26.9 38.6 38.6 5.0 5.0
Cone. total 1.6 1.6 10.0 9.9 12.0 12.0 açúcares (%)
Açúcares do caldo
ou melaço (g) 0.0 0.0 119.9 119.9 36.0 36.0
Açúcares da 15.9 15.9 15.9 15.9 0.0 0.0 fibra (g)
Conversão da 100 100 100 100 n.a. n.a. celulose (%)
Fermento base 9.0 9.0 13.0 13.0 2.0 2.0 seca (g)
Tipo do etanol 2G 2G 1G / 2G 1G / 2G 1G 1G
Rendimento 53.3 57.9
fermentativo (%) 77.2 76.7 71.6 69.9
1G: Etanol de primeira geração; '2G: Etanol de segunda geração. SSF. Sacarificação e Fermentação Simultâneas (Simultaneous Saccharification and Fermentation); Conv: Convencional
Conforme se pode evidenciar na Fig. 9, a combinação do hidrolisado enzimático com o melaço tende a favorecer o desempenho do microrganismo (Saccharomices cerevisae) utilizado no processo fermentativo, caracterizando uma sinergia positiva entre os processos de etanol de 1a geração (utilizando-se apenas melaço) e 2a geração (utilizando apenas fibra).
Exemplo 2. Produção de carboidratos a partir de bagaço de cana produzido sob moagem convencional utilizando pré-tratamento STEX [Steam Explosion) em sistemas não-catalíticos
Em princípio, a operação de pré-tratamento com vapor consiste na carga da biomassa (sem tratamento prévio, tal como lavagem, moagem ou separação granulométrica). Após carga do reator descontínuo, inicia-se o aquecimento mediante injeção de vapor saturado (20-23 kgf/cm2) em contato direto com a biomassa contida no reator (vide perfil operacional típico apresentado na Figura 10), de modo a atingir-se a pressão e temperatura operacional (12,0 - 20,0 kgf/cm2, 160-220°C) utilizando-se uma rampa de aquecimento apropriada. Em seguida, procede-se à reação propriamente dita deixando-se a mistura em "cozimento" ("cooking') durante o tempo reacional (2-20) minutos, após o qual procede-se à abertura da válvula de descarga do reator, promovendo-se uma descompressão súbita do mesmo, com expulsão da massa para um sistema de ciclone, onde o material pré-tratado é coletado. Para os processos de pré-tratamento com vapor em sistemas catalíticos e não-catalíticos, o tempo necessário para alcançar a pressão de trabalho pode contribuir consideravelmente na severidade do processo. Além disso, a rampa de pressurização, e consequentemente o perfil de temperatura, pode ser considerada uma variável do processo com significativo impacto nas características da biomassa pré-tratada. A necessidade de investigar diferentes perfis de pressurização e aquecimento sob diferentes níveis de severidade requer uma abordagem integralista das severidades para cada intervalo de tempo numa faixa de temperatura média, através da seguinte equação:
Figure imgf000028_0001
onde ti e t.2 referem-se aos tempos inicial e final do intervalo, dados em min, para uma temperatura média do intervalo de processo T, expressa em °C.
Os exemplos a seguir referem-se a processos de pré-tratamento com vapor utilizando-se bagaço de cana-de-açúcar produzido através de moagem convencional, contendo aproximadamente 39% de celulose (37-41 %), 22% de xilanas (18-26%) e 23% de lignina insolúvel em ácido (17-26%). Os processos foram conduzidos sob níveis de severidade (Log R0) variando entre 3, 16 e 4,28 (14,0 - 18,5 kgf/cm2, 0 - 10 min) em sistemas não-catalíticos ou auto-catalíticos, utilizando a própria água contida no bagaço original. Diferentes perfis de pressurização e conseq Cientemente aquecimento do reator foram investigados, o que inclui rampa suave (1 , 1 ± 0,5 kgf/cm2/min), intermediária (2,8 ± 0,5 kgf/cm2/min) e intensa (5,5 ± 1 ,0 kgf/cm2/min), descompressões suaves e súbitas, realizadas a pressões em torno de 1 1 ,0 ± 1 ,0 Kgf/cm2 e na pressão de patamar respectivamente. Também se buscou investigar a influência da carga do reator, particularmente a taxa de ocupação do equipamento (head spaces 0 e 50%), sobre as características do bagaço pré-tratado. Na Tabela 2, são apresentadas as características dos quatro perfis típicos investigados, levando- se em consideração o tipo de rampa e descompressão. Perfis típicos podem ser visualizados através das Figuras 10 a 24. As variáveis operacionais e severidade do processo para cada um dos experimentos investigados são apresentados nas Tabelas 3 a 6, onde estão agrupados os experimentos realizados para cada um dos perfis típicos.
Tabela 2: Perfis típicos contendo tipo de rampa e descompressão.
Perfil Característico Rampa Descompressão
Suave
1 Súbita
(1 ,1 ± 0,5 kgf/cm2/min)
Intensa
2 Súbita
(5,5 ± 1 ,0 kgf/cm2/min)
Intermediaria
3 Suave
(2,8 ± 0,5 kgf/cm2/min)
Intermediaria
4 Súbita
(2,8 ± 0,5 kgf/cm2/min)
Os processos de pré-tratamento do bagaço resultam em substratos com elevados teores celulósicos e alta reatividade enzimática em diferentes condições de processo, incluindo-se pressões reduzidas da ordem de 14 kgf/cm2. Evidencia-se máxima reatividade para os níveis de pressão de 17 kgf/cm2 e tempo reacional de 10 min, caracterizando severidades próximas a 4,30. Observa-se que para este nível de severidade se produz um bagaço pré- tratado com menor teor de xilanas e elevado teor de glicanas. A remoção intensa e seletiva de xilanas tende a produzir substratos com elevada acessibilidade das enzimas à matriz celulósica, resultando em elevadas conversões em glicose. Observa-se que o emprego de condições muito severas tende a incrementar solubilização da celulose e subseqúente remoção de glicanas para a fase líquida, sob a forma de glicose e produtos de degradação, prejudicando o rendimento produtivo global.
As tabelas à continuação apresentam as composições dos bagaços pré- tratados com vapor produzidos sob diferentes perfis de processo em sistemas não-catalíticos (ou auto-catalíticos). Separadamente, apresentam-se os rendimentos dos processos de produção de carboidratos mediante hidrólise enzimática (expressos através da conversão da celulose em glicose) realizados sobre os diversos bagaços pré-tratados utilizando-se formulações de celulases e β-glicosidase,
Tabela 3 : Composições, sólidos solúveis e rendimento da hidrólise enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes condições operacionais e severidades do processo para experimentos com rampa suave (1 ,1 ± 0,5 kgf/cm2/min) e descompressão súbita. Head space zero e carga de sólidos de 71 kg/m3 reator.
Composição Rendimento
Bagaço pré-tratado (% ) Hidrólise Enzimática (%) Glicana Xilana Lignina 24h 48h
14,0 2 199 3,71 56,80 11 ,16 29,01 45,14 53,94
14,0 5 198 3,84 58,86 6,54 30,49 62,65 63,66
14,0 8 197 3,92 56,17 6,40 30,50 64,80 69,69
14,0 10 198 3,91 52,31 6,38 33,40 55,15 62,55
15,0 2 198 3,74 57,43 8,99 29,23 51 ,24 58,86
15,0 5 201 3,93 58,04 4,77 32,65 64,03 78,84
15,0 8 200 3,99 58,03 5,51 41 ,83 65,14 77,82
15,0 10 201 3,99 52,79 4,80 34,31 63,10 70,57
16,0 3 201 3,95 59,72 4,57 32,16 69,15 77,50
16,0 5 204 4,06 58,67 3,73 33,44 67,19 76,77
16,0 8 202 4,09 59,60 3,34 42,79 74,93 77,96
16,0 10 201 4,02 53,98 3,22 35,74 71 ,36 80,25
17,0 2 205 4,03 56,56 4,36 33,00 71 ,88 75,88
17,0 5 205 4,08 57,43 3,50 34,05 71 ,55 79,70
17,0 8 202 4,12 55,54 3,24 35,46 79,72 82,43
17,0 10 206 4,15 57,41 2,37 38,27 59,77 70,39
18,5 0 205 3,16 48,66 15,85 30,73 30,01 38,14
18,5 2,5 207 3,69 59,97 9,04 28,79 55,11 61 ,90 18,5 5 209 4,01 55,57 4,07 33,80 66,75 77,57
Rendimento da hidrólise enzimática expresso em termos de conversão da celulose em glicose
Tabela 4: Composições, sólidos solúveis e rendimento da hidrólise enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes condições operacionais e severidades do processo para experimentos com rampa intensa (5,5 ± 1 ,0 kgf/cm2/min) e descompressão súbita. Head space: zero. Carga de sólidos: 71 kg/m3 reator.
Rendimento
Composição
P T T Hidrólise
S Bagaço pré-tratado (% )
Enzimática (%)
(atm) (min) (°C) Glicana Xilana Lignina 24h 48h
17,0 2 205 3,67 47,64 10,39 26,57 38,51 48,07
17,0 5 206 3,86 54,60 4,58 31 ,52 58,94 69,91
17,0 7 204 4,02 58,06 3,15 34,81 65,83 71 ,44
17,0 10 202 4,04 50,87 2,27 35,17 77,60 87,54
Tabela 5: Composições, sólidos solúveis e rendimento da hidrólise enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes condições operacionais e severidades do processo para experimentos com rampa intermediaria (2,8 ± 0,5 kgf/cm2/min) e descompressão suave (11 ,0 ± 1 ,0 Kgf/cm2). Head space: zero. Carga de sólidos: 71 kg/m3 reator.
Rendimento
Composição
Hidrólise Enzimática
Bagaço pré-tratado (% )
(%)
(atm) (min) (°C) Glicana Xilana Lignina 24h 48h
14,0 5 199 3,97 55,33 4,84 31 ,92 64,09 65,09
14,0 10 194 3,92 59,10 6,27 31 ,52 54,95 65,17
15,0 5 200 4,15 56,40 3,41 36,16 65,81 70,25
15,0 10 200 4,13 56,67 4,99 32,98 61 ,23 67,20
16,0 5 202 4,16 56,63 3,33 35,70 68,74 77,18 17,0 5 203 4,01 54,26 3,35 33,30 68,58 70,94 17,0 10 203 4,28 55,49 2,08 37,53 82,99 81 ,98
Tabela 6: Composições, sólidos solúveis e rendimento da hidrólise enzimática dos bagaços pré-tratados sob diferentes condições operacionais e severidades do processo para experimentos com rampa intermediária (2,8 ± 1 ,0 kgf/cm2/min) e descompressão súbita. Head space: 50%. Carga de sólidos: 46 kg/m3 reator.
Rendimento
Composição
Hidrólise
Bagaço pré-tratado (% )
Enzimática (%)
(atm) (min) (°C) Glicana Xilana Lignina 24h 48h
15,0 5 200 3,72 48,93 7,37 30, 12 75,84 80,54
15,0 10 200 4,00 50,19 3,98 33,55 75,41 93,40
17,0 5 206 3,94 54,84 4,83 32,78 68,89 72,63
18,5 2,5 208 3,76 52,7 5,8 31 , 1 57,38 74,66
Exemplo 3. Produção de carboidratos a partir de bagaço de cana produzido sob moagem convencional utilizando pré-tratamento STEX (Steam Explosion) em sistemas auto-catalíticos. As tabelas 7 e 8 apresentam a composição do bagaço pré-tratado com vapor em sistemas auto-catalisados com ácido acético proveniente da desacetilação das hemiceluloses (xilanas). Observa-se que o mesmo apresenta teor de glicanas significativamente superior e um teor de xilanas significativamente inferior àquele verificado na biomassa original. Isto decorre basicamente da intensa e seletiva remoção das hemiceluloses durante o processo, também evidenciado pela acidez da biomassa produzida (pH na faixa 3-4), bem como pelo maior teor de xilose e reduzido teor de glicose nos sólidos solúveis. Observa-se nítida predominância de compostos não-sacarídicos entre os sólidos solúveis, indicando provável conversão de carboidratos (particularmente xilose e arabinose) e de lignina em espécies químicas tais como ácidos orgânicos (e.g. ácido acético) e compostos fenólicos. Em resumo, evidencia-se que o pré-tratamento do bagaço realizado nas condições operacionais apresentadas caracteriza-se por uma elevada eficiência produtiva, em função da elevada extração intensa e seletiva de hemiceluloses, com reduzida perda celulósica na fibra.
Tabela 7. Composição do bagaço pré-tratado
Componente %
Umidade 58,3
Sólidos Totais 41 ,7
Sólidos Insolúveis (Fibra) 79,3
Glicanas 55,4
Xilanas 3,2
Lignina 35,4
Outros 6,0
Sólidos Solúveis (SS) 20,7
Glicose 3,8
Xilose 14,5
Arabinose 0,8
Outros 80,9
A Tabela 8 e a Figura 25 apresentam as conversões da celulose em glicose obtidas mediante hidrólise do bagaço pré-tratado com diferentes cargas de enzimas, tempos de processo e cargas de sólidos, utilizando-se celulase e β- glicosidase.
Tabela 8. Hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado com vapor.
Condição Carga de Carga de Tempo de Conversão sólidos celulase hidrólise da celulose
(%) (FPU/g fibra) (h) (%)
1 8 7,5 24 38
2 8 7,5 48 55
3 8 15,0 24 61
Figure imgf000034_0001
Exemplo 4. Produção de carboidratos a partir de bagaço de cana utilizando pré-tratamento WEX {Wet ou Water Explosion) em sistemas catalíticos e não-catalíticos (auto-catalíticos)
Em princípio, a operação de pré-tratamento WEX (Water Explosion ou Wet Explosion) consiste na carga do reator com a biomassa juntamente com os reagentes. Diferentemente do processo STEX, o aquecimento é realizado sem injeção de vapor na biomassa. Neste sistema, ocorre vaporização de parte da água presente no meio reacional, produzindo-se vapor "dentro da câmara" durante o período em que se atinge a pressão e temperatura operacional através de uma rampa de aquecimento apropriada. Em seguida, procede-se à reação propriamente dita deixando-se a mistura em "cozimento" (cooking) durante o tempo reacional. Em seguida, procede-se à descarga do reator mediante abertura da válvula, promovendo-se uma descompressão súbita do equipamento, e subsequente envio da biomassa pré-tratada para um tanque de coleta.
Para os processos de pré-tratamento WEX em sistemas catalíticos e não-catalíticos, o tempo necessário para alcançar a temperatura de trabalho influencia a severidade global do processo, com impacto nas características da biomassa pré-tratada. Diferentes perfis de pressurização e aquecimento sob diferentes níveis de severidade podem ser integrados para cada intervalo de tempo numa faixa de temperatura média, através da seguinte equação que caracteriza a severidade do processo.
Figure imgf000034_0002
onde t-i e t2 referem-se aos tempos inicial e final do intervalo, dados em min, para uma temperatura média do intervalo de processo T, expressa em °C. À continuação, apresentam-se exemplos de processos de pré- tratamento WEX utilizando-se bagaço produzido através de moagem convencional, contendo aproximadamente 39% de celulose (37-41 %), 22% de xilanas (18-26%) e 23% de lignina insolúvel em ácido (17-26%). Os processos foram conduzidos em sistemas não-catalíticos ou auto-catalíticos, utilizando a própria água contida no bagaço original. Diferentes condições operacionais de temperatura (190 - 210 °C), tempo reacional (4 - 12 min), carga de catalisador (0 - 1 ,6 g/100g bagaço seco , hidromódulo ou razão líquido:sólido (10 - 20) e head-space (0 -50%) foram utilizadas em perfis característicos, conforme indica a Tabela 9 e a Fig. 26.
Tabela 9 . Condições experimentais empregadas em alguns processos WEX catalíticos e não-catalíticos.
# Temperatura Tempo Cone. Hidro Head
(°C) (min) H3PO4 Módulo Space
(g/100g BS (L/S) (%)
1 190 4 0 10 50
2 210 4 0 10 0
3 190 12 0 10 0
4 210 12 0 10 50
5 190 4 1 10 0
6 210 4 1 10 50
7 190 12 1 10 50
8 210 12 1 10 0
9 190 4 0 20 50
10 210 4 0 20 0
1 1 190 12 0 20 0
12 210 12 0 20 50
13 190 4 1 20 0
14 210 4 1 20 50
15 190 12 1 20 50
16 210 12 1 20 0
17 200 8 0,5 15 25
18 200 8 0,5 15 25
19 200 8 0,5 15 25
20 200 8 0,5 15 25 A Tabela 10 e a Figura 27 apresentam os principais parâmetros produtivo-operacionais do processo WEX (catalítico e não catalítico) de pré- tratamento do bagaço, nos quais o termo H refere-se ao hidromódulo (razão líquido-sólido), HS refere-se ao head-space e o termo C refere-se à carga catalítica empregada.
Tabela 10 - Parâmetros produtivo-operacionais do processo WEX (catalítico e não catalítico) de pré-tratamento do bagaço. H: Hidromódulo. HS: Head-space. C: carga catalítica.
Figure imgf000036_0001
10 64 14 21
0 50
20 83 10 7
4
10 72 15 12 1 0
20 62 12 25
190
10 59 13 28 0 0
20 67 11 21 12
10 62 12 25 1 • 50
20 65 13 22
15 50 1 1 39
15 65 10 25
200 8 . 0,5 25
15 54 12 34 15 58 8 34
10 59 15 26
0 0
20 48 10 42
4
10 58 9 33 1 50
20 74 10 16
210
10 56 6 38 0 50
20 52 9 40
12
10 57 5 38 1 0
20 49 9 42

Claims

Reivindicações PROCESSO DE TRATAMENTO DE BIOMASSA VEGETAL
1. Processo de tratamento de biomassa vegetal caracterizado por compreender as etapas de:
a) desfibração da biomassa vegetal;
b) extração opcional de parte do caldo por moagem ou difusão, onde a moagem compreende até 3 ternos; e
c) tratamento da biomassa vegetal desfibrada sólida de b) com agentes químicos sob diferentes níveis de severidade (S) compreendido na faixa que vai de 3,10 a 4,50.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela biomassa vegetal ser escolhida do grupo que compreende biomassa herbácea; cultivares pertencentes aos géneros Lolium, Spartina, Panicum, Miscanthus, cana-de-açúcar, palhas de trigo, arroz, centeio, cevada, aveia, milho, capim- elefante "switchgrass"; madeira; troncos e talos de bananeira; cactáceas, papelão, serragem, jornal e combinações dos mesmos.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela biomassa vegetal ser cana-de-açúcar.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela etapa de desfibração compreender a introdução da biomassa em um equipamento capaz de aumentar a superfície de contato.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo equipamento ser um moinho de navalhas ou facas ou um picador.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela etapa de moagem compreender 2 ternos.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelos agentes químicos serem escolhidos do grupo que compreende amónia, hidróxido de amónio, dióxido de enxofre, vapor d'água, água e combinações dos mesmos.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela etapa c) ser um processo não-catalítico ou auto-catalítico.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento catalítico alcalino AFEX.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento catalítico alcalino AHFEX.
1 1. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento STEX em sistemas não-catalíticos.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento STEX em sistemas auto-catalíticos.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento WEX em sistemas não-catalíticos.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo tratamento ser o tratamento VVEX em sistemas auto-catalíticos.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelos produtos resultantes das etapas b) e/ou c) serem utilizados para produção de enzimas, hidrólise enzimática, fermentação e combinações dos mesmos.
16. Biomassa vegetal tratada caracterizada por ser obtida por um processo conforme descrito nas reivindicações 1 a 14.
17. Biomassa vegetal, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por ser utilizada para produção de carboidratos, enzimas e/ou etanol.
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